廣東省不同區(qū)域污水資源化建設(shè)需求分析

李深林，洪昌紅，邱 靜，楊志峰

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635； 2.廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境生態(tài)工程研究院，廣東 廣州 510006; 3.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗室，廣東 廣州 510635； 4.廣東省水安全科技協(xié)同創(chuàng)新中心， 廣東 廣州 510635； 5.廣東省流域水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗室， 廣東 廣州 510635)

污水資源化就是按地表水資源標(biāo)準(zhǔn)對污水進(jìn)行無害化處理、資源化利用[1]。污水資源化一方面可以有效削減排入自然環(huán)境中的污水量，減少環(huán)境污染，改善環(huán)境質(zhì)量，另一方面無害化處理后的水資源可以作為新生水源利用，緩解水資源供應(yīng)壓力，是貫徹國家“節(jié)水優(yōu)先”治水方針的一項重要措施，是解決新時期我國水資源不足問題、改善水環(huán)境、保障國家高質(zhì)量發(fā)展的一項戰(zhàn)略性重要舉措[1]。

國內(nèi)現(xiàn)階段對污水資源化的研究主要集中在污水資源化技術(shù)、管理和效益方面。技術(shù)層面重點(diǎn)對污水處理工藝展開研究，如，陳皓琪[2]深入分析了城市污水再利用的2種處理模式以及4個主要處理工藝步驟；涂仁杰等[3]研究了利用城市污水培養(yǎng)微藻技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)污水無害化處理；曹達(dá)啟等[4]研究了藻酸鹽污水處理合成研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景；趙昕宇等[5]研究了基于斜生柵藻培養(yǎng)的城市生活廢水資源化利用。管理層面，張云等[6]提出澳門污水資源再生利用近期、中期和遠(yuǎn)期利用方案；王偉峰等[7]提出了利用濕地資源處理鄉(xiāng)鎮(zhèn)廢水的生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式；崔志清等[8]建立南水北調(diào)受水城市的污水排放預(yù)測模型，提出基于水質(zhì)分級的受水區(qū)污水利用規(guī)劃。效益層面，高旭闊等[9]從經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益等方面對再生水項目的費(fèi)用和效益進(jìn)行評價；劉曉君等[10]建立了綜合考慮各方面因素的“社會-經(jīng)濟(jì)-水資源-環(huán)境”模型，研究不同污水資源化策略的綜合效果；宿立明等[11]分析了利用濕地進(jìn)行廢水資源化的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。

國外對污水資源化的實(shí)踐研究相對較早，在部分區(qū)域已經(jīng)形成相當(dāng)成熟的產(chǎn)業(yè)。如，美國加利福尼亞州有3億m3/a的再生水用于農(nóng)業(yè)灌溉；日本早在1962年就開始污水再生利用，現(xiàn)有再生水年總產(chǎn)量1.92億m3；新加坡的樟宜新生水廠，每天生產(chǎn)約 23萬t新生水，可提供新加坡約15%的用水[1]。另外，國外學(xué)者對污水資源化技術(shù)進(jìn)行了大量研究[12-14]，同時也涉及污水資源化建設(shè)對社會經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境、土壤和地下水的影響[15]，社會文化因素對污水資源化的影響[16]，污水資源化建設(shè)方案的成本控制[17]等。

整體來講，國內(nèi)污水資源化利用尚在起步階段，大規(guī)模推動的時機(jī)還不成熟。同時，不同區(qū)域水資源的稟賦條件和供需矛盾不盡相同，對實(shí)行污水資源化利用的實(shí)際需求也有所差異。因此，十分有必要針對不同區(qū)域污水資源化的建設(shè)需求展開分析，以選擇需求強(qiáng)烈的區(qū)域開展示范性建設(shè)，推動污水資源化利用有序開展。本文采用層次分析法，從水資源開發(fā)利用需求、用水效率提升需求和水環(huán)境質(zhì)量改善需求等角度，對廣東省21個地市污水資源化的建設(shè)需求進(jìn)行綜合量化分析，以期為廣東省選擇試點(diǎn)城市開展污水資源化建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

廣東省地處珠江流域下游，多年平均降水量 1 170.5 mm，水資源總量較為豐沛，但水問題也非常突出。廣東省水資源時空分布不均、需求量大，供水矛盾十分突出。時間上，受季風(fēng)氣候影響，汛期降水占全年降水量的80%，而枯水期由于來水量不足，在歷史上多次形成冬旱和春旱災(zāi)害；空間上，珠江三角洲9市水資源總量僅占全省的30%，但GDP占比為80%，水資源空間分布與生產(chǎn)力布局嚴(yán)重不匹配；需求上，隨著粵港澳大灣區(qū)和深圳中國特色社會主義先行示范區(qū)建設(shè)不斷縱深發(fā)展，未來廣東省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的用水需求依然旺盛，水資源安全供給的壓力十分嚴(yán)峻。廣東省水環(huán)境問題突出，污水排放量大且利用率低，2018年全省廢污水排放量 114.4億t，但現(xiàn)狀污水資源化利用只有1.2億t，污水資源化率僅為1.0%。大量廢污水簡單處理后直排入河，造成河流水質(zhì)惡化，進(jìn)一步加劇了水資源短缺、水環(huán)境污染和水生態(tài)破壞等問題。開展污水資源化建設(shè)可以有效緩解以上水問題，且廣東省整體經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，具備開展污水資源化建設(shè)的經(jīng)濟(jì)條件。而且，廣東省內(nèi)各地市之間自然環(huán)境和發(fā)展水平的巨大差異，對研究差異化發(fā)展、如何科學(xué)選擇先行試點(diǎn)地區(qū)具有很強(qiáng)的代表性。

2 研究方法

選擇層次分析法(analytic hierarchy process， AHP)對不同地市污水資源化建設(shè)的需求水平進(jìn)行綜合量化分析。層次分析法是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法，可以將多指標(biāo)、多層次又存在不確定性和主觀信息的綜合評價問題通過邏輯層次進(jìn)行量化表達(dá)[18-23]。不同地區(qū)污水資源化建設(shè)需求的評價需要考慮多方面多層次的影響因素，涉及的指標(biāo)體系較為復(fù)雜，層次分析法對其具有較強(qiáng)的適用性。

2.1 評價體系構(gòu)建

鑒于污水資源化對提供穩(wěn)定再生水源、提升用水效率以及減少污染排放等方面的突出作用，對于水資源開發(fā)利用強(qiáng)度較高，用水效率提升難度較大，水環(huán)境污染嚴(yán)重的地區(qū)，污水資源化的建設(shè)需求將更加強(qiáng)烈。因此，研究選擇從水資源開發(fā)利用需求、用水效率提升需求和水環(huán)境質(zhì)量改善需求3個準(zhǔn)則層對各地市污水資源化的建設(shè)需求進(jìn)行綜合評價，評價體系如圖1所示。各項指標(biāo)的選擇旨在充分反映地區(qū)的水資源稟賦條件和水資源開發(fā)利用水平，以及其面臨的水資源和水環(huán)境問題，由此全面評估各地區(qū)對污水資源化的建設(shè)需求。實(shí)際計算時，利用歸一化后的指標(biāo)值和通過層次分析法確定的指標(biāo)權(quán)重計算加權(quán)平均值，以此作為對應(yīng)準(zhǔn)則層的評價值，然后在準(zhǔn)則層進(jìn)行同樣處理，得到不同地市污水資源化建設(shè)需求的綜合評價結(jié)果。

圖1 評價體系

2.2 指標(biāo)預(yù)處理

由于不同指標(biāo)表征的意義不同，各類指標(biāo)單位和數(shù)量級之間存在差異，在進(jìn)行綜合量化評價前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括指標(biāo)正向化和標(biāo)準(zhǔn)化。指標(biāo)包括正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)，正向指標(biāo)是指對評估結(jié)果產(chǎn)生正向作用的指標(biāo)，本研究中用水量占控制指標(biāo)比例、本地水資源開發(fā)利用率、水資源總開發(fā)利用率、農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)、地表水考核斷面劣Ⅴ類水質(zhì)比例等為正向指標(biāo)，其指標(biāo)值越大，對應(yīng)地市污水資源化的建設(shè)需求越強(qiáng)烈；負(fù)向指標(biāo)是指對最終評價結(jié)果產(chǎn)生負(fù)作用的指標(biāo)，本研究中人均水資源量、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)業(yè)用水占比、地表水考核斷面水質(zhì)優(yōu)良率等為負(fù)向指標(biāo)，其指標(biāo)值越小，對應(yīng)地市污水資源化的建設(shè)需求越強(qiáng)烈。標(biāo)準(zhǔn)化處理是將不同單位和量級的參數(shù)轉(zhuǎn)化為相同數(shù)量級的無量綱參數(shù)。本研究將不同指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化處理之后，轉(zhuǎn)化為0～5之間的非負(fù)數(shù)，并將所有指標(biāo)統(tǒng)一為正向指標(biāo)。

2.3 成對比較陣及權(quán)向量

從層次結(jié)構(gòu)模型的指標(biāo)層開始，對于從屬于(或影響)上一層每個因素的同一層諸因素，用成對比較法和1～9比較尺度構(gòu)造成對比較陣，直到最上層。成對比較的相對重要性的等級用1、3、5、7、9量化，如指標(biāo)A相對于指標(biāo)B的相對重要性的等級為1，說明指標(biāo)A相對于B同等重要，如等級為9，說明指標(biāo)A相比于指標(biāo)B顯得極端重要。對于每一個成對比較陣計算最大特征根及對應(yīng)特征向量，并進(jìn)行一致性檢驗。若檢驗通過，特征向量(歸一化后)即為權(quán)向量；若不通過，需重新構(gòu)造成對比矩陣。

2.4 綜合量化評分

按照組合權(quán)向量表示的結(jié)果進(jìn)行各地市污水資源化建設(shè)需求水平定量化評價。評價得分范圍為 0～5之間，當(dāng)評分超過3時，對應(yīng)城市的建設(shè)需求強(qiáng)烈；當(dāng)評分在1～3之間時，對應(yīng)城市的建設(shè)需求一般，即表現(xiàn)為有一定的需求，但是需求緊迫性不突出；當(dāng)評分值小于1時，對應(yīng)城市的建設(shè)需求較弱。

3 評價結(jié)果與分析

表1為需求評價結(jié)果。由表1中各地市水資源開發(fā)利用需求評價結(jié)果可見，深圳、東莞、廣州、佛山和汕頭5個地市的評分分別為4.25、3.76、3.73、3.45和3.38，說明從水資源開發(fā)利用需求的角度看，以上5個地市對污水資源化的建設(shè)需求強(qiáng)烈；珠海、梅州、惠州、汕尾、中山、湛江、茂名、潮州和揭陽9市評分在1～3之間，表現(xiàn)為一般需求；韶關(guān)、河源、江門、陽江、肇慶、清遠(yuǎn)和云浮7個地市評分在1分以下，其需求較弱。

表1 不同地市污水資源化建設(shè)需求評價結(jié)果

由表1中各地市用水效率提升需求評價結(jié)果可見，需求強(qiáng)烈的地市包括廣州、深圳、珠海、汕頭、佛山、東莞和中山7市，均為粵港澳大灣區(qū)城市或者經(jīng)濟(jì)特區(qū)；需求一般的地市是韶關(guān)、惠州、汕尾、江門、陽江、湛江、茂名、肇慶、清遠(yuǎn)、潮州、揭陽和云浮等12個地市；需求較弱的地市為河源和梅州。需求一般或者較弱的地市，其現(xiàn)狀的萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量大都較高，農(nóng)業(yè)用水占比較大，而且農(nóng)田灌溉水有效系數(shù)較低，可以優(yōu)先通過改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，尤其是農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)等手段來提高用水效率。而需求強(qiáng)烈的地市用水效率指標(biāo)已處于較為先進(jìn)的狀態(tài)，為追求用水效率的進(jìn)一步提高，對污水資源化的建設(shè)需求意向更加強(qiáng)烈。

由表1中各地市水環(huán)境改善需求評價結(jié)果可見，深圳市和東莞市水環(huán)境質(zhì)量改善的需求強(qiáng)烈，廣州、汕頭、揭陽、惠州和潮州等5個地市需求一般，珠海、韶關(guān)等14個地市需求較弱。深圳市和東莞市現(xiàn)階段考核控制斷面水質(zhì)優(yōu)良率較低(深圳42.9%，東莞28.6%)，且劣Ⅴ類斷面比例較高(深圳28.6%，東莞42.9%)，因此對水環(huán)境改善表現(xiàn)出相對強(qiáng)烈的建設(shè)需求。

由表1中各地市污水資源化建設(shè)需求評價結(jié)果可見，21個地市中，污水資源化建設(shè)需求強(qiáng)烈的為深圳、東莞和廣州3市，需求一般的為珠海、汕頭、佛山、惠州、中山、湛江、茂名、潮州和揭陽等9個地市，需求較弱的為汕尾、韶關(guān)、河源、梅州、江門、陽江、肇慶、清遠(yuǎn)和云浮等9個地市。整體來看，對污水資源化建設(shè)需求的評價結(jié)果與各地市的實(shí)際情況基本相符。需求強(qiáng)烈的地市為深圳、東莞和廣州，其共同特點(diǎn)是人均本地水資源量少，分別為229 m3，285 m3和506 m3，屬于重度甚至極度缺水城市。深圳、東莞和廣州的水資源開發(fā)利用程度很高，3市本地水資源開發(fā)利用率分別達(dá)到71.14%、86.64%和81.06%，考慮未來可能增長的用水需求，水源保障的壓力較大。同時，3市用水效率已經(jīng)達(dá)到較高水平，萬元GDP和萬元工業(yè)增加值用水量均處于省內(nèi)先進(jìn)水平，進(jìn)一步提升的空間有限。再者，3市均存在較強(qiáng)烈的水環(huán)境質(zhì)量提升改善需求，地表水考核斷面優(yōu)良率分別只有42.9%、53.8%和28.6%。開展污水資源化建設(shè)可以有效緩解3市水資源、水環(huán)境面臨的凸出問題，從而表現(xiàn)出強(qiáng)烈的需求動力。需求較弱的韶關(guān)、河源、清遠(yuǎn)和陽江等地市，本地人均水資源量均在4 000 m3以上，實(shí)際用水量只占到用水總量控制指標(biāo)的85%左右，本地水資源的開發(fā)利用潛力較大。而且，此類地市農(nóng)業(yè)用水占比較大，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用水效率都還有很大的提升空間，整體水環(huán)境質(zhì)量也較高。由于水資源和水環(huán)境問題并不突出，這些地市開展污水資源化建設(shè)的需求動力較弱。需求一般的地市如湛江和茂名等，各項指標(biāo)得分均處于中等水平，部分地市，如佛山和汕頭等地，表現(xiàn)出某一方面的水資源問題，比如汕頭人均水資源量偏少，僅為321 m3，但是其水環(huán)境狀態(tài)較好，污水資源化建設(shè)可以作為可選工程之一，但需求動力并不強(qiáng)烈。

4 結(jié) 語

本文從水資源開發(fā)利用需求、用水效率提升需求和水環(huán)境質(zhì)量改善需求3個方面，建立了廣東省各地市污水資源化需求評價層次結(jié)構(gòu)模型，對廣東省21個地市污水資源化的建設(shè)需求展開評價。評價結(jié)果顯示，深圳、東莞和廣州3市對污水資源化建設(shè)具有強(qiáng)烈需求，珠海、汕頭、佛山、惠州、中山、湛江、茂名、潮州和揭陽等9個地市表現(xiàn)為一般需求，其他地市需求較弱。利用層次評價模型，可以綜合考慮水資源自然稟賦，開發(fā)利用狀態(tài)和水資源管理考核等多個指標(biāo)，較為全面客觀地評估不同地市在水資源、水環(huán)境領(lǐng)域面臨的突出問題，從而判斷各地市對污水資源化建設(shè)的需求動力。