基于地理信息系统与综合分析法的海水淡化厂选址

孔飞飞，王 琳，王浩程，王欣婷，牟春霞

(中国海洋大学环境科学与工程学院，青岛 266100)

随着城市化进程的加快，城市人口数量的激增，淡水资源日益短缺，发展海水淡化产业成为沿海城市解决水资源短缺的重要路径。海水淡化厂选址是海水淡化厂建设前的关键环节，科学的选址一方面可提高海水淡化厂的社会效益和环境效益，另一方面可减少取水和输水成本，提高海水淡化水的市场竞争力，确保海水淡化厂的可持续运行[1]。

设施选址方法主要可分为传统方法(实地调查法、定量分析法、多指标定性分析法)和非传统方法(基于ArcGIS技术的选址方法)。传统方法受资金、时间、考虑因素和数据有限等因素限制，准确性不高，如实地调查法需要相关人员进行实地考察，耗时长、成本高；大部分定量选址方法(如重心法，线性规划-运输模型法)主要依据运输成本最低原则，在一定的约束条件下进行极值的求解，从而得出最优选址结果[2]。生力军[3]通过改进的经典粒子群算法求解某地级市物流配送中心的选址问题，该类模型求解的方法忽略了候选厂址的确定，且对非经济因素不加考虑，其选址结果并不理想；多指标定性分析方法(如层次分析法、因次分析法)综合考虑多种影响因素，并根据影响因素的重要性进行赋权，最后通过专家打分得出各候选厂址的综合适宜性指数。李杨等[4]通过层次分析法与线性加权和法将危险化学品储存设施选址问题转化为单目标决策问题，从而确定选址方案。但该类定性选址方法主观性过强，且只适用于两个或几个已知可建设区域的适宜性比较。基于ArcGIS技术的非传统方法具备强大的空间分析和可视化功能，输出结果更加直观、清晰，因此目前该法已广泛应用于设施选址的问题[5-6]。Nega等[7]借助ArcGIS的空间功能对公共厕所的选址进行了优化；Ibrahim等[8]基于ArcGIS技术解决了太阳能发电厂的选址问题。ArcGIS技术同样存在一定的局限性，借助该法进行选址时无法定量考虑某些空间特性不明显的影响因素，例如政策因素、水质因素等。

目前大多数学者对于选址的研究主要集中在垃圾中转站、配送中心等物流系统的选址上，针对海水淡化厂的选址研究较少，且主要使用定性分析方法[9]。为此，在以往设施选址研究的基础上，现构建海水淡化厂选址的评价指标体系，同时为了弥补传统方法候选厂址难以确定、ArcGIS技术考虑因素受限等缺陷，综合ArcGIS技术与综合分析法对拟建的红石崖海水淡化厂进行选址，以期为后续海水淡化厂的建设提供参考。

1 研究区概况

新区位于胶州湾南口西海岸，产业基础雄厚，是青岛市未来经济发展的重点区域。新区淡水资源严重短缺，多年平均水资源总量为4.638亿m3，2019年水资源总量仅为0.421亿m3，水库无水现象时有发生，水资源短缺已严重限制了新区的可持续发展[10]。随着工业化进程的加快，工业用水量的增加将进一步加大新区供水压力，缓解新区供水压力是新区发展的关键。

红石崖街区位于新区东北部，占地56.8 km2，海岸线长超过10 km。该街区充分发挥了交通区位和开发区六大产业集群优势，积极发展石化、电子和机械制造等产业，并设立了开发区北部工业区，同时该区耕地面积较多，农业用水需求也较高。该街区紧邻海岸线，具备海水淡化产业发展的先天优势条件，根据青岛西海岸新区海水淡化产业发展规划，该街区将规划建造3×104m3/d的海水淡化项目，以缓解新区水资源供给不足。

2 海水淡化工艺的选择

不同的海水淡化工艺会影响海水淡化厂的运行成本和能量消耗形式。选址前应确定该厂采取的海水淡化工艺。截至2018年底，中国采取反渗透工艺的工程121个，工程规模825 641 t/d，占总工程规模的68.70%；采取低温多效工艺的工程16个，工程规模369 150 t/d，占总工程规模的30.72%；采取电渗析(ED)工艺的工程3个，工程规模450 t/d，占总工程规模的0.04%；采取多级闪蒸工艺的工程1个，工程规模6 000 t/d，占总工程规模的0.50%；采取正渗透工艺的工程1个，工程规模500 t/d，占总工程规模的0.04%[11]。从统计的数据可以看出反渗透技术、低温多效技术是中国已工业化应用的主流海水淡化技术，具有一定的普适性。表1列举了这两种技术的优缺点。

表1 反渗透技术与低温多效技术优缺点比较

从表1可以看出，反渗透技术和低温多效技术都有各自的优势和劣势，应根据当地具体情况选择适宜的海水淡化技术。从出水使用要求看，拟建的红石崖街区海水淡化厂出水应一部分作为工业用水，另一部分进入市政管网作为生活用水。采用低温多效技术的出水纯度虽高于采用反渗透技术的，但目前已经运行市政供水的海水淡化厂几乎全部采用反渗透技术[1]。表明市政供水应用反渗透技术更成熟。从经济性看，反渗透技术占地少，建设运行费用低于低温多效技术。此外，随着反渗透膜性能和清洗方法的不断改善，会逐渐延长反渗透膜的使用寿命，降低反渗透技术的运行和操作成本。综上，拟建的红石崖海水淡化厂采用反渗透技术。

3 海水淡化厂占地面积的确定

海水淡化厂占地面积主要包括海水淡化项目用地面积和海水取水设施用地面积。2018年自然资源部发布的《反渗透海水淡化工程设计规范》对不同工程规模的海水淡化厂进行了用地指标的划分，如表2所示。

表2 反渗透海水淡化厂规划用地指标

拟建的红石崖海水淡化厂工程规模为3×104m3/d，参考海水淡化项目用地和海水取水设施用地指标，采取内插法确定拟建的红石崖海水淡化厂面积为1.31×104m2。

4 反渗透海水淡化厂选址研究

4.1 基于ArcGIS技术确定海水淡化厂候选厂址

海水淡化厂选址需要满足城市规划、交通条件、经济性等基本要求。其具体包括：①应选择适宜的用地类型，可选择空地、小面积耕地等利于工程施工且生态敏感性低的地块；②离主干道不宜过远，确保交通、运输便利；③应尽可能靠近海水取水设施，减少取水成本；④在水源不受污染和可持续安全生产的前提下，应尽可能靠近用水群体，减少运输成本；⑤所选地址应便于浓缩海水的排放和资源化利用[12]。

海水淡化厂选址的基本要求具备明显的空间性特征，故借助ArcGIS软件中的空间分析工具实现红石崖海水淡化厂预选址。

4.1.1 用地类型提取

进行海水淡化厂选址，应充分掌握目标区域的土地利用现状，将土地利用现状和其他影响因素进行综合分析，得到适宜建设海水淡化厂的地块。在ArcGIS软件中载入红石崖街区的Landsat遥感影像，采取目视解译法提取红石崖街区用地类型，得到绿地、水体、空地、耕地、厂房、林地、居住建设用地和道路8种用地类型，如图1所示。

图1 红石崖街区土地利用现状图

适宜建设红石崖海水淡化厂用地类型是小面积耕地和空地。由图1可见，空地分布在街区的各个方位，其中较大面积的空地主要分布在街区北部；耕地主要分布在街区的西北方向和东南方向。

4.1.2 确定候选厂址

通过谷歌卫星地图搜索得到红石崖街区自来水厂和海岸线的具体位置，再采取目视解译法在ArcGIS软件中绘制自来水厂和海岸线的位置图层。根据上述海水淡化厂选址的基本要求，建立路网、海岸线等多个缓冲区。缓冲区建立规则如下。

(1)拟建的红石崖海水淡化厂出水主要作为生活用水和工业用水，建立2 000 m自来水厂缓冲区和1 500 m厂房缓冲区。

(2)对主要路网建立300 m缓冲区，以此满足交通、运输便利的基本要求。

(3)分别建立海岸线100 m和2 000 m缓冲区，再运用擦除工具从2 000 m缓冲区中擦除100 m缓冲区，得到距离海岸线100～2 000 m区域。该区域可满足取用海水经济性要求，同时保持与海岸线的安全距离。

依据选址的基本要求，借助ArcGIS软件中缓冲区重叠分析功能得到同时满足上述所有基本要求的区域，最后根据拟建的红石崖海水淡化厂的面积筛选出合适区域作为候选厂址。共得到6个候选厂址，如图2所示。

图2 候选厂址位置图

4.2 适宜性分析

海水淡化厂选址除了考虑上述基本要求，还应全面考虑社会、海域等方面因素。综合分析法是将经济因素与非经济因素依据相对重要性进行加权最终得出综合适宜性指数的一种多指标决策方法[9]。该法可综合考虑选址的主观因素和客观因素，相比于遵循成本最低原则的个别选址定量分析方法，选址结果更加具备客观性。其具体步骤如下：

步骤一通过阅读文献确定反渗透海水淡化厂选址要素，基于层次分析法，建立反渗透海水淡化厂选址的层次分析模型。构建的反渗透海水淡化厂选址的层次分析模型如图3所示。目标层是反渗透海水淡化厂最优场地，准则层依据综合分析法的原理划分为经济因素和非经济因素这两大类，其中非经济因素又划分为海域因素、社会因素和政策因素，方案层为ArcGIS分析得出的各海水淡化厂候选厂址。

图3 反渗透海水淡化厂选址的层次分析模型

反渗透海水淡化厂出水pH低、碱度低、总溶解性固体含量低、水质纯度高，可供给工业企业作为工艺用水，产生的浓盐水经过化工企业进行资源化利用，故海水淡化厂应建在工业企业附近，实现更大的经济效益和资源效益；作为工业企业，海水淡化厂应尽量远离居民区以减少对居民生活的不利影响；另外，反渗透海水淡化厂在运行过程中主要存在的两大问题就是预处理过程复杂和膜需定期更换，在选址时应充分考虑附近海水的水质情况，选择更为清洁的海域附近建厂；同时海水淡化厂建厂区域应具备供水、供电、供热、道路等基础设施，为海水淡化厂的运行提供保障；此外，应选择合适的土地利用类型，产业空间布局尽可能与城市规划相一致，从而有利于海水淡化厂的后续发展。

步骤二通过电子邮件的方式向相关领域的专家学者发送调查问卷，邀请他们对层次分析模型中非经济因素准则层下各指标进行两两比较，并依据1～9标度法[13]给出比较结果。由此构建判断矩阵，将判断矩阵进行归一化处理和一致性检验，得到非经济因素准则层下各指标相对权重ωi。共发送10份调查问卷，权重计算结果如表3所示。

从表3可以看出，对附近居民的影响权重最高，其次是基础设施配备情况和海水水质情况，说明选址时应优先考虑居民人口密度少、基础设施完备和附近海水水质优良的区域。

表3 非经济因素准则层下各指标权重计算结果

步骤三采用强迫选择法，即各候选厂址就非经济因素准则层下单一指标进行两两比较，令较佳候选厂址的比重值为1，较差候选厂址的比重值为0，再将各候选厂址比重值除以总比重值得到各候选厂址非经济因素准则层下单一指标的适宜性指数Tdi。最后将各适宜性指数Tdi与对应指标的相对权重ωi相乘再相加可得候选厂址非经济因素的综合适宜性指数Tn，计算公式为

Tn=∑Tdiωi

(1)

借助ArcGIS可直观看出候选厂址周围的居住建设用地数量、厂房的数量和道路情况，同时综合分析红石崖街区的数据资料[14-19]，对6个候选厂址进行两两比较，根据上述的计算公式得到各候选厂址非经济性因素的适宜性指数，如表4所示。

表4 非经济因素的适宜性指数计算结果

从表4可以看出，候选厂址A的非经济因素的综合适宜性指数最高，候选厂址D的非经济因素的综合适宜性指数最低。

步骤四海水淡化厂投资建设成本主要包括海水取水成本、产品水运输成本、海水淡化工程设备与构筑物的建设成本。本研究的候选厂址成本有所不同的原因主要是海水取水成本和产品水运输成本不同。故采取常规供水工程费用模型[19]，即

C=127.07Q0.725 1L

(2)

式(2)中：L为候选厂址到海岸线和自来水厂的距离之和，km；Q为工程规模，万m3·d-1；C为供水工程费用，万元。

分别计算出各候选址的输水费用Ci。在该厂址处投资建设成本越低，则在该厂址建设海水淡化厂的适宜性越高，故取Ci的倒数除以所有候选厂址的Ci倒数之和得到各候选厂址经济因素的适宜性指数Tm，计算公式为

(3)

运用ArcGIS软件中距离测量功能分别得到各候选厂址与自来水厂和海岸线的距离，相加得到总输水距离L。将L代入上述公式得到各候选厂址的输水费用Ci和经济因素的适宜性指数Tm。计算结果如表5所示。

从表5可得出，候选厂址D输水总距离最短，输水成本最低，适宜性指数为0.200，在所有候选厂址中最高。反之，候选厂址F输水总距离最长，输水成本相对于候选厂址D要多966.445万元，适宜性指数仅为0.085。另外，厂址A、B、C、E的适宜性指数相差不大。

表5 各候选厂址经济因素的适宜性指数计算结果

步骤五邀请专家学者填写选址的经济因素与非经济因素的权重，分别为M和N，且M+N=1。对经济因素和非经济因素的适宜性指数分别加权再相加得到选址的综合适宜性指数H，计算公式为

H=MTm+NTn

(4)

将专家填写结果进行统计后取平均值，得到M为0.61，N为0.39。由此可看出经济因素对最终决策的影响要略高于非经济因素。将上述计算得出的各候选厂址的经济因素和非经济因素的适宜性指数代入上述公式，得到各候选厂址的综合适宜性指数。计算结果如表6所示。

从表6可看出，候选厂址的综合适宜性指数从大到小排列顺序为A>D>B>C>E>F，由此得出红石崖街区海水淡化厂最适宜建在候选厂址A处。

表6 各候选厂址综合适宜性指数计算结果

5 结论

海水淡化厂选址不仅要考虑经济因素的影响，还需要考虑海域因素、政策因素和社会因素等非经济因素的影响。借助ArcGIS软件，进行缓冲区重叠分析、面积筛选得到候选厂址；利用综合分析法和强迫性选择法，再构建了海水淡化厂选址的层次分析模型，通过计算各候选厂址综合适宜性指数，最终选出候选厂址A为最适宜建设海水淡化厂的地址。

将ArcGIS与层次分析法结合，可生动直观地得出候选厂址的位置，相比于传统选址方法节省了大量的人力物力；同时综合考虑了经济因素和非经济因素对海水淡化厂选址的影响，使得选址结果更加客观、准确。该方法仍然存在着一些不足之处，例如选址的影响因素考虑得较少、确定权重时主观性较强，应当将其作为未来研究的重点进行改善。