基于地理信息系統(tǒng)與綜合分析法的海水淡化廠選址

孔飛飛，王 琳，王浩程，王欣婷，牟春霞

(中國(guó)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)、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(guò)改進(jìn)的經(jīng)典粒子群算法求解某地級(jí)市物流配送中心的選址問(wèn)題，該類(lèi)模型求解的方法忽略了候選廠址的確定，且對(duì)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(guò)專(zhuān)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(guò)層次分析法與線性加權(quán)和法將危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存設(shè)施選址問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)決策問(wèn)題，從而確定選址方案。但該類(lèi)定性選址方法主觀性過(guò)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(wèn)題[5-6]。Nega等[7]借助ArcGIS的空間功能對(duì)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(yáng)能發(fā)電廠的選址問(wèn)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(wú)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(duì)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(duì)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(píng)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(duì)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(lái)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?jī)H為0.421億m3，水庫(kù)無(wú)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(zhǎng)超過(guò)10 km。該街區(qū)充分發(fā)揮了交通區(qū)位和開(kāi)發(fā)區(qū)六大產(chǎn)業(yè)集群優(yōu)勢(shì)，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(kāi)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(shì)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(guó)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(jí)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(guó)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(shì)和劣勢(shì)，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(zhǎng)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(duì)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(mǎn)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(lèi)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(guò)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)型是小面積耕地和空地。由圖1可見(jiàn)，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(guò)谷歌衛(wèi)星地圖搜索得到紅石崖街區(qū)自來(lái)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(lái)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(lái)水廠緩沖區(qū)和1 500 m廠房緩沖區(qū)。

(2)對(duì)主要路網(wǎng)建立300 m緩沖區(qū)，以此滿(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(duì)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(guò)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(chǎng)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(lèi)，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(guò)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(duì)居民生活的不利影響；另外，反滲透海水淡化廠在運(yùn)行過(guò)程中主要存在的兩大問(wèn)題就是預(yù)處理過(guò)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(lèi)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(guò)電子郵件的方式向相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家學(xué)者發(fā)送調(diào)查問(wèn)卷，邀請(qǐng)他們對(duì)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(duì)權(quán)重ωi。共發(fā)送10份調(diào)查問(wèn)卷，權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，對(duì)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(shuō)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(duì)應(yīng)指標(biāo)的相對(duì)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?chē)木幼〗ㄔO(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(duì)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(lái)水廠的距離之和，km；Q為工程規(guī)模，萬(wàn)m3·d-1；C為供水工程費(fèi)用，萬(wàn)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(cè)量功能分別得到各候選廠址與自來(lái)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(zhǎng)，輸水成本相對(duì)于候選廠址D要多966.445萬(wàn)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(qǐng)專(zhuān)家學(xué)者填寫(xiě)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(duì)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(zhuān)家填寫(xiě)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(duì)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(guò)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(duì)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(lái)研究的重點(diǎn)進(jìn)行改善。