分散式中水回用系統分析及模擬預測——生活小區

楊敏 黃廷林
（西安建筑科技大學環境與市政工程學院，西安，710055）

　　摘要：運用系統動力學的方法，建立了分散式系統——生活小區的用水和供水系統之間的相互動態、非線性模型。該模型在對生活小區中水回用系統進行系統分析的基礎上，預測了未來的自來水用水狀況、中水的供需狀況以及中水處理工程的發展規模。表明開展分散式中水回用工程可在不降低用戶生活水標準的情況下，降低自來水用水的消耗，確定了在經濟規模約束條件下的較合理的中水回用規模和較佳的工程建設時間。同時，本文還進一步預測了水價的增長率、居民對回用水的接受程度的變化以及規模變化對生活小區中水回用系統的影響。
　　關鍵詞：系統動力學；分散式中水回用；生活小區；中水的經濟規模；用戶接受程度

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

　　中水是指各種排水經處理后，達到規定的水質標準，可在生活、市政、環境等范圍內雜用的非飲用水[1]；分散式中水回用是指中水的就地使用，即：學校、居住小區、辦公樓、工礦企業等部門的生活污水和生產廢水自成系統，分散處理就地回用。由于分散式系統管網投資小，維護成本低，對環境的影響較小，更易于回用，滿足污水再生回用的可持續發展原則而被世界科學家所積極倡導[2]。但是，對于分散式中水回用系統，目前主要存在兩方面問題：第一，因缺乏系統內部原水水量以及用戶需水水量變化的實測數據，難以把握其動態變化規律；第二，由于缺少回用工程投資和運行狀況的技術經濟分析，致使許多回用工程設備利用率較低，沒有充分發揮原有的設計處理能力，造成極大浪費。
　　從系統論的觀點看，分散式中水回用系統不僅與系統內部分質供水和單元供需水的水量平衡有關，還受到水價、用戶對中水的接受程度、用水場所的經濟狀況等外部因素的制約，表現出系統的復雜性。因此，本文以生活小區為例，通過系統中各元素間反饋關系的分析，建立符合實際情況的動態仿真模型—系統動力學模型（SD模型），為生活小區這一類分散式中水回用系統的規劃和優化提供量化工具。

1 研究方法

　　本文采用系統動力學（SD）的分析方法^[3,4]，建立生活小區的系統動力學動態模型，并結合不確定性的分析方法，系統的分析研究區未來20年內的用水情況。

2 模型的基本結構

　　要分析模型的基本結構，首先應該確定該模型所研究系統的邊界，系統的邊界所包含的組成部分，必須要能解釋邊界內系統發展的動態行為。本系統的邊界定義為生活小區，所考慮的主要是系統邊界內各因素的相互作用關系，而邊界外因素對系統的影響，也會受系統整體發展狀況的反作用，對這種影響的考慮將以邊界內系統的整體變化情況為核心。
　　根據生活小區系統的特征及模型設計的需要，將生活小區中水回用系統劃分為供水、用水2個子系統。各子系統的基本結構關系見圖1。

2.1 生活小區用水子系統
　　用水子系統的因果結構關系見圖2。用水部門主要有居民生活、公共建筑、小區生態環境，各部門中均考慮了對中水的需求。人口、生態建設、居民家庭收入的增加都將導致自來水用水量的增加。規模的擴建及生態環境的改善，使得綠地景觀面積增大；居民收入的增加使得淋浴設施更為普及、衛生設施更為完善，這些都將造成人均自來水用水量的增加。自來水水價的提高一方面可鼓勵居民節約用水，另一方面可刺激生態環境、沖廁使用中水。中水使用量的增加將導致人均對自來水的需求的降低。從而達到節約用水的目的。

2.2 生活小區供水子系統
　　供水子系統的因果關系如圖3。中水使用量是聯系用水和供水子系統的重要輔助變量。中水使用量受中水經濟規模的制約，中水的經濟規模即分散式系統進行中水工程建設時，中水成本以自來水定價的70%~80%計，并能獲得制水利潤（按市政水價的10%計）時所對應的中水處理規模[5]，中水的經濟規模決定了該小區開展回用工程的經濟合理性。中水的價格是影響中水經濟規模的重要因素，同時中水價格又受自來水價格的影響。供水子系統中的主要狀態變量為中水處理量，其大小受到中水原水量和中水平均增長率的制約，并與中水的需水量密切相連。中水需水量主要由中水的回用方向來反映。小區內中水的回用方向主要有沖廁、綠化和景觀等。區域水資源緊缺程度、公眾對中水的關注程度、自來水水價的提高都將刺激中水增長率的增加；而對中水風險問題認識程度的提高將使公眾傾向于使用更為安全的自來水，造成中水增長率的減少，中水增長率正是在這種增加與減少中取得動態的平衡。

3 模型仿真和檢驗

　　現以西安市某新建居住小區為例，該小區總占地面積為10萬m²，小區人口為4000人，小區綠地面積為總占地面積的2%，小區道路面積為總占地面積的10%，小區內公共建筑用水量約為小區內居民生活用水量的5%。以上述數據建立小區分散式中水回用系統的SD模型，該系統的研究年限為從2005~2025年，共計20年。
3.1 模型預測結果及分析
3.1.1 用水量預測結果及分析
　　根據該小區人均用水量的模擬結果數值輸出可以得到圖4。在2009年，中水處理量達到中水的經濟規模，進行中水回用，因此，沖廁和生態綠化、道路澆灑使用了中水，使人均自來水用水量從155.55 L/（人·d）下降到119.47 L/（人·d），隨后，基本保持在120~170L/（人·d）的范圍內，而人均總用水量卻呈現出逐漸上升的趨勢， 2025年達到225L/（人·d），基本與國外目前發達國家用水水平相當，這也符合我國居民用水發展狀況。

3.1.2 中水供需水量預測結果及分析
　　中水的供需水量的預測結果如圖5所示。隨著水價的提高中水經濟規模將會大幅度降低。由于受最小經濟規模和中水平均增長速度等因素的制約，雖然小區對中水有一定的需求。但只有到2008年后進行回用工程建設才能達到較好的規模效益。由于水價的提高，經濟規模的降低，引起中水處理量快速提高至2025年與中水需水量基本持平，表明水價的提高對小區進行中水項目建設和居民使用中水的積極性都將產生較大的影響。該小區的中水需水部門主要是沖廁、綠地澆灌和道路澆灑用水，其中水需水量基本保持在196 m³/d。該小區的中水水源為生活污水，其排水量遠大于中水需水量，因此，應通過原水調貯水池將多余生活污水排入城市管道。
3.2 情景分析
3.2.1市政水價增長率的影響分析
　　市政水價增長率的變化情況見表1。水價在2005年為1.95元/m³，按照居民的經濟承受能力和西安市水價調整策略到2008年市政水價將調整至3.0元/m³，水價的增幅達到最大，2010年后水價的增長幅度將維持在居民的經濟承受范圍以內，變化幅度在4~6%之間。水價占居民收入的比例基本保持在1.5%范圍內，居民可以承受^[6,7]。水價及水價占居民收入百分率隨時間變化曲線見圖6。

水價增長率 表1

　　（1）自來水用水量的預測結果及分析
　　從圖7中可以看出，小區自來水用水量的增長幅度隨著市政水價增長率的提高而降低。市政水價過低不僅對中水回用的推廣造成困難，還造成小區居民節水意識下降；市政水價增長率控制在10%時，水價占居民收入的百分比在2.0%，一般而言，居民可以承受，但這樣會使得經濟發展、生態建設滯后。從圖中分析，市政水價年增長率為8%最優。
　　 （2）中水使用量的預測結果及分析
　　 從圖8中可以看出，市政水價增長率的提高使得中水經濟規模降低。當市政水價增長率為10%時，該小區在2008年就可以進行中水回用，并能達到較好的經濟規模效益；而市政水價增長率為5%時，該小區只能在2010年進行中水回用才能達到較好的經濟規模效益。

3.2.2 居民對中水接受程度影響分析
　　居民對中水的接受程度直接影響中水項目的推廣和中水的使用量。居民使用中水應采取自愿的原則。模型將居民對中水接受程度劃分為三個等級，見表2所示。這三種接受程度下對應的各種用水量預測如下：

用戶接受程度的分類等級 表2

　　（1）自來水用水量的預測結果及分析
　　 從圖9中可以看出，當局民不接受中水時，自來水的用水量在2025年將達到約900m³/d，而在使用了中水的情況下，小區平均每天的自來水用水量可以節約25%左右。隨著居民對中水接受程度的提高，小區可以較早的開展中水回用工程建設，并且在小區總用水量保持穩定的情況下，自來水用水量卻得到降低，說明中水的使用可保證家庭生活用水的需求，是緩解缺水局面的有效方法。
　　 （2）中水使用量的預測結果及分析
　　 從圖10中可以看出居民接受程度的提高對較早開展中水回用工程有利。因此，應及早對中水采取宣傳并以提高自來水水價的方式讓居民逐漸接受。
3.2.3 小區規模擴大率的影響分析
　　現假設小區規模擴大率的兩種情況為：① 小區在20年內不進行擴建；② 小區在2011年擴建，規模擴大率為50%。這三種情況下的用水量預測如下：
　　（1）中水需水量的預測結果及分析
　　 從圖11中可以看出，由于小區擴建而導致的小區人口的增多和綠地、道路面積的增加，使其中水的需水量增多。當小區只進行一次擴建時，小區中水需水量在該年突增，隨后保持該狀態不變。但是，小區規模的擴大不會引起小區人均中水需水量的提高。

　　（2）自來水用水量的預測結果及分析
　　從圖12中可以看出，在2011年，由于小區擴建而導致的小區人口的增多和綠地、道路面積的增加，使其中水的需水量增多，進而導致中水使用量的突增。

4 結語

　　通過建立生活小區分散式中水回用系統動力學模型和模型的模擬分析表明，居民對中水的接受程度、市政水價以及小區規模變化對系統的影響較大。居民的接受程度越高，回用項目的建設就可較快地進行，居民和投資商都能較早地從回用水工程的使用過程中受益；論證了當市政水價年增長率為8%時對小區的用水狀況最為有利；通過改變小區規模擴大率，表明小區中水需水量會在小區規模增大時升高。
　　 對系統的分析和預測表明，實施分散式中水回用可減少25%左右的自來水的消耗，而對居民的正常生活用水不會產生較大的影響；同時，采用分散式系統的建設投資遠低于城市集中污水處理回用的費用，并且系統簡單，易于維護管理和操作。

參考文獻：

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