 Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2013, 2, 371-376 http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2013.26052 Published Online December 2013 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html) System Analysis, Simulation and Prediction on Urban Wastewater Reclamation and Reuse Wenlong Zhang, Yi Li*, Chao Wang, Fenglai Jin College of Environment, Hohai University, Nanjing Email: 1223zhangwenlong@163.com, *envly@hhu.edu.cn Received: Sep. 30th, 2013; revised: Nov. 20th, 2013; accepted: Nov. 26th, 2013 Abstract: In order to coordinate into conventional water resources system, the wastewater reuse system should be technologically designed to maximize the profit of operation. The composition, structure and in- fluencing factors of urban wastewater reclamation and reuse system were systematically analyzed in this study. A system dynamic (SD) model for urban wastewater reclamation and reuse planning was established to simulate the dynamic development of solutions and their influence on economic for the next decade. The an- nual growth rates of secondary treatment and wastewater reuse were set as 3.5% and 2%, respectively. The secondary treatment rate, wastewater reuse rate, and COD reduction would be up to 91.2%, 25.4%, and 244.58 billion tons in 2022, respectively. With the investment of wastewater reuse larger than 0.04% of an- nual GDP, all of result could meet the national plans. Keywords: System Dynamics Model; Wastewater Reuse; China; Systematical Analysis 城市污水再生利用系统分析及模拟预测 张文龙，李 轶*，王 超，金凤来 河海大学环境学院，南京 Email: 1223zhangwenlong@163.com, *envly@hhu.edu.cn 收稿日期：2013 年9月30 日；修回日期：2013 年11 月20 日；录用日期：2013 年11 月26 日 摘 要：本文利用系统分析法全面地分析了城市污水再生利用系统的组成、结构和影响因素，在此基 础上建立了城市污水再生利用系统SD 模型，通过不同回用方案对未来十年我国城市污水再生利用前 景进行了方案的模拟与预测。结果表明：在污水二级处理年增长率为 3.5%，污水回用增长率为 2%的 情况下，2022 年污水二级处理率将达到 91.2%，污水回用率为 25.4%，COD 减排削减到 2445.8亿t， 均达到了国家规划目标要求，但是回用工程每年的投资至少占 GDP 的0.04%以上。 关键词：SD 模型；污水再生利用；全国范围；系统分析 1. 引言 城市污水作为非常规水资源，其潜在可利用量与 城市污水排放量大体相当，如果得到充分利用，可以 有效缓解城市的水资源紧张压力[1]。城市污水再生回 用作为一条解决水资源短缺的有效途径，已受到世界 各国的普遍关注。污水回用系统是一个涉及社会、经 济和环境等领域的一个复杂的系统问题。在考虑污水 回用的同时应该综合考虑影响污水回用的诸多因素 及其相互关系。运用系统动力学方法对污水再生回用 系统进行仿真模拟预测，是一种行之有效的方法，该 作者简介：张文龙，博士研究生，研究方向为城市污水再生利用。 李轶，教授，博士生导师，研究方向为水资源保护与生态修复。 *通讯作者。 Open Access 371  张文龙，等：城市污水再生利用系统分析及模拟预测 第2卷 · 第6期 方法通过对系统行为和结构的分析，对系统趋势模 拟，寻求系统理想的发展方案[2]。本文运用系统动力 学方法，建立城市污水再生回用系统的 SD 模型，研 究我国污水再生回用的发展趋势。 2. 污水再生回用系统 SD 模型结构 系统动力学模型(SD 模型)的关键在于认识系统 基本结构和基本行为[3]。污水再生回用系统影响因素 众多且相互联系、相互作用，并组成一个有机整体。 针对污水再生回用系统的这一特点，从增强层次性、 可识别性角度出发，将模型分为 2个子系统，即再生 水供水系统、再生水需水系统。城市污水再生回用系 统以污水回用量、再生水需要量、缺水量为主要变量， 同时考虑经济、政策、用户接受程度、城市发展规划 等因素对系统的影响。以下按照子系统划分分析模型 的基本结构。 2.1. 再生水供水子系统 再生水供水子系统的因果关系如图1所示，系统 中再生水的供水量通过城市污水量、二级处理水量、 (再生水需要量)来确定。一般说来，污水回用量最大 能达到城市污水量的 70%，二级处理规模与城市现有 经济发展水平和污水处理水平密切相关。目前我国大 部分整体的污水二级处理率偏低，而当前再生水回用 的前提是污水二级处理，污水回用是一个动态发展的 过程。系统同时考虑了再生水需求量、城市缺水程度、 经济投资等因素对回用量的影响，把二级处理率和回 用率作为特性指标，考虑了回用水量的增大促进了城 市GDP 增长，GDP 增长又会对再生回用系统建设投 资增加有促进作用，从而能进一步增加再生水回用 量，这样构成了系统的一条反馈回路。 2.2. 再生水供水子系统 再生水需水子系统考虑了城市生态用水、城市生 活及市政杂用水、工业再生水用量三方面。再生水需 水子系统的因果关系(图2)，由于目前我国正在进行大 规模的生态环境建设，生态建设用水量所占比例越来 越大，这部分用水量不可忽视；城市生活用水中考虑 了居民冲厕用水、绿化用水、道路用水和公共建筑用 水，工业用水中主要考虑了冷却补水和洗涤用水。城 市用水包括生活需水量和工业需水量，再生水的补充 Figure 1. Reclaimed-water supply subsystem 图1. 再生水供水子系统流图 Figure 2. Reclaimed-water demand subsystem 图2. 再生水需水子系统流图 可以减少对自来水的取用量，城市用水的供需差以缺 水程度来体现，缺水一方面影响工业产值的增长速 度，另一方面要求城市供水量增加。那么如果回用量 增加，从而会增大供水量，系统在正负反馈中取得动 态平衡[4,5]。 2.3. 模型中变量关系的确定 模型采用 Ve n s i m软件进行可视化编程，变量间 的函数关系和参数值可以直接输入模型中，选取再生 水生产量的相关方程式为例，如下： I RWR = RW/SHV I RWC.k = RWC.j + RWG.k I RWCR = RWC/SHV I RWG = IF THEN ELSE (RWCR ≥ 1, 0, SHV Open Access 372  张文龙，等：城市污水再生利用系统分析及模拟预测 第2卷 · 第6期 (1 − RWCR) × RWGR × RWCCoef) I RWGR = (1 + SWR)×(1 − RWSDR) × RWGRTable D RWGRTable = Reference Mode I RWSDR = RW/RWD I RWCCoef = IF THEN ELSE (RWIR ≥ 1, 1, RWIR) I RWIR = RWIA/RWIE I RWIAG = GDP × RWIAGR D RWIAGR = Const. I GDP.k = GDP.j + GDPG.k I GDPG = GDP × GDPGR × (1 − 0.5 × SWR) E RWIUnit = Const. I RWIA.k = RWIA.j + RWIAG.k I RWIE = RWC × RWIUnit D GDPGR = Const. 方程说明中 D表示决策变量，I表示内部变量，E 表示外部变量。方程式中下标 k、j表示时间，j表示 前一状态，k表示当前状态，Const.表示常数。其他变 量含义由于篇幅所限暂略。 3. 模型参数确定及模型验证 模型建立后，在进行模拟之前，首先对模型中的 所有参数(常数、表函数及状态变量方程的初始值)赋 值，需要确定研究区域，本次研究确定了我国城市地 区作为研究对象。 3.1. 参数初始值、常数的赋值 模型中的参数(如常数、表函数及状态变量方程的 初始值)和主要变量的取值参考相关年鉴资料和国内 相关研究成果，具体情况见表1。 3.2. 模型的验证 模型的验证是模型应用的基础和前提，通常 SD 模型的检验包括量纲一致性检验、历史数据验证和灵 敏度验证等。选取变量进行验证，所考察变量的仿真 值与历史值基本吻合，最大误差不超过 10%，认为模 型仿真结果与实际值拟合较好，模型具有较好的适用 性，可以投入使用。 4. 方案设计及模型预测结果分析 根据系统的主反馈回路和对系统的调试，以及决 策变量的确定原则，选择了回用增长率、二级处理增 Table 1. Values of major variables 表1. 参数取值说明表 变量 变量取值 单位 再生水单方投资 1.1 元 GDP 472881.6 亿元 城市人口 69079.0 万人 公共绿地面积 482600.0 万m3 单位污水 COD 含量 4.5 t/万m3 二级处理单方投资 4.7 万元/m3 自来水供水量 513.4 亿m3 自来水投资影响因子 1.0 无量纲 长率、二级处理投资比等指标作为控制变量，通过调 整每个变量和几种变量的组合，进行模型仿真模拟， 本文设计了两种方案进行分析和模拟。 4.1. 方案一 方案一为污水回用延续现状方案，确定决策变量 污水回用增长率为 0，污水二级处理增长率为 4%，并 输入模型。点击 Ve n s im软件中的 SET命令，可输入 或改变决策变量的值。 4.1.1. 城市需水量预测 决策变量输入模型后，便可以进行模拟。点击 Control panel命令，模拟结果可以以图形形式输出， 分析数据集，输出界面如图3。 城市需水总量在 2012年为 816.6 亿m3，在 2022 年达到 2507.7 亿m3；工业需水 2012 年为 369.8 亿m3， 在2022 年达到 1901.5 亿m3；生活需水2012 年为 446.8 亿m3，在 2022 年达到605.8 亿m3。工业用水和生活 用水均随着时间呈上升趋势。生活用水曲线的增长速 度在 2012年前的上升趋势略小于2012 年至2022 年 间的增长速度；工业用水在 2002~2012 年间的增长速 度小于 2012~2022 年间的增长速度，这是由于随着工 业技术水平的提高、节水措施的实施，万元产值用水 量逐年下降，但达到一定程度时下降的速度会减慢， 工业用水的重复利用率同样达到一定程度后提高的 幅度变小，但工业产值却呈指数型增长，增长速度快。 2002、2012、2022 年万元产值用水量分别为：239m3/ 万元，104m3/万元，98m3/万元。 Open Access 373  张文龙，等：城市污水再生利用系统分析及模拟预测 第2卷 · 第6期 Figure 3. Urban water demand forecast 图3. 城市需水量预测 4.1.2. 缺水量 经过模型模拟得出在 2022 年我国城市缺水量将 达到 309.8亿m3 (2011 年城市供水量为 513.4 亿m3)。 城市缺水通常从供需两方面来解决，在供水方面是增 加常规水和非常规水源资源的供水量来解决；城市用 水方面则通过城市节水来解决，由于此方案中没有考 虑污水回用，所以供水的增加只有依靠增加自来水供 水量来解决，由此可见，我国城市缺水现象还是比较 严重的。缺水全部靠增加自来水解决还是有一定困难 的。 4.1.3. 经济发展情况 根据相关规划及模型的反复调试，确定工业产值 以10%的速度增长，国民生产总值 GDP 以7%的速度 增长。工业产值和国民生产总值的发展均受到缺水的 影响。GDP 和工业产值发展趋势见图 4，工业产值在 2014 年为357134 亿元，2022年为1,371,970亿元； 国民生产总值 GDP在2014年将达到 696,642 亿元， 2022 年2,246,100 亿元。 4.1.4. 再生水需求量预测 由图 5可看出，市政及杂用水、工业再生水、城 市生态用水三个方向的再生水用量都随时间呈上升 趋势，生态用水上升速度较快。这是由于随着城市的 发展，城市生态建设是城市规划中一项重要的任务。 城市的基础设施建设加快，人民生活水平提高，城市 的绿化、道路和居住环境将得到改善，根据模型模拟 结果，全国城市林地草地面积在 2022 年将要达到 38,335 km2，道路面积达到 12743.5 km2，绿化、道路 用水量必将增大，市政及杂用水在 2014 年达到 241,407 万m3，在 2022年达到381,878 万m3。工业 再生水用量上升趋势平稳，工业再生水用量随着工业 Figure 4. Economic development forecast 图4. 经济发展状况预测 Figure 5. Reclaimed water demand forecast 图5. 再生水需求量预测 用水的增加按一定比例增加在2014 年达到 109,510 万 m3，在 2022 年达到 405,790 万m3。生态用水在 2014 年达到 243,912 万m3，在 2022年达到 2,898,500万 m3。再生水总需求量在2014 年达到2,790,030 万m3， 2022 年将达到 3,686,160 万m3。 4.2. 方案二 方案二是在 2022 年污水二级处理率达到 90%， 污水回用率达到 25%(参考相关规划及文献内容)，通过 模型调试，确定模型中的决策变量污水二级处理年增 长率在 2002~2022 年为 3.5%，污水回用增长率为 2%。 4.2.1. 回用量与二级处理量 方案二运行下，污水回用量和二级处理量的有关 指标见表2。 从表 2得出，污水回用率和二级处理率都达到了 较大值，到2022 年污水二级处理率 91.2%，处 理量达 到1223.5 亿m3，回用率达到 25.4%，回用量达到 461.2 亿m3，达到了污水处理率 90%、回用率 25%的规划 要求。要实现这一目标，需要每年在二级处理的建设 投入比例占 GDP 的0.16%，深度处理的建设投入比例 占GDP 的0.04%。随着经济的高速发展和GDP增加， 在2014 年后这两方面的投资比例逐渐减小，这是由 Open Access 374  张文龙，等：城市污水再生利用系统分析及模拟预测 Open Access 第2卷 · 第6期 375 Table 2. Recycling and secondary processing index 表2. 回用与二级处理指标 时间 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 污水回用率 1.0 1.7 2.1 6.9 6.3 8.2 15.3 20.5 22.1 23.7 25.3 再生水回用量(亿m3) 4.2 7.9 9.6 33.6 33.7 50.5 113.1 154.9 200.8 300.5 461.2 回用水期望投资(亿元) 38.5 50.2 75.8 112.3 132.4 154.5 210.2 271.5 392.4 515.7 764.6 污水二级处理率 20.5 35.1 54.8 61.5 70.1 75.2 80.7 84.6 85.9 88.7 91.2 二级出水规模(亿m3) 87.0 137.5 198.0 265.1 338.3 547.9 671.2 818.9 999.4 1000.6 1223.5 二级处理期望投资(亿元) 192.5 255.8 346.1 502.5 642.4 831.8 1114.61493.6 2001.4 2681.9 3593.8 于污水二级处理和再生回用的建设形成了一定规模， 减轻了后期建设的负担。 4.2.2. 缺水量 方案一与方案二的缺水量与自来水供水量的比较 见图 6、7。方案二利用再生水回用后，增加了城市供 水量，城市缺水程度得以缓解。城市缺水量逐渐下降， 到2014 年为 0。到 2022 年，城市自来水的供水量为 1085.7 亿m3，回用水量达到 461.2亿m3，城市自来水 供水量比方案一减少了 590.3 亿m3。到 2018 年，回用 于市政和工业的再生水达到极限，缺水现象又开始增 大，此时自来水供水量为 857.4 亿m3，比方案一的自 来水供水量减少 310.5 亿m3。 Figure 6. Water deficit forecast 图6. 缺水量比较预测 4.2.3. 经济发展状况 工业产值和城市 GDP值的发展趋势见图 8、9。 污水的再生水利用使工业产值有一定的提高。在201 4 年，由于再生水的回用，城市供需水量达到平衡。由 于缺水量将造成工业产值的损失在利用再生水后逐 渐减小。方案一的工业产值在 2014 年为 357,134 亿元， 2022 年为1,371,970 亿元，方案二的工业产值在 2014 年为 388,860亿元，2022 年为 1,581,050 亿元，比方 案一当年产值提高了 8.88%和15.23%。如图 8。 Figure 7. Comparison of water amount 图7. 自来水及自备水供给量比较 城市 GDP值也受缺水程度的影响，污水回用后， GDP 值有一定的提高，2014 年GDP值为 754,710 亿 元，2022 年为2,566,720 亿元，比同年方案一的2014 年的 696,642亿元，2022 年2,246,100 亿元分别提高 了8.34%和14.27%。见图9。 4.2.4. COD排放量 方案二下在 2022 年污水二级处理率达到 91.2%， 较方案一COD排放量大幅度削减，如图 10 所示。方 Figure 8. Industrial production forecast 图8. 工业产值预测  张文龙，等：城市污水再生利用系统分析及模拟预测 第2卷 · 第6期 Figure 9. GDP development forecast 图9. G DP发展预测 Figure 10. COD emissions forecast 图10. COD排放量预测 案一由于二级处理量随污水量的增加而增加，COD 排 放量在 2014 年1676.65 亿t，2022年4700.71 亿t，方 案二在 2014 年COD排放量 857.45亿t，2022 年COD 排放量 2445.77 亿t。污水二级处理率与污水回用率的 提高大大减轻了对环境的污染。 5. 结论 城市污水再生回用系统SD模型的结果表明，模 型可以真实的模拟城市污水回用系统，并可以通过不 同方案的设计，预测系统在规划方案下的发展趋势。 在对我国城市污水回用的规划应用中得出，污水回用 将能使城市的缺水状况得以有效地缓解，并能促进城 市的经济发展，但是城市的污水处理和深度处理的工 程建设需要与经济发展相协调，需要一个循序渐进的 过程。 6. 致谢 感谢第十一届中国水论坛推荐，感谢国家水体污 染控制与治理科技重大专项(2012ZX07506-002)资助。 参考文献 (References) [1] 马志毅. 城市污水回用概述[J]. 给水排水, 1997, 23(l2): 61- 63. [2] Jay, W.F. Urban dynamic. London: The MIT Press, 1969: 38- 115. [3] 王其藩. 系统动力学[M]. 北京: 清华大学出版社, 1994: 45- 53. [4] 刘昌明, 何希吾. 我国 21世纪上半叶水资源供求分析[J]. 中 国水利, 2000, 1: 19-22. [5] 西宁市统计局. 西宁统计年鉴[M]. 北京: 中国统计出版社, 2001. Open Access 376 |