沿海缺水城市非常规与常规水源协同配置方法研究

姚 越， 周长青

(中国城市规划设计研究院，北京100044)

1 引言

由于自然条件有限和城市规模快速扩张等因素，我国沿海缺水城市经济社会发展受到水资源的严重制约，提升城市供水能力和水资源利用水平的需求十分迫切。非常规水源具有获取便利性、成本廉价性、资源再生性等优点，引入非常规水源等可利用水源能有效缓解水资源危机[1]。积极探索非常规与常规水源协同配置方法，构建多水源供水结构，对沿海缺水城市的经济社会发展具有十分重要的意义。

目前，已有学者分别从供水效益、可持续利用、低碳发展等不同角度出发，对缺水城市的多水源配置方法进行了研究。例如，张田媛等[2]在北京市供水系统中纳入再生水，通过构建清水与再生水协同利用优化模型，实现供水系统净效益最大化的单一目标。张相忠等[3]通过对比海水与自来水、再生水的成本、生产工艺、水质特点等，建议将海水作为冲厕水引入青岛市城市供水结构。彭澄瑶等[4]重点以城市水资源可持续利用为目标，针对天津生态城等新区建设，通过梳理新区城市水循环系统结构、核算供需水量平衡，构建以多水源配置为核心的水资源利用模式。严登华等[5-6]在水资源配置中引入低碳、公平的理念，将碳的净排放约束纳入水资源优化配置模型中，构建基于低碳发展模式的水资源配置模型。

2 水资源协同配置原则与目标

2.1 非常规水源供给特征

目前，技术较为成熟、推广程度较高的非常规水源类别一般包括再生水、海水淡化水和雨水等。各类非常规水源原水不同，因此水量、水质与常规水源相比均存在较大差异，导致供水方式也具有一定的特殊性。

① 分散性

非常规水源利用由于原水的特殊性以及系统性规划的缺失，往往难以有完善的市政收集、处理、输送设施系统，无法实现与常规水源同等规模的集中供给系统。对于再生水，除集中式再生处理和市政管网输配的供水模式外，以企业单位或居民小区自产污水为原水的分散式再生处理和自产自用的再生水供水模式也占到一定比例；对于海水淡化水，一般不单独建设长距离的海水淡化水输水系统，而是与常规水源掺混使用或分散式点对点供水；对于雨水，一般通过分散的源头海绵设施或调蓄设施进行资源化利用。

② 特质性

由于非常规水源的原水水质和处理工艺与常规水源存在较大差异，非常规水源水质具有一定的特殊性，因此适宜在特定用途替代部分常规水源。再生水和雨水处理工艺简单，水质未达到市政供水的《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)，适宜在市政杂用、景观回用等低质用水途径中加以利用；海水淡化水水质优良，可作为市政供水与常规水源掺混利用，但由于其水质的特殊性，仍需控制一定的掺混比例。

③ 补充性

非常规水源水质和水量的特殊性、供水的经济性和用途的局限性等方面的约束，决定了非常规水源供水范围和供水设施布局的有限性，它可以作为常规水源供水的有效补充，在城市供水体系中位于从属地位。

2.2 水资源协同配置原则

水资源配置的核心是对应具体情况下的水资源供需平衡分析，以实现水量、水质、时间和空间等各层面的合理配置[7]。根据非常规水源的供给特征，为了尽可能提高水资源协同配置效益，需按照以下原则确定配置方法。

① 供水安全优先保障原则

满足城市居民生活、经济环境和社会发展用水，确保城市供水安全，是城市多水源配置的基本要求，也是城市多水源配置方案选择的出发点和落脚点。在水资源配置中应优先确保城市生产生活需水量能够得到满足，确保相关供水系统水质达标，充分保障供水安全。

② 水量水质协同互补原则

非常规与常规水源都是城市供水系统中的有机组成部分，各类水资源应协同互补，各自发挥其优势和作用，整体实现较好的经济、环境和社会效益。在配置过程中结合城市空间结构、水系布局、水源条件、产业布局等，充分发挥非常规水源对常规水源的补充和协同作用，替换城市对部分新水的需求，同时满足用户的分质供水需求，促进水资源高效集约利用。

③ 供水系统经济高效原则

在城市供水系统配置中，经济成本是决定供水方案可行性和持续性的重要因素。应充分考虑非常规水源的成本价格优势，合理确定开发利用规模，提高供水的经济效益。

④ 协同配置全局统筹原则

城市多水源供水是复杂的系统性工程，涉及社会、经济、环境不同属性和布局规划、工程设计、系统运维等多个环节，在配置规划中应建立全局视角，统筹考虑不同属性效益最大化的需求，从长远角度出发，统一配置各类水资源。

2.3 水资源协同配置目标

水资源配置涉及水资源保护与利用、社会经济发展等多个方面，单一的供水保障目标已不能满足城市发展的新要求，应从社会效益、经济效益、环境效益等多角度出发，明确各方面的目标要求。

社会效益最大化：满足城市用水需求，水质安全达标，城市新水取水量最小。

经济效益最大化：供水成本降低，水资源利用效率最高。

环境效益最大化：降低污染物排放量，对水环境的不利影响最小。

在此基础上，按照多目标决策思路，实现综合效益最大化。

3 水资源协同配置方法

非常规与常规水源协同配置由于配置目标、可选模式和空间布局多样性等因素带来方法的复杂性问题，笔者在遵循水资源协同配置原则的基础上，集成各配置过程所需考虑的因素，构建多层次的定量配置方法，其框架如图1所示。

图1 非常规与常规水源协同配置方法框架Fig.1 Framework of collaborative allocation method of unconventional and conventional water resources

3.1 目标识别

通过非常规和常规水源水量水质特征分析，对水资源协同配置的目标和原则已有初步的定性认识。在此基础上，以问题为导向对目标进行进一步的识别。

分析现状问题所需的基础资料可分为历史及现状数据和已有的规划数据。其中，历史及现状数据既包括城市人口演变、用地情况、自然地理条件等基础要素，也包括城市社会水循环系统相关的各类信息，如供用水水平、污水处理及排放水平、各类非常规水源利用现状等；已有的规划数据包括水资源和水环境相关的各类规划信息，例如城市总体规划或国土空间规划、供排水专项规划、海绵城市专项规划等。

从基础资料中对比历史、现状及规划情况，有条件时结合类似城市的数据进行对比，分析现有水资源配置系统的不合理性，包括城市新水取水量计算、供水水质不合理区域分布识别、历年供水系统运行成本统计、非常规水源开发利用成本计算等。基于各项问题，明确水资源配置方案的优化方向和各项量化目标。

3.2 需求分析

需求分析的关键内容是城市需水量的预测。首先基于人口和用地情况估算城市需水总量，在此基础上，考虑不同用水性质的用户空间分布差异性、用水需求的季节波动性，细化用水需求，明确各城市空间内各类用水性质在不同时间段的用水量，为分区供水、分质供水、分时供水方案的制定提供依据。

此外，根据各类非常规水源对应的原水类型和工程条件等作潜力分析，确定城市在最大化开发和供水能力充分挖潜的背景下，各类非常规水源可达到的供水规模。

3.3 方案决策

非常规与常规水源协同配置是典型的多目标规划问题，可将其概化为数学优化模型进行求解。首先，分别将社会效益、经济效益、环境效益最大化进行量化处理，转化为数学表达式，建立目标函数。之后，根据需求分析结果确定约束条件，一般包括各类用水性质对应的供需水量平衡、各配置单元水量平衡、非负约束等[2,8-9]。例如海水淡化水可与常规水源掺混使用，掺混比例过高会导致供水水质恶化，针对此类情况，建议增加掺混比例约束条件。

根据水资源配置模型的复杂程度选择合理的计算工具，对于多目标线性规划问题，可采用LINGO(linear interactive and general optimizer)软件求解；对于时空变化尺度更精细的多目标非线性规划问题，利用MATLAB(matrix&laboratory)软件编程，采用遗传算法等方法可得到精细化要求下的解集。

需要注意的是，求解水资源配置模型往往得到的是合理方案集，在实际决策中，还需要结合相关政府部门等决策主体的偏好确定最终的配置方案[10]。

4 案例分析

4.1 案例区域概况

以青岛市中心城区为例，进行非常规与常规水源协同配置分析。青岛市中心城区包括胶州湾东岸的市南区、市北区、李沧区、崂山区，胶州湾北岸的城阳区，以及胶州湾西岸的西海岸新区，面积约为1 408 km2，其中建设用地规模约为660 km2。青岛市多年平均降雨量仅有691.6 mm，且降雨时空分布不均，全市人均占有水资源量仅有247 m3，为严重缺水城市。根据《青岛统计年鉴》、《水资源公报》等资料，2019年青岛市中心城区常住人口为520.31万人，用水量为5.568 1×108m3。

参与配置的水资源类别包括常规水源和再生水、海水淡化水等非常规水源，由于雨水利用的季节性强，难以成为稳定的水源，故雨水不作为非常规水源参与城市供需水平衡配置，仅作为城市生态用水的补充。根据再生水和海水淡化水等相关规划，预计2025年再生水厂和单体再生水设施最高日供水量分别达到65.08×104和10.75×104m3/d，海水淡化产能规模可达到70×104m3/d以上。

4.2 城市需水量与供水能力预测

根据人口预测规模和人均用水定额预测中心城区需水总量，再结合历年用水情况统计及产业政策等资料，对不同途径用水量进行预测。根据《青岛统计年鉴》中历史常住人口数据，近年来青岛市中心城区常住人口呈现稳定、低速的增长趋势，按此趋势拟合得到2025年、2030年和2035年常住人口分别为548.82，582.75和616.68万人。结合近几年《青岛市水资源公报》，估算城市人均年用水量约为120～130 m3，则预计2025年、2030年和2035年青岛市中心城区城市用水量分别达到6.903 0×108、7.222 8×108和7.756 5×108m3。根据近几年《青岛市水资源公报》中不同用水类别的用水量，对预测用水量进行不同类别的分配，相对应的用水量预测结果如表1所示。

表1 2025年、2030年和2035年青岛市中心城区用水量预测结果Tab.1 Forecast results of water consumption of central urban area of Qingdao City in 2025, 2030 and 2035 108 m3

需要注意的是，工业用水仅为新水取水量，不包括重复利用部分；生态环境用水仅包括人为措施提供的维护生态环境的水量，不包含未经人为措施直排入河的水量。

根据青岛市水安全保障政策及水源工程建设相关规划，青岛市中心城区本地水源和客水水源供水能力近期可分别达到2.214 3×108、3.647 0×108m3/a，预测2025年常规水源供水能力在此基础上提升5%，则本地水源和客水水源供水能力可分别达到2.325 0×108、3.829 4×108m3/a，2030年和2035年按此趋势分别进行预测。再生水供水能力按照城市污水产生量进行估算，考虑不同用水类别的耗水情况，分别按照工业、城镇公共、居民生活、生态环境用水量的0.2，0.7，0.7和0.1计算污水产生量，在此基础上，根据再生水利用及节水相关规划确定再生水利用率，2025年、2030年和2035年分别取55%、60%和65%，由此得到各年的再生水供水能力。海水淡化水供水能力根据相关产业规划和工程规模预测，2025年、2030年和2035年海水淡化水供水规模可分别达到42.26×104，61.46×104，70.00×104m3/d，由此折算出海水淡化水的年供水能力。预计2025年、2030年和2035年青岛市中心城区各类水源供水能力见表2。

表2 2025年、2030年和2035年青岛市中心城区供水能力预测结果Tab.2 Forecast results of water supply capacity of central urban area of Qingdao City in 2025, 2030 and 2035 108 m3·a-1

4.3 水资源协同配置模型构建

根据基础资料，确定水资源协同配置目标与约束条件，构建水资源配置模型。

4.3.1目标函数

(1)

(2)

(3)

式中f1(X)、f2(X)、f3(X)分别代表配置方案下城市新水取水量、供水成本、单位水增加的污水中污染物含量，分别反映配置方案带来的社会效益、经济效益和环境效益[11]；kj为第j个用水类别权重,本研究考虑工业、城镇公共、居民生活、生态环境4个城市用水类别，按照供水保障率确定相应权重；ΔXj为第j个用水类别对应的新水取水量[9]，以各类别下常规水源供水量计；xi,j(i=1,2,3,4，j=1,2,3,4)为第i类水资源配置到第j个用水类别的水量；ci、mi(i=1,2,3,4)分别代表本地水资源、客水、再生水、海水淡化水的供水成本和单位水增加的污水中污染物含量。

对于kj取值，工业、城镇公共、居民生活3类用水的供水保障率一般要求分别在90%、95%、95%以上(以98%计)，生态环境用水按照工业用水的供水保障率计，则4类用水类别的权重分别为0.90，0.95，0.98，0.90。对于供水成本ci取值，参考已有研究[12]和实地调研结果，本地水源、客水、再生水、海水淡化水的单位供水成本分别取2.7，5.2，2.1和5.5 元/m3。对于单位水增加的污染物含量mi取值，以COD为代表，根据各类产品水中浓度和污水中污染物浓度差异计算，本地水资源和客水资源取253.4 g/m3，再生水和海水淡化水分别取133.4和267.35 g/m3[11]。

4.3.2约束条件

x1,j+x2,j+x3,j+x4,j≥Xdemand,j(j=1,2,3,4)

(4)

x3,3=0

(5)

(6)

(7)

式中x1,j、x2,j、x3,j、x4,j分别代表本地水资源、客水、再生水、海水淡化水在第j个用水类别的配置水量；Xdemand,j代表第j个类别的总需水量；Rmax代表海水淡化水与常规水源的最高掺混比例；Xsupply,i代表第i类水资源最大可供水规模。4类约束条件分别反映供需平衡约束、再生水水质约束(只能替代低质用水)、海水淡化水掺混比例约束、供水能力上限约束以及非负约束。

Xdemand,j、Xsupply,i的取值分别根据表1、表2得到。根据已有研究，海水淡化水与常规水源掺混比例最高为1 ∶2[13]，即Rmax取值为0.5。

此外，根据水源配置的实际配套工程建设情况等因素，可增加相应的约束条件。如部分工业企业厂区自用的海水淡化水水量相对固定，可作为配置水量的最低限值等。

4.4 水资源协同配置模型求解

研究构建的水资源配置模型为多目标线性规划模型，选用LINGO软件进行编程求解。采用加权系数法，将多目标问题简化为单目标规划模型进行求解。考虑社会、经济、环境效益同等重要，即目标等权重，分别得到2025年、2030年和2035年对应的合理方案集，选取其中一个合理解如表3所示。

表3 2025年、2030年和2035年青岛市中心城区水资源协同配置方案示例Tab.3 Example of water resource collaborative allocation scheme of central urban area of Qingdao City in 2025, 2030 and 2035 108 m3

结果表明，2025年、2030年和2035年青岛市中心城区供水结构中，非常规水源占比逐渐增大，在理想状态下，分别可达到40%、49%和52%。非常规水源是供水结构的重要组成部分，在不同用水类别中可有效替代常规水源，缓解供水保障压力。

由于再生水开发利用成本及使用单位水增加的COD含量均为最低，提高其配置水量可达到较好的经济效益和环境效益，因此再生水配置水量达到或接近其供水能力，主要用于城镇公共用水和生态环境用水，此外也可作为工业用水；海水淡化水掺混在市政供水管道中，主要用于居民生活和城镇公共用水，其余用于工业用水；常规水源主要保障居民生活用水，其余用于工业生产和城镇公共用水。

从用水类别来看，工业用水的新水取水量主要由常规水源供给，同时海水淡化水和少量再生水也是有效补充；城镇公共用水由常规水源、海水淡化水和再生水供应，且随着再生水利用潜力挖掘，再生水供水比例逐渐增大，到2035年再生水贡献80%以上；居民生活用水由常规水源和海水淡化水掺混供应，掺混比例控制在2 ∶1；生态环境用水全部由再生水供应。

在实际决策中，需要根据决策者的偏好对配置方案进行进一步比选，确定一定条件下的最优配置方案。此外，随着政策引导、技术创新等因素的变化，水资源协同配置模型的约束条件和参数可能发生变动，需要根据实际情况进行适当修正，为决策提供有效支撑。

5 结论

针对沿海缺水城市经济社会发展需求，引入非常规水源参与城市供水，按照供水安全优先保障、水量水质协同互补、供水系统经济高效、协同配置全局统筹的原则进行协同配置，实现社会、经济、环境等各方面效益最大化的目标。在此基础上，构建包括目标识别、需求分析、方案决策3个层次的水资源定量配置方法，并在青岛市中心城区加以应用。结果表明，未来非常规水源的配置比例逐渐增大，到2035年可超过50%，其中再生水主要用于城镇公共和生态环境用水，也可作为工业用水，海水淡化水主要掺混在市政供水管道中补充居民生活用水和城镇公共用水，其余用于工业用水。研究成果可为青岛市非常规水源应用决策提供有效支撑，也为我国其他沿海缺水城市开展类似工作提供参考与借鉴。