沿海缺水城市非常規與常規水源協同配置方法研究

姚 越， 周長青

(中國城市規劃設計研究院，北京100044)

1 引言

由于自然條件有限和城市規模快速擴張等因素，我國沿海缺水城市經濟社會發展受到水資源的嚴重制約，提升城市供水能力和水資源利用水平的需求十分迫切。非常規水源具有獲取便利性、成本廉價性、資源再生性等優點，引入非常規水源等可利用水源能有效緩解水資源危機[1]。積極探索非常規與常規水源協同配置方法，構建多水源供水結構，對沿海缺水城市的經濟社會發展具有十分重要的意義。

目前，已有學者分別從供水效益、可持續利用、低碳發展等不同角度出發，對缺水城市的多水源配置方法進行了研究。例如，張田媛等[2]在北京市供水系統中納入再生水，通過構建清水與再生水協同利用優化模型，實現供水系統凈效益最大化的單一目標。張相忠等[3]通過對比海水與自來水、再生水的成本、生產工藝、水質特點等，建議將海水作為沖廁水引入青島市城市供水結構。彭澄瑤等[4]重點以城市水資源可持續利用為目標，針對天津生態城等新區建設，通過梳理新區城市水循環系統結構、核算供需水量平衡，構建以多水源配置為核心的水資源利用模式。嚴登華等[5-6]在水資源配置中引入低碳、公平的理念，將碳的凈排放約束納入水資源優化配置模型中，構建基于低碳發展模式的水資源配置模型。

2 水資源協同配置原則與目標

2.1 非常規水源供給特征

目前，技術較為成熟、推廣程度較高的非常規水源類別一般包括再生水、海水淡化水和雨水等。各類非常規水源原水不同，因此水量、水質與常規水源相比均存在較大差異，導致供水方式也具有一定的特殊性。

① 分散性

非常規水源利用由于原水的特殊性以及系統性規劃的缺失，往往難以有完善的市政收集、處理、輸送設施系統，無法實現與常規水源同等規模的集中供給系統。對于再生水，除集中式再生處理和市政管網輸配的供水模式外，以企業單位或居民小區自產污水為原水的分散式再生處理和自產自用的再生水供水模式也占到一定比例；對于海水淡化水，一般不單獨建設長距離的海水淡化水輸水系統，而是與常規水源摻混使用或分散式點對點供水；對于雨水，一般通過分散的源頭海綿設施或調蓄設施進行資源化利用。

② 特質性

由于非常規水源的原水水質和處理工藝與常規水源存在較大差異，非常規水源水質具有一定的特殊性，因此適宜在特定用途替代部分常規水源。再生水和雨水處理工藝簡單，水質未達到市政供水的《生活飲用水衛生標準》(GB5749—2006)，適宜在市政雜用、景觀回用等低質用水途徑中加以利用；海水淡化水水質優良，可作為市政供水與常規水源摻混利用，但由于其水質的特殊性，仍需控制一定的摻混比例。

③ 補充性

非常規水源水質和水量的特殊性、供水的經濟性和用途的局限性等方面的約束，決定了非常規水源供水范圍和供水設施布局的有限性，它可以作為常規水源供水的有效補充，在城市供水體系中位于從屬地位。

2.2 水資源協同配置原則

水資源配置的核心是對應具體情況下的水資源供需平衡分析，以實現水量、水質、時間和空間等各層面的合理配置[7]。根據非常規水源的供給特征，為了盡可能提高水資源協同配置效益，需按照以下原則確定配置方法。

① 供水安全優先保障原則

滿足城市居民生活、經濟環境和社會發展用水，確保城市供水安全，是城市多水源配置的基本要求，也是城市多水源配置方案選擇的出發點和落腳點。在水資源配置中應優先確保城市生產生活需水量能夠得到滿足，確保相關供水系統水質達標，充分保障供水安全。

② 水量水質協同互補原則

非常規與常規水源都是城市供水系統中的有機組成部分，各類水資源應協同互補，各自發揮其優勢和作用，整體實現較好的經濟、環境和社會效益。在配置過程中結合城市空間結構、水系布局、水源條件、產業布局等，充分發揮非常規水源對常規水源的補充和協同作用，替換城市對部分新水的需求，同時滿足用戶的分質供水需求，促進水資源高效集約利用。

③ 供水系統經濟高效原則

在城市供水系統配置中，經濟成本是決定供水方案可行性和持續性的重要因素。應充分考慮非常規水源的成本價格優勢，合理確定開發利用規模，提高供水的經濟效益。

④ 協同配置全局統籌原則

城市多水源供水是復雜的系統性工程，涉及社會、經濟、環境不同屬性和布局規劃、工程設計、系統運維等多個環節，在配置規劃中應建立全局視角，統籌考慮不同屬性效益最大化的需求，從長遠角度出發，統一配置各類水資源。

2.3 水資源協同配置目標

水資源配置涉及水資源保護與利用、社會經濟發展等多個方面，單一的供水保障目標已不能滿足城市發展的新要求，應從社會效益、經濟效益、環境效益等多角度出發，明確各方面的目標要求。

社會效益最大化：滿足城市用水需求，水質安全達標，城市新水取水量最小。

經濟效益最大化：供水成本降低，水資源利用效率最高。

環境效益最大化：降低污染物排放量，對水環境的不利影響最小。

在此基礎上，按照多目標決策思路，實現綜合效益最大化。

3 水資源協同配置方法

非常規與常規水源協同配置由于配置目標、可選模式和空間布局多樣性等因素帶來方法的復雜性問題，筆者在遵循水資源協同配置原則的基礎上，集成各配置過程所需考慮的因素，構建多層次的定量配置方法，其框架如圖1所示。

圖1 非常規與常規水源協同配置方法框架Fig.1 Framework of collaborative allocation method of unconventional and conventional water resources

3.1 目標識別

通過非常規和常規水源水量水質特征分析，對水資源協同配置的目標和原則已有初步的定性認識。在此基礎上，以問題為導向對目標進行進一步的識別。

分析現狀問題所需的基礎資料可分為歷史及現狀數據和已有的規劃數據。其中，歷史及現狀數據既包括城市人口演變、用地情況、自然地理條件等基礎要素，也包括城市社會水循環系統相關的各類信息，如供用水水平、污水處理及排放水平、各類非常規水源利用現狀等；已有的規劃數據包括水資源和水環境相關的各類規劃信息，例如城市總體規劃或國土空間規劃、供排水專項規劃、海綿城市專項規劃等。

從基礎資料中對比歷史、現狀及規劃情況，有條件時結合類似城市的數據進行對比，分析現有水資源配置系統的不合理性，包括城市新水取水量計算、供水水質不合理區域分布識別、歷年供水系統運行成本統計、非常規水源開發利用成本計算等。基于各項問題，明確水資源配置方案的優化方向和各項量化目標。

3.2 需求分析

需求分析的關鍵內容是城市需水量的預測。首先基于人口和用地情況估算城市需水總量，在此基礎上，考慮不同用水性質的用戶空間分布差異性、用水需求的季節波動性，細化用水需求，明確各城市空間內各類用水性質在不同時間段的用水量，為分區供水、分質供水、分時供水方案的制定提供依據。

此外，根據各類非常規水源對應的原水類型和工程條件等作潛力分析，確定城市在最大化開發和供水能力充分挖潛的背景下，各類非常規水源可達到的供水規模。

3.3 方案決策

非常規與常規水源協同配置是典型的多目標規劃問題，可將其概化為數學優化模型進行求解。首先，分別將社會效益、經濟效益、環境效益最大化進行量化處理，轉化為數學表達式，建立目標函數。之后，根據需求分析結果確定約束條件，一般包括各類用水性質對應的供需水量平衡、各配置單元水量平衡、非負約束等[2,8-9]。例如海水淡化水可與常規水源摻混使用，摻混比例過高會導致供水水質惡化，針對此類情況，建議增加摻混比例約束條件。

根據水資源配置模型的復雜程度選擇合理的計算工具，對于多目標線性規劃問題，可采用LINGO(linear interactive and general optimizer)軟件求解；對于時空變化尺度更精細的多目標非線性規劃問題，利用MATLAB(matrix&laboratory)軟件編程，采用遺傳算法等方法可得到精細化要求下的解集。

需要注意的是，求解水資源配置模型往往得到的是合理方案集，在實際決策中，還需要結合相關政府部門等決策主體的偏好確定最終的配置方案[10]。

4 案例分析

4.1 案例區域概況

以青島市中心城區為例，進行非常規與常規水源協同配置分析。青島市中心城區包括膠州灣東岸的市南區、市北區、李滄區、嶗山區，膠州灣北岸的城陽區，以及膠州灣西岸的西海岸新區，面積約為1 408 km2，其中建設用地規模約為660 km2。青島市多年平均降雨量僅有691.6 mm，且降雨時空分布不均，全市人均占有水資源量僅有247 m3，為嚴重缺水城市。根據《青島統計年鑒》、《水資源公報》等資料，2019年青島市中心城區常住人口為520.31萬人，用水量為5.568 1×108m3。

參與配置的水資源類別包括常規水源和再生水、海水淡化水等非常規水源，由于雨水利用的季節性強，難以成為穩定的水源，故雨水不作為非常規水源參與城市供需水平衡配置，僅作為城市生態用水的補充。根據再生水和海水淡化水等相關規劃，預計2025年再生水廠和單體再生水設施最高日供水量分別達到65.08×104和10.75×104m3/d，海水淡化產能規模可達到70×104m3/d以上。

4.2 城市需水量與供水能力預測

根據人口預測規模和人均用水定額預測中心城區需水總量，再結合歷年用水情況統計及產業政策等資料，對不同途徑用水量進行預測。根據《青島統計年鑒》中歷史常住人口數據，近年來青島市中心城區常住人口呈現穩定、低速的增長趨勢，按此趨勢擬合得到2025年、2030年和2035年常住人口分別為548.82，582.75和616.68萬人。結合近幾年《青島市水資源公報》，估算城市人均年用水量約為120～130 m3，則預計2025年、2030年和2035年青島市中心城區城市用水量分別達到6.903 0×108、7.222 8×108和7.756 5×108m3。根據近幾年《青島市水資源公報》中不同用水類別的用水量，對預測用水量進行不同類別的分配，相對應的用水量預測結果如表1所示。

表1 2025年、2030年和2035年青島市中心城區用水量預測結果Tab.1 Forecast results of water consumption of central urban area of Qingdao City in 2025, 2030 and 2035 108 m3

需要注意的是，工業用水僅為新水取水量，不包括重復利用部分；生態環境用水僅包括人為措施提供的維護生態環境的水量，不包含未經人為措施直排入河的水量。

根據青島市水安全保障政策及水源工程建設相關規劃，青島市中心城區本地水源和客水水源供水能力近期可分別達到2.214 3×108、3.647 0×108m3/a，預測2025年常規水源供水能力在此基礎上提升5%，則本地水源和客水水源供水能力可分別達到2.325 0×108、3.829 4×108m3/a，2030年和2035年按此趨勢分別進行預測。再生水供水能力按照城市污水產生量進行估算，考慮不同用水類別的耗水情況，分別按照工業、城鎮公共、居民生活、生態環境用水量的0.2，0.7，0.7和0.1計算污水產生量，在此基礎上，根據再生水利用及節水相關規劃確定再生水利用率，2025年、2030年和2035年分別取55%、60%和65%，由此得到各年的再生水供水能力。海水淡化水供水能力根據相關產業規劃和工程規模預測，2025年、2030年和2035年海水淡化水供水規模可分別達到42.26×104，61.46×104，70.00×104m3/d，由此折算出海水淡化水的年供水能力。預計2025年、2030年和2035年青島市中心城區各類水源供水能力見表2。

表2 2025年、2030年和2035年青島市中心城區供水能力預測結果Tab.2 Forecast results of water supply capacity of central urban area of Qingdao City in 2025, 2030 and 2035 108 m3·a-1

4.3 水資源協同配置模型構建

根據基礎資料，確定水資源協同配置目標與約束條件，構建水資源配置模型。

4.3.1目標函數

(1)

(2)

(3)

式中f1(X)、f2(X)、f3(X)分別代表配置方案下城市新水取水量、供水成本、單位水增加的污水中污染物含量，分別反映配置方案帶來的社會效益、經濟效益和環境效益[11]；kj為第j個用水類別權重,本研究考慮工業、城鎮公共、居民生活、生態環境4個城市用水類別，按照供水保障率確定相應權重；ΔXj為第j個用水類別對應的新水取水量[9]，以各類別下常規水源供水量計；xi,j(i=1,2,3,4，j=1,2,3,4)為第i類水資源配置到第j個用水類別的水量；ci、mi(i=1,2,3,4)分別代表本地水資源、客水、再生水、海水淡化水的供水成本和單位水增加的污水中污染物含量。

對于kj取值，工業、城鎮公共、居民生活3類用水的供水保障率一般要求分別在90%、95%、95%以上(以98%計)，生態環境用水按照工業用水的供水保障率計，則4類用水類別的權重分別為0.90，0.95，0.98，0.90。對于供水成本ci取值，參考已有研究[12]和實地調研結果，本地水源、客水、再生水、海水淡化水的單位供水成本分別取2.7，5.2，2.1和5.5 元/m3。對于單位水增加的污染物含量mi取值，以COD為代表，根據各類產品水中濃度和污水中污染物濃度差異計算，本地水資源和客水資源取253.4 g/m3，再生水和海水淡化水分別取133.4和267.35 g/m3[11]。

4.3.2約束條件

x1,j+x2,j+x3,j+x4,j≥Xdemand,j(j=1,2,3,4)

(4)

x3,3=0

(5)

(6)

(7)

式中x1,j、x2,j、x3,j、x4,j分別代表本地水資源、客水、再生水、海水淡化水在第j個用水類別的配置水量；Xdemand,j代表第j個類別的總需水量；Rmax代表海水淡化水與常規水源的最高摻混比例；Xsupply,i代表第i類水資源最大可供水規模。4類約束條件分別反映供需平衡約束、再生水水質約束(只能替代低質用水)、海水淡化水摻混比例約束、供水能力上限約束以及非負約束。

Xdemand,j、Xsupply,i的取值分別根據表1、表2得到。根據已有研究，海水淡化水與常規水源摻混比例最高為1 ∶2[13]，即Rmax取值為0.5。

此外，根據水源配置的實際配套工程建設情況等因素，可增加相應的約束條件。如部分工業企業廠區自用的海水淡化水水量相對固定，可作為配置水量的最低限值等。

4.4 水資源協同配置模型求解

研究構建的水資源配置模型為多目標線性規劃模型，選用LINGO軟件進行編程求解。采用加權系數法，將多目標問題簡化為單目標規劃模型進行求解。考慮社會、經濟、環境效益同等重要，即目標等權重，分別得到2025年、2030年和2035年對應的合理方案集，選取其中一個合理解如表3所示。

表3 2025年、2030年和2035年青島市中心城區水資源協同配置方案示例Tab.3 Example of water resource collaborative allocation scheme of central urban area of Qingdao City in 2025, 2030 and 2035 108 m3

結果表明，2025年、2030年和2035年青島市中心城區供水結構中，非常規水源占比逐漸增大，在理想狀態下，分別可達到40%、49%和52%。非常規水源是供水結構的重要組成部分，在不同用水類別中可有效替代常規水源，緩解供水保障壓力。

由于再生水開發利用成本及使用單位水增加的COD含量均為最低，提高其配置水量可達到較好的經濟效益和環境效益，因此再生水配置水量達到或接近其供水能力，主要用于城鎮公共用水和生態環境用水，此外也可作為工業用水；海水淡化水摻混在市政供水管道中，主要用于居民生活和城鎮公共用水，其余用于工業用水；常規水源主要保障居民生活用水，其余用于工業生產和城鎮公共用水。

從用水類別來看，工業用水的新水取水量主要由常規水源供給，同時海水淡化水和少量再生水也是有效補充；城鎮公共用水由常規水源、海水淡化水和再生水供應，且隨著再生水利用潛力挖掘，再生水供水比例逐漸增大，到2035年再生水貢獻80%以上；居民生活用水由常規水源和海水淡化水摻混供應，摻混比例控制在2 ∶1；生態環境用水全部由再生水供應。

在實際決策中，需要根據決策者的偏好對配置方案進行進一步比選，確定一定條件下的最優配置方案。此外，隨著政策引導、技術創新等因素的變化，水資源協同配置模型的約束條件和參數可能發生變動，需要根據實際情況進行適當修正，為決策提供有效支撐。

5 結論

針對沿海缺水城市經濟社會發展需求，引入非常規水源參與城市供水，按照供水安全優先保障、水量水質協同互補、供水系統經濟高效、協同配置全局統籌的原則進行協同配置，實現社會、經濟、環境等各方面效益最大化的目標。在此基礎上，構建包括目標識別、需求分析、方案決策3個層次的水資源定量配置方法，并在青島市中心城區加以應用。結果表明，未來非常規水源的配置比例逐漸增大，到2035年可超過50%，其中再生水主要用于城鎮公共和生態環境用水，也可作為工業用水，海水淡化水主要摻混在市政供水管道中補充居民生活用水和城鎮公共用水，其余用于工業用水。研究成果可為青島市非常規水源應用決策提供有效支撐，也為我國其他沿海缺水城市開展類似工作提供參考與借鑒。