促进水与资源循环的城市资源利用法

[荷兰] 勒斯布罗克



促进水与资源循环的城市资源利用法

[荷兰] 勒斯布罗克

在未来几十年，人类在获得优质优量的可利用水资源方面将面临挑战。为了应对如城市扩展和气候变化等带来的挑战，必须创新和改进资源管理理念。近年来，开发和应用了城市资源利用法(UHA)。UHA目标是从不同的时空尺度模拟和定量分析城市的水循环。该方法还可量化城市采取节水措施和运用新型水处理技术理念所发挥的作用。介绍了UHA及其在水循环中的应用，以及扩展应用于能源循环的初步研究成果，并强调其在未来的资源评估方面将是一款极具发展潜力的工具。

资源循环；水资源管理；水能关联；决策支持

1 概 述

资源高效利用是未来全球面临的主要挑战之一，尤其是在资源枯竭、生态系统被污染、人口不断增长和城市规模不断扩大的地区。为生产和生活提供可靠而持续的优质优量的水成了人们关注的焦点。随着社会经济的发展，全球城市人口密集区及其内陆地区需要更多的饮用水、农业用水、工业和食品加工用水。曾有专家预测，若不采取措施，未来需求量会进一步增长。现在世界很多地区已面临水荒问题，这限制和妨碍了当地的日常生活。由此推测，对于营养盐(如磷)、有机物、能源和食品等其他资源，未来需求也会面临短缺问题。

为应对即将到来的挑战，必须创新和改进资源管理理念。为缓解供水压力，有效且可持续的城市水循环管理和集成的替代水源是至关重要的。呼吁要求增加当地的自给自足量。为此必须做到：①通过最小化需求量，降低耗水量；②通过确定和使用替代水源，如盐水、雨水和废水,促进人与自然供水压力的减少及城市系统自供水量的增加，从而获得高质饮用水和其他低质用水。同时也必须解决营养盐、有机物和能源这些相关的资源流，以通过全球一体化措施解决资源短缺问题。

曾有专家提出，用来量化城市用水和水循环，以及评价人类活动对以上资源循环(如城市扩展、新卫生观念)的有利和不利影响的最新发展和研究比较缺乏，或研究尺度有限；资源的动态变化过程和时空的多种尺度需要对资源进行全面和进一步的研究。由于现实的复杂性(如资源间相互影响、能源依赖、温水循环)，当前的研究技术经常只关注一种资源，并以年均值和最优方法为基础，且时空分辨率低。与此相反，创新型水资源理念和技术经常需要对水资源的时空变化进行更详细的评价，通过与当前大范围而集中式先进方法进行对比，可以真实地反应其优缺点。因此，对空间分辨率较高的水流动力的正确认识至关重要。最近开展的项目一直关注这一问题。此外，这些理念必须扩展/延伸至其他资源，如能源、营养盐，因为它们彼此间是相通的。

近年来，A.维拉等人研究出城市资源利用法(UHA)。UHA从不同时空尺度(空间上可细化到住户，时间上可短到分钟)，对城市资源循环进行了量化分析。其次，该法提供了结构性框架，框架中每步目标是封闭资源循环。最后，UHA提供了一种方案，可对所选择的城市区域拟定的需求最小化措施、资源回收和再利用理念的影响进行量化。2012年A.维拉等人指出，UHA研发期间的主要焦点是水循环，已证实UHA是一个强大的工具，它开发了城市和街道新理念，使得水需求量最小化，实现整体或局部自供水量。现正将UHA扩展用于能源循环。本文简述了UHA概念，强调了城市水循环主要研究成果。此外，强调了UHA扩展用于能源循环的最新研究成果，并对营养盐循环中UHA的进一步扩展应用进行了讨论。

2 材料和方法

当初开发UHA只是用于水循环，但它也能应用于其他的资源循环，如能源、营养盐(N、P和K)或有机物(C)。综合评价以上资源循环是当前研究的重点。

UHA的研发基于4个步骤：①根据城市特征参数(如城市地形、需求方式)的调查情况，进行基数评估；②通过实行资源节约措施，使资源需求最小化；③通过资源流的串联、回收和恢复，达到资源再利用最大化；④通过捕捉和使用替代资源，进行多源开发(见图1(a))。

图1 UHA法示意

2.1 基数评价

第1步,在基数评价时，对系统边界内所有的输入量、产生量、输出量进行量化分析。此外，根据水资源用途，对水质也进行了分类。为了说明昼夜和季节模式，所有河流用较高的瞬时分辨率(短于1 min)进行计算。精确分辨率将取决于资源流量的特征，由于用户用水的动态特征，流量可能每分钟都在变化。使用非常详细的用水量资料，可以达到以上目标。有学者提出，用荷兰水行业使用的统计软件包SIMDEUM，根据用户最终用水模式，预测居民住宅楼内短期(小于1 min)耗水量，以此推算家庭用水量。这一结果和其他新陈代谢研究(采用年均值)形成对照。目前研究致力于开发能源和营养盐循环的类似工具。有专家指出，这些动态结论在技术评估和理念对比上优势明显，但却不可避免地增加了全面分析的复杂性。空间尺度取决于所选目标和个案，可从住户扩大到整个城市。

2.2 最小需求量

第2步,为了减少对整体资源的需求量，采取技术性干预措施。本文对最小尺度的节水措施和可能扩展到整体尺度的节水措施进行了评估。根据所预测的节水量，划分技术等级。

2.3 输出最小化

第3步，目的是使UHA输出最小化，为此采用了3种策略。

(1)资源串联。直接再利用于低水质方面的用途。

(2)资源回收。处理后重复利用。

(3)资源恢复。收集其他资源(或资源成份)。

2012年有专家提出，资源串联和回收分别指无质量升级和有质量升级的需求,而资源恢复包括从主要资源流中去除其他有价值的产品(如从黑水中恢复营养盐)。

2.4 多源开发

多源开发为根据当地资源潜力，开发多种资源供应渠道。当地资源供应具有运输距离短的优点，在当地就有可能实现自我补充，如湿气凝水、雨水收集或光伏电池板发电等。

2.5 城市新陈代谢界面

为了评估和定量分析UHA策略，比较彼此间理念的不同，开发了城市新陈代谢(UM)界面。UM界面包括标准和指标。对于水循环，包括最小需水量、废水量、自给自足量、输出水量。下面列出了主要指标的计算公式：

最小需水量指标(DMI)=(基数-最小需水量)/基数

废水量指标(WOI)=-输出的废水量/最小需水量

自给自足量指标(SSI)=(收获的资源(Rh)-输出的资源)/最小需水量

输出水量指标(RXI)=输出的水量/最小需水量

图1(b)为城市新陈代谢界面示意图。

根据评估结果和标准/可视化的运用，为了减轻水资源压力，对人类干预(如努力减少用水或重复使用水量)或外部因素(如耗水量和人口的增加、气温及气候变化等)的影响进行定量分析。开发UHA以对可能的选择和改善城市资源管理的方案进行评估。城市决策者、技术专家、政府组织将UHA研究成果作为决策的技术支撑。

2.6 UHA在能量循环中的扩展应用

为了将UHA扩展应用于能量，对位于荷兰瓦赫宁根(Wageningen)市的3类居民住宅的能源需求进行了评估。这3类住宅代表了荷兰人典型住房房型(独立住宅、连排式住宅、走廊住宅)。与水循环相比，能量循环显示出不同的特征，因此必须调整和扩展水循环的标准和指标：

最小需求指标(DMI)=(基数-最小需求量)/基数

能源恢复指标(ERI)=-(恢复的能源+重复使用的能源)/最小需求量

热能、电能、总能源的自给自足能源指标(SSI):

SSI热=热能产量/热能最小需求量

SSI电=电能产量/电能最小需求量

SSI总=总产能量/能量最小需求量

资源输出指标(RXI)=输出的能源/能源最小需求量

通过与能源最小需求量进行对比，ERI对能源恢复、串联和重复使用的程度进行了量化。对于家庭，这一指标主要针对热能(加热和制冷)恢复措施，如从淋浴房和水龙头进行热回收。SSI扩展为热能、电能和总能3个指标。DMI 和RXI与水循环中指标相对应。

3 结果和讨论

3.1 UHA水循环

2012～2013年有学者报道，已开发和测试了UHA水循环。为了说明节水措施、重复用水和循环用水小规模的影响，对位于瓦赫宁根市边界、总表面积相同的2个住宅小区采用UHA进行了分析，2个小区分别是人口密度较低的独立式住宅和人口密度较高的平层公寓，分析时间为1 a。为了比较各种人类干预活动对水循环的影响，开发了4套方案。所有方案均包括针对淋浴房、卫生间和洗衣的节水技术，所需水量为最小需水量。

方案1还包括灰水从沐浴房到污水池的循环。方案2包括屋顶雨水收集。方案1和方案2收集的水用于冲厕或灌溉这样的低水质用途。方案3结合了方案1和方案2，而方案4则对方案3进行了扩展，用绿色屋顶蓄水，以减少径流量。研究结果显示，最小需水量平均节约了23%～25%，这取决于房屋面积。在与基数进行对比时，方案4表现出自供水量提高最大。

此外，方案2显示出在水量收集和废水量输出方面改进最小。图2显示了城市新陈代谢界面，用以说明基数和4套方案。对单个时间步长为5 min、历时为1 a的代表值进行了汇总。此外，模型包括蓄水池和临时存贮设施的计算模块(如雨水或处理过的灰水)，在使用较短时间步长进行计算时，需要定量分析以上措施造成的影响，2013年有学者对这一评估进行了详细描述。

图2 用于说明基数和4套方案的城市两个街区每年的水资源新陈代谢界面(用数字和“星”图形表示)

为了展示城市尺度不同最小需求步骤、重复利用及循环选择的影响，描述了整个瓦赫宁根市的水循环。针对方案4,除了系统能收集地表径流之外，还应用了街区尺度技术。图3对基本水循环和改善方案进行了对比。如图3所示，如果对整个城市实施所提议的措施，则应用UHA可使需水量下降14%。此外，研究系统废水输出总量下降到60%以上(见表1)，在能促进废水处理和资源恢复过程的人口密度区，将能重新获得这些水量。此外，可输出优质水量，如补给地下水，在假定的边界条件下，系统内部分水量可回收利用。

图3 采用UHA评估瓦赫宁恩市水量年平衡示意

采用集中型和分散型节水措施后的指标值：

DMI 14%

SSI 34%

WOI 69%

RXI 37%

UHA研究成果表明，对不同空间尺度的不同技术进行整合选择，可明显改善城市水循环。本文提出了住宅、街区和整个城市层面的技术干预结果。

全面优化水循环(SSI=1，WOI=0)在技术上是可行的。例如可采用先进的膜过滤技术处理废水，生产饮用水，或直接用废水灌溉和用于低水质用途。这类技术的效能和利益可通过采用UHA得到体现，且可用作决策的技术支撑。然而，采用这些措施需要其他资源，如废水处理和抽运排放需要电能。这需要UHA其他标准中的研究和运行成本，并需要整合能源需求。

3.2 UHA能量循环

为了验证UHA扩展应用于能源循环的可行性，对以下5套方案进行了评估和对比。

(1) 方案1。最小需求量。

(2) 方案2。最小需求量，沐浴房热能回收。

(3) 方案3。最小需求量，灰水热回收(沐浴房和水槽)和由不同废水产生的沼气产品(黑水和餐厨垃圾)。

(4) 方案4。最小需求量，灰水热回收和由不同废水产生的沼气产品，PV板供电。

(5) 方案5。最小需求量，灰水热回收和由不同废水产生的沼气产品，PV板供电，电池蓄电。

将每一套方案应用于现有的3类居民住宅(走廊式住宅、连排式住宅、独立住宅)。从地籍部门获得房屋相关信息，假定人口92人。每套方案均输入当地气候资料，用水模式由SIMDEUM导入，能源消费模式为荷兰标准。根据这些信息，得到住宅以5 min为时间分辨率的历时1 a的基本需求型式。方案1中采纳了需求最小化措施(如建筑物表面隔热、家电和照明灯具的效率提高、热水器降低能耗)。方案2另外包括洗澡水的热回收。方案3包括洗澡水和水漕的热回收，收集黑水和餐厨垃圾各自厌氧硝化产生的沼气，假定沼气产量为0.83 L/h/P。方案4包括PV板供电，效率假定为20%，内部损失为5%。屋顶总面积假定为1 700 m2(其中1 100 m2为平面，600 m2为坡度39°)，所有屋顶朝南。方案5另外增加锂电池蓄电，假定容量为1 000 MJ，总效率为90%。认为PV板所有多余产电都蓄在锂电池内，直到蓄满为止。如果需电量超过了供电量，在外部电能输入之前，先使用电池内的电。

图4为方案3(a)和方案5(b)在各季节平均1 d历时下的SSI变化情况。由图可见，各季节SSI存在明显差异，其中夏季最高，冬季最低。对于方案3，主要原因在于能源需求总体较低，尤其是夏季的热量需求。对于方案5，夏季PV板和锂电池蓄电对能源需求影响较大。在技术措施(如PV板和电池蓄电)应用前后，通过季节间的比较，可以确定1 a当中需要外部能源供应的时段。对于方案5，由于白天有太阳照射，这些情况只发生在夜间和早晨。根据以上研究成果，调查附加选项，增加这一时段内的自给自足量(如风能或加热泵)。

图4 各季平均1 d历时下的自给自足模式示意

图5以雷达图形式，对比了各套方案的研究成果。借助于被推广的UHA的可视化形式和应用，可便于对不同方案和相关技术进行比较和评估。例如，通过与方案4较低的SSI电的比较，方案5中额外的存储设备对SSI电的影响一目了解。

图5 针对3类居民住宅的能源需求的评估成果示意

3.3 未来研究

UHA水循环早已得到开发和测试。本文介绍了UHA应用于能源循环的初步研究成果。然而，这一工作还没有完成。2011年有学者建议，应对废水热能恢复开展进一步评估。2013年有学者提出，应扩大供水和水处理技术中的内部能源需求。

未来将会致力于将UHA推广应用于营养盐(N和P)和有机物(C)循环的研究，因为废水中含有诸如水、营养盐、有机物和能源的资源。这可能发生在一个资源流中，或者是资源流的联合评估(如营养盐、碳和能源)。2011年有专家指出，后者需要给出一幅清晰的效益和成果图，因为资源循环相互联系和影响。为了提高UHA的适用性(如能源说明)，有必要扩展使用的指标集，如WOI用于营养盐的说明，或是扩展SSI，包括产能或其他资源恢复和回收需要的能源数量。

到目前为止，研究中使用最短时间尺度(5 min)下的需求量和供应量资料，可以评估蓄电量对自给自足量的影响。虽然在与其他研究进行对比时，这意味着较大的改进，但较长的时间步长可减少计算负荷量，且仍能得到同样的准确度。评估这类模型最合适的时间步长，正是目前需要研究的内容。

如上所述，为加强不断增加的可持续性资源管理，将UHA推广用于开发高效的资源管理循环，为决策提供技术支撑。也可使用UHA评估现有的理念和技术以及更多的资源(如新的公共卫生)。

4 结 语

迫切需要可用来开发和比较经改进的资源管理理念的工具和方法，包括动态的资源需求和供给。为了描述城市水循环和人类干预的影响，开发了城市资源利用法。UHA已成功应用于定量分析节水措施、资源回收利用和重复使用方案，以及居民住宅楼内的能源循环。研究结果显示，借助于UHA，采取这些措施可使城市范围内饮用水需求量额外减少13%，废水量下降60%以上，瓦赫宁根市居民住宅的能源需求中自给自足量可达到36%。此外，通过改进的可视化和扩展指标，UHA可用来比较技术概念。仍然有必要将UHA推广运用于对整个城市的能源、营养盐和碳资源循环的评估。现有研究成果表明，在对资源进行充分评估方面，UHA是一种极具发展潜力的工具。

邱训平 译

(编辑：朱晓红)

卢 路 方丽杰 译

(编辑：唐湘茜)

2016-07-15

1006-0081(2016)10-0009-05

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