[荷蘭] 勒斯布羅克

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促進(jìn)水與資源循環(huán)的城市資源利用法

[荷蘭] 勒斯布羅克

在未來幾十年，人類在獲得優(yōu)質(zhì)優(yōu)量的可利用水資源方面將面臨挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對如城市擴(kuò)展和氣候變化等帶來的挑戰(zhàn)，必須創(chuàng)新和改進(jìn)資源管理理念。近年來，開發(fā)和應(yīng)用了城市資源利用法(UHA)。UHA目標(biāo)是從不同的時空尺度模擬和定量分析城市的水循環(huán)。該方法還可量化城市采取節(jié)水措施和運(yùn)用新型水處理技術(shù)理念所發(fā)揮的作用。介紹了UHA及其在水循環(huán)中的應(yīng)用，以及擴(kuò)展應(yīng)用于能源循環(huán)的初步研究成果，并強(qiáng)調(diào)其在未來的資源評估方面將是一款極具發(fā)展?jié)摿Φ墓ぞ摺?/p>

資源循環(huán)；水資源管理；水能關(guān)聯(lián)；決策支持

1 概 述

資源高效利用是未來全球面臨的主要挑戰(zhàn)之一，尤其是在資源枯竭、生態(tài)系統(tǒng)被污染、人口不斷增長和城市規(guī)模不斷擴(kuò)大的地區(qū)。為生產(chǎn)和生活提供可靠而持續(xù)的優(yōu)質(zhì)優(yōu)量的水成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球城市人口密集區(qū)及其內(nèi)陸地區(qū)需要更多的飲用水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)和食品加工用水。曾有專家預(yù)測，若不采取措施，未來需求量會進(jìn)一步增長?，F(xiàn)在世界很多地區(qū)已面臨水荒問題，這限制和妨礙了當(dāng)?shù)氐娜粘Ｉ?。由此推測，對于營養(yǎng)鹽(如磷)、有機(jī)物、能源和食品等其他資源，未來需求也會面臨短缺問題。

為應(yīng)對即將到來的挑戰(zhàn)，必須創(chuàng)新和改進(jìn)資源管理理念。為緩解供水壓力，有效且可持續(xù)的城市水循環(huán)管理和集成的替代水源是至關(guān)重要的。呼吁要求增加當(dāng)?shù)氐淖越o自足量。為此必須做到：①通過最小化需求量，降低耗水量；②通過確定和使用替代水源，如鹽水、雨水和廢水,促進(jìn)人與自然供水壓力的減少及城市系統(tǒng)自供水量的增加，從而獲得高質(zhì)飲用水和其他低質(zhì)用水。同時也必須解決營養(yǎng)鹽、有機(jī)物和能源這些相關(guān)的資源流，以通過全球一體化措施解決資源短缺問題。

曾有專家提出，用來量化城市用水和水循環(huán)，以及評價人類活動對以上資源循環(huán)(如城市擴(kuò)展、新衛(wèi)生觀念)的有利和不利影響的最新發(fā)展和研究比較缺乏，或研究尺度有限；資源的動態(tài)變化過程和時空的多種尺度需要對資源進(jìn)行全面和進(jìn)一步的研究。由于現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜性(如資源間相互影響、能源依賴、溫水循環(huán))，當(dāng)前的研究技術(shù)經(jīng)常只關(guān)注一種資源，并以年均值和最優(yōu)方法為基礎(chǔ)，且時空分辨率低。與此相反，創(chuàng)新型水資源理念和技術(shù)經(jīng)常需要對水資源的時空變化進(jìn)行更詳細(xì)的評價，通過與當(dāng)前大范圍而集中式先進(jìn)方法進(jìn)行對比，可以真實(shí)地反應(yīng)其優(yōu)缺點(diǎn)。因此，對空間分辨率較高的水流動力的正確認(rèn)識至關(guān)重要。最近開展的項(xiàng)目一直關(guān)注這一問題。此外，這些理念必須擴(kuò)展/延伸至其他資源，如能源、營養(yǎng)鹽，因?yàn)樗鼈儽舜碎g是相通的。

近年來，A.維拉等人研究出城市資源利用法(UHA)。UHA從不同時空尺度(空間上可細(xì)化到住戶，時間上可短到分鐘)，對城市資源循環(huán)進(jìn)行了量化分析。其次，該法提供了結(jié)構(gòu)性框架，框架中每步目標(biāo)是封閉資源循環(huán)。最后，UHA提供了一種方案，可對所選擇的城市區(qū)域擬定的需求最小化措施、資源回收和再利用理念的影響進(jìn)行量化。2012年A.維拉等人指出，UHA研發(fā)期間的主要焦點(diǎn)是水循環(huán)，已證實(shí)UHA是一個強(qiáng)大的工具，它開發(fā)了城市和街道新理念，使得水需求量最小化，實(shí)現(xiàn)整體或局部自供水量?，F(xiàn)正將UHA擴(kuò)展用于能源循環(huán)。本文簡述了UHA概念，強(qiáng)調(diào)了城市水循環(huán)主要研究成果。此外，強(qiáng)調(diào)了UHA擴(kuò)展用于能源循環(huán)的最新研究成果，并對營養(yǎng)鹽循環(huán)中UHA的進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用進(jìn)行了討論。

2 材料和方法

當(dāng)初開發(fā)UHA只是用于水循環(huán)，但它也能應(yīng)用于其他的資源循環(huán)，如能源、營養(yǎng)鹽(N、P和K)或有機(jī)物(C)。綜合評價以上資源循環(huán)是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

UHA的研發(fā)基于4個步驟：①根據(jù)城市特征參數(shù)(如城市地形、需求方式)的調(diào)查情況，進(jìn)行基數(shù)評估；②通過實(shí)行資源節(jié)約措施，使資源需求最小化；③通過資源流的串聯(lián)、回收和恢復(fù)，達(dá)到資源再利用最大化；④通過捕捉和使用替代資源，進(jìn)行多源開發(fā)(見圖1(a))。

圖1 UHA法示意

2.1 基數(shù)評價

第1步,在基數(shù)評價時，對系統(tǒng)邊界內(nèi)所有的輸入量、產(chǎn)生量、輸出量進(jìn)行量化分析。此外，根據(jù)水資源用途，對水質(zhì)也進(jìn)行了分類。為了說明晝夜和季節(jié)模式，所有河流用較高的瞬時分辨率(短于1 min)進(jìn)行計(jì)算。精確分辨率將取決于資源流量的特征，由于用戶用水的動態(tài)特征，流量可能每分鐘都在變化。使用非常詳細(xì)的用水量資料，可以達(dá)到以上目標(biāo)。有學(xué)者提出，用荷蘭水行業(yè)使用的統(tǒng)計(jì)軟件包SIMDEUM，根據(jù)用戶最終用水模式，預(yù)測居民住宅樓內(nèi)短期(小于1 min)耗水量，以此推算家庭用水量。這一結(jié)果和其他新陳代謝研究(采用年均值)形成對照。目前研究致力于開發(fā)能源和營養(yǎng)鹽循環(huán)的類似工具。有專家指出，這些動態(tài)結(jié)論在技術(shù)評估和理念對比上優(yōu)勢明顯，但卻不可避免地增加了全面分析的復(fù)雜性?？臻g尺度取決于所選目標(biāo)和個案，可從住戶擴(kuò)大到整個城市。

2.2 最小需求量

第2步,為了減少對整體資源的需求量，采取技術(shù)性干預(yù)措施。本文對最小尺度的節(jié)水措施和可能擴(kuò)展到整體尺度的節(jié)水措施進(jìn)行了評估。根據(jù)所預(yù)測的節(jié)水量，劃分技術(shù)等級。

2.3 輸出最小化

第3步，目的是使UHA輸出最小化，為此采用了3種策略。

(1)資源串聯(lián)。直接再利用于低水質(zhì)方面的用途。

(2)資源回收。處理后重復(fù)利用。

(3)資源恢復(fù)。收集其他資源(或資源成份)。

2012年有專家提出，資源串聯(lián)和回收分別指無質(zhì)量升級和有質(zhì)量升級的需求,而資源恢復(fù)包括從主要資源流中去除其他有價值的產(chǎn)品(如從黑水中恢復(fù)營養(yǎng)鹽)。

2.4 多源開發(fā)

多源開發(fā)為根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y源潛力，開發(fā)多種資源供應(yīng)渠道。當(dāng)?shù)刭Y源供應(yīng)具有運(yùn)輸距離短的優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)?shù)鼐陀锌赡軐?shí)現(xiàn)自我補(bǔ)充，如濕氣凝水、雨水收集或光伏電池板發(fā)電等。

2.5 城市新陳代謝界面

為了評估和定量分析UHA策略，比較彼此間理念的不同，開發(fā)了城市新陳代謝(UM)界面。UM界面包括標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)。對于水循環(huán)，包括最小需水量、廢水量、自給自足量、輸出水量。下面列出了主要指標(biāo)的計(jì)算公式：

最小需水量指標(biāo)(DMI)=(基數(shù)-最小需水量)/基數(shù)

廢水量指標(biāo)(WOI)=-輸出的廢水量/最小需水量

自給自足量指標(biāo)(SSI)=(收獲的資源(Rh)-輸出的資源)/最小需水量

輸出水量指標(biāo)(RXI)=輸出的水量/最小需水量

圖1(b)為城市新陳代謝界面示意圖。

根據(jù)評估結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)/可視化的運(yùn)用，為了減輕水資源壓力，對人類干預(yù)(如努力減少用水或重復(fù)使用水量)或外部因素(如耗水量和人口的增加、氣溫及氣候變化等)的影響進(jìn)行定量分析。開發(fā)UHA以對可能的選擇和改善城市資源管理的方案進(jìn)行評估。城市決策者、技術(shù)專家、政府組織將UHA研究成果作為決策的技術(shù)支撐。

2.6 UHA在能量循環(huán)中的擴(kuò)展應(yīng)用

為了將UHA擴(kuò)展應(yīng)用于能量，對位于荷蘭瓦赫寧根(Wageningen)市的3類居民住宅的能源需求進(jìn)行了評估。這3類住宅代表了荷蘭人典型住房房型(獨(dú)立住宅、連排式住宅、走廊住宅)。與水循環(huán)相比，能量循環(huán)顯示出不同的特征，因此必須調(diào)整和擴(kuò)展水循環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)：

最小需求指標(biāo)(DMI)=(基數(shù)-最小需求量)/基數(shù)

能源恢復(fù)指標(biāo)(ERI)=-(恢復(fù)的能源+重復(fù)使用的能源)/最小需求量

熱能、電能、總能源的自給自足能源指標(biāo)(SSI):

SSI熱=熱能產(chǎn)量/熱能最小需求量

SSI電=電能產(chǎn)量/電能最小需求量

SSI總=總產(chǎn)能量/能量最小需求量

資源輸出指標(biāo)(RXI)=輸出的能源/能源最小需求量

通過與能源最小需求量進(jìn)行對比，ERI對能源恢復(fù)、串聯(lián)和重復(fù)使用的程度進(jìn)行了量化。對于家庭，這一指標(biāo)主要針對熱能(加熱和制冷)恢復(fù)措施，如從淋浴房和水龍頭進(jìn)行熱回收。SSI擴(kuò)展為熱能、電能和總能3個指標(biāo)。DMI 和RXI與水循環(huán)中指標(biāo)相對應(yīng)。

3 結(jié)果和討論

3.1 UHA水循環(huán)

2012～2013年有學(xué)者報(bào)道，已開發(fā)和測試了UHA水循環(huán)。為了說明節(jié)水措施、重復(fù)用水和循環(huán)用水小規(guī)模的影響，對位于瓦赫寧根市邊界、總表面積相同的2個住宅小區(qū)采用UHA進(jìn)行了分析，2個小區(qū)分別是人口密度較低的獨(dú)立式住宅和人口密度較高的平層公寓，分析時間為1 a。為了比較各種人類干預(yù)活動對水循環(huán)的影響，開發(fā)了4套方案。所有方案均包括針對淋浴房、衛(wèi)生間和洗衣的節(jié)水技術(shù)，所需水量為最小需水量。

方案1還包括灰水從沐浴房到污水池的循環(huán)。方案2包括屋頂雨水收集。方案1和方案2收集的水用于沖廁或灌溉這樣的低水質(zhì)用途。方案3結(jié)合了方案1和方案2，而方案4則對方案3進(jìn)行了擴(kuò)展，用綠色屋頂蓄水，以減少徑流量。研究結(jié)果顯示，最小需水量平均節(jié)約了23%～25%，這取決于房屋面積。在與基數(shù)進(jìn)行對比時，方案4表現(xiàn)出自供水量提高最大。

此外，方案2顯示出在水量收集和廢水量輸出方面改進(jìn)最小。圖2顯示了城市新陳代謝界面，用以說明基數(shù)和4套方案。對單個時間步長為5 min、歷時為1 a的代表值進(jìn)行了匯總。此外，模型包括蓄水池和臨時存貯設(shè)施的計(jì)算模塊(如雨水或處理過的灰水)，在使用較短時間步長進(jìn)行計(jì)算時，需要定量分析以上措施造成的影響，2013年有學(xué)者對這一評估進(jìn)行了詳細(xì)描述。

圖2 用于說明基數(shù)和4套方案的城市兩個街區(qū)每年的水資源新陳代謝界面(用數(shù)字和“星”圖形表示)

為了展示城市尺度不同最小需求步驟、重復(fù)利用及循環(huán)選擇的影響，描述了整個瓦赫寧根市的水循環(huán)。針對方案4,除了系統(tǒng)能收集地表徑流之外，還應(yīng)用了街區(qū)尺度技術(shù)。圖3對基本水循環(huán)和改善方案進(jìn)行了對比。如圖3所示，如果對整個城市實(shí)施所提議的措施，則應(yīng)用UHA可使需水量下降14%。此外，研究系統(tǒng)廢水輸出總量下降到60%以上(見表1)，在能促進(jìn)廢水處理和資源恢復(fù)過程的人口密度區(qū)，將能重新獲得這些水量。此外，可輸出優(yōu)質(zhì)水量，如補(bǔ)給地下水，在假定的邊界條件下，系統(tǒng)內(nèi)部分水量可回收利用。

圖3 采用UHA評估瓦赫寧恩市水量年平衡示意

采用集中型和分散型節(jié)水措施后的指標(biāo)值：

DMI 14%

SSI 34%

WOI 69%

RXI 37%

UHA研究成果表明，對不同空間尺度的不同技術(shù)進(jìn)行整合選擇，可明顯改善城市水循環(huán)。本文提出了住宅、街區(qū)和整個城市層面的技術(shù)干預(yù)結(jié)果。

全面優(yōu)化水循環(huán)(SSI=1，WOI=0)在技術(shù)上是可行的。例如可采用先進(jìn)的膜過濾技術(shù)處理廢水，生產(chǎn)飲用水，或直接用廢水灌溉和用于低水質(zhì)用途。這類技術(shù)的效能和利益可通過采用UHA得到體現(xiàn)，且可用作決策的技術(shù)支撐。然而，采用這些措施需要其他資源，如廢水處理和抽運(yùn)排放需要電能。這需要UHA其他標(biāo)準(zhǔn)中的研究和運(yùn)行成本，并需要整合能源需求。

3.2 UHA能量循環(huán)

為了驗(yàn)證UHA擴(kuò)展應(yīng)用于能源循環(huán)的可行性，對以下5套方案進(jìn)行了評估和對比。

(1) 方案1。最小需求量。

(2) 方案2。最小需求量，沐浴房熱能回收。

(3) 方案3。最小需求量，灰水熱回收(沐浴房和水槽)和由不同廢水產(chǎn)生的沼氣產(chǎn)品(黑水和餐廚垃圾)。

(4) 方案4。最小需求量，灰水熱回收和由不同廢水產(chǎn)生的沼氣產(chǎn)品，PV板供電。

(5) 方案5。最小需求量，灰水熱回收和由不同廢水產(chǎn)生的沼氣產(chǎn)品，PV板供電，電池蓄電。

將每一套方案應(yīng)用于現(xiàn)有的3類居民住宅(走廊式住宅、連排式住宅、獨(dú)立住宅)。從地籍部門獲得房屋相關(guān)信息，假定人口92人。每套方案均輸入當(dāng)?shù)貧夂蛸Y料，用水模式由SIMDEUM導(dǎo)入，能源消費(fèi)模式為荷蘭標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)這些信息，得到住宅以5 min為時間分辨率的歷時1 a的基本需求型式。方案1中采納了需求最小化措施(如建筑物表面隔熱、家電和照明燈具的效率提高、熱水器降低能耗)。方案2另外包括洗澡水的熱回收。方案3包括洗澡水和水漕的熱回收，收集黑水和餐廚垃圾各自厭氧硝化產(chǎn)生的沼氣，假定沼氣產(chǎn)量為0.83 L/h/P。方案4包括PV板供電，效率假定為20%，內(nèi)部損失為5%。屋頂總面積假定為1 700 m2(其中1 100 m2為平面，600 m2為坡度39°)，所有屋頂朝南。方案5另外增加鋰電池蓄電，假定容量為1 000 MJ，總效率為90%。認(rèn)為PV板所有多余產(chǎn)電都蓄在鋰電池內(nèi)，直到蓄滿為止。如果需電量超過了供電量，在外部電能輸入之前，先使用電池內(nèi)的電。

圖4為方案3(a)和方案5(b)在各季節(jié)平均1 d歷時下的SSI變化情況。由圖可見，各季節(jié)SSI存在明顯差異，其中夏季最高，冬季最低。對于方案3，主要原因在于能源需求總體較低，尤其是夏季的熱量需求。對于方案5，夏季PV板和鋰電池蓄電對能源需求影響較大。在技術(shù)措施(如PV板和電池蓄電)應(yīng)用前后，通過季節(jié)間的比較，可以確定1 a當(dāng)中需要外部能源供應(yīng)的時段。對于方案5，由于白天有太陽照射，這些情況只發(fā)生在夜間和早晨。根據(jù)以上研究成果，調(diào)查附加選項(xiàng)，增加這一時段內(nèi)的自給自足量(如風(fēng)能或加熱泵)。

圖4 各季平均1 d歷時下的自給自足模式示意

圖5以雷達(dá)圖形式，對比了各套方案的研究成果。借助于被推廣的UHA的可視化形式和應(yīng)用，可便于對不同方案和相關(guān)技術(shù)進(jìn)行比較和評估。例如，通過與方案4較低的SSI電的比較，方案5中額外的存儲設(shè)備對SSI電的影響一目了解。

圖5 針對3類居民住宅的能源需求的評估成果示意

3.3 未來研究

UHA水循環(huán)早已得到開發(fā)和測試。本文介紹了UHA應(yīng)用于能源循環(huán)的初步研究成果。然而，這一工作還沒有完成。2011年有學(xué)者建議，應(yīng)對廢水熱能恢復(fù)開展進(jìn)一步評估。2013年有學(xué)者提出，應(yīng)擴(kuò)大供水和水處理技術(shù)中的內(nèi)部能源需求。

未來將會致力于將UHA推廣應(yīng)用于營養(yǎng)鹽(N和P)和有機(jī)物(C)循環(huán)的研究，因?yàn)閺U水中含有諸如水、營養(yǎng)鹽、有機(jī)物和能源的資源。這可能發(fā)生在一個資源流中，或者是資源流的聯(lián)合評估(如營養(yǎng)鹽、碳和能源)。2011年有專家指出，后者需要給出一幅清晰的效益和成果圖，因?yàn)橘Y源循環(huán)相互聯(lián)系和影響。為了提高UHA的適用性(如能源說明)，有必要擴(kuò)展使用的指標(biāo)集，如WOI用于營養(yǎng)鹽的說明，或是擴(kuò)展SSI，包括產(chǎn)能或其他資源恢復(fù)和回收需要的能源數(shù)量。

到目前為止，研究中使用最短時間尺度(5 min)下的需求量和供應(yīng)量資料，可以評估蓄電量對自給自足量的影響。雖然在與其他研究進(jìn)行對比時，這意味著較大的改進(jìn)，但較長的時間步長可減少計(jì)算負(fù)荷量，且仍能得到同樣的準(zhǔn)確度。評估這類模型最合適的時間步長，正是目前需要研究的內(nèi)容。

如上所述，為加強(qiáng)不斷增加的可持續(xù)性資源管理，將UHA推廣用于開發(fā)高效的資源管理循環(huán)，為決策提供技術(shù)支撐。也可使用UHA評估現(xiàn)有的理念和技術(shù)以及更多的資源(如新的公共衛(wèi)生)。

4 結(jié) 語

迫切需要可用來開發(fā)和比較經(jīng)改進(jìn)的資源管理理念的工具和方法，包括動態(tài)的資源需求和供給。為了描述城市水循環(huán)和人類干預(yù)的影響，開發(fā)了城市資源利用法。UHA已成功應(yīng)用于定量分析節(jié)水措施、資源回收利用和重復(fù)使用方案，以及居民住宅樓內(nèi)的能源循環(huán)。研究結(jié)果顯示，借助于UHA，采取這些措施可使城市范圍內(nèi)飲用水需求量額外減少13%，廢水量下降60%以上，瓦赫寧根市居民住宅的能源需求中自給自足量可達(dá)到36%。此外，通過改進(jìn)的可視化和擴(kuò)展指標(biāo)，UHA可用來比較技術(shù)概念。仍然有必要將UHA推廣運(yùn)用于對整個城市的能源、營養(yǎng)鹽和碳資源循環(huán)的評估?，F(xiàn)有研究成果表明，在對資源進(jìn)行充分評估方面，UHA是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ墓ぞ摺?/p>

邱訓(xùn)平 譯

(編輯：朱曉紅)

盧 路 方麗杰 譯

(編輯：唐湘茜)

2016-07-15

1006-0081(2016)10-0009-05

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