分散式中水回用系统分析及模拟预测——生活小区

分散式中水回用系统分析及模拟预测——生活小区

杨敏 黄廷林
（西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安，710055）

　　摘要：运用系统动力学的方法，建立了分散式系统——生活小区的用水和供水系统之间的相互动态、非线性模型。该模型在对生活小区中水回用系统进行系统分析的基础上，预测了未来的自来水用水状况、中水的供需状况以及中水处理工程的发展规模。表明开展分散式中水回用工程可在不降低用户生活水标准的情况下，降低自来水用水的消耗，确定了在经济规模约束条件下的较合理的中水回用规模和较佳的工程建设时间。同时，本文还进一步预测了水价的增长率、居民对回用水的接受程度的变化以及规模变化对生活小区中水回用系统的影响。
　　关键词：系统动力学；分散式中水回用；生活小区；中水的经济规模；用户接受程度

System Analysis, Simulation and Prediction on Decentralized Relaimed Water and Reuse System——Resident Small District

Yang Min Huang Ting-lin

（School of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture & Technology，Xi’an 710055,China ）

Abstract: With the application of system dynamics, a dynamic, nonlinear model was developed in this paper in order to reflect the relationships of decentralized water use and water supply of the resident small district. Through a system analysis, the model was applied to predict and analyze the future fresh water use of a resident small district, reclaimed water demand and supply and treatment projects size. It illustrated that reclaimed water decentralized reuse can decrease fresh water use, ensure rational reclaimed water treatment size and project construct time. As well as the paper predicts systematic relevant influencing factors including water pricing, consumers’ acceptable degree to reuse water and the change of scale.

Keywords: system dynamic, decentralized reclaimed water and reuse, resident small district, reclaimed water economical scale, consumers’ acceptable degree

　　中水是指各种排水经处理后，达到规定的水质标准，可在生活、市政、环境等范围内杂用的非饮用水[1]；分散式中水回用是指中水的就地使用，即：学校、居住小区、办公楼、工矿企业等部门的生活污水和生产废水自成系统，分散处理就地回用。由于分散式系统管网投资小，维护成本低，对环境的影响较小，更易于回用，满足污水再生回用的可持续发展原则而被世界科学家所积极倡导[2]。但是，对于分散式中水回用系统，目前主要存在两方面问题：第一，因缺乏系统内部原水水量以及用户需水水量变化的实测数据，难以把握其动态变化规律；第二，由于缺少回用工程投资和运行状况的技术经济分析，致使许多回用工程设备利用率较低，没有充分发挥原有的设计处理能力，造成极大浪费。
　　从系统论的观点看，分散式中水回用系统不仅与系统内部分质供水和单元供需水的水量平衡有关，还受到水价、用户对中水的接受程度、用水场所的经济状况等外部因素的制约，表现出系统的复杂性。因此，本文以生活小区为例，通过系统中各元素间反馈关系的分析，建立符合实际情况的动态仿真模型—系统动力学模型（SD模型），为生活小区这一类分散式中水回用系统的规划和优化提供量化工具。

1 研究方法

　　本文采用系统动力学（SD）的分析方法^[3,4]，建立生活小区的系统动力学动态模型，并结合不确定性的分析方法，系统的分析研究区未来20年内的用水情况。

2 模型的基本结构

　　要分析模型的基本结构，首先应该确定该模型所研究系统的边界，系统的边界所包含的组成部分，必须要能解释边界内系统发展的动态行为。本系统的边界定义为生活小区，所考虑的主要是系统边界内各因素的相互作用关系，而边界外因素对系统的影响，也会受系统整体发展状况的反作用，对这种影响的考虑将以边界内系统的整体变化情况为核心。
　　根据生活小区系统的特征及模型设计的需要，将生活小区中水回用系统划分为供水、用水2个子系统。各子系统的基本结构关系见图1。

2.1 生活小区用水子系统
　　用水子系统的因果结构关系见图2。用水部门主要有居民生活、公共建筑、小区生态环境，各部门中均考虑了对中水的需求。人口、生态建设、居民家庭收入的增加都将导致自来水用水量的增加。规模的扩建及生态环境的改善，使得绿地景观面积增大；居民收入的增加使得淋浴设施更为普及、卫生设施更为完善，这些都将造成人均自来水用水量的增加。自来水水价的提高一方面可鼓励居民节约用水，另一方面可刺激生态环境、冲厕使用中水。中水使用量的增加将导致人均对自来水的需求的降低。从而达到节约用水的目的。

2.2 生活小区供水子系统
　　供水子系统的因果关系如图3。中水使用量是联系用水和供水子系统的重要辅助变量。中水使用量受中水经济规模的制约，中水的经济规模即分散式系统进行中水工程建设时，中水成本以自来水定价的70%~80%计，并能获得制水利润（按市政水价的10%计）时所对应的中水处理规模[5]，中水的经济规模决定了该小区开展回用工程的经济合理性。中水的价格是影响中水经济规模的重要因素，同时中水价格又受自来水价格的影响。供水子系统中的主要状态变量为中水处理量，其大小受到中水原水量和中水平均增长率的制约，并与中水的需水量密切相连。中水需水量主要由中水的回用方向来反映。小区内中水的回用方向主要有冲厕、绿化和景观等。区域水资源紧缺程度、公众对中水的关注程度、自来水水价的提高都将刺激中水增长率的增加；而对中水风险问题认识程度的提高将使公众倾向于使用更为安全的自来水，造成中水增长率的减少，中水增长率正是在这种增加与减少中取得动态的平衡。

3 模型仿真和检验

　　现以西安市某新建居住小区为例，该小区总占地面积为10万m²，小区人口为4000人，小区绿地面积为总占地面积的2%，小区道路面积为总占地面积的10%，小区内公共建筑用水量约为小区内居民生活用水量的5%。以上述数据建立小区分散式中水回用系统的SD模型，该系统的研究年限为从2005~2025年，共计20年。
3.1 模型预测结果及分析
3.1.1 用水量预测结果及分析
　　根据该小区人均用水量的模拟结果数值输出可以得到图4。在2009年，中水处理量达到中水的经济规模，进行中水回用，因此，冲厕和生态绿化、道路浇洒使用了中水，使人均自来水用水量从155.55 L/（人·d）下降到119.47 L/（人·d），随后，基本保持在120~170L/（人·d）的范围内，而人均总用水量却呈现出逐渐上升的趋势， 2025年达到225L/（人·d），基本与国外目前发达国家用水水平相当，这也符合我国居民用水发展状况。

3.1.2 中水供需水量预测结果及分析
　　中水的供需水量的预测结果如图5所示。随着水价的提高中水经济规模将会大幅度降低。由于受最小经济规模和中水平均增长速度等因素的制约，虽然小区对中水有一定的需求。但只有到2008年后进行回用工程建设才能达到较好的规模效益。由于水价的提高，经济规模的降低，引起中水处理量快速提高至2025年与中水需水量基本持平，表明水价的提高对小区进行中水项目建设和居民使用中水的积极性都将产生较大的影响。该小区的中水需水部门主要是冲厕、绿地浇灌和道路浇洒用水，其中水需水量基本保持在196 m³/d。该小区的中水水源为生活污水，其排水量远大于中水需水量，因此，应通过原水调贮水池将多余生活污水排入城市管道。
3.2 情景分析
3.2.1市政水价增长率的影响分析
　　市政水价增长率的变化情况见表1。水价在2005年为1.95元/m³，按照居民的经济承受能力和西安市水价调整策略到2008年市政水价将调整至3.0元/m³，水价的增幅达到最大，2010年后水价的增长幅度将维持在居民的经济承受范围以内，变化幅度在4~6%之间。水价占居民收入的比例基本保持在1.5%范围内，居民可以承受^[6,7]。水价及水价占居民收入百分率随时间变化曲线见图6。

水价增长率 表1

　　（1）自来水用水量的预测结果及分析
　　从图7中可以看出，小区自来水用水量的增长幅度随着市政水价增长率的提高而降低。市政水价过低不仅对中水回用的推广造成困难，还造成小区居民节水意识下降；市政水价增长率控制在10%时，水价占居民收入的百分比在2.0%，一般而言，居民可以承受，但这样会使得经济发展、生态建设滞后。从图中分析，市政水价年增长率为8%最优。
　　 （2）中水使用量的预测结果及分析
　　 从图8中可以看出，市政水价增长率的提高使得中水经济规模降低。当市政水价增长率为10%时，该小区在2008年就可以进行中水回用，并能达到较好的经济规模效益；而市政水价增长率为5%时，该小区只能在2010年进行中水回用才能达到较好的经济规模效益。

3.2.2 居民对中水接受程度影响分析
　　居民对中水的接受程度直接影响中水项目的推广和中水的使用量。居民使用中水应采取自愿的原则。模型将居民对中水接受程度划分为三个等级，见表2所示。这三种接受程度下对应的各种用水量预测如下：

用户接受程度的分类等级 表2

　　（1）自来水用水量的预测结果及分析
　　 从图9中可以看出，当局民不接受中水时，自来水的用水量在2025年将达到约900m³/d，而在使用了中水的情况下，小区平均每天的自来水用水量可以节约25%左右。随着居民对中水接受程度的提高，小区可以较早的开展中水回用工程建设，并且在小区总用水量保持稳定的情况下，自来水用水量却得到降低，说明中水的使用可保证家庭生活用水的需求，是缓解缺水局面的有效方法。
　　 （2）中水使用量的预测结果及分析
　　 从图10中可以看出居民接受程度的提高对较早开展中水回用工程有利。因此，应及早对中水采取宣传并以提高自来水水价的方式让居民逐渐接受。
3.2.3 小区规模扩大率的影响分析
　　现假设小区规模扩大率的两种情况为：① 小区在20年内不进行扩建；② 小区在2011年扩建，规模扩大率为50%。这三种情况下的用水量预测如下：
　　（1）中水需水量的预测结果及分析
　　 从图11中可以看出，由于小区扩建而导致的小区人口的增多和绿地、道路面积的增加，使其中水的需水量增多。当小区只进行一次扩建时，小区中水需水量在该年突增，随后保持该状态不变。但是，小区规模的扩大不会引起小区人均中水需水量的提高。

　　（2）自来水用水量的预测结果及分析
　　从图12中可以看出，在2011年，由于小区扩建而导致的小区人口的增多和绿地、道路面积的增加，使其中水的需水量增多，进而导致中水使用量的突增。

4 结语

　　通过建立生活小区分散式中水回用系统动力学模型和模型的模拟分析表明，居民对中水的接受程度、市政水价以及小区规模变化对系统的影响较大。居民的接受程度越高，回用项目的建设就可较快地进行，居民和投资商都能较早地从回用水工程的使用过程中受益；论证了当市政水价年增长率为8%时对小区的用水状况最为有利；通过改变小区规模扩大率，表明小区中水需水量会在小区规模增大时升高。
　　 对系统的分析和预测表明，实施分散式中水回用可减少25%左右的自来水的消耗，而对居民的正常生活用水不会产生较大的影响；同时，采用分散式系统的建设投资远低于城市集中污水处理回用的费用，并且系统简单，易于维护管理和操作。

参考文献：

[1] 中国人民解放军总后勤部基建营房部. 建筑中水设计规范.北京：中国计划出版社，2003.
[2] P. Lens, G. Zeeman, G. Lettinga 编, 王晓昌, 彭党聪, 黄廷林 译. 分散式污水处理与再利用—概念、系统和实践[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004
[3] K.D.W. Nandalal. Resolving conflicts in water sharing: A systemic approach [J]. Water Resources Research, 2003，39（12）: WES 1-11
[4] Ahmad, S., and S. P. Simonovic. System Dynamics Modeling of Reservoir Operations for Flood Management[J]. J. Comput.Eng., 2000，14（3）:190-198
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[6] 储俊英, 陈吉宁, 邹骥. 我国城市水环境产业发展和市场容量的SD模型[J]. 环境科学, 2002，23（4）:1~7
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