崔建鑫,趙海霞(1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210008；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100039)

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城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施空間優(yōu)化配置研究

崔建鑫1,2,趙海霞1*(1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210008；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100039)

摘要：城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)總體規(guī)模不足、空間布局不平衡等問題突出,基于效率最大化、費(fèi)用最小化原則,從微觀效率和宏觀布局兩個(gè)維度進(jìn)行空間優(yōu)化配置,為解決城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的空間均衡問題提供思路.以淮安市盱眙縣盱城鎮(zhèn)為例,利用ArcGIS網(wǎng)絡(luò)分析工具,構(gòu)建“目標(biāo)市場份額”和“最小阻抗”模型,進(jìn)行鎮(zhèn)區(qū)污水處理設(shè)施的空間優(yōu)化配置.結(jié)果表明:已有的污水處理設(shè)施中,由于管網(wǎng)配套不足,富春運(yùn)行負(fù)荷低,未來擴(kuò)大服務(wù)范圍、提高運(yùn)行效率是重點(diǎn);在合理運(yùn)行條件下,已有的污水廠的設(shè)計(jì)能力仍不滿足治理需求,根據(jù)排污治污缺口,需新建一座2萬t/d規(guī)模的污水處理設(shè)施;新建污水廠的最佳位置位于缺口地區(qū)的最小費(fèi)用點(diǎn).微觀效率與宏觀布局的協(xié)同優(yōu)化方案可為盱城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的格局優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)也為全國同類地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施空間規(guī)劃管理提供參考.

關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施；優(yōu)化配置；ArcGIS；微觀效率；宏觀布局

* 責(zé)任作者, 副研究員, zhhx0183@163.com

城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施是提升基本環(huán)境公共服務(wù)、改善水環(huán)境質(zhì)量的重大環(huán)保民生工程,加大污水處理設(shè)施建設(shè)又是城鎮(zhèn)污染減排的重要舉措.我國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)經(jīng)歷了30年的蓬勃發(fā)展,已累計(jì)建成污水處理設(shè)施3717座,每19萬城鎮(zhèn)人口擁有一座污水處理設(shè)施,對(duì)城鎮(zhèn)污染減排作用顯著.但相對(duì)發(fā)達(dá)國家7000～8000人/座的水平仍有很大差距[1];全國城鎮(zhèn)污水處理率平均為77.5%,相對(duì)國務(wù)院2015年的目標(biāo)低了7.5%[2].因此,加大城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)是必然趨勢(shì),而且新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略為城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)提出了更高要求.此外,城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施依然存在很多問題,如污水配套管網(wǎng)建設(shè)相對(duì)滯后、設(shè)施建設(shè)空間不平衡、運(yùn)營監(jiān)管不到位等[2],據(jù)統(tǒng)計(jì),全國1.21%的設(shè)施處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),另有10.4%的設(shè)施運(yùn)行負(fù)荷率低于30%[3],污水收集和處理系統(tǒng)的空間適配性矛盾突出,成為制約污染減排的重要因素.建立一套基于城鎮(zhèn)污水排放與治理相匹配的城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施空間優(yōu)化配置方法,指導(dǎo)新增污水處理設(shè)施的空間布局及現(xiàn)狀設(shè)施的擴(kuò)容與提標(biāo)改造,是現(xiàn)實(shí)背景下城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施研究的重要方向.

城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施作為一種公共服務(wù)設(shè)施,其空間優(yōu)化配置符合公共服務(wù)設(shè)施區(qū)位理論,即在兼顧效率與公平的原則下,在財(cái)政預(yù)算框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益福利最大化,通過合理布局公共設(shè)施,力求以最小的社會(huì)成本,盡可能提供完善的、公平的福利保障[4].因此,城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的空間優(yōu)化配置應(yīng)既要實(shí)現(xiàn)空間格局優(yōu)化又要實(shí)現(xiàn)設(shè)施運(yùn)行效率最大化,既要滿足污水處理效率的要求,又要實(shí)現(xiàn)污水處理的費(fèi)用最低[5].在空間優(yōu)化配置問題上,設(shè)施運(yùn)行效率特指空間效率,即通過個(gè)體運(yùn)行的效率最大化實(shí)現(xiàn)最大限度的污水收集和處理.

目前,國內(nèi)外相關(guān)研究多集中在城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的布局選址與運(yùn)行效率的研究.其中,布局選址多考慮區(qū)域風(fēng)向[6-7]、地形條件[4,8-9]、工程地質(zhì)條件[10-11]、管網(wǎng)條件[11-13]、土地利用狀況[11]、污染源分布[14]、水質(zhì)[15-17]和城市發(fā)展方向[7,9,18]等因素,而且集中與分散布局一直是爭論的焦點(diǎn).基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)分析方法被廣泛應(yīng)用于布局方案設(shè)計(jì)與篩選,如情景分析[19-23]、臨界距離[7]、費(fèi)用效益分析[21-23]、泰森多邊形[12]、最小鄰近距離[13]、密切值[10]、灰色局勢(shì)決策法等[11],但多局限于單純的設(shè)施選址,不能解決優(yōu)化配置問題.同樣,運(yùn)行效率的研究多從污水處理量[20]、污水污泥處理質(zhì)量[14-16,23]、運(yùn)行成本[24-26]、污水處理單耗[27-28]、生產(chǎn)運(yùn)營管理[27,29-30]、安全管理[31]等方面進(jìn)行評(píng)價(jià),運(yùn)行負(fù)荷率往往是考慮的重要因素.然而,單純布局選址與運(yùn)行效率評(píng)價(jià)研究達(dá)不到優(yōu)化配置的目標(biāo),微觀運(yùn)行效率能夠?qū)暧^布局產(chǎn)生影響,如能探索將兩者結(jié)合起來進(jìn)行優(yōu)化的方法,可為城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施空間優(yōu)化配置開拓解決思路.

為此,以淮安市盱眙縣盱城鎮(zhèn)為研究區(qū),基于效率最大化、費(fèi)用最小化的原則建立優(yōu)化模型,借助ArcGIS網(wǎng)絡(luò)分析工具,提出宏觀和微觀協(xié)同優(yōu)化配置方法,實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施綜合效用最大化,也為城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施空間優(yōu)化配置方法研究提供有益參考.

圖1　研究區(qū)概況Fig.1　Overview of study area

1　研究區(qū)概況

盱城鎮(zhèn)位于江蘇省淮安市最南端的盱眙縣,地處淮河下游東岸,是盱眙縣政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心,國家級(jí)生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn).下轄9個(gè)社區(qū)、5個(gè)行政村,面積107km2.近年來,該鎮(zhèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,2014年,總?cè)丝诩s20萬人,其中城鎮(zhèn)人口占92.76%,人均GDP達(dá)7.76萬元,城鎮(zhèn)居民人均可支配收入30410元,是全市平均水平的1.19倍.與此同時(shí),城鎮(zhèn)污水排放量與日俱增,2014年盱城鎮(zhèn)生活污水排放量達(dá)3.40萬t/d.然而,該鎮(zhèn)已建成運(yùn)行的2座污水處理設(shè)施——盱眙富春紫光污水處理有限公司、國泰盱眙污水處理有限公司,總設(shè)計(jì)處理能力僅為3萬t/d,排污量與治理量缺口較大,運(yùn)行效率平均僅58.5%,不符合建設(shè)部75%的最低要求,亟需城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的優(yōu)化配置.盱城鎮(zhèn)是當(dāng)前我國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施面臨困境的縮影,進(jìn)行城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施布局優(yōu)化研究具有典型性(圖1).

2　研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1研究思路

2.1.1相關(guān)概念界定①運(yùn)行負(fù)荷率:運(yùn)行負(fù)荷率=實(shí)際處理量/設(shè)計(jì)處理量.是城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)行合理性的最主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)《建設(shè)部關(guān)于加強(qiáng)城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)行監(jiān)管的意見》,城鎮(zhèn)污水處理廠投入運(yùn)行后的實(shí)際處理負(fù)荷3年以上不低于設(shè)計(jì)能力75%的要求.根據(jù)《“十二五”全國城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》,2015年,城鎮(zhèn)污水處理廠投入運(yùn)行一年以上的,實(shí)際處理負(fù)荷不低于設(shè)計(jì)能力的60%,3年以上的不低于75%;同時(shí),運(yùn)行負(fù)荷率不能超過設(shè)計(jì)處理量的120%.污水處理設(shè)施的運(yùn)行負(fù)荷率是微觀效率的體現(xiàn).

②收集率與處理率:污水收集率與處理率是國家對(duì)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)與改造的重要抓手.2015年發(fā)布的“水十條”重點(diǎn)明確,到2020 年,全國所有縣城和重點(diǎn)鎮(zhèn)具備污水收集處理能力,縣城、城市污水處理率分別達(dá)到85%、95%左右.京津冀、長江三角洲、珠江三角洲等區(qū)域提前一年完成.《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃》要求全國縣城污水處理率達(dá)到85%左右,重點(diǎn)鎮(zhèn)達(dá)到70%左右.從區(qū)域角度看,污水收集率與處理率是宏觀效率的體現(xiàn).

污水收集率=污水處理設(shè)施收集的污水量/區(qū)域污水排放總量;

污水處理率=污水處理量/污水處理設(shè)施收集的污水量.

2.1.2基本原理城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)是由污水管網(wǎng)和處理設(shè)施構(gòu)成的污水收集-輸送-處理網(wǎng)絡(luò),其中污染源、處理設(shè)施等環(huán)節(jié)可以抽象為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),而輸送管網(wǎng)可以抽象為網(wǎng)絡(luò)的邊.網(wǎng)絡(luò)存在關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)性,關(guān)聯(lián)性表明每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的效率關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的效率,而系統(tǒng)性表明整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要[32-34].基于此,可將城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施空間優(yōu)化配置分解為兩個(gè)維度:

①節(jié)點(diǎn)——微觀效率層面.城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的微觀效率指運(yùn)行負(fù)荷率,是設(shè)施運(yùn)行最重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).基于我國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施普遍存在的運(yùn)行負(fù)荷不足或超負(fù)荷運(yùn)行的實(shí)地考察成果,在設(shè)施建設(shè)和管理合理的情況下,設(shè)施的合理運(yùn)行主要依賴于服務(wù)范圍[22],即配套管網(wǎng)的鋪設(shè)范圍.因而,服務(wù)范圍大,則對(duì)污水的收集程度高,設(shè)施進(jìn)水量多,進(jìn)而運(yùn)行負(fù)荷率高.從而,通過服務(wù)范圍的調(diào)整提高區(qū)域污水收集率和處理率,解決一部分污水治理缺口,為新建污水處理設(shè)施減輕負(fù)擔(dān),甚至部分地區(qū)可以通過提高效率來替代新建設(shè)施.因此,基于效率最大化原則,城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的優(yōu)化配置應(yīng)首先實(shí)現(xiàn)個(gè)體運(yùn)行效率最大化.

②結(jié)構(gòu)——宏觀布局層面.城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的宏觀調(diào)控主要體現(xiàn)在宏觀布局方面.而宏觀布局的研究前提是宏觀效率,宏觀效率指區(qū)域內(nèi)污水的收集率與處理率,收集率與處理率的標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)即區(qū)域城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃相關(guān)內(nèi)容制定,區(qū)域污水收集率與處理率是否達(dá)標(biāo)決定了是否需要污水處理設(shè)施的新建或擴(kuò)容,直接影響后續(xù)污水處理設(shè)施的配置工作難度與力度.在宏觀效率判斷的基礎(chǔ)上,宏觀布局問題體現(xiàn)的污水處理設(shè)施的集中與分散布局方式的選擇上,即在區(qū)域宏觀污水處理率不滿足需求情況下,需要新建設(shè)施還是在現(xiàn)狀設(shè)施基礎(chǔ)上擴(kuò)建.現(xiàn)狀污水處理設(shè)施的擴(kuò)容改造可實(shí)現(xiàn)污水集中處理,節(jié)省基建總投資和運(yùn)行費(fèi)用,但隨著集中處理的范圍的擴(kuò)大,輸水管徑加大、長度增加以及埋深增大,因而污水輸送費(fèi)用將上升.因此,污水分散或集中處理費(fèi)用存在相互替代關(guān)系,即集中或分散取決于合理的度[35].基于此,城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施空間配置的直接經(jīng)濟(jì)性判據(jù)是費(fèi)用,應(yīng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域污水處理綜合費(fèi)用最小.

2.1.3技術(shù)路線基于兩個(gè)維度的基本原理、效率最大化和費(fèi)用最小化的原則,城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的空間優(yōu)化配置從兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)(圖2).

第一階段:劃定現(xiàn)狀設(shè)施合理運(yùn)行的服務(wù)范圍.首先,判斷區(qū)域現(xiàn)狀城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施運(yùn)行狀況,若運(yùn)行合理,則現(xiàn)狀服務(wù)范圍不變;若運(yùn)行不合理,有兩種情況:超負(fù)荷運(yùn)行和運(yùn)行負(fù)荷不足,其中,超負(fù)荷運(yùn)行的設(shè)施的合理服務(wù)范圍應(yīng)有所縮小,反之應(yīng)有所增加,據(jù)此劃定合理運(yùn)行情況下的服務(wù)范圍,即配套管網(wǎng)的覆蓋范圍** 這里指的縮小服務(wù)范圍并非廢棄部分原有的配套管網(wǎng),而是完善污水輸送網(wǎng)絡(luò),將超出某設(shè)施污水處理能力的部分污水輸送到其他設(shè)施進(jìn)行處理.如此進(jìn)行區(qū)域污水的聯(lián)合調(diào)度,既減輕了本設(shè)施的處理負(fù)擔(dān),又能實(shí)現(xiàn)區(qū)域整體的均等的污水處理服務(wù)..服務(wù)范圍的劃定采用ArcGIS“位置分配”網(wǎng)絡(luò)分析工具的“目標(biāo)市場份額”模型解決.

圖2　研究技術(shù)路線Fig.2　Research design

第二階段,判斷合理運(yùn)行情況下的污水處理能力是否滿足區(qū)域污水排放的治理需求,若滿足,則不需新建擴(kuò)建設(shè)施;若不滿足,則衡量排污治污缺口,若缺口較小,則通過現(xiàn)狀設(shè)施的擴(kuò)容和提標(biāo)改造實(shí)現(xiàn)優(yōu)化,無需新建設(shè)施,若缺口較大,則進(jìn)行新建設(shè)施布局選址.一方面,現(xiàn)狀設(shè)施的擴(kuò)容改造涉及選擇哪個(gè)設(shè)施進(jìn)行擴(kuò)容改造更為經(jīng)濟(jì),同時(shí)擴(kuò)容改造后各個(gè)設(shè)施的服務(wù)范圍如何劃定,因而,可選擇情景分析方法基于費(fèi)用函數(shù)進(jìn)行擴(kuò)容改造的經(jīng)濟(jì)分析,從而確定選擇哪個(gè)設(shè)施進(jìn)行擴(kuò)容改造,進(jìn)而利用ArcGIS“位置分配”網(wǎng)絡(luò)分析工具的“目標(biāo)市場份額”模型進(jìn)行擴(kuò)容改造后各個(gè)污水處理設(shè)施服務(wù)范圍劃定.另一方面,若新建設(shè)施,空間布局選址采用ArcGIS“位置分配”網(wǎng)絡(luò)分析工具的“最小阻抗”模型解決,其中阻抗標(biāo)準(zhǔn)采用包括污水處理和污水輸送兩部分費(fèi)用在內(nèi)的最小費(fèi)用函數(shù)表達(dá).

2.2研究方法

“目標(biāo)市場份額”和“最小阻抗”模型是ArcGIS“位置分配”網(wǎng)絡(luò)分析工具兩種解決方式,除此之外,還包括最大化覆蓋范圍、最小化設(shè)施點(diǎn)數(shù)、最大化人流量、最大化市場份額等模型,依據(jù)不同的問題類型選擇不同模型,得到不同的模擬效果[36].ArcGIS“位置分配”網(wǎng)絡(luò)分析一般技術(shù)流程為:首先構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集,包括請(qǐng)求點(diǎn)(居民點(diǎn))、設(shè)施點(diǎn)(已有設(shè)施)、道路網(wǎng)絡(luò)、污水排放狀況等數(shù)據(jù),然后模擬居民點(diǎn)和已有設(shè)施的空間分布、分析可能的設(shè)施候選位置,依據(jù)“目標(biāo)市場份額”或“最小阻抗”優(yōu)化模型設(shè)置參數(shù)、由計(jì)算機(jī)通過流向分析、追蹤分析、阻強(qiáng)分析等挑選適宜的設(shè)施區(qū)位、分析計(jì)算結(jié)果,必要的情況下調(diào)整后再次模擬分析[36].

2.2.1目標(biāo)市場份額模型合理運(yùn)行的服務(wù)范圍的確定采用ArcGIS10.2工作平臺(tái)Network Analyst模塊“位置分配”分析的“目標(biāo)市場份額”模型實(shí)現(xiàn).“目標(biāo)市場份額”是指在競爭條件下,確定出占有總市場份額指定百分比所需的設(shè)施點(diǎn)的最小數(shù)量及影響范圍.總市場份額是有效請(qǐng)求點(diǎn)的所有請(qǐng)求權(quán)重之和.在城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施優(yōu)化配置中,根據(jù)已知居民點(diǎn)的空間分布和產(chǎn)排污核算方法可得污水排放的空間分布,即請(qǐng)求點(diǎn)的權(quán)重;根據(jù)設(shè)施合理運(yùn)行的處理能力測(cè)算可得其需要配置的市場份額,進(jìn)而利用ArcGIS實(shí)現(xiàn)合理運(yùn)行的服務(wù)范圍劃定.

2.2.2最小阻抗模型基于最小費(fèi)用原則,將綜合費(fèi)用作為阻抗標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建最小阻抗模型進(jìn)行優(yōu)化分析.

(1)基于費(fèi)用的最小阻抗模型

最小阻抗原理要求候選位置與居民點(diǎn)的連接所受阻抗最小,在城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的優(yōu)化問題上,可將綜合費(fèi)用作為阻抗原則,阻抗方式可表達(dá)為[36]:

式中:Lab為節(jié)點(diǎn)對(duì)(a,b)路徑上的總阻抗,Dab為節(jié)點(diǎn)對(duì)(a,b)路徑上所有路段的阻抗(指污水處理費(fèi)用),Ci為路段上到第i個(gè)節(jié)點(diǎn)所遇的阻抗(指污水輸送費(fèi)用),n為節(jié)點(diǎn)數(shù)量.

(2)費(fèi)用構(gòu)成與表達(dá)

城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的綜合費(fèi)用受三大因素的決定性影響:水體的自凈能力(環(huán)境容量)、污水處理與輸送的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和污水處理效率的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)[4].其中,水體的自凈能力決定排污口處理效率,即環(huán)境容量高的河段,排污口處理效率可以相對(duì)低,基于此形成排污口處理最優(yōu)規(guī)劃模式;但是依據(jù)“全部處理或全不處理策略”,在研究區(qū)排污口較多的情況下,排污口優(yōu)化的流量組合方案呈指數(shù)增長,此時(shí)區(qū)域優(yōu)化可以求助于均勻處理最優(yōu)規(guī)劃[37-38].

均勻處理最優(yōu)規(guī)劃指在同一的排污口處理效率的條件下,追求區(qū)域的費(fèi)用最低,則優(yōu)化的目標(biāo)費(fèi)用主要考慮三大影響因素中的后兩者.污水處理與輸送的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)指單位污水的處理費(fèi)用將隨著處理規(guī)模的增大而下降,這確立了大型集中式污水廠的優(yōu)勢(shì)地位;污水處理效率的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)指處理單位污染物所需的費(fèi)用將會(huì)隨著污水處理效率的提高而增加,因此,區(qū)域污水處理系統(tǒng)優(yōu)化問題中,應(yīng)首先致力于解決尚未處理的污水,或者提高那些低水準(zhǔn)處理的污水的處理程度,然后再進(jìn)行更高級(jí)的污水處理.均勻處理最優(yōu)規(guī)劃的費(fèi)用函數(shù)依賴于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚4].

基于均勻處理最優(yōu)規(guī)劃原理,城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的綜合費(fèi)用主要由污水處理費(fèi)用和污水輸送費(fèi)用兩部分組成.其中:

①污水處理費(fèi)用:包括污水處理設(shè)施建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用兩部分.其中,建設(shè)費(fèi)用根據(jù)《市政工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(排水工程分冊(cè))》的相關(guān)污水處理設(shè)施費(fèi)用指標(biāo)及相關(guān)研究,建設(shè)費(fèi)用可用冪函數(shù)形式表示[36];運(yùn)行費(fèi)用是指在運(yùn)營期內(nèi)生產(chǎn)產(chǎn)品或提供服務(wù)所發(fā)生的全部費(fèi)用,依據(jù)生產(chǎn)要素估算法得到:運(yùn)行費(fèi)用＝外購原材料、燃料及動(dòng)力費(fèi)＋職工薪酬＋折舊費(fèi)＋攤銷費(fèi)＋修理費(fèi)＋財(cái)務(wù)費(fèi)用＋尾水、尾氣、污泥處置費(fèi)用＋其他費(fèi)用.

根據(jù)已有研究基礎(chǔ),2萬t/d的二級(jí)污水處理設(shè)施總處理費(fèi)用表達(dá)為[39-41]:

式中:Dab為污水處理設(shè)施總處理費(fèi)用,萬元;Mab為污水處理設(shè)施規(guī)模,萬m3/d;S0為進(jìn)水基質(zhì)濃度,mg/L;Se為出水基質(zhì)濃度,mg/L;Eab為污水處理設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用(表1);W、m、n、p為基本參數(shù).

②污水輸送費(fèi)用:包括管網(wǎng)鋪設(shè)費(fèi)用和管網(wǎng)維護(hù)費(fèi)用兩部分.其中,管網(wǎng)鋪設(shè)費(fèi)用考慮到在實(shí)際工程中全部靠重力流輸水的可能性很小,可表示為輸水管基建費(fèi)用與中途泵站基建費(fèi)用之和;管網(wǎng)鋪設(shè)與維護(hù)費(fèi)用均為管網(wǎng)長度的函數(shù).表達(dá)如下[42-44]:

式中:i為(a,b)路徑上的一個(gè)節(jié)點(diǎn),Ci為由a地至i地的污水輸送費(fèi)用,萬元;Li為由a地至i地的污水輸送距離,100m;Qi為由a地至i地的污水輸送流量,萬m3/d;Bi為第i座泵站基建費(fèi),萬元;K1、K2為基本參數(shù).

圖3　以樓宇為單位的城鎮(zhèn)人口分布Fig.3　Distribution of building with elementarypopulation

2.3數(shù)據(jù)來源與處理

2.3.1城鎮(zhèn)污水排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)城鎮(zhèn)污水包括工業(yè)廢水和生活污水兩部分,工業(yè)廢水排放主要集中于工業(yè)園區(qū),區(qū)位相對(duì)集中,便于管網(wǎng)收集與污水處理,且與生活污水分開處理;而生活污水散布于城鎮(zhèn)各居民區(qū),區(qū)位分散,是影響城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施優(yōu)化配置的主要方面.盱城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施數(shù)據(jù)顯示,83.56%的處理能力用于生活污水處理,因此擬選用生活污水排放數(shù)據(jù)作為污水處理設(shè)施優(yōu)化配置的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).采用產(chǎn)排污系數(shù)核算方法進(jìn)行日生活污水排放量測(cè)算[45],計(jì)算方法如下:

式中:Gp為日生活污水排放量,m3/d;N為城鎮(zhèn)居民常住人口,萬人;Fp為城鎮(zhèn)居民生活污水排放系數(shù),L/(人?d).根據(jù)《第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》,淮安市屬二區(qū)四類城市,生活污水排放系數(shù)Fp為153L/(人?d).

2.3.2居民點(diǎn)、道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)基于ArcGIS10.2平臺(tái),利用Bing Hybrid 工具,選取2012年高分辨率遙感影像,根據(jù)盱城鎮(zhèn)公安局人口數(shù)據(jù)資料,以調(diào)查的414棟居住區(qū)樓宇作為居民點(diǎn)集聚重心點(diǎn)位.交通道路網(wǎng)絡(luò)是污水管網(wǎng)的鋪設(shè)的主要依據(jù),而非居民點(diǎn)與污水處理設(shè)施的直線連接,在ArcGIS10.2環(huán)境下,構(gòu)建污水處理設(shè)施位置、道路交點(diǎn)和轉(zhuǎn)彎點(diǎn)等道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),完成坐標(biāo)系為UTM Zone 51,Northern Hemisphere(WGS1984)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建,利用UniversalTranslator工具轉(zhuǎn)換成ArcGIS支持的ESRI Shape文件格式,完成居民點(diǎn)和交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集構(gòu)建(圖3、圖4).

2.3.3城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施數(shù)據(jù)①運(yùn)行現(xiàn)狀:根據(jù)環(huán)保部發(fā)布的《2013年全國投運(yùn)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施清單》,獲取盱城鎮(zhèn)現(xiàn)狀運(yùn)行的2座污水處理設(shè)施的基本數(shù)據(jù),包括建設(shè)年限、設(shè)計(jì)能力、處理方式、排水去向、運(yùn)行費(fèi)用、運(yùn)行負(fù)荷以及出入水質(zhì)等.

②合理運(yùn)行負(fù)荷的界定:根據(jù)《建設(shè)部關(guān)于加強(qiáng)城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)行監(jiān)管的意見》中城鎮(zhèn)污水處理廠投入運(yùn)行后的實(shí)際處理負(fù)荷3年以上不低于設(shè)計(jì)能力75%的要求,同時(shí)參考《淮安市城市污水處理和雨水排放規(guī)劃》,確定盱城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的合理運(yùn)行負(fù)荷為75%,污水集中處理率為95%,依此劃定設(shè)施合理運(yùn)行情況下的服務(wù)范圍.

圖5　優(yōu)化候選位置分布Fig.5　Distribution of optimized candidate

2.3.4待選污水處理設(shè)施位置數(shù)據(jù)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的布局需要根據(jù)污染物排放量控制目標(biāo),綜合考慮研究區(qū)地形特征、水系特征、水環(huán)境現(xiàn)狀及目標(biāo)、城鎮(zhèn)人口分布以及土地利用情況等因素,同時(shí)要與城鎮(zhèn)總體規(guī)劃相關(guān)內(nèi)容相銜接.因此,候選位置應(yīng)滿足以下條件:①距離居民區(qū)200m以外;②靠近河流水系,便于排水;③選擇各河系下游、城市郊區(qū),以使盡可能多的污水自流進(jìn)入城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施;④位于土地利用總體規(guī)劃中的允許和有條件建設(shè)區(qū)[35].基于此,初步設(shè)置69個(gè)候選點(diǎn)(圖5).

3　研究結(jié)果

3.1污水處理設(shè)施現(xiàn)狀分析

3.1.1運(yùn)行狀況盱城鎮(zhèn)目前建有污水處理設(shè)施2座——國泰盱眙污水處理有限公司(國泰廠)和富春紫光污水處理有限公司(富春廠),其中國泰廠全部用于生活污水處理,富春廠40%處理能力用于工業(yè)廢水處理.就生活污水而言,國泰廠設(shè)計(jì)處理能力為2萬t/d,實(shí)際處理量為1.5萬t/d,符合建設(shè)部關(guān)于加強(qiáng)城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)行監(jiān)管的意見》中城鎮(zhèn)污水處理廠投入運(yùn)行后的實(shí)際處理負(fù)荷3年以上不低于設(shè)計(jì)能力75%的要求,且未超負(fù)荷運(yùn)行;而富春廠設(shè)計(jì)處理能力1萬t/d,實(shí)際處理量僅0.42萬t/d,即設(shè)計(jì)能力的42%,運(yùn)行負(fù)荷不達(dá)標(biāo).從現(xiàn)狀設(shè)施的服務(wù)范圍看,國泰廠服務(wù)范圍大于富春廠,兩廠配套管網(wǎng)的綜合服務(wù)范圍未實(shí)現(xiàn)全鎮(zhèn)的全覆蓋,但富春廠附近居民點(diǎn)更集聚,便于管網(wǎng)鋪設(shè)和集中處理.同時(shí),兩廠出入水質(zhì)均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn),因此,不存在提標(biāo)改造的問題(表2,圖6).

表2　盱城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施運(yùn)行情況Table2　Operating situation of current sewage treatment facilities in Xucheng Town

3.1.2排污治污缺口經(jīng)產(chǎn)排污系數(shù)測(cè)算,盱城鎮(zhèn)城鎮(zhèn)生活污水排放量為3.40萬t/d,按90%的集中處理率換算,應(yīng)進(jìn)入污水處理設(shè)施的量為3.06 萬t/d.然而,目前現(xiàn)狀污水處理設(shè)施的實(shí)際處理能力2.02萬t/d,僅能滿足66.01%的生活污水處理需求,即使兩座污水處理設(shè)施全部達(dá)標(biāo)運(yùn)行,處理能力也只有2.25萬t/d,仍不能滿足城鎮(zhèn)生活污染排放的治理需求,相差近1萬t/d,治污能力與排放量缺口較大.

3.1.3優(yōu)化需求根據(jù)實(shí)地調(diào)查,富春廠運(yùn)行負(fù)荷較低的主要原因是配套管網(wǎng)覆蓋范圍不足,導(dǎo)致城鎮(zhèn)污水收集率不高,影響污水處理設(shè)施的正常運(yùn)行.同時(shí),由于排污與治污缺口較大,而現(xiàn)狀設(shè)施設(shè)計(jì)處理能力并不高,污水處理設(shè)施擴(kuò)容潛力不大.因此,亟需在現(xiàn)狀設(shè)施提高運(yùn)行負(fù)荷的基礎(chǔ)上,增建城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施.綜合考慮治污缺口、城鎮(zhèn)規(guī)劃方向和運(yùn)行負(fù)荷,新建設(shè)施的設(shè)計(jì)處理能力應(yīng)為2萬t/d.

圖6　現(xiàn)狀污水處理設(shè)施服務(wù)范圍Fig.6　Service area of current sewage treatment facilities

3.2污水處理設(shè)施的空間優(yōu)化配置

3.2.1現(xiàn)狀設(shè)施合理運(yùn)行的服務(wù)范圍經(jīng)測(cè)算,目前運(yùn)行不合理的富春廠運(yùn)行負(fù)荷達(dá)到75%目標(biāo)的處理能力應(yīng)為0.75萬t/d.基于ArcGIS10.2平臺(tái)Network Analyst模塊的“目標(biāo)市場份額”模型,在現(xiàn)狀服務(wù)范圍的基礎(chǔ)上,劃定富春廠合理運(yùn)行情況下的服務(wù)范圍(圖7).國泰廠由于目前運(yùn)行合理,服務(wù)范圍無需變動(dòng).由此,兩廠合理運(yùn)行的服務(wù)范圍之外的部分既為新增設(shè)施的服務(wù)范圍.

3.2.2新增設(shè)施布局方案基于ArcGIS“位置分配”的網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù),在符合條件的候選設(shè)施布局點(diǎn)中,挑選出最佳布局點(diǎn)為候選位置68(圖8).在該位置布局一座2萬t/d的新建污水處理設(shè)施能夠在滿足各項(xiàng)約束條件的前提下,實(shí)現(xiàn)設(shè)施建設(shè)和管網(wǎng)鋪設(shè)綜合費(fèi)用最小.由此,基于效率最大化、費(fèi)用最小化原則的盱城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施優(yōu)化配置基本實(shí)現(xiàn),提出現(xiàn)狀設(shè)施和新建設(shè)施的配置建議如下(表3).

圖7　現(xiàn)狀設(shè)施合理運(yùn)行的服務(wù)范圍Fig.7　Service area of current sewage treatment facilities when operating properly

圖8　優(yōu)化配置后的服務(wù)范圍Fig.8　Service area after optimal allocation

表3　盱城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施空間優(yōu)化配置方案Table 3　Plan for optimal allocation of sewage treatment facilities in Xucheng Town

4　討論

城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)行具有一定復(fù)雜性,生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)條件對(duì)污水輸送的影響仍有待研究,引用相關(guān)研究的費(fèi)用函數(shù)需進(jìn)一步驗(yàn)證,基于均值假設(shè)的優(yōu)化模型有待完善,此外,城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施對(duì)區(qū)域水環(huán)境具有重要影響,未來定量的測(cè)度污水處理設(shè)施布局與水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)系對(duì)污水處理設(shè)施的優(yōu)化配置具有重要意義.

5　結(jié)論

5.1根據(jù)城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)—結(jié)構(gòu)特性,提出基于微觀效率和宏觀布局兩個(gè)維度的空間優(yōu)化配置方法,將常用于小學(xué)、醫(yī)院、商店選址的ArcGIS“位置分配”網(wǎng)絡(luò)分析模型應(yīng)用到城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施優(yōu)化配置領(lǐng)域,彌補(bǔ)了以往研究單純關(guān)注布局選址、效率評(píng)價(jià)研究的缺陷.

5.2面對(duì)我國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施普遍存在建設(shè)不平衡問題的國情,應(yīng)該結(jié)合自然條件、設(shè)施數(shù)量、位置、治污缺口和發(fā)展規(guī)劃等因素,在維持設(shè)施合理運(yùn)行的服務(wù)范圍基礎(chǔ)上,擴(kuò)大負(fù)荷不足的設(shè)施服務(wù)范圍,縮小超負(fù)荷運(yùn)行設(shè)施的服務(wù)范圍,進(jìn)而選擇最小費(fèi)用位置布局新增污水處理設(shè)施,這一基于兩個(gè)維度的優(yōu)化思路在我國具有普遍意義.

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Method for spatial optimal allocation of urban sewage treatment facilities.

CUI Jian-xin1,2, ZHAO Hai-xia1*(1.Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China). China Environmental Science, 2016,36(3)：943～952

Abstract：There are many problem of urban sewage treatment facilities in China, such as small scale and unbalanced distribution, which means optimal allocation of urban sewage treatment facilities is significant. Based on the principle of efficiency maximization and cost minimization, this paper aims to establish a new method for optimal allocation. Taking Xucheng Town in Huaian City Jiangsu province as a case, this paper established models of “target market share” and “the minimum impedance” by the ArcGIS network analyst tool. The result shows: One of the current sewage treatment facilities is operating reasonable, while the other one is inefficient because the equipped network is not enough. Then, the former facility can maintain, while the latter facility should expand its equipped network. The total treatment capacity of the current two facilities is still shorter than the whole emission of waste water in town. So a new sewage treatment facility should be built in the recent future. According to the related plan, the designed capacity of the new facility should be 20000t/d. The best location of the new facility is the minimum cost location. The problem of sewage treatment facilities in Xucheng Town is common in China, so the method is referential, which can achieve the collaborative optimization of micro-efficiency and macro-arrangement.

Key words：urban sewage treatment facility；optimal allocation；ArcGIS；micro-efficiency；macro-arrangement

作者簡介：崔建鑫(1989-),女,山東煙臺(tái)人,碩士研究生,主要從事環(huán)境規(guī)劃與管理研究.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41130750);中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所“135”重點(diǎn)項(xiàng)目(2012135006)

收稿日期：2015-06-19

中圖分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2016)03-0943-10