城市自来水与中水系统综合规划的优化研究

城市自来水与中水系统综合规划的优化研究3田一梅赵新华张雅君提要面对我国许多城市用水量不断增加与原水资源短缺的现状提出将中水系统纳入城市供水系统统一规划并提出了一套自来水与中水系统综合规划的优化方法根据统计回归原理建立供水系统费用模型按照年成本法建立供水系统综合规划的优化模型∀经仿真计算获得了满意的结果∀关键词自来水中水系统综合规划优化引言3天津市自然科学基金资助项目∀目前水资源短缺已成为国家经济建设发展的重要制约因素之一而污水作为再生水源回用为城市提供中水中水系指城市污水经处理达到规定的水质标准!可在一定范围内重复利用的非饮用水不仅缓解水资源危机而且经济可行∀在这方面国外已有了成功的经验如美国!日本等≈∗∀国内自年以来已相继在北京!青岛!大连等城市建设了一批中水工程取得了较好的节水效益∀但进一步对中水设施运行现状及投资效果分析不难发现由于国内基本上采用的是建筑中水即在单体建筑物中建立中水处理和回用设施或小区循环其处理规模较小不但建设投资!运行费用偏高≈管理分散而且还不能有效地缓解城市缺水问题∀为此扩大中水系统规模并将中水系统纳入城市供水系统进行统一规划与管理已成为城市供水系统建设发展的新内容∀这样不仅在中水处理工艺和运行管理上有着更多的优势而且能合理分配!充分利用各类水资源缓解城市用水危机并大大减少投资和运行费用具有显著的经济效益和社会效益∀供水系统费用模型近年来国内外很多学者对供水系统费用模型的形式及变量做了大量研究给出了多种模型形式≈∗∀通过分析研究认为供水系统的规划是着眼于整个系统的技术经济综合分析属于大系统的宏观决策问题∀因此在诸多影响费用的要素中选择了最关键要素)))工程规模为模型变量同时考虑到供水工程通常都具有规模经济的特性即单位费用与规模呈负相关关系∀因此确定本文中供水系统费用模型为幂函数形式即Χ=ΑΘΒ()式中Χ)))工程费用万元Θ)))工程规模万Α,Β)))模型系数∀1自来水系统费用模型城市自来水系统通常包含取水!净水!输水和配水四个子系统且在每个子系统中又可按其形式!功能的不同划分为若干子项∀而随着城市规模和城市需水量的不断扩大城市自来水系统除新建工程外扩建工程也日益增多∀本文依据5城市基础设施工程投资估算指标6!5供水年鉴6!5城市供水行业年技术进步发展规划6等资料建立了自来水系统新建工程与扩建工程中各个子项的费用模型并通过曲线拟合确定模型中的待估参数部分结果见表∀1中水系统费用模型采用地区循环方式运行的中水系统主要包括输水!配水和水处理三个子系统∀根据国内所做的中水管道挂片结垢及腐蚀试验可知中水输水管道无需特殊防腐处理其结垢程度不会影响输水能力而且中水管网对管材!覆土的要求与给水管网相近只因管网负荷减少故配水管径也相应减小而水处理给水排水ςολ127Νο152001μξ中国城镇水网表自来水系统!中水系统各组成部分建设费用模型项目名称费用模型模型参数ΑΒ自来水系统中水系统简单地面取水净水厂过滤净化净水厂过滤净化扩建配水管网大型管网输水管道污水中水处理中水处理中水管网ΧΑΘΒΧΑΘΒΛΧΑΘΒ1111111111111111注Λ为输水管长中水系统输水管道费用模型与自来水系统相同∀系统的投资费主要为污水处理和中水处理的设施费如能利用已有的城市污水处理厂二级出水则其费用就仅为建设中水设施的费用∀本文参考国内常用的处理工艺选择污水二级生物处理加深度处理的工艺流程其中深度处理采用混凝沉淀!过滤!消毒∀综上所述且由于目前国内外尚无较完整!统一的中水工程费用资料因此借鉴自来水工程及排水工程中与中水相关的费用资料参考国内外已有的中水工程的技术经济数据建立了中水系统费用模型部分结果见表∀供水系统综合规划的优化模型自来水与中水系统的综合优化是针对我国原水资源与建设资金都很紧张的现状通过开发建设中水系统充分利用各类水资源合理协调供水系统中各子系统之间的相互关系在全面满足城市各类用水要求的前提下使整个系统的总费用最小∀本文以供水系统年成本为目标函数建立系统优化的数学模型∀就供水系统而言年成本主要包括两方面基建投资的年偿还费和供水系统的年运行管理费后者包括水资源费!动力费!药剂费!大修和检修维护费!工资福利及其他费用∀据此建立了自来水与中水系统综合规划的数学模型目标函数Φ=2φ(ΘΡιϕ,ΘΠι,ΘΔιϕ,Χκ)()约束条件水量供需平衡约束包括水源!水厂及用水区三者之间的供需水量平衡关系Ενϕ=ΘΡιϕ=ΘΠιι=,,,,νΕνϕ=ΘΔιϕ=ΘΠιι=,,,,νΕνϕ=ΘΔιϕ=ΘΧιι=,,,,ν()水源能力约束ΘΡι[ΘΡι¬ι=,,,,ν()中水回用量约束ΘΖι[ψι#ΘΝιι=,,,,ν()变量上下限约束式中ΘΡιϕ)))水厂ι自水源ϕ的取水量含中水ΘΠι)))水厂ι的处理水量含中水ΘΔιϕ)))水厂ι向用水区ϕ的送水量含中水ΘΧι)))用水区ι的需水量含中水ν!ν!ν)))分别为水源!水厂和用水区数目均含中水ΘΡι¬)))水源ι的最大取水能力ΘΝι!ΘΖι)))分别为用水区ι的新规划水量和中水需水量ψι)))用水区ι的中水回用量系数Χκ)))供水系统投资费用其中输水费用通式为ΧκΕιΕϕΑκΘΒκιϕΛιϕ,其余费用通式为ΧκΕιΑκΘΒκι∀上述模型属于非线性目标函数!线性约束数学规划问题∀本文采用逐步二次规划法求解,并根据此算法研制了供水系统自来水与中水综合规划的计算软件∀算例1城市供水现状及规划某市目前用水量和供水能力均为万μ/δ,经预测,近期城市用水量将增加到万μ/δ(详见表),且为了限制地面沉降,减少地下水开采量万μ/δ,故实际规划水量达万μ/δ∀目前可开发水源(包括现有水源和新水源)也只能再提供万μ/δ,这样还有万μ/δ的缺额水量∀解μψ给水排水ςολ127Νο152001中国城镇水网表城市供需水现状及规划项目原供需水量/万μ/δ规划供需水量/万μ/δ备注地面水源∗地面水源∗新建水源地下水源减少地下水开采量自来水厂Α∗净水厂扩建自来水厂Β∗净水厂扩建自来水厂Χ∗新建净水厂地下水厂Δ减少地下水开采量中水厂α∗新建中水处理部分中水厂β∗新建中水处理部分用水区用水区原由地下水源供给的万μ/δ水量,现可由地面水源!供给用水区用水区新增水量为工业用水用水区新建居民区决的途径拟有:≠长距离引水;污水回用∀很显然,单独长距离引水万μ/δ是不可能的,而采用污水回用却切实可行∀1中水水源及其系统规模中水作为非饮用水主要用于厕所冲洗!园林灌溉!道路保洁!车辆冲洗以及工业冷却用水!建筑工程和消防用水等∀据国外有关资料报道,在不同类型居住小区设置中水系统,节水率可达%∗%∀另据对北京!河北居民用水调查表明,厕所冲洗水占日常总用水量的%左右∀因此算例中首先确定在各新建小区设置中水系统,其中用水区新规划的万μ/δ工业用水,包括冷却用水!生产工艺水!厂区绿化用水等,全部由中水提供;其余各新建小区的中水除用于冲厕(约%)之外,城区的绿化!喷洒街道!景观及消防用水(约%)也规划用中水,故中水规模为各区新规划水量的%∀其次,该城市原已建成两座二级生物处理的城市污水处理厂,其处理能力分别为万μ/δ和万μ/δ,为中水提供了可靠的再生资源量∀1建立数学模型及求解根据式()!式()建立了供水系统综合规划的数学模型:Φ=Ει=μι#ξι+εΕι=ξι#ΗΠι+εΕι=ξι#ΗΔι+Ει=βι#ξι+Α#Εκ=Χκ+Μ其中:Χ=1Ειξι1Χ=1Ειξι1+1Ειξι1Χ=1Ειξι1#ΛιΧ=1Ειξι1()约束条件:ξ+ξ+ξ+ξ=ξξ=ξξ+ξ+ξ=ξξ+ξ=ξξ+ξ+ξ=ξξ+ξ+ξ=ξ+ξ+ξ=ξ+ξ+ξ+ξ=ξ+ξ[ξ+ξ[ξι[ξι[ξι¬()式中¬)))决策变量,包括水源取水量!水厂处理水量!水厂送水量;)))水资源费用系数;)))分别为水厂一泵站!二泵站电费系数;)))水处理药剂费用系数;χ)))包括折旧!大修和检修等综合计算系数;)))供水系统设备残值以及工资福利等其他费用∀通过求解,得出最优规划的年成本为1万元,优化结果见表∀1结果分析与讨论给水排水ςολ127Νο152001μζ中国城镇水网表变量设置!输水距离及优化结果项目自来水厂Α自来水厂Β自来水厂Χ自来水厂Δ中水厂α中水厂β地面水源¬,¬,地面水源¬1,地下水源¬,再生水源¬,再生水源¬,项目用水区用水区用水区用水区用水区自来水厂Α¬,¬1,¬,¬,自来水厂Β¬1,自来水厂Χ¬,¬,¬,地下水厂Δ¬,中水厂α¬1,¬1,中水厂β¬1,¬1,¬1,注:表中斜线上方为决策变量;斜线下方第一个数据为输水距离(κμ),第二个数据为优化结果∀()由最优规划中自来水水量分配看出:≠在新建与扩建水厂的决策中优先选择水厂扩建,原因在于扩建水厂的费用一般低于新建水厂的投资;在多种供水方案中,选择就近供水,且供水规模都达到了约束条件允许的最大值,符合规模经济效应∀这说明对城市供水系统中新建!扩建等这类巨额投资的工程进行优化决策,是保证工程方案决策科学性!合理性的有效方法,具有明显的经济效益∀()由最优水量分配看出,各区中水供水量都达到各区允许的中水最大需水量,整个区域共使用中水万μ/δ,而新开发的地面水资源量为万μ/δ,尚小于其极限开采量万μ/δ∀说明在满足用水水质要求的条件下,最大限度地使用中水是经济的∀()若本例不采用污水回用,而是长距离引水,引水量为万μ/δ(可视为某一大型引水工程的一部分)∀那么,就算不考虑引水投资费用(一般投资数以亿计),只计算其水资源费,则两种方案在相同受益效益下,其成本也相差很大∀如目前天津引滦水资源费1元/μ;大连引碧工程,长距离输水电费与净化处理费用达到1元/μ∀如本例中总供水量万μ/δ中的万μ/δ水量,采用长距离引水(水资源费以1元/μ计)与污水回用两种方案,经优化计算可知,采用自来水与中水综合规划的优化方案,供水系统可节省年成本1万元,约1%,若再考虑引水工程的投资费用,则经济效益更为可观∀结论()采用自来水与中水综合规划,分质供水,不仅能满足各类用水要求,节省投资!降低成本,而且可节省优质饮用水,缓解城市水资源不足的矛盾,暂缓建设投资巨大的长距离引水工程∀这是解决我国目前许多城市用水量日益增大与建设资金相对不足这一矛盾的切实可行的方法,对国家的经济建设意义重大∀()从城市总体规划来看,城市的供水!排水应作为一个不可分割的整体,综合规划!统一管理,尽快改变城市水资源目前的消耗型开采利用模式为重复利用保护型模式,以便经济合理地利用各类水资源,并减少污染,达到城市水系统的良性循环∀其中污水回用于中水系统当然是重要的一环,它必将促进这一历程的向前发展,不仅会带来显著的经济!社会和环境效益,而且为城市建设奠定良好的基础∀参考文献ΑσανοΤ,ΜιλλσΡΑ.ΠλαννινγανδΑναλψσισφορΩατερΡευσεΠρο2ϕεχτσ.ϑουρναλΑμεριχανΩατερΩορκσΑσσοχιατιον,,():∗ΔανιεΑΟκυν.Διστριβυτινγρεχλαιμεδωατερτηρουγηδυαλσψστεμ.μ{给水排水ςολ127Νο152001中国城镇水网ϑουρναλΑμεριχανΩατερΩορκσΑσσοχιατιον,,():∗邬扬善,屈燕.北京市中水设施的成本效益分析.给水排水,,():∗ΡοβερτΜΧ,ΠαυλΔ.ΑΜοδελοφΧοστσφορΤρεατινγΔρινκινγΩατερ.ϑουρναλΑμεριχανΩατερΩορκσΑσσοχιατιον,,():∗傅国伟.给水排水系统优化导论(一).中国给水排水,,():∗ο作者通讯处:天津大学建工学院环境工程系电话:()(Ο)张雅君北京建筑工程学院城建系电话:()(Ο)收稿日期:ΟΟ预挂膜加速厌氧生物膜反应器启动的试验研究3何强龙腾锐林刚提要对厌氧生物膜反应器的填料进行预挂膜处