孔飛飛，王 琳，王浩程，王欣婷，牟春霞

(中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266100)

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市人口數(shù)量的激增，淡水資源日益短缺，發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)成為沿海城市解決水資源短缺的重要路徑。海水淡化廠選址是海水淡化廠建設(shè)前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，科學(xué)的選址一方面可提高海水淡化廠的社會(huì)效益和環(huán)境效益，另一方面可減少取水和輸水成本，提高海水淡化水的市場競爭力，確保海水淡化廠的可持續(xù)運(yùn)行[1]。

設(shè)施選址方法主要可分為傳統(tǒng)方法(實(shí)地調(diào)查法、定量分析法、多指標(biāo)定性分析法)和非傳統(tǒng)方法(基于ArcGIS技術(shù)的選址方法)。傳統(tǒng)方法受資金、時(shí)間、考慮因素和數(shù)據(jù)有限等因素限制，準(zhǔn)確性不高，如實(shí)地調(diào)查法需要相關(guān)人員進(jìn)行實(shí)地考察，耗時(shí)長、成本高；大部分定量選址方法(如重心法，線性規(guī)劃-運(yùn)輸模型法)主要依據(jù)運(yùn)輸成本最低原則，在一定的約束條件下進(jìn)行極值的求解，從而得出最優(yōu)選址結(jié)果[2]。生力軍[3]通過改進(jìn)的經(jīng)典粒子群算法求解某地級市物流配送中心的選址問題，該類模型求解的方法忽略了候選廠址的確定，且對非經(jīng)濟(jì)因素不加考慮，其選址結(jié)果并不理想；多指標(biāo)定性分析方法(如層次分析法、因次分析法)綜合考慮多種影響因素，并根據(jù)影響因素的重要性進(jìn)行賦權(quán)，最后通過專家打分得出各候選廠址的綜合適宜性指數(shù)。李楊等[4]通過層次分析法與線性加權(quán)和法將危險(xiǎn)化學(xué)品儲存設(shè)施選址問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)決策問題，從而確定選址方案。但該類定性選址方法主觀性過強(qiáng)，且只適用于兩個(gè)或幾個(gè)已知可建設(shè)區(qū)域的適宜性比較?；贏rcGIS技術(shù)的非傳統(tǒng)方法具備強(qiáng)大的空間分析和可視化功能，輸出結(jié)果更加直觀、清晰，因此目前該法已廣泛應(yīng)用于設(shè)施選址的問題[5-6]。Nega等[7]借助ArcGIS的空間功能對公共廁所的選址進(jìn)行了優(yōu)化；Ibrahim等[8]基于ArcGIS技術(shù)解決了太陽能發(fā)電廠的選址問題。ArcGIS技術(shù)同樣存在一定的局限性，借助該法進(jìn)行選址時(shí)無法定量考慮某些空間特性不明顯的影響因素，例如政策因素、水質(zhì)因素等。

目前大多數(shù)學(xué)者對于選址的研究主要集中在垃圾中轉(zhuǎn)站、配送中心等物流系統(tǒng)的選址上，針對海水淡化廠的選址研究較少，且主要使用定性分析方法[9]。為此，在以往設(shè)施選址研究的基礎(chǔ)上，現(xiàn)構(gòu)建海水淡化廠選址的評價(jià)指標(biāo)體系，同時(shí)為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法候選廠址難以確定、ArcGIS技術(shù)考慮因素受限等缺陷，綜合ArcGIS技術(shù)與綜合分析法對擬建的紅石崖海水淡化廠進(jìn)行選址，以期為后續(xù)海水淡化廠的建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

新區(qū)位于膠州灣南口西海岸，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)雄厚，是青島市未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域。新區(qū)淡水資源嚴(yán)重短缺，多年平均水資源總量為4.638億m3，2019年水資源總量僅為0.421億m3，水庫無水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，水資源短缺已嚴(yán)重限制了新區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[10]。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，工業(yè)用水量的增加將進(jìn)一步加大新區(qū)供水壓力，緩解新區(qū)供水壓力是新區(qū)發(fā)展的關(guān)鍵。

紅石崖街區(qū)位于新區(qū)東北部，占地56.8 km2，海岸線長超過10 km。該街區(qū)充分發(fā)揮了交通區(qū)位和開發(fā)區(qū)六大產(chǎn)業(yè)集群優(yōu)勢，積極發(fā)展石化、電子和機(jī)械制造等產(chǎn)業(yè)，并設(shè)立了開發(fā)區(qū)北部工業(yè)區(qū)，同時(shí)該區(qū)耕地面積較多，農(nóng)業(yè)用水需求也較高。該街區(qū)緊鄰海岸線，具備海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先天優(yōu)勢條件，根據(jù)青島西海岸新區(qū)海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，該街區(qū)將規(guī)劃建造3×104m3/d的海水淡化項(xiàng)目，以緩解新區(qū)水資源供給不足。

2 海水淡化工藝的選擇

不同的海水淡化工藝會(huì)影響海水淡化廠的運(yùn)行成本和能量消耗形式。選址前應(yīng)確定該廠采取的海水淡化工藝。截至2018年底，中國采取反滲透工藝的工程121個(gè)，工程規(guī)模825 641 t/d，占總工程規(guī)模的68.70%；采取低溫多效工藝的工程16個(gè)，工程規(guī)模369 150 t/d，占總工程規(guī)模的30.72%；采取電滲析(ED)工藝的工程3個(gè)，工程規(guī)模450 t/d，占總工程規(guī)模的0.04%；采取多級閃蒸工藝的工程1個(gè)，工程規(guī)模6 000 t/d，占總工程規(guī)模的0.50%；采取正滲透工藝的工程1個(gè)，工程規(guī)模500 t/d，占總工程規(guī)模的0.04%[11]。從統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可以看出反滲透技術(shù)、低溫多效技術(shù)是中國已工業(yè)化應(yīng)用的主流海水淡化技術(shù)，具有一定的普適性。表1列舉了這兩種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 反滲透技術(shù)與低溫多效技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較

從表1可以看出，反滲透技術(shù)和低溫多效技術(shù)都有各自的優(yōu)勢和劣勢，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況選擇適宜的海水淡化技術(shù)。從出水使用要求看，擬建的紅石崖街區(qū)海水淡化廠出水應(yīng)一部分作為工業(yè)用水，另一部分進(jìn)入市政管網(wǎng)作為生活用水。采用低溫多效技術(shù)的出水純度雖高于采用反滲透技術(shù)的，但目前已經(jīng)運(yùn)行市政供水的海水淡化廠幾乎全部采用反滲透技術(shù)[1]。表明市政供水應(yīng)用反滲透技術(shù)更成熟。從經(jīng)濟(jì)性看，反滲透技術(shù)占地少，建設(shè)運(yùn)行費(fèi)用低于低溫多效技術(shù)。此外，隨著反滲透膜性能和清洗方法的不斷改善，會(huì)逐漸延長反滲透膜的使用壽命，降低反滲透技術(shù)的運(yùn)行和操作成本。綜上，擬建的紅石崖海水淡化廠采用反滲透技術(shù)。

3 海水淡化廠占地面積的確定

海水淡化廠占地面積主要包括海水淡化項(xiàng)目用地面積和海水取水設(shè)施用地面積。2018年自然資源部發(fā)布的《反滲透海水淡化工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對不同工程規(guī)模的海水淡化廠進(jìn)行了用地指標(biāo)的劃分，如表2所示。

表2 反滲透海水淡化廠規(guī)劃用地指標(biāo)

擬建的紅石崖海水淡化廠工程規(guī)模為3×104m3/d，參考海水淡化項(xiàng)目用地和海水取水設(shè)施用地指標(biāo)，采取內(nèi)插法確定擬建的紅石崖海水淡化廠面積為1.31×104m2。

4 反滲透海水淡化廠選址研究

4.1 基于ArcGIS技術(shù)確定海水淡化廠候選廠址

海水淡化廠選址需要滿足城市規(guī)劃、交通條件、經(jīng)濟(jì)性等基本要求。其具體包括：①應(yīng)選擇適宜的用地類型，可選擇空地、小面積耕地等利于工程施工且生態(tài)敏感性低的地塊；②離主干道不宜過遠(yuǎn)，確保交通、運(yùn)輸便利；③應(yīng)盡可能靠近海水取水設(shè)施，減少取水成本；④在水源不受污染和可持續(xù)安全生產(chǎn)的前提下，應(yīng)盡可能靠近用水群體，減少運(yùn)輸成本；⑤所選地址應(yīng)便于濃縮海水的排放和資源化利用[12]。

海水淡化廠選址的基本要求具備明顯的空間性特征，故借助ArcGIS軟件中的空間分析工具實(shí)現(xiàn)紅石崖海水淡化廠預(yù)選址。

4.1.1 用地類型提取

進(jìn)行海水淡化廠選址，應(yīng)充分掌握目標(biāo)區(qū)域的土地利用現(xiàn)狀，將土地利用現(xiàn)狀和其他影響因素進(jìn)行綜合分析，得到適宜建設(shè)海水淡化廠的地塊。在ArcGIS軟件中載入紅石崖街區(qū)的Landsat遙感影像，采取目視解譯法提取紅石崖街區(qū)用地類型，得到綠地、水體、空地、耕地、廠房、林地、居住建設(shè)用地和道路8種用地類型，如圖1所示。

圖1 紅石崖街區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖

適宜建設(shè)紅石崖海水淡化廠用地類型是小面積耕地和空地。由圖1可見，空地分布在街區(qū)的各個(gè)方位，其中較大面積的空地主要分布在街區(qū)北部；耕地主要分布在街區(qū)的西北方向和東南方向。

4.1.2 確定候選廠址

通過谷歌衛(wèi)星地圖搜索得到紅石崖街區(qū)自來水廠和海岸線的具體位置，再采取目視解譯法在ArcGIS軟件中繪制自來水廠和海岸線的位置圖層。根據(jù)上述海水淡化廠選址的基本要求，建立路網(wǎng)、海岸線等多個(gè)緩沖區(qū)。緩沖區(qū)建立規(guī)則如下。

(1)擬建的紅石崖海水淡化廠出水主要作為生活用水和工業(yè)用水，建立2 000 m自來水廠緩沖區(qū)和1 500 m廠房緩沖區(qū)。

(2)對主要路網(wǎng)建立300 m緩沖區(qū)，以此滿足交通、運(yùn)輸便利的基本要求。

(3)分別建立海岸線100 m和2 000 m緩沖區(qū)，再運(yùn)用擦除工具從2 000 m緩沖區(qū)中擦除100 m緩沖區(qū)，得到距離海岸線100～2 000 m區(qū)域。該區(qū)域可滿足取用海水經(jīng)濟(jì)性要求，同時(shí)保持與海岸線的安全距離。

依據(jù)選址的基本要求，借助ArcGIS軟件中緩沖區(qū)重疊分析功能得到同時(shí)滿足上述所有基本要求的區(qū)域，最后根據(jù)擬建的紅石崖海水淡化廠的面積篩選出合適區(qū)域作為候選廠址。共得到6個(gè)候選廠址，如圖2所示。

圖2 候選廠址位置圖

4.2 適宜性分析

海水淡化廠選址除了考慮上述基本要求，還應(yīng)全面考慮社會(huì)、海域等方面因素。綜合分析法是將經(jīng)濟(jì)因素與非經(jīng)濟(jì)因素依據(jù)相對重要性進(jìn)行加權(quán)最終得出綜合適宜性指數(shù)的一種多指標(biāo)決策方法[9]。該法可綜合考慮選址的主觀因素和客觀因素，相比于遵循成本最低原則的個(gè)別選址定量分析方法，選址結(jié)果更加具備客觀性。其具體步驟如下：

步驟一通過閱讀文獻(xiàn)確定反滲透海水淡化廠選址要素，基于層次分析法，建立反滲透海水淡化廠選址的層次分析模型。構(gòu)建的反滲透海水淡化廠選址的層次分析模型如圖3所示。目標(biāo)層是反滲透海水淡化廠最優(yōu)場地，準(zhǔn)則層依據(jù)綜合分析法的原理劃分為經(jīng)濟(jì)因素和非經(jīng)濟(jì)因素這兩大類，其中非經(jīng)濟(jì)因素又劃分為海域因素、社會(huì)因素和政策因素，方案層為ArcGIS分析得出的各海水淡化廠候選廠址。

圖3 反滲透海水淡化廠選址的層次分析模型

反滲透海水淡化廠出水pH低、堿度低、總?cè)芙庑怨腆w含量低、水質(zhì)純度高，可供給工業(yè)企業(yè)作為工藝用水，產(chǎn)生的濃鹽水經(jīng)過化工企業(yè)進(jìn)行資源化利用，故海水淡化廠應(yīng)建在工業(yè)企業(yè)附近，實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益和資源效益；作為工業(yè)企業(yè)，海水淡化廠應(yīng)盡量遠(yuǎn)離居民區(qū)以減少對居民生活的不利影響；另外，反滲透海水淡化廠在運(yùn)行過程中主要存在的兩大問題就是預(yù)處理過程復(fù)雜和膜需定期更換，在選址時(shí)應(yīng)充分考慮附近海水的水質(zhì)情況，選擇更為清潔的海域附近建廠；同時(shí)海水淡化廠建廠區(qū)域應(yīng)具備供水、供電、供熱、道路等基礎(chǔ)設(shè)施，為海水淡化廠的運(yùn)行提供保障；此外，應(yīng)選擇合適的土地利用類型，產(chǎn)業(yè)空間布局盡可能與城市規(guī)劃相一致，從而有利于海水淡化廠的后續(xù)發(fā)展。

步驟二通過電子郵件的方式向相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者發(fā)送調(diào)查問卷，邀請他們對層次分析模型中非經(jīng)濟(jì)因素準(zhǔn)則層下各指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，并依據(jù)1～9標(biāo)度法[13]給出比較結(jié)果。由此構(gòu)建判斷矩陣，將判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理和一致性檢驗(yàn)，得到非經(jīng)濟(jì)因素準(zhǔn)則層下各指標(biāo)相對權(quán)重ωi。共發(fā)送10份調(diào)查問卷，權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，對附近居民的影響權(quán)重最高，其次是基礎(chǔ)設(shè)施配備情況和海水水質(zhì)情況，說明選址時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮居民人口密度少、基礎(chǔ)設(shè)施完備和附近海水水質(zhì)優(yōu)良的區(qū)域。

表3 非經(jīng)濟(jì)因素準(zhǔn)則層下各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

步驟三采用強(qiáng)迫選擇法，即各候選廠址就非經(jīng)濟(jì)因素準(zhǔn)則層下單一指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，令較佳候選廠址的比重值為1，較差候選廠址的比重值為0，再將各候選廠址比重值除以總比重值得到各候選廠址非經(jīng)濟(jì)因素準(zhǔn)則層下單一指標(biāo)的適宜性指數(shù)Tdi。最后將各適宜性指數(shù)Tdi與對應(yīng)指標(biāo)的相對權(quán)重ωi相乘再相加可得候選廠址非經(jīng)濟(jì)因素的綜合適宜性指數(shù)Tn，計(jì)算公式為

Tn=∑Tdiωi

(1)

借助ArcGIS可直觀看出候選廠址周圍的居住建設(shè)用地?cái)?shù)量、廠房的數(shù)量和道路情況，同時(shí)綜合分析紅石崖街區(qū)的數(shù)據(jù)資料[14-19]，對6個(gè)候選廠址進(jìn)行兩兩比較，根據(jù)上述的計(jì)算公式得到各候選廠址非經(jīng)濟(jì)性因素的適宜性指數(shù)，如表4所示。

表4 非經(jīng)濟(jì)因素的適宜性指數(shù)計(jì)算結(jié)果

從表4可以看出，候選廠址A的非經(jīng)濟(jì)因素的綜合適宜性指數(shù)最高，候選廠址D的非經(jīng)濟(jì)因素的綜合適宜性指數(shù)最低。

步驟四海水淡化廠投資建設(shè)成本主要包括海水取水成本、產(chǎn)品水運(yùn)輸成本、海水淡化工程設(shè)備與構(gòu)筑物的建設(shè)成本。本研究的候選廠址成本有所不同的原因主要是海水取水成本和產(chǎn)品水運(yùn)輸成本不同。故采取常規(guī)供水工程費(fèi)用模型[19]，即

C=127.07Q0.725 1L

(2)

式(2)中：L為候選廠址到海岸線和自來水廠的距離之和，km；Q為工程規(guī)模，萬m3·d-1；C為供水工程費(fèi)用，萬元。

分別計(jì)算出各候選址的輸水費(fèi)用Ci。在該廠址處投資建設(shè)成本越低，則在該廠址建設(shè)海水淡化廠的適宜性越高，故取Ci的倒數(shù)除以所有候選廠址的Ci倒數(shù)之和得到各候選廠址經(jīng)濟(jì)因素的適宜性指數(shù)Tm，計(jì)算公式為

(3)

運(yùn)用ArcGIS軟件中距離測量功能分別得到各候選廠址與自來水廠和海岸線的距離，相加得到總輸水距離L。將L代入上述公式得到各候選廠址的輸水費(fèi)用Ci和經(jīng)濟(jì)因素的適宜性指數(shù)Tm。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

從表5可得出，候選廠址D輸水總距離最短，輸水成本最低，適宜性指數(shù)為0.200，在所有候選廠址中最高。反之，候選廠址F輸水總距離最長，輸水成本相對于候選廠址D要多966.445萬元，適宜性指數(shù)僅為0.085。另外，廠址A、B、C、E的適宜性指數(shù)相差不大。

表5 各候選廠址經(jīng)濟(jì)因素的適宜性指數(shù)計(jì)算結(jié)果

步驟五邀請專家學(xué)者填寫選址的經(jīng)濟(jì)因素與非經(jīng)濟(jì)因素的權(quán)重，分別為M和N，且M+N=1。對經(jīng)濟(jì)因素和非經(jīng)濟(jì)因素的適宜性指數(shù)分別加權(quán)再相加得到選址的綜合適宜性指數(shù)H，計(jì)算公式為

H=MTm+NTn

(4)

將專家填寫結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后取平均值，得到M為0.61，N為0.39。由此可看出經(jīng)濟(jì)因素對最終決策的影響要略高于非經(jīng)濟(jì)因素。將上述計(jì)算得出的各候選廠址的經(jīng)濟(jì)因素和非經(jīng)濟(jì)因素的適宜性指數(shù)代入上述公式，得到各候選廠址的綜合適宜性指數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表6所示。

從表6可看出，候選廠址的綜合適宜性指數(shù)從大到小排列順序?yàn)锳>D>B>C>E>F，由此得出紅石崖街區(qū)海水淡化廠最適宜建在候選廠址A處。

表6 各候選廠址綜合適宜性指數(shù)計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

海水淡化廠選址不僅要考慮經(jīng)濟(jì)因素的影響，還需要考慮海域因素、政策因素和社會(huì)因素等非經(jīng)濟(jì)因素的影響。借助ArcGIS軟件，進(jìn)行緩沖區(qū)重疊分析、面積篩選得到候選廠址；利用綜合分析法和強(qiáng)迫性選擇法，再構(gòu)建了海水淡化廠選址的層次分析模型，通過計(jì)算各候選廠址綜合適宜性指數(shù)，最終選出候選廠址A為最適宜建設(shè)海水淡化廠的地址。

將ArcGIS與層次分析法結(jié)合，可生動(dòng)直觀地得出候選廠址的位置，相比于傳統(tǒng)選址方法節(jié)省了大量的人力物力；同時(shí)綜合考慮了經(jīng)濟(jì)因素和非經(jīng)濟(jì)因素對海水淡化廠選址的影響，使得選址結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確。該方法仍然存在著一些不足之處，例如選址的影響因素考慮得較少、確定權(quán)重時(shí)主觀性較強(qiáng)，應(yīng)當(dāng)將其作為未來研究的重點(diǎn)進(jìn)行改善。