馬明敏 ，奚曉偉 ，王 浩

（1.中國市政工程西北設計研究院有限公司深圳分公司，518000，深圳；2.中國水利水電科學研究院，100038，北京；3.水安全與水科學協(xié)同創(chuàng)新中心，210098，南京）

深圳市坪山河流域內(nèi)路網(wǎng)已經(jīng)基本形成， 無法大規(guī)模在市政道路上新建污水管道。 上洋污水處理廠的用地擴建難度大，無地用于擴建。使用經(jīng)過處理的污水于坪山河道補水時， 需建設龐大的污水收集和再生水回用管網(wǎng)系統(tǒng)， 包括多座污水提升泵站和再生水加壓泵站， 將大大增加再生水回用成本。

本文通過建立數(shù)學模型，對污水處理系統(tǒng)布局進行分析和研究，以解決再生水回用、污水量增加帶來的污水設施用地難以落實、 污水管網(wǎng)無布設空間等問題，從而提升市政基礎設施的標準，為坪山河流域應對污水量激增帶來的污水廠規(guī)劃提供決策依據(jù)。

一、規(guī)劃布局形式分析

城市污水再生回用一般可分為集中式污水再生回用、分散式污水再生回用和集中分散混合式污水再生回用3 種方式，3 種方式各有優(yōu)點和缺點。 在實際應用時，須考慮再生水回用的經(jīng)濟性與合理性，通過污水再生回用布局優(yōu)化確定回用方式。

二、研究方法的確定

以水環(huán)境質量達標為目標，根據(jù)污水處理廠布局規(guī)劃方法現(xiàn)存問題，分析影響再生水布局的具體因素，提出以數(shù)學模型核定污水處理規(guī)模，確定相應模型，量化相關指標和方法。

1.臨界距離概念

臨界距離是指在某一規(guī)劃區(qū)域內(nèi)當污水收集和再生水輸送費用等于該區(qū)域內(nèi)污水處理再生和再利用綜合成本時， 再生水輸送的最遠直線距離。 在再生水廠臨界距離范圍內(nèi)的回用區(qū)應采用集中式再生回用，范圍以外則采用分散式回用。

2.假設條件

再生水廠布局規(guī)劃數(shù)學模型中的假設條件： ①不考慮地形條件，假設模型建立在水平面上；②不考慮管徑大小，只考慮長度；③模型中的每個排放點位置，就是一個再生水廠的擬建位置；④對于一個排放點，其自身污水與其他排放點轉輸來的污水總量有兩種處理方式，全部輸送至下一個排放點或全部就地處理回用，即滿足“全不處理或全部處理策略”；⑤污水回用各子系統(tǒng)工程使用年限相等。

3.優(yōu)化依據(jù)

在規(guī)劃區(qū)域內(nèi)， 找到再生水廠規(guī)模和建廠位置的最佳組合，是城市污水再生回用布局的優(yōu)化目的。即在相同的污水回用率下，追求整個地區(qū)的污水處理和回用的經(jīng)濟費用最小化。集中式再生水廠的建設成本主要包括廠內(nèi)泵站的基礎設施建設成本、污水和再生水管網(wǎng)基礎設施建設的成本及增壓泵站建設的成本。分散再生水廠的建設成本基本只包括廠區(qū)內(nèi)的基礎設施建設成本。如果集中式再生水廠的建設成本和污水管網(wǎng)及再生水管網(wǎng)的投資之和小于區(qū)域內(nèi)所有分散式再生水廠的建設成本，則集中式布局供水模式比分散式布局經(jīng)濟，否則分散式更加經(jīng)濟。

4.最大綜合經(jīng)濟效益

臨界距離數(shù)學模型是在再生水系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟效益公式的基礎上推導得出的， 區(qū)域內(nèi)綜合經(jīng)濟效益是指在工程服務期內(nèi)相同規(guī)模的再生水工程分散式處理與集中式處理基礎設施建設費用的差值。 從臨界距離的概念看， 輸送污水和再生水的管網(wǎng)費用等于規(guī)劃區(qū)域內(nèi)再生水綜合經(jīng)濟效益時再生水管網(wǎng)所能達到的最遠輸送距離， 臨界距離公式可通過下式推導得出：

式中，Em為區(qū)域綜合經(jīng)濟效益最大值（萬元）；Ckj為污水從收集區(qū) k 到集中式再生水廠 j 的收集成本（萬元）；Cjh為再生水從集中式再生水廠j 到回用區(qū)域h 的輸送成本（萬元）。

5.污水的收集費用

通常情況下，污水通過重力來實現(xiàn)收集和輸送，當條件不足時需要增加泵站來提升。

污水收集費用=管網(wǎng)基礎設施建設和后期維護費用+提升泵站基建和后期維護費用+提升泵站運行費用。

6.再生水的輸送費用

再生水的輸送費用=輸送管網(wǎng)的基礎設施建設和維護費用+增壓泵站基礎設施建設和維護管理費用+增壓泵站運行的費用。

7.臨界距離公式

臨界距離公式為：

式中，Ljh為再生水輸送的臨界距離；Lkj為污水從收集區(qū)k 到再生水廠j的平均輸送距離； T 為再生水廠的工程使用年限；Qi為分散式再生水廠的規(guī)模；Qj為集中式再生水廠規(guī)模；Qjh為從再生水廠j 到再生水回用區(qū)h 輸送的再生水量；Qkj為污水從收集區(qū)k到再生水廠j 輸送的污水量；Qr為第r座增壓泵站最高日的規(guī)模；Qw為第w座污水提升泵站的規(guī)模；y 為分散式再生水廠的數(shù)量；λ 為在適用范圍內(nèi)的綜合價格系數(shù)；μ 為在適用范圍內(nèi)的規(guī)模經(jīng)濟因素；R1～R5分別為再生水廠、污水管網(wǎng)、污水提升泵站、再生水管網(wǎng)、再生水增壓泵站的年運行和維護費率，按照其基礎設施建設費用的百分比取值；Nr 為再生水增壓泵站的數(shù)量；γr為第r 座增壓泵站供水能量的不均勻系數(shù)；Hr為第r 座增壓泵站內(nèi)水泵的工作揚程；ηr為第r 座增壓泵站的工作效率系數(shù)；Nw為污水提升泵站的數(shù)量；ρ 為水密度；g 為重力加速度；Hw為第w 座污水提升泵站內(nèi)水泵的工作揚程；ηw為第w 座污水提升泵站的工作效率系數(shù)；σ 為電價；K1～K8為方程式系數(shù)， 用最小二乘法求得。

三、再生水廠布局

坪山河流域根據(jù)《坪山河干流綜合整治及水質提升工程》共規(guī)劃設置了11 個補水點，分別為碧嶺、沙湖、湯坑、大山陂、新和、飛西、赤坳、南布、墩子河、老河道和石溪補水點，補水點位置即為再生水回用區(qū)。

應用建立的臨界距離數(shù)學模型對坪山河流域再生水廠布局進行優(yōu)化， 確定坪山河流域再生水廠的最佳布局。 臨界距離是表示集中式再生水廠與再生水回用區(qū)的距離關系，本次數(shù)學模型中的集中式再生水廠為上洋再生水廠（上洋再生水廠的擴建或改造）， 坪山河流域補水點為再生水回用區(qū)。 由于研究區(qū)域排水管網(wǎng)覆蓋率較高，所以在集中式與分散式經(jīng)濟比較時可忽略污水輸水費用，即令Cki=0。

參考北京工業(yè)大學齊晶瑤博士論文《城市污水再生利用的理論與方法》及相關資料， 參數(shù)取值為：T=25，α=173.7，β=0.83，P1=P4=P5=3.0%，k7=25.817， k8=0.9996，σ=0.55，γp=0.4，ηp=0.7，k5=122.5，k6=0.52，可計算：

表1 再生水回用區(qū)提升泵站揚程計算 （單位：m）

表 2 坪山河流域再生水回用區(qū)臨界距離計算

式中， 本次數(shù)學模型中再生水提升泵站流量Qp為各回用區(qū)的回用水量，也即之前論證過的分散式再生水規(guī)模，各提升泵站的揚程Hp為集中式再生水廠與再生水回用區(qū)的高程差，提升泵站的數(shù)量Np為11， 分散式再生水廠數(shù)量 N 為 11，Qij為各再生水回用區(qū)的流量。 再生水回用區(qū)提升泵站揚程計算見表1。

將以上數(shù)據(jù)代入式（3）后，可計算出Lij0， 計算后可知Lij0實際值為負值。 根據(jù)臨界距離定義，表示本次分散式綜合費用效益低于集中式綜合費用效益。 說明坪山河流域再生水廠采用分散式較經(jīng)濟。

根據(jù)再生水需水量由式（3）計算各回用區(qū)的臨界距離，計算結果如表2 所示。 可知，上洋再生水廠針對每個分散式再生水廠的服務范圍為1.57～6.05 km， 以該服務半徑畫圓確定上洋再生水廠的服務范圍，在服務范圍內(nèi)的再生水回用區(qū)，則可采用集中式污水再生回用，范圍外則考慮分散式污水再生回用。 結合本次數(shù)學模型計算得出的結果，老河道和石溪可采用集中式污水再生回用，其余9 個補水點均需要建立分散式污水再生回用工程。