城市水系統(tǒng)的可持續(xù)性研究進(jìn)展

左葉穎 許效天

(漯河市環(huán)境科學(xué)技術(shù)研究所，河南 漯河 462000)

隨著全球城市化進(jìn)程的不斷加快，城市用水量愈來愈大，城市水系統(tǒng)對(duì)支撐整個(gè)城市的存在和發(fā)展起著舉足輕重的作用，因此構(gòu)建可持續(xù)性的城市水系統(tǒng)顯得尤為重要。城市水系統(tǒng)［1，2］是在城市所屬范圍內(nèi)由經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境等因素相互作用形成的水物質(zhì)流、水設(shè)施和水活動(dòng)的總稱，是水的自然循環(huán)與社會(huì)循環(huán)的耦合系統(tǒng)，包括城市水資源、城市給水、城市用水、城市排水、城市調(diào)蓄防洪和城市中水回用等子系統(tǒng)。近年來，國(guó)內(nèi)外針對(duì)城市水系統(tǒng)的可持續(xù)性開展了大量的研究工作，主要集中在城市水系統(tǒng)的可持續(xù)性評(píng)價(jià)、城市水系統(tǒng)的運(yùn)行效率分析和城市水系統(tǒng)的優(yōu)化配置研究等方面。

1 城市水系統(tǒng)的可持續(xù)性評(píng)價(jià)

1.1 城市水資源的可持續(xù)性評(píng)價(jià)

水資源可持續(xù)性研究的主要方向有水資源可持續(xù)利用評(píng) 價(jià)［3－7］、水 資 源 安 全 評(píng) 價(jià)［8，9］、水 資 源 風(fēng) 險(xiǎn) 評(píng)價(jià)［10－13］、水資源配置方案評(píng)價(jià)［14］、水資源承載力評(píng)價(jià)［15－18］、水資源開發(fā)利用評(píng)價(jià)［19］、水質(zhì)評(píng)價(jià)［20］、水資源可再生能力評(píng)價(jià)［21，22］和水資源價(jià)值評(píng)價(jià)［23］等。其中針對(duì)城市水資源的可持續(xù)性評(píng)價(jià)有:胡學(xué)峰［24］采用層次分析法和綜合判別法對(duì)天津市水環(huán)境生態(tài)安全現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)及預(yù)警研究，提出了解決天津市水環(huán)境生態(tài)問題的對(duì)策與途徑;孫義鵬［25］采用虛擬水戰(zhàn)略及水足跡相關(guān)理論對(duì)大連市水資源的可持續(xù)性進(jìn)行了研究，該方法突破研究實(shí)體水的局限;李琳［26］依據(jù)“壓力－狀態(tài)－響應(yīng)”指標(biāo)框架理論，采用相關(guān)分析、層次分析和主成分分析等方法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行篩選，建立了鎮(zhèn)江市水環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并用模糊綜合評(píng)價(jià)法分析鎮(zhèn)江市水環(huán)境安全的變化趨勢(shì);高長(zhǎng)波等［27］利用生命周期評(píng)價(jià)的系統(tǒng)性結(jié)構(gòu)框架，構(gòu)建了城市水系統(tǒng)可持續(xù)性評(píng)估流程和指標(biāo)體系，并提出綜合評(píng)價(jià)方法;鄧履翔等［28］構(gòu)建了城市水資源利用與水生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)體系，將粗糙集理論引入指標(biāo)體系評(píng)價(jià)中。采用動(dòng)態(tài)約簡(jiǎn)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，降低了已有評(píng)價(jià)法對(duì)專家主觀判斷的依賴性，提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。

1.2 城市供水系統(tǒng)的可持續(xù)性評(píng)價(jià)

供水系統(tǒng)是城市非常重要的基礎(chǔ)設(shè)施，也是城市可持續(xù)發(fā)展的重要保障。圍繞城市供水系統(tǒng)的可持續(xù)性，吳小剛等［29］采用最小割集理論建立了城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)決策模型，實(shí)例證明，這一決策技術(shù)是科學(xué)有效的;Zhao 等［30］建立了水力和水質(zhì)的可靠性模型與市政管網(wǎng)工況的可靠性模型，借助可用水的比例和正常節(jié)點(diǎn)的需求來計(jì)算水力的可靠性，采用節(jié)點(diǎn)水質(zhì)的達(dá)標(biāo)率來計(jì)算水質(zhì)可靠性。結(jié)果表明，該可靠性模型評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確合理，能在實(shí)踐中很好地應(yīng)用。周恒良［31］和康大臣等［32］也對(duì)給水系統(tǒng)的可靠性做了相應(yīng)的研究;覃炫［33］采用季節(jié)性指數(shù)平滑、灰色理論和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種模型綜合分析了管網(wǎng)漏損的各種實(shí)際情況，利用灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)管網(wǎng)健康度進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而確定了管道維護(hù)的優(yōu)先次序;張哲［34］采用層次分析和主成分分析等方法對(duì)城市給水管網(wǎng)承載力體系進(jìn)行了初步研究，并提出提高城市給水管網(wǎng)承載力的具體措施;許強(qiáng)等［35］把城市給水系統(tǒng)調(diào)度分為用水量預(yù)測(cè)、給水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析模型和調(diào)度決策，調(diào)度決策就是建立優(yōu)化調(diào)度模型，確定優(yōu)化運(yùn)行的決策變量值。根據(jù)決策變量的不同，優(yōu)化調(diào)度模型分為直接優(yōu)化調(diào)度模型和兩級(jí)優(yōu)化調(diào)度模型，張玉芳［36］、王訓(xùn)儉［37］、俞 國(guó)平［38，39］和Avi Ostfeld 等［40，41］認(rèn)為，對(duì)于給水管網(wǎng)規(guī)模大，泵站多，可調(diào)余地大，給水方式較為復(fù)雜的情況，宜采用二級(jí)優(yōu)化調(diào)度模型，趙洪賓［42，43］、呂謀［44］和Jowitt 等［45］認(rèn)為，較為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)宜采用直接優(yōu)化調(diào)度模型。

1.3 城市排水系統(tǒng)的可持續(xù)性評(píng)價(jià)

可持續(xù)城市排水系統(tǒng)是水環(huán)境整治的生命線，也是實(shí)現(xiàn)健康水循環(huán)的中心。就城市排水系統(tǒng)的可持續(xù)問題，董欣等［46］以北京市大興新城為研究區(qū)域，采用物質(zhì)流分析法構(gòu)建了城市污水系統(tǒng)靜態(tài)物質(zhì)流分析模型，比較研究了傳統(tǒng)系統(tǒng)、源分離－灰水SBR 處理系統(tǒng)和源分離－灰水濕地處理系統(tǒng)的性能。結(jié)果表明，僅從環(huán)境資源的角度考慮，源分離系統(tǒng)較傳統(tǒng)系統(tǒng)具有明顯的可持續(xù)性;Listowski 等［47］采用實(shí)踐導(dǎo)向的研究驗(yàn)證方法構(gòu)建了評(píng)估城市廢水回用技術(shù)“微濾”運(yùn)行性能的評(píng)價(jià)模型，該模型的建立程序?yàn)榧夹g(shù)的描述，生產(chǎn)能力、生產(chǎn)效率和可靠性標(biāo)準(zhǔn)的確定，定量性能指標(biāo)的選擇，評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建等;Murray 等［48］以成都市為研究實(shí)例，采用處理負(fù)荷－處理能力的二維可持續(xù)評(píng)價(jià)模型對(duì)城市廢水處理設(shè)施進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，該評(píng)價(jià)模型具有指標(biāo)體系的完整性、能夠估量主動(dòng)可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是該方法未能包籠所有可能的廢水處理設(shè)計(jì)指標(biāo);vande Meene 等［49］把因果關(guān)系圖引入到以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的決策支持工具中，用于城市污水收集網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)管理研究;Rehan 等［50］采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型研究了城市廢水收集設(shè)施的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性管理策略。

1.4 城市水系統(tǒng)的可持續(xù)性綜合評(píng)價(jià)

針對(duì)整個(gè)城市水系統(tǒng)，陳慶秋等［51］以珠江三角洲城市水系統(tǒng)為研究對(duì)象，依據(jù)社會(huì)水循環(huán)概念構(gòu)建一種測(cè)評(píng)城市水系統(tǒng)環(huán)境可持續(xù)性的評(píng)價(jià)框架和指標(biāo)體系;山崎涼子［52］應(yīng)用系統(tǒng)分析法構(gòu)建了城市水系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和日中城市水系統(tǒng)可持續(xù)性模糊綜合評(píng)價(jià)模型。在日中水資源管理對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，指出兩國(guó)在水利工程建設(shè)機(jī)制、水資源取費(fèi)管理制度、排污權(quán)交易制度上存在著顯著差異。提出中國(guó)應(yīng)構(gòu)建與政府職能分離、利益剝離的水利工程建設(shè)體制;Matthias等［53］構(gòu)建了一套簡(jiǎn)化型城市水系統(tǒng)可持續(xù)性評(píng)價(jià)工具，模型宗旨是把可持續(xù)性思考引入到城市水系統(tǒng)項(xiàng)目決策的早期。該方法操作過程簡(jiǎn)單，而且得出的評(píng)價(jià)結(jié)論和生命周期評(píng)價(jià)、生命周期成本是一致的;Sharma 等［54］把水平衡、污染分析、生命周期評(píng)價(jià)和生命周期成本等方法有機(jī)結(jié)合起來，組建了一套城市水系統(tǒng)的綜合性評(píng)價(jià)模型;Zhang 等［55］利用生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型和網(wǎng)絡(luò)效用矩陣研究了北京市的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和生態(tài)的關(guān)系水代謝系統(tǒng)，確定了當(dāng)?shù)丨h(huán)境、雨水收集、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活和廢水回收相互間的聯(lián)系和互惠程度，并揭示了進(jìn)一步優(yōu)化水系統(tǒng)各子系統(tǒng)的方法;楊柳蔭［1］采用自上而下的分析法選擇城市水系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了一套包括水質(zhì)和水量屬性、設(shè)施屬性、管理屬性以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性在內(nèi)的城市水系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并以蘭州市為研究實(shí)例驗(yàn)證該指標(biāo)體系是切實(shí)可行的;van Leeuwen 等［56］借助水足跡、城市代謝和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等方法的基本要素組建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建了一套城市水系統(tǒng)可持續(xù)性評(píng)價(jià)模型;謝京［57］利用大系統(tǒng)理論和系統(tǒng)分析法對(duì)城市水務(wù)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其控制方法進(jìn)行研究，進(jìn)而探討實(shí)現(xiàn)城市水務(wù)管理可持續(xù)發(fā)展的策略;Fagana 等［58］建立了一套城市水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型，該系統(tǒng)模型具有供水系統(tǒng)、居民用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、雨水的收集與處理、污水和廢水處理等六個(gè)子系統(tǒng)。

2 城市水系統(tǒng)的運(yùn)行效率分析

城市水系統(tǒng)的優(yōu)劣在很大程度上取決于其運(yùn)行效率，城市水系統(tǒng)的運(yùn)行效率就是城市水資源有效利用以實(shí)現(xiàn)城市水系統(tǒng)功能的程度［59］。城市水系統(tǒng)運(yùn)行效率的高低可通過系統(tǒng)中水資源的有效利用程度來衡量。謝京［57］采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法和Malmquist 指數(shù)法從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)角度來綜合評(píng)估天津市水務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行效率及影響其效率變化的關(guān)鍵性因素;梁小俊等［60］建立了城市引配水系統(tǒng)綜合效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，借助改進(jìn)信息熵的專家自身權(quán)重算法和運(yùn)用歐式貼近度的模糊綜合評(píng)價(jià)方法，對(duì)2003－2008年杭州市運(yùn)河引配水綜合效益水平及變化趨勢(shì)進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。研究表明，改進(jìn)的專家自身權(quán)重算法有效避免了專家多次打分形成的主觀誤差，評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀合理;吳丹［61］采用灰關(guān)聯(lián)分析法與投影尋蹤法建立了區(qū)域水系統(tǒng)綜合績(jī)效評(píng)價(jià)模型，構(gòu)建了包括供水系統(tǒng)、用水系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)在內(nèi)的區(qū)域水系統(tǒng)綜合績(jī)效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并提出區(qū)域水系統(tǒng)綜合績(jī)效優(yōu)化對(duì)策;王效琴等［62］運(yùn)用層次分析法建立了城市水資源開發(fā)利用措施綜合效益評(píng)價(jià)模型，以建立的模型對(duì)天津市的污水回用措施、海水淡化措施與南水北調(diào)措施作了綜合效益評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，污水回用措施的綜合效益＞南水北調(diào)措施的綜合效益＞海水淡化措施的綜合效益;顏瑩瑩［59］在對(duì)城市水系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、層次分析和物流分析的基礎(chǔ)上，利用層次分析法和主成份分析法分別探討了武漢、蘭州和南京三個(gè)城市水系統(tǒng)的運(yùn)行效率，結(jié)果分別是較差、較差和優(yōu)級(jí);王芙蓉［63］借助數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法構(gòu)造了污水處理廠運(yùn)行效率的定量評(píng)價(jià)模型，并應(yīng)用于多家同規(guī)模污水處理廠的運(yùn)行效率評(píng)估。結(jié)果證明，該模型彌補(bǔ)了當(dāng)前對(duì)污水處理廠效率評(píng)價(jià)主要來自定性判斷和缺乏系統(tǒng)的定量研究的缺陷，為污水處理廠效率的改進(jìn)指明方向;吳社琴等［64］采用投資效益率法和分?jǐn)傁禂?shù)法核算了白龜山水庫(kù)城市供水的經(jīng)濟(jì)效益。

3 城市水系統(tǒng)的優(yōu)化配置研究

合理分配有限的水資源，提高水資源的利用效率，離不開城市水系統(tǒng)的優(yōu)化配置［65］。Sun 等以渭南市城市水系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理的最優(yōu)化理論建立了渭南市水資源優(yōu)化配置模型，并利用效益函數(shù)法獲得城市水資源優(yōu)化配置的戰(zhàn)略計(jì)劃;Chen 等采用大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)原理，建立了多目標(biāo)規(guī)劃的廣州市水資源優(yōu)化配置的系統(tǒng)模型，并利用層次分析法和逐步寬容約束法對(duì)所屬子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)處理，最終提出與廣州市水資源需求匹配的水資源配置方案。Hou 等建立的廣州市水資源配置的多目標(biāo)優(yōu)化模型，Li 等建立的太原市水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，研究結(jié)果均證明，多目標(biāo)優(yōu)化模型是對(duì)水資源優(yōu)化配置的一種很有前途的工具;劉年磊等提出可信性模糊機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型，并用于衡水市水資源優(yōu)化配置的研究，結(jié)果證明，采用模糊模擬的猴群算法求解多維優(yōu)化問題時(shí)比傳統(tǒng)優(yōu)化算法具有明顯的有效性;Zhang 采用兩級(jí)隨機(jī)整數(shù)規(guī)劃模型和模糊多級(jí)隨機(jī)規(guī)劃模型對(duì)大連市水資源優(yōu)化配置進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，該模型既可以有效解決水資源的短缺，又可以將系統(tǒng)成本和系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)降到最低，也可以幫助水資源管理者確定自己所需要的水資源配置模式;辛朋磊等構(gòu)建了水資源優(yōu)化配置模型，并采用SCE－UA 全局優(yōu)化算法進(jìn)行模型尋優(yōu)計(jì)算，得到了南通市水資源優(yōu)化配置方案;晁燦針對(duì)菏澤市水資源的實(shí)際情況，定性的提出了優(yōu)化配置、合理利用水資源的建議與措施;陳長(zhǎng)春按照優(yōu)水優(yōu)用優(yōu)化配置的原則，研究了北京市豐臺(tái)區(qū)水資源優(yōu)化配置思路和優(yōu)化配置發(fā)展目標(biāo)，并提出優(yōu)化配置對(duì)策和措施;王志峰等結(jié)合某市新區(qū)發(fā)展特性，建立了城市分質(zhì)供水水資源優(yōu)化配置模型，并對(duì)新區(qū)中水、雨水與自來水等水資源進(jìn)行了優(yōu)化配置仿真計(jì)算;韓雁以大連市為例，根據(jù)分質(zhì)供水思想構(gòu)建了城市多水源多用戶合理配置系統(tǒng)模型，采用多目標(biāo)逐步寬容約束法對(duì)該模型進(jìn)行求解;翟楚夏構(gòu)思了指導(dǎo)城市水環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)的建設(shè)模式，認(rèn)為城市水環(huán)境優(yōu)化要由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，從盲目變?yōu)榭茖W(xué)，正確處理人、水、城市與自然的關(guān)系;孫弘顏采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型研究了長(zhǎng)春市水資源優(yōu)化配置方案，并提出方案實(shí)施的具體措施;徐志墻以西安市為例建立了污水再生回用的非線性規(guī)劃模型，計(jì)算出回用水設(shè)施的增長(zhǎng)率和集中與分散處理規(guī)模的比例，確定了污水再生回用水廠的規(guī)劃布局和再生水量的優(yōu)化分配，并應(yīng)用情景分析法進(jìn)行策略分析;余建星等借助模糊理論分析和歐氏貼近度概念建立了天津市水資源優(yōu)化配置方案綜合評(píng)價(jià)的優(yōu)選模型，采用信息熵建立了專家自身權(quán)重模型來修正層次分析法得到的權(quán)重值，減少了權(quán)重確定的主觀性。

4 結(jié)語與展望

城市水系統(tǒng)的可持續(xù)研究方法逐漸由孤立單一化和主觀判斷向系統(tǒng)多元化和客觀分析過渡，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化程度不斷提高，經(jīng)濟(jì)、政治、文化、氣候變化等諸多因素的影響也逐漸被考慮，但研究方法與角度仍存在一定的片面性，系統(tǒng)性和整體性分析做得還不夠。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系普遍存在信息覆蓋不全和指標(biāo)間信息重疊的現(xiàn)象。城市水系統(tǒng)的概念界定不一，導(dǎo)致某些子系統(tǒng)被漏掉，如城市污水回用和雨水收集等中水回用、海水淡化等子系統(tǒng)在大多研究中被忽略，引起各子系統(tǒng)嚴(yán)重分離，系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系和完整性難以真正體現(xiàn)。目前，城市水系統(tǒng)的可持續(xù)性評(píng)價(jià)和運(yùn)行效率分析是借助已有數(shù)據(jù)進(jìn)行的，多以靜態(tài)和準(zhǔn)動(dòng)態(tài)研究為主，動(dòng)態(tài)分析不夠深入，對(duì)城市水系統(tǒng)的未來可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)缺乏實(shí)際指導(dǎo)意義。

城市水系統(tǒng)可持續(xù)性是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，研究過程中需要充分考慮城市水系統(tǒng)的完整性，協(xié)調(diào)好各子系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系，尤其重視中水回用系統(tǒng)及海水淡化等子系統(tǒng)對(duì)城市水系統(tǒng)的貢獻(xiàn)。在城市水系統(tǒng)的整體可持續(xù)性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)城市水系統(tǒng)可持續(xù)性的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和運(yùn)行效率的動(dòng)態(tài)分析，克服不同城市之間的差異，建立一套普通型的城市水系統(tǒng)優(yōu)化配置模型，為城市水系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展提供實(shí)際指導(dǎo)。

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