中水回用的經(jīng)濟(jì)與中水利用潛力分析

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簡(jiǎn)介： 對(duì)清華大學(xué)東區(qū)浴室中水回用三種方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較，結(jié)果表明中水直接用于宿舍沖廁比用于綠地澆灌更為經(jīng)濟(jì)合理，并揭示了當(dāng)前水價(jià)偏低是造成中水回用成本較高從而難以推廣的重要原因之一。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)中水回用在清華大學(xué)及北京市區(qū)推廣的潛力以及對(duì)水價(jià)的影響進(jìn)行了定量分析。?
關(guān)鍵字：中水回用 經(jīng)濟(jì)性 水價(jià) 利用潛力

1 　中水回用項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)分析

　　清華大學(xué)占地2.64km²，服務(wù)人口為4.8萬余人，1999年用水量為670×10⁴m³/a。學(xué)校為節(jié)省水費(fèi)支出、緩解北京市用水危機(jī)，擬于東區(qū)浴室建一個(gè)中水回用的示范工程，原水為淋浴水，產(chǎn)水量為200m³/d,采用膜生物反應(yīng)器一體化工藝。
　　中水回用的經(jīng)濟(jì)性在很大程度上受到水價(jià)的影響，水價(jià)越高，項(xiàng)目的收益越大。北京市現(xiàn)行居民生活自來水價(jià)為1.3元/m³，居民污水處理費(fèi)為0.3元/m³，近期將調(diào)整居民生活自來水價(jià)格為1.57元/m³(調(diào)價(jià)幅度為21%)，居民污水處理費(fèi)為1.03元/m³(調(diào)價(jià)幅度為243%)，即到戶價(jià)格為2.6元/m³(上漲62.5%),該價(jià)位已經(jīng)接近或略高于成本，遠(yuǎn)期調(diào)整的幅度將減緩。現(xiàn)假定2002年—2016年水價(jià)年增長(zhǎng)率的三種可能為5%，8%和10%。?
　　中水就近回用的三種方案為：①用于學(xué)生宿舍廁所沖洗；②冬季3個(gè)月用于沖洗廁所，其余9個(gè)月澆灌綠地；③中水用于綠地澆灌，即冬季3個(gè)月的中水排放，其余9個(gè)月澆灌綠地。采用費(fèi)用效益分析方法對(duì)三種方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較[1]，其計(jì)算公式為[2]：
?　　　　　　　NPV=PVB-PVC?　　　　(1)?
　　式中 ?PVC——中水回用項(xiàng)目的總費(fèi)用現(xiàn)值，

　　PVB——中水回用項(xiàng)目的總效益的現(xiàn)值，

　　NPV——中水回用項(xiàng)目的凈效益現(xiàn)值?
?　Ct——第t年的費(fèi)用,包括建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用
?　Bt——第t年的效益，包括節(jié)省了新鮮水費(fèi)、污水處理費(fèi)用等
?　r——貼現(xiàn)率(以長(zhǎng)期國(guó)庫券利息為貼現(xiàn)率)
　　t——時(shí)間，a
　　計(jì)算結(jié)果見表1，可見方案①的投資回收期最短、NPV最高、需要的最小水價(jià)增幅最小， 因此直接沖廁方案是最經(jīng)濟(jì)的。

表1 三種回用方案的投資回收期、NPV和最小水價(jià)增幅水價(jià)增長(zhǎng)率(%)方案①方案②方案③投資回收期(a)NPV(萬元)投資回收期(a)NPV(萬元)投資回收期(a)NPV(萬元)59.77130.4114.3719.58無-25.8287.71323.7411.8876.1414.230.70106.68501.4810.18146.0912.677.51最小水價(jià)增幅1.984.487.75注： 最小水價(jià)增幅指的是，假設(shè)第15年末NPV值為零，第16年末為正值時(shí)應(yīng)該規(guī)劃的水價(jià)年均增長(zhǎng)率。

2 中水回用的潛力分析

　　通過計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)回歸與預(yù)測(cè)，并結(jié)合不確定性分析方法，定量給出清華大學(xué)與北京市可能的中水來源量范圍和可能的中水利用量范圍。?
2.1 清華大學(xué)
　　① 中水來源分析?
　　中水來源主要集中在生活污水方面。假設(shè)生活污水中除去沖洗廁所部分全部可用于中水回用。中水來源用公式表達(dá)為：

　　Q(t)＝(1-K)·P₂·W(t)?
　?。?1-K)· P₁· Z(t)·P₂　　　　(2)??
　　式中 ?Q(t)——t年可能的中水來源量，10⁴m³/a?
　　　　　 W(t)——t年居民生活用水量?
　　　　　 Z(t)——t年總用水量，10⁴m³/a?
　　　　　　K——t年廁所沖洗水量占居民生活用水量的比值
?　　　　 P₁——生活用水量占總用水量的比例?
?　　　　P₂——排放系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值0.8?
　　北京市1984年平均廁所用水量占居民生活用水量的1/3左右^[3]，考慮到北京市節(jié)水大便器的初步推廣，取K值為0.2～0.3?！　　「鶕?jù)清華大學(xué)1994年—1999年數(shù)據(jù)，將確定在0.35～0.43之間。?
　　關(guān)于總用水量，根據(jù)1990年—2000年總用水量的歷史數(shù)據(jù)(并刪去奇異點(diǎn))，利用二次曲線進(jìn)行擬合，基本模型為：?
　　?Z(t)=a+bt+ct?2?　　(3)?
　　　式中 ?t——時(shí)間，a?
?　　　　 　a、b、c——系數(shù)?
　　回歸結(jié)果：? ?Z(t)=446.089 8+ 7.9621t+1.8697t²???
?　　　　　t檢驗(yàn)值：(50.129) (1.864) (4.471)?
　　　　　　95%置信區(qū)間：(421.382 5～470.797 1)?(-3.900 6～19.824 8) (0.708 8～3.030 7)?
　　　　　?R²＝0.995 5；F=439.781 3；D.W＝2.177 ?
　　利用Monte Carlo在參數(shù)的置信區(qū)間內(nèi)隨機(jī)正態(tài)取樣2000次，得到2000年—2015年總用水量和可能的中水來源量平均值和標(biāo)準(zhǔn)差(如圖1)。結(jié)果顯示清華大學(xué)總用水量平均值和可能的中水來源量，從2000年到2015年增加了近1.5倍，同時(shí)由于參數(shù)的不確定性，導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性逐漸增大。

　?、?利用潛力?
　　假設(shè)中水可能用于沖洗廁所和澆灌綠地。沖洗廁所的中水利用量為：?
?　　　　　T(t)＝W(t)·K＝W(t)－Q(t)　　　　(4)?
　　式中 ?T(t)——t年可能的沖廁中水量，10⁴m³/a?
　　假設(shè)綠地的面積在近15年的內(nèi)變化可以忽略，則澆灌綠地的中水量為：?
?　　　　　　　　　S＝Sg·m　　　　　　　　　(5)
　　式中 ?Sg——綠地面積，10⁴m²?
　　　　　 m——單位綠地面積需水量，m³/m²?
　　據(jù)調(diào)查，清華大學(xué)現(xiàn)有綠地面積為20×10⁴m²，單位綠地面積需水量為1m³/m²。 ?
　　中水來源量與可能方案的中水利用量的平均值見圖2?？梢钥闯?，沖洗廁所利用量均值為澆灌綠地利用量平均值的3～10倍，剩余中水量接近中水利用量，表明中水來源的一半得到有 效利用。

2.2 北京市
　?、?中水來源?
　　北京市的中水來源也主要集中在生活污水方面。將式(2)中的W(t)換成三次曲線擬合形式：
?　　　W(t)=a+bt+ct²+dt³　　　　　(6)?
　　回歸結(jié)果：?
　　　?W(t)=23540.093-619.111t+183.155t²-3.819t³?
?　t檢驗(yàn)：?
　　　　(66.690)(-4.112)(10.335)(-6.397)?
　　95%置信區(qū)間：?
　　　　(22 741.607～24 338.579)(-959.711～-278.510)(143.064～223.246)
　　(-5.169～-2.468)R2＝0.992；F=1 099.8；D.W＝2.222
　　利用Monte Carlo在參數(shù)置信區(qū)間內(nèi)隨機(jī)正態(tài)取樣2000次，得到2000年—2015年居民生活用水量和可能的中水來源量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果顯示北京市居民生活用水量平均值和可能的中水來源量平均值從2000年到2015年增加甚微，僅約為14.3%，并可能呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這與北京市節(jié)水力度的加大有密切關(guān)系，同樣，由于參數(shù)的不確定性，導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性逐漸增大。?
　?、?利用潛力?
　　對(duì)于澆灌綠地而言，可能的中水量為：?
?　　　　　　　S＝Sz·m·r　　　　　(7)?
　　式中 ?Sz——總占地面積，km²?
　　　　　?r——綠地面積占總占地面積的比例系數(shù)，hm²/km²
　　據(jù)調(diào)查，北京市市區(qū)以及近郊八個(gè)區(qū)共有1369.9km²，m為1m³/m²，r可根據(jù)清華綠地面積與校園面積進(jìn)行推算，即r＝20hm²/2.64km²＝7.576，假設(shè)北京市該比例的上下浮動(dòng)為20%,即r=6.060 8～9.0912。
　　中水來源量與中水利用量平均值見圖3。

　　經(jīng)比較可見，1990年以前中水不夠用，1990年以后則出現(xiàn)剩余；2000年后沖廁中水量同居民生活用水總量一樣，變化趨于平緩；沖廁中水量占澆灌綠地量的比保持在1.2～1.6之間，并呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，剩余中水量約為中水利用量的1/3～1/2，表明中水來源的近2/3得到有效利用。?
2.3 水價(jià)作用
　　沖洗廁所和澆灌綠地15年末運(yùn)營(yíng)期凈現(xiàn)值為零的最優(yōu)水價(jià)增長(zhǎng)率分別為1.98%和4.48%，以該兩種方式中水利用量比例為權(quán)重系數(shù)，確定最優(yōu)水價(jià)增長(zhǎng)率，即：?
?　　　　　Pr(t)=Tr(t)·Prt+ Sr(t)·Prs?　　　(8)?
?　　　　　Tr(t)＝T(t)/[T(t)+ S(t)]?　　　(9)?
?　　　　　Sr(t)＝S(t)/ [T(t)+ S(t)]　　　(10)?
　　式中 ?Prt——沖洗廁所最優(yōu)水價(jià)增長(zhǎng)率，%?
　　　　　 Prs——澆灌綠地最優(yōu)水價(jià)增長(zhǎng)率，%?
　　　 ?　Pr(t)——t年最優(yōu)水價(jià)增長(zhǎng)率，%?
　　　 ?　Tr(t)——t年沖廁中水量與中水利用總量之比
　　　 ?　Sr(t)——t年澆灌綠地中水量與中水利用總量之比
　　具體計(jì)算結(jié)果如表2所示,可見對(duì)于清華大學(xué)中水利用而言，最優(yōu)水價(jià)增長(zhǎng)率平均為2.34%,隨時(shí)間呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢(shì)，到2015年水價(jià)增長(zhǎng)率為2.21%即可滿足。對(duì)于北京市而言，最優(yōu)水價(jià)增長(zhǎng)率平均為3.03%，隨時(shí)間呈現(xiàn)波動(dòng)中的下降后緩慢回升。

表2 中水回用分析得出的最優(yōu)水價(jià)增長(zhǎng)率年份t清華大學(xué)北京市Tr(t)Sr(t)Pr(t)/%Tr(t)Sr(t)Pr(t)/%20000.790.212.500.540.463.1320010.800.202.470.550.453.1020020.810.192.450.560.443.0920030.820.182.420.570.433.0520040.830.172.410.570.433.0420050.840.162.380.580.423.0320060.850.152.360.590.413.0120070.860.142.340.590.413.0020080.860.142.320.590.413.0220090.870.132.300.590.413.0020100.880.122.280.590.412.9920110.880.122.270.600.402.9820120.890.112.260.590.413.0020130.890.112.240.590.413.0120140.900.102.230.590.413.0020150.910.092.210.580.423.04

3 　結(jié)語

　　對(duì)清華大學(xué)東區(qū)浴室中水回用的三種方案進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)分析表明，只要水價(jià)保持一定的增長(zhǎng)速度，中水用于沖廁或綠地澆灌均經(jīng)濟(jì)可行。
　　中水用于沖廁比用于澆灌綠地的經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。當(dāng)中水用于沖廁仍有剩余時(shí)可以考慮用于澆灌綠地，進(jìn)而可考慮用于生態(tài)、景觀用水。
　　在清華大學(xué)，如果所有的生活污水(衛(wèi)生間污水除外)都能回用，不但可滿足沖廁及澆灌綠地，且仍有1/2左右的中水剩余；對(duì)于北京市區(qū)，中水用于沖廁及澆灌綠地后仍可剩余1/3，可見中水回用前景廣闊。
　　對(duì)方案的經(jīng)濟(jì)分析和中水回用潛力的預(yù)測(cè)表明，水價(jià)對(duì)于中水回用的經(jīng)濟(jì)可行性起著決定性的作用，因此合理運(yùn)用水價(jià)這一經(jīng)濟(jì)杠桿是推動(dòng)中水回用項(xiàng)目發(fā)展、實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

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