城镇污水处理设施空间优化配置研究

中国环境科学2016,36(3)：943~952ChinaEnvironmentalScience城镇污水处理设施空间优化配置研究崔建鑫1,2,赵海霞1*(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,中国科学院流域地理学重点实验室,江苏南京210008；2.中国科学院大学,北京100039)摘要：城镇污水处理设施建设总体规模不足、空间布局不平衡等问题突出,基于效率最大化、费用最小化原则,从微观效率和宏观布局两个维度进行空间优化配置,为解决城镇污水处理设施的空间均衡问题提供思路.以淮安市盱眙县盱城镇为例,利用ArcGIS网络分析工具,构建“目标市场份额”和“最小阻抗”模型,进行镇区污水处理设施的空间优化配置.结果表明:已有的污水处理设施中,由于管网配套不足,富春运行负荷低,未来扩大服务范围、提高运行效率是重点;在合理运行条件下,已有的污水厂的设计能力仍不满足治理需求,根据排污治污缺口,需新建一座2万t/d规模的污水处理设施;新建污水厂的最佳位置位于缺口地区的最小费用点.微观效率与宏观布局的协同优化方案可为盱城镇污水处理设施的格局优化提供科学依据,同时也为全国同类地区城镇污水处理设施空间规划管理提供参考.关键词：城镇污水处理设施；优化配置；ArcGIS；微观效率；宏观布局中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2016)03-0943-10Methodforspatialoptimalallocationofurbansewagetreatmentfacilities.CUIJian-xin1,2,ZHAOHai-xia1*(1.NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China；2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China).ChinaEnvironmentalScience,2016,36(3)：943~952Abstract：TherearemanyproblemofurbansewagetreatmentfacilitiesinChina,suchassmallscaleandunbalanceddistribution,whichmeansoptimalallocationofurbansewagetreatmentfacilitiesissignificant.Basedontheprincipleofefficiencymaximizationandcostminimization,thispaperaimstoestablishanewmethodforoptimalallocation.TakingXuchengTowninHuaianCityJiangsuprovinceasacase,thispaperestablishedmodelsof“targetmarketshare”and“theminimumimpedance”bytheArcGISnetworkanalysttool.Theresultshows:Oneofthecurrentsewagetreatmentfacilitiesisoperatingreasonable,whiletheotheroneisinefficientbecausetheequippednetworkisnotenough.Then,theformerfacilitycanmaintain,whilethelatterfacilityshouldexpanditsequippednetwork.Thetotaltreatmentcapacityofthecurrenttwofacilitiesisstillshorterthanthewholeemissionofwastewaterintown.Soanewsewagetreatmentfacilityshouldbebuiltintherecentfuture.Accordingtotherelatedplan,thedesignedcapacityofthenewfacilityshouldbe20000t/d.Thebestlocationofthenewfacilityistheminimumcostlocation.TheproblemofsewagetreatmentfacilitiesinXuchengTowniscommoninChina,sothemethodisreferential,whichcanachievethecollaborativeoptimizationofmicro-efficiencyandmacro-arrangement.Keywords：urbansewagetreatmentfacility；optimalallocation；ArcGIS；micro-efficiency；macro-arrangement城镇污水处理设施是提升基本环境公共服务、改善水环境质量的重大环保民生工程,加大污水处理设施建设又是城镇污染减排的重要举措.我国城镇污水处理设施建设经历了30年的蓬勃发展,已累计建成污水处理设施3717座,每19万城镇人口拥有一座污水处理设施,对城镇污染减排作用显著.但相对发达国家7000~8000人/座的水平仍有很大差距[1];全国城镇污水处理率平均为77.5%,相对国务院2015年的目标低了7.5%[2].因此,加大城镇污水处理设施建设是必然趋势,而且新型城镇化战略为城镇污水处理设施建设提出了更高要求.此外,城镇污水处理设施依然存在很多问题,如污水配套管网建设相对滞后、设施建设空间不平衡、运营监管不到位等[2],收稿日期：2015-06-19基金项目：国家自然科学基金项目(41130750);中国科学院南京地理与湖泊研究所“135”重点项目(2012135006)*责任作者,副研究员,[e-mail]944中国环境科学36卷据统计,全国1.21%的设施处于超负荷运行状态,另有10.4%的设施运行负荷率低于30%[3],污水收集和处理系统的空间适配性矛盾突出,成为制约污染减排的重要因素.建立一套基于城镇污水排放与治理相匹配的城镇污水处理设施空间优化配置方法,指导新增污水处理设施的空间布局及现状设施的扩容与提标改造,是现实背景下城镇污水处理设施研究的重要方向.城镇污水处理设施作为一种公共服务设施,其空间优化配置符合公共服务设施区位理论,即在兼顾效率与公平的原则下,在财政预算框架内实现社会效益福利最大化,通过合理布局公共设施,力求以最小的社会成本,尽可能提供完善的、公平的福利保障[4].因此,城镇污水处理设施的空间优化配置应既要实现空间格局优化又要实现设施运行效率最大化,既要满足污水处理效率的要求,又要实现污水处理的费用最低[5].在空间优化配置问题上,设施运行效率特指空间效率,即通过个体运行的效率最大化实现最大限度的污水收集和处理.目前,国内外相关研究多集中在城镇污水处理设施的布局选址与运行效率的研究.其中,布局选址多考虑区域风向[6-7]、地形条件[4,8-9]、工程地质条件[10-11]、管网条件[11-13]、土地利用状况[11]、污染源分布[14]、水质[15-17]和城市发展方向[7,9,18]等因素,而且集中与分散布局一直是争论的焦点.基础设施网络分析方法被广泛应用于布局方案设计与筛选,如情景分析[19-23]、临界距离[7]、费用效益分析[21-23]、泰森多边形[12]、最小邻近距离[13]、密切值[10]、灰色局势决策法等[11],但多局限于单纯的设施选址,不能解决优化配置问题.同样,运行效率的研究多从污水处理量[20]、污水污泥处理质量[14-16,23]、运行成本[24-26]、污水处理单耗[27-28]、生产运营管理[27,29-30]、安全管理[31]等方面进行评价,运行负荷率往往是考虑的重要因素.然而,单纯布局选址与运行效率评价研究达不到优化配置的目标,微观运行效率能够对宏观布局产生影响,如能探索将两者结合起来进行优化的方法,可为城镇污水处理设施空间优化配置开拓解决思路.为此,以淮安市盱眙县盱城镇为研究区,基于效率最大化、费用最小化的原则建立优化模型,借助ArcGIS网络分析工具,提出宏观和微观协同优化配置方法,实现城镇污水处理设施综合效用最大化,也为城镇污水处理设施空间优化配置方法研究提供有益参考.图1研究区概况Fig.1Overviewofstudyarea1研究区概况盱城镇位于江苏省淮安市最南端的盱眙县,地处淮河下游东岸,是盱眙县政治、经济、文化中心,国家级生态乡镇.下辖9个社区、5个行政村,面积107km2.近年来,该镇社会经济发展迅速,2014年,总人口约20万人,其中城镇人口占92.76%,人均GDP达7.76万元,城镇居民人均可支配收入30410元,是全市平均水平的1.19倍.与此同时,城镇污水排放量与日俱增,2014年盱城镇生活污水排放量达3.40万t/d.然而,该镇已建成运行的2座污水处理设施——盱眙富春紫光污水处理有限公司、国泰盱眙污水处理有限公司,总设计处理能力仅为3万t/d,排污量与治理量缺口较大,运行效率平均仅58.5%,不符合建设部3期崔建鑫等：城镇污水处理设施空间优化配置研究94575%的最低要求,亟需城镇污水处理设施的优化配置.盱城镇是当前我国城镇污水处理设施面临困境的缩影,进行城镇污水处理设施布局优化研究具有典型性(图1).2研究方法与数据处理2.1研究思路2.1.1相关概念界定①运行负荷率:运行负荷率=实际处理量/设计处理量.是城镇污水处理厂运行合理性的最主要评价标准.根据《建设部关于加强城镇污水处理厂运行监管的意见》,城镇污水处理厂投入运行后的实际处理负荷3年以上不低于设计能力75%的要求.根据《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》,2015年,城镇污水处理厂投入运行一年以上的,实际处理负荷不低于设计能力的60%,3年以上的不低于75%;同时,运行负荷率不能超过设计处理量的120%.污水处理设施的运行负荷率是微观效率的体现.②收集率与处理率:污水收集率与处理率是国家对城镇污水处理设施建设与改造的重要抓手.2015年发布的“水十条”重点明确,到2020年,全国所有县城和重点镇具备污水收集处理能力,县城、城市污水处理率分别达到85%、95%左右.京津冀、长江三角洲、珠江三角洲等区域提前一年完成.《国家新型城镇化规划》要求全国县城污水处理率达到85%左右,重点镇达到70%左右.从区域角度看,污水收集率与处理率是宏观效率的体现.污水收集率=污水处理设施收集的污水量/区域污水排放总量;污水处理率=污水处理量/污水处理设施收集的污水量.2.1.2基本原理城镇污水处理系统是由污水管网和处理设施构成的污水收集-输送-处理网络,其中污染源、处理设施等环节可以抽象为网络节点,而输送管网可以抽象为网络的边.网络存在关联性和系统性,关联性表明每一个节点的效率关系整个系统的效率,而系统性表明整个网络的结构至关重要[32-34].基于此,可将城镇污水处理设施空间优化配置分解为两个维度:①节点——微观效率层面.城镇污水处理设施的微观效率指运行负荷率,是设施运行最重要的评价标准.基于我国城镇污水处理设施普遍存在的运行负荷不足或超负荷运行的实地考察成果,在设施建设和管理合理的情况下,设施的合理运行主要依赖于服务范围[22],即配套管网的铺设范围.因而,服务范围大,则对污水的收集程度高,设施进水量多,进而运行负荷率高.从而,通过服务范围的调整提高区域污水收集率和处理率,解决一部分污水治理缺口,为新建污水处理设施减轻负担,甚至部分地区可以通过提高效率来替代新建设施.因此,基于效率最大化原则,城镇污水处理设施的优化配置应首先实现个体运行效率最大化.②结构——宏观布局层面.城镇污水处理系统的宏观调