城市水系统的可持续性研究进展

左叶颖 许效天

(漯河市环境科学技术研究所，河南 漯河 462000)

随着全球城市化进程的不断加快，城市用水量愈来愈大，城市水系统对支撑整个城市的存在和发展起着举足轻重的作用，因此构建可持续性的城市水系统显得尤为重要。城市水系统［1，2］是在城市所属范围内由经济、社会和环境等因素相互作用形成的水物质流、水设施和水活动的总称，是水的自然循环与社会循环的耦合系统，包括城市水资源、城市给水、城市用水、城市排水、城市调蓄防洪和城市中水回用等子系统。近年来，国内外针对城市水系统的可持续性开展了大量的研究工作，主要集中在城市水系统的可持续性评价、城市水系统的运行效率分析和城市水系统的优化配置研究等方面。

1 城市水系统的可持续性评价

1.1 城市水资源的可持续性评价

水资源可持续性研究的主要方向有水资源可持续利用评 价［3－7］、水 资 源 安 全 评 价［8，9］、水 资 源 风 险 评价［10－13］、水资源配置方案评价［14］、水资源承载力评价［15－18］、水资源开发利用评价［19］、水质评价［20］、水资源可再生能力评价［21，22］和水资源价值评价［23］等。其中针对城市水资源的可持续性评价有:胡学峰［24］采用层次分析法和综合判别法对天津市水环境生态安全现状进行评价及预警研究，提出了解决天津市水环境生态问题的对策与途径;孙义鹏［25］采用虚拟水战略及水足迹相关理论对大连市水资源的可持续性进行了研究，该方法突破研究实体水的局限;李琳［26］依据“压力－状态－响应”指标框架理论，采用相关分析、层次分析和主成分分析等方法对指标进行筛选，建立了镇江市水环境安全评价指标体系，并用模糊综合评价法分析镇江市水环境安全的变化趋势;高长波等［27］利用生命周期评价的系统性结构框架，构建了城市水系统可持续性评估流程和指标体系，并提出综合评价方法;邓履翔等［28］构建了城市水资源利用与水生态环境综合评价体系，将粗糙集理论引入指标体系评价中。采用动态约简法进行评价，降低了已有评价法对专家主观判断的依赖性，提高了评价结果的可靠性。

1.2 城市供水系统的可持续性评价

供水系统是城市非常重要的基础设施，也是城市可持续发展的重要保障。围绕城市供水系统的可持续性，吴小刚等［29］采用最小割集理论建立了城市给水管网系统的故障风险评价决策模型，实例证明，这一决策技术是科学有效的;Zhao 等［30］建立了水力和水质的可靠性模型与市政管网工况的可靠性模型，借助可用水的比例和正常节点的需求来计算水力的可靠性，采用节点水质的达标率来计算水质可靠性。结果表明，该可靠性模型评价结果准确合理，能在实践中很好地应用。周恒良［31］和康大臣等［32］也对给水系统的可靠性做了相应的研究;覃炫［33］采用季节性指数平滑、灰色理论和BP 神经网络三种模型综合分析了管网漏损的各种实际情况，利用灰色关联度法对管网健康度进行评价，从而确定了管道维护的优先次序;张哲［34］采用层次分析和主成分分析等方法对城市给水管网承载力体系进行了初步研究，并提出提高城市给水管网承载力的具体措施;许强等［35］把城市给水系统调度分为用水量预测、给水系统网络分析模型和调度决策，调度决策就是建立优化调度模型，确定优化运行的决策变量值。根据决策变量的不同，优化调度模型分为直接优化调度模型和两级优化调度模型，张玉芳［36］、王训俭［37］、俞 国平［38，39］和Avi Ostfeld 等［40，41］认为，对于给水管网规模大，泵站多，可调余地大，给水方式较为复杂的情况，宜采用二级优化调度模型，赵洪宾［42，43］、吕谋［44］和Jowitt 等［45］认为，较为简单的系统宜采用直接优化调度模型。

1.3 城市排水系统的可持续性评价

可持续城市排水系统是水环境整治的生命线，也是实现健康水循环的中心。就城市排水系统的可持续问题，董欣等［46］以北京市大兴新城为研究区域，采用物质流分析法构建了城市污水系统静态物质流分析模型，比较研究了传统系统、源分离－灰水SBR 处理系统和源分离－灰水湿地处理系统的性能。结果表明，仅从环境资源的角度考虑，源分离系统较传统系统具有明显的可持续性;Listowski 等［47］采用实践导向的研究验证方法构建了评估城市废水回用技术“微滤”运行性能的评价模型，该模型的建立程序为技术的描述，生产能力、生产效率和可靠性标准的确定，定量性能指标的选择，评价模型的构建等;Murray 等［48］以成都市为研究实例，采用处理负荷－处理能力的二维可持续评价模型对城市废水处理设施进行了评价。结果表明，该评价模型具有指标体系的完整性、能够估量主动可持续性等优点，缺点是该方法未能包笼所有可能的废水处理设计指标;vande Meene 等［49］把因果关系图引入到以系统动力学为基础的决策支持工具中，用于城市污水收集网络的经济可持续管理研究;Rehan 等［50］采用系统动力学模型研究了城市废水收集设施的经济可持续性管理策略。

1.4 城市水系统的可持续性综合评价

针对整个城市水系统，陈庆秋等［51］以珠江三角洲城市水系统为研究对象，依据社会水循环概念构建一种测评城市水系统环境可持续性的评价框架和指标体系;山崎凉子［52］应用系统分析法构建了城市水系统可持续性发展评价指标体系和日中城市水系统可持续性模糊综合评价模型。在日中水资源管理对比分析的基础上，指出两国在水利工程建设机制、水资源取费管理制度、排污权交易制度上存在着显著差异。提出中国应构建与政府职能分离、利益剥离的水利工程建设体制;Matthias等［53］构建了一套简化型城市水系统可持续性评价工具，模型宗旨是把可持续性思考引入到城市水系统项目决策的早期。该方法操作过程简单，而且得出的评价结论和生命周期评价、生命周期成本是一致的;Sharma 等［54］把水平衡、污染分析、生命周期评价和生命周期成本等方法有机结合起来，组建了一套城市水系统的综合性评价模型;Zhang 等［55］利用生态系统网络模型和网络效用矩阵研究了北京市的网络结构和生态的关系水代谢系统，确定了当地环境、雨水收集、工业、农业、生活和废水回收相互间的联系和互惠程度，并揭示了进一步优化水系统各子系统的方法;杨柳荫［1］采用自上而下的分析法选择城市水系统的评价指标，构建了一套包括水质和水量属性、设施属性、管理属性以及社会经济属性在内的城市水系统评价指标体系，并以兰州市为研究实例验证该指标体系是切实可行的;van Leeuwen 等［56］借助水足迹、城市代谢和生态系统服务等方法的基本要素组建评价指标体系，构建了一套城市水系统可持续性评价模型;谢京［57］利用大系统理论和系统分析法对城市水务管理系统的结构及其控制方法进行研究，进而探讨实现城市水务管理可持续发展的策略;Fagana 等［58］建立了一套城市水系统的动态评价模型，该系统模型具有供水系统、居民用水、工业用水、农业用水、雨水的收集与处理、污水和废水处理等六个子系统。

2 城市水系统的运行效率分析

城市水系统的优劣在很大程度上取决于其运行效率，城市水系统的运行效率就是城市水资源有效利用以实现城市水系统功能的程度［59］。城市水系统运行效率的高低可通过系统中水资源的有效利用程度来衡量。谢京［57］采用数据包络分析法和Malmquist 指数法从静态和动态两个角度来综合评估天津市水务系统的运行效率及影响其效率变化的关键性因素;梁小俊等［60］建立了城市引配水系统综合效益评价指标体系，借助改进信息熵的专家自身权重算法和运用欧式贴近度的模糊综合评价方法，对2003－2008年杭州市运河引配水综合效益水平及变化趋势进行了定量评价。研究表明，改进的专家自身权重算法有效避免了专家多次打分形成的主观误差，评价结果更加客观合理;吴丹［61］采用灰关联分析法与投影寻踪法建立了区域水系统综合绩效评价模型，构建了包括供水系统、用水系统和污水处理系统在内的区域水系统综合绩效评价指标体系，并提出区域水系统综合绩效优化对策;王效琴等［62］运用层次分析法建立了城市水资源开发利用措施综合效益评价模型，以建立的模型对天津市的污水回用措施、海水淡化措施与南水北调措施作了综合效益评价。结果表明，污水回用措施的综合效益＞南水北调措施的综合效益＞海水淡化措施的综合效益;颜莹莹［59］在对城市水系统进行结构分析、层次分析和物流分析的基础上，利用层次分析法和主成份分析法分别探讨了武汉、兰州和南京三个城市水系统的运行效率，结果分别是较差、较差和优级;王芙蓉［63］借助数据包络分析法构造了污水处理厂运行效率的定量评价模型，并应用于多家同规模污水处理厂的运行效率评估。结果证明，该模型弥补了当前对污水处理厂效率评价主要来自定性判断和缺乏系统的定量研究的缺陷，为污水处理厂效率的改进指明方向;吴社琴等［64］采用投资效益率法和分摊系数法核算了白龟山水库城市供水的经济效益。

3 城市水系统的优化配置研究

合理分配有限的水资源，提高水资源的利用效率，离不开城市水系统的优化配置［65］。Sun 等以渭南市城市水系统为研究对象，采用动态规划原理的最优化理论建立了渭南市水资源优化配置模型，并利用效益函数法获得城市水资源优化配置的战略计划;Chen 等采用大系统分解协调原理，建立了多目标规划的广州市水资源优化配置的系统模型，并利用层次分析法和逐步宽容约束法对所属子系统进行协调处理，最终提出与广州市水资源需求匹配的水资源配置方案。Hou 等建立的广州市水资源配置的多目标优化模型，Li 等建立的太原市水资源多目标优化配置模型，研究结果均证明，多目标优化模型是对水资源优化配置的一种很有前途的工具;刘年磊等提出可信性模糊机会约束规划模型，并用于衡水市水资源优化配置的研究，结果证明，采用模糊模拟的猴群算法求解多维优化问题时比传统优化算法具有明显的有效性;Zhang 采用两级随机整数规划模型和模糊多级随机规划模型对大连市水资源优化配置进行了研究。结果表明，该模型既可以有效解决水资源的短缺，又可以将系统成本和系统故障风险降到最低，也可以帮助水资源管理者确定自己所需要的水资源配置模式;辛朋磊等构建了水资源优化配置模型，并采用SCE－UA 全局优化算法进行模型寻优计算，得到了南通市水资源优化配置方案;晁灿针对菏泽市水资源的实际情况，定性的提出了优化配置、合理利用水资源的建议与措施;陈长春按照优水优用优化配置的原则，研究了北京市丰台区水资源优化配置思路和优化配置发展目标，并提出优化配置对策和措施;王志峰等结合某市新区发展特性，建立了城市分质供水水资源优化配置模型，并对新区中水、雨水与自来水等水资源进行了优化配置仿真计算;韩雁以大连市为例，根据分质供水思想构建了城市多水源多用户合理配置系统模型，采用多目标逐步宽容约束法对该模型进行求解;翟楚夏构思了指导城市水环境优化设计的建设模式，认为城市水环境优化要由被动变为主动，从盲目变为科学，正确处理人、水、城市与自然的关系;孙弘颜采用系统动力学模型研究了长春市水资源优化配置方案，并提出方案实施的具体措施;徐志墙以西安市为例建立了污水再生回用的非线性规划模型，计算出回用水设施的增长率和集中与分散处理规模的比例，确定了污水再生回用水厂的规划布局和再生水量的优化分配，并应用情景分析法进行策略分析;余建星等借助模糊理论分析和欧氏贴近度概念建立了天津市水资源优化配置方案综合评价的优选模型，采用信息熵建立了专家自身权重模型来修正层次分析法得到的权重值，减少了权重确定的主观性。

4 结语与展望

城市水系统的可持续研究方法逐渐由孤立单一化和主观判断向系统多元化和客观分析过渡，技术标准统一化程度不断提高，经济、政治、文化、气候变化等诸多因素的影响也逐渐被考虑，但研究方法与角度仍存在一定的片面性，系统性和整体性分析做得还不够。评价指标体系普遍存在信息覆盖不全和指标间信息重叠的现象。城市水系统的概念界定不一，导致某些子系统被漏掉，如城市污水回用和雨水收集等中水回用、海水淡化等子系统在大多研究中被忽略，引起各子系统严重分离，系统的内在联系和完整性难以真正体现。目前，城市水系统的可持续性评价和运行效率分析是借助已有数据进行的，多以静态和准动态研究为主，动态分析不够深入，对城市水系统的未来可持续发展趋势缺乏实际指导意义。

城市水系统可持续性是一个复杂的系统工程，研究过程中需要充分考虑城市水系统的完整性，协调好各子系统之间的内在联系，尤其重视中水回用系统及海水淡化等子系统对城市水系统的贡献。在城市水系统的整体可持续性评价的基础上，加强城市水系统可持续性的动态评价和运行效率的动态分析，克服不同城市之间的差异，建立一套普通型的城市水系统优化配置模型，为城市水系统的可持续性发展提供实际指导。

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