郭洪聪,王立权,滕 云,董 鹤,王姊怡,杨建武

(1.黑龙江大学 水利电力学院,哈尔滨 150080;2.黑龙江省水利科学研究院,哈尔滨 150080)

1 概 述

非常规水资源中的再生水利用与配置,是关乎保护传统水资源,缓解缺水地区、水资源污染严重地区用水问题的重要措施。为贯彻落实水利部等多部门印发的《典型地区再生水利用与配置试点方案》,哈尔滨市借鉴国内外再生水利用与配置技术先进经验,结合本地特点,建立科学、适用、成熟的再生水利用配置模式,提高再生水与传统水资源的利用比率,缓解水资源供给不足的压力,达到节约保护传统水资源、改善水生态环境质量的目的,以此促进环境友好型社会的建设。同时,建立再生水利用配置试点,为其他地区提供先进经验［1］。

目前,许多学者对再生水利用进行了相关研究。在此基础上,本文采用TOPSIS模型,对再生水资源的配置进行研究,并对影响再生水资源配置的因素进行评价。

2 哈尔滨市水资源现状

2.1 城区水资源现状

哈尔滨位于黑龙江省中南部,属松花江水系,哈尔滨市水资源含量较其他省会城市丰富。哈尔滨域内松花江干流长约466km,拉林河、阿什河等22条主要支流总长约2 021km;全市拥有红星水库、西泉眼水库等各类型水库197座。根据资料显示,哈尔滨多年降雨619.11mm、平均地下水资源30×108m3、平均地表水资源99.2×108m3［2］。近年来,该地区出现了降雨减少,且因气候变暖原因而导致地表水蒸发量增加;地下水过度采用;水资源浪费现象突出;污染程度加剧;哈尔滨域内自产水较少,过境水较为丰富;水资源空间分布不均匀等严峻问题。因此,大力推广再生水资源,合理规划再生水资源的配置显得尤为重要。见图1、图2。

图1 哈尔滨水系分布

图2 哈尔滨2010-2020年降雨量

2.2 城市污水处理厂

《哈尔滨市城镇污水治理实施方案》对哈尔滨区域内22个重点镇应当具备的污水收集处理能力进行了规定;且城市的污水处理率应达到95%,县城的污水处理率应达到85%。截至2019年,哈尔滨市已有11家污水处理厂,处理污水能力140×104t/d。经预计,哈尔滨的污水处理厂将达到19家,届时污水处理能力将得到极大提升。

现有污水处理厂位于文昌、太平、何家沟、松北集乐、信义沟、巴彦县、木兰县、通河县、宾县、依兰县、方正县。由卫星地图可知,污水处理厂多建在河流沿线,地势较低,布局合理,有利于就近利用,方便处理后的污水就近排出,极大地减少了经济消耗。哈尔滨市污水处理厂分布见图3。

图3 哈尔滨污水处理厂分布卫星图

根据《哈尔滨再生水利用管理办法》,再生水主要用于绿化灌溉、冲厕、车辆清洗、工业等方面。根据国家相关规范标准,如《城市污水再生利用分类》(GB/T 18919-2002)、《再生水回用于景观水体标准》(CJ/T 95-2000)、《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)等,哈尔滨市污水处理厂全部达到一级B以上排放标准,达到规范要求的等级。

现以文昌污水处理厂为例,对其出水水质及其再生水的利用与配置进行分析研究。文昌污水处理厂是哈尔滨市首座污水处理厂,地点位于哈尔滨市道里区井街53号,规划占地面积58.5×104m2［3］。毗邻松花江与阿什河,地理条件优越,既适合河流补给,也适合将再生水输送用于市政与工业,极大降低了运输成本,经济效益明显。文昌污水处理厂分为三期工程,现阶段均已投入使用。一期工程对污水进行一级处理,二期、三期工程对一期工程产出的一级处理出水进行二级处理,污水处理工艺各有其特点,出水水质均达到一级A水平标准。文昌污水处理厂流程图见图4。

3 再生水利用潜力分析

哈尔滨再生水主要用于市政中的城市绿化灌溉、冲厕、道路清扫、车辆冲洗;工业;景观用水。各项用水量计算如下。

3.1 市 政

1)绿化用水。根据哈尔滨人民政府公报,截至2020年,哈尔滨市绿化总面积为16 184hm2(161 840 000m2)。由于哈尔滨市自然降雨量较为充足,按照每平方米用水160L、浇水时间段集中在4-10月份共7个月、再生水利用率65%计算,共计用水量161 840 000×160×65%=1 683 136×104L=1 683.136×104m3。见图1。

2)冲厕用水。根据哈尔滨统计局公报,2021年常驻人口988.5万人,冲厕用水定额依据《城市居民生活用水量标准》(GB/T 50331-2002),取35L/人［4］,再生水利用率为30%,共计用水量988.5×35×365×30%=3 788 426.25×104L=3 788.426×104m3。

3)道路浇洒用水。根据人民网黑龙江频道公报,哈尔滨市道路总面积6 484hm2(64 840 000m2),用水定额按照相关标准为每平方米路面每日0.5L,再生水利用率为85%;由于哈尔滨市降雨充足,按照一年道路洒水150d,则共计用水量64 840 000×0.5×150×85%=413 355×104L=413.36×104m3。

图4 文昌污水处理厂流程图

表1 哈尔滨市政再生水利用潜力

4)车辆清洗用水。根据生活报统计,哈尔滨机动车数量约226×104辆,平均每车每次用水50L;由于清洗车辆对水质没有较高要求,再生水利用率为85%,按照一个月洗一次车计算,则车辆清洗用水量85%×2 260 000×0.05×12=115 206×104L=115.26×104m3。

3.2 工 业

冷却用水:根据百度搜索,截至目前,哈尔滨共有23 276家工厂,主要用水工厂有化工厂和热电厂。其中,化工厂有4家,分别是哈尔滨市石油化工厂、哈尔滨市石油化工八厂、哈尔滨石油化工分公司、哈尔滨化工七厂分厂;热电厂有哈尔滨华能、中国华电集团哈尔滨发电厂、华电哈尔滨热电厂等。根据生活报统计,哈尔滨工业用水2×108m3。由于工厂连接再生水输送管道较为方便,其再生水利用率较高,按照再生水利用率为85%计算,工业冷却用水总量2×108×85%=1.7×108m3。

3.3 景观用水

冰雪大世界作为冰城哈尔滨著名景点,每年制作冰雕景观都需要大量冰块,这些冰雕作品融化后约有8×104m3,相当于53个50m×25m×1.2m的游泳池含水量。据统计,2017年哈尔滨市需冰量为39.19×104m3,加上路途损耗,总需冰量39.58×104m3,融化成水约为39.58×104m3×0.9=35.622×104m3。取冰大部分来自松花江,可将再生水用于松花江的补给,按照再生水利用率为90%计算,景观用水量可达35.622×104m3×90%=32.06×104m3。

3.4 再生水利用总潜力

见表2。

4 国外研究现状

4.1 澳大利亚再生水利用现状及经验

刘俊含［5］在研究中提出,澳大利亚地处亚热带高气压带,是世界第二干旱地区;澳大利亚人口正在迅速增加,人均用水量显著减少;水资源时空分布严重不均,且2006年遭受千年一遇的大旱。因此,提高再生水资源利用率显得尤为重要。

表2 哈尔滨市再生水利用总潜力

澳大利亚是世界上最先一批进行污水再生利用健康和环境风险评估的国家,相关政策法律较为完善。在《国家水质管理策略》框架下,相继颁布《健康和环境风险管理》《再生水补给饮用水水源》《地下水回灌》《雨水收集与利用》一系列国家标准。此外,还提出再生水风险评价和管理方法,对水体微生物指标、污水处理技术、再生水运输和储存等都进行了具体要求。在总的政策体系之下,全国各地区又进行了具体要求,以保证政策的适用性。

4.2 美国加州再生水利用现状及经验

陈卫平［6］在研究中指出,美国再生水利用与配置科学研究在世界上名列前茅,而加州更是美国各州中的佼佼者。加州政府从排放的污水水质、污水处理技术、不同等级的再生水用途、再生水厂设备、再生水运输系统管网到再生水利用终端,都有着具体的规范和严格的监督,真正实现了从污水到可利用再生水的从头至尾的全链条严控把关。

4.3 日本再生水利用现状及经验

陆慧闽等［7］在对日本再生水技术研究中发现,日本水资源总体来说较为丰富,但时空分布不均,降雨季节分布不均;日本陆地面积极小,地势陡,河道短,难以蓄水;加上日本老龄化严重,人口集中分布,造成供水压力巨大的问题。但其在污水处理与再生利用的信息统计、收集、分类方面较为先进,且日本致力于高效节能的再生水处理技术的研发,此类经验值得借鉴。

5 再生水配置方案

5.1 再生水资源配置的主要影响因素

目前,城市再生水主要用于市政、工业、景观,而针对不同方面的再生水利用也存在多种要求。美国学者对于再生水在不同用途中,制定了相应的工艺处理要求。其研究表明,二级处理出水经消毒后的再生水,不仅可以用于农业灌溉,还能作为V类水体的河湖补给,也能作为部分工业企业的冷却机器用水;二级处理后的再生水经过“混凝-过滤-消毒”的深处理工艺后,可用于工业、市政杂用,也能作为IV类河湖补给。除规范要求之外,在对于再生水进行配置时还应考虑经济、民意等社会效应。本研究利用TOPSIS法,对不同影响因素进行综合研究,计算出各再生水利用方式所占比例,力求最优再生水配置方案。

5.2 TOPSIS法计算权重

本研究主要考虑经济效益,计算各项目再生水创造经济直接产值或带来的间接效益(经济正效益)。

城市绿化:每1km2的绿化会使房价上涨5%,哈尔滨平均房价为12 053元,已知哈尔滨住房建筑周边绿化面积平均约为165.2m2,哈尔滨共计约988.5万人,人均住房面积按照41.76m2,所带来的经济效益约为165.2×10-6×12 053×5%×9 885 000×41.76=410 972 126元。

冲厕:哈尔滨用水单价为2.4元/m3,所带来经济正效益为37 884 260×2.4=90 922 224元。

车辆清洗:哈尔滨用水单价为16.40元/m3,所带来的经济正效益为1 152 600×16.4=18 902 640元。

道路清扫:按照10元/m2计算,所带来的经济正效益为4 133 600×10=41 336 000元。

工业用水:根据网络公报,哈尔滨工业总产值为2 224亿元。

景观用水:根据哈尔滨人民政府公报,哈尔滨旅游业总产值为1 105.7亿元。见表3。

表3 TOPSIS分析评分

6 数据来源

本研究数据来源于网络政府和企业的公开性文件和CNKI。

7 结 论

1)作为东北老工业城市,哈尔滨市工业再生水利用潜力巨大,同时所带来的经济效益也是极其雄厚的;哈尔滨被誉为“冰城”,每年关于冰雪项目的旅游业产值也是巨大的。再生水在城市的利用,是基于绿色发展理念上对水资源的节约保护,在配置方案的制定中,最应优先考虑的是其经济效益。通过上述研究发现,再生水在各方面的利用中,所带来的经济效益由高到低依次为工业、景观用水、绿化灌溉、冲厕、道路清扫、车辆冲洗,且工业与景观所带来的经济效益大幅度领先。因此,哈尔滨可着重考虑将再生水资源优先配置于工业用水和景观用水,有利于城市经济的发展。

2)我国再生水研究起步较晚,哈尔滨可借鉴澳大利亚关于再生水的法律制度体系,努力完善与再生水利用与配置相匹配的法律法规,加强对再生水利用健康与环境风险评估,完善相关国家及地方标准,使其更加适用。借鉴美国加州对再生水全链条、全方位的监管体系,形成一个完善的再生水利用管理体系,将再生水的利用与配置作为战略性计划纳入地区水资源管理,积极进行再生水利用影响评估,制定合理的管理方案,以确保再生水的安全使用。借鉴日本对污水处理和再生水信息的搜集、统计、分类等理念与方法,积极研发新技术、新设备,努力发展我们自己的再生水利用与配置技术。

3)哈尔滨市城市再生水利用潜力巨大,污水处理厂出水水质良好,均已达到一级B水平标准,且污水处理量大;大都修建在河湖边上,地理位置得天独厚,不仅方便处理后的水直接排入河湖进行水资源补给,也可经过管道运输进行市政、工业等方面的配置。

因此,哈尔滨应抓住机遇,加大政府引导力度,对再生水进行科学管理,大力推进再生水利用工作,使哈尔滨在再生水利用方面取得显著成果,争作先进试点,为全国其他地区提供先进经验,实现水资源循环高效利用,推动绿色发展。