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作者：王國友 譚靈芝 單位：重慶工商大學
隨著水資源的日益緊缺，國內外許多城市和研究者對于水資源節約利用以及對社會經濟系統影響的研究和實踐逐漸開展起來。Beekman［1］從節水減污的角度系統論述了水體保護、節水利用的基本原理。Lund［2］對節水的成本與風險交易以及對產業結構、社會經濟發展的影響進行了分析。美國哥倫比亞大學的Glenn［3］建立了國家層面水資源循環體系和水實物量核算投入產出表，并運用于南部非洲國家（如納米比亞）的水資源核算，進而分析水資源對各部門經濟的影響，并提出相應的產業發展政策。馬忠玉、蔣洪強等［4］就建設我國節水防污型社會的內容與原則進行了論述；高明杰等［5］利用區域節水高效種植結構調整的多目標模糊優化模型，闡釋了節水效益對提高農作物產量的效果及意義；柴宏祥等［6］構建了適合我國西部地區綠色建筑節水項目全生命周期過程綜合效益模型。在實踐方面，世界上最大的水資源節約循環利用項目出現在水資源緊缺的國家和地區，例如中東、澳大利亞、美國西南部；或出現在那些對廢水和水污染物處理非常嚴格的地方，如美國的佛羅里達、法國和意大利的沿海及內陸地區。雖然我國城市水系統現狀與達成水資源節約利用還有很大差距，但是面對我國水資源、水環境的嚴峻形勢，水危機已經受到國人越來越多的關注，并引起了政府部門的高度重視。大連、深圳、北京和天津等城市相繼進行了較為系統的水資源節約利用和水環境恢復的研究和實踐，是我國城市節水經濟模式的初步應用。近年來，在水系統中增加再生水回用或其他非傳統水資源（如雨水、海水、微咸水）利用的子系統，以提高水資源的循環利用效率得到廣泛關注。本研究將著重對再生水回用模式進行理論分析，找出發展再生水循環模式的主要途徑。以重慶市為例，通過分析再生水利用模式，因地制宜地選擇和發展再生水經濟模式。采取積極的節水政策措施，以農業節水支持工業化和城市化建設，工業反哺農業，大力節約用水和提高水資源利用率，有利于解決重慶市水資源供需矛盾和水環境惡化的根本問題，從而實現經濟增長方式的根本轉變和經濟、社會、環境的協調發展。重慶市再生水利用模式對沿江地區多個大中城市在生活用水可持續供應、節水以及水循環經濟等方面也具有重要的示范作用。
1研究區概況
重慶市介于105°17′—110°11′E，28°10′—32°13′N之間，位于青藏高原與長江中下游平原的過渡地帶，氣候屬亞熱帶季風性濕潤氣候。重慶市東西長約470km，南北寬約450km，面積為8．24×104km2，共轄40個區縣。在轄區內，北有大巴山，東有巫山，東南有武陵山，南有大婁山，地形由南北向長江河谷傾斜，山地、丘陵面積約占90％，高差達2000m以上。重慶市地處長江上游，水資源相對豐富。與水資源豐富并存的另一種情況是水資源開發利用水平低，利用率不高，水污染嚴重。據統計，農業用水占70％，高于全國平均水平；而工業用水占30％，低于全國平均水平，用水行業結構不盡合理。農業地區水利設施缺乏；工業主要以用水量較高的汽車、化工等重化工業為主，污水處理能力有限，水污染嚴重；重慶市水資源利用效率整體不高，優水差用、中水不用等水資源浪費現象長期存在?？梢灶A期，今后重慶市的城市用水量必定會有一個大的提高，其水污染狀況對長江中下游的影響越來越大，水資源供求矛盾會越來越突出。
2再生水回用模式分析
城市再生水回用是將污水進行凈化處理后，進行直接或間接的回用，使之成為城市水資源的一個重要組成部分。城市污水再生回用一方面可以作為一種水源，緩解城市對新鮮水的需求；另一方面也減少了排向城市自然水體的污染物量，為城市水環境的改善提供了一個契機。因此，污水資源化及再生水回用應是我國新時期城市水循環經濟發展的著眼點，必須加速我國污水管理模式的轉變，大力提升污水處理技術和提高污水資源化的應用水平。
2．1我國污水再生回用現狀及潛力
我國對于城市污水處理和回用的研究，早在1958年就開始列入國家科研課題，20世紀60年代關于污水灌溉研究達到了一定水平。20世紀70年代中期進行了城市污水以回用為目的的污水濃度試驗，20世紀80年代初，在北京、大連、西安等缺水城市相繼開展了污水回用于工業和民用的試驗與研究，還修建了中水回用試點工程并取得了積極成果。例如，北京市高碑店污水處理廠利用處理后的城市污水用于電廠冷卻水，北京市環保所和北京市政設計院先后在大院內和住宅小區內開展了中水回用試點工程，起到了良好的示范和推廣作用［7］。在我國污水再生回用的發展過程中，還存在許多問題：（1）盡管已認識到污水資源化的作用，但在實踐上還沒有將其擺在重要位置上；（2）污水處理率和處理水平很低，與歐美各國的80％～90％的處理率存在很大差距；（3）資金缺乏。污水處理回用需要很大的資金，在運轉上也需要很大的投入，由于系列配套設施不全，污水處理水平深度不夠；（4）缺乏完善的再生水市場，盡管水價不斷地進行調整，但再生水的價格還沒有競爭力，建立科學合理的再生水價體系是非常必要的；（5）再生水回用的產業政策和法規制度還不健全，鼓勵污水處理和回用的稅收、財政政策不健全，對污水回用的安全評估制度沒有建立起來。目前我國有400多個城市缺水，正常年份缺水達6．00×109m3，預計2030年缺水量將達到4．00×1010m3～5．00×1010m3。而目前全國城市污水年排放量大約為4．14×1010m3，城市污水處理率和二級處理率分別僅為30％和15％，污水回用率則更低。根據國家“十一五”環境保護規劃的要求，到2010年我國城市污水集中處理率要達到60％以上，如果污水回用率平均達到20％，則“十一五”末期污水回用量至少可達到3．50×1010m3／a，這可解決全國城市缺水量的1／2以上。由此可見，我國污水再生回用的潛力巨大。
2．2再生水回用改變水循環的經濟分析
在傳統城市水循環系統中，加入再生水回用系統，必將對整個水循環系統的污染物和處理費用產生影響，為了說明再生水回用對整個水循環的意義，有必要對增加再生水回用后的水循環模式進行環境經濟分析［8］。城市污水再生回用系統的構成如圖1所示。#p#分頁標題#e#
2．2．1參數設置
在傳統水循環模式中（圖1a），設用水系統排入排水系統的水污染物為W1，排水系統排入水源系統的水污染物為W2，供水系統從水源系統取水量所含水污染物為W3，供水系統對用水系統的供水量中所含水污染物為W4。在加入再生水回用的水循環模式中（圖1b），設用水系統排入排水系統的水污染物為W1′，排水系統排入水源系統的水污染物為W5，排水系統進入再生水處理系統的水污染物為W6，再生水處理系統進入用水系統的水污染物為W7，供水系統從水源系統取水量中所含水污染物為W3′，供水系統對用水系統的用水量中所含污染物為W4。設排水系統排放污水通過水源系統的水體稀釋和自然凈化后，污染物得到削減，其凈化稀釋系數為ε；用水系統、再生水處理系統和排水系統處理水量分別為Q上，Q中，QS下；用水系統、再生水處理系統和排水系統處理后污染物濃度分別為q上，q中，q下。假設整個水循環系統沒有水資源損耗，則在圖1a和圖1b中，各參數之間的對應關系為：W3＝εW2，W4＋W7＝W1′，W5＋W6＝W2，W3′＝εW5
2．2．2費用效益函數
費用函數是描述環境污染治理費用與某種或幾種變量之間關系的數學表達式，國外對費用函數的研究開展較早，美國國家環境保護局織（EPA）早在1976年就在該國范圍內開展了水污染控制和管理方面的調研，取得了大量可靠的基礎數據，提出了6大類56種污水和污泥處理工藝的費用函數。在我國，由于對費用函數的研究比較晚，缺乏統一的計算標準，沒有充分考慮地區和時間的價差影響，各參數不盡統一，費用函數的可比性差，應用的適用性差。這里，只能借助一些研究成果進行分析。（1）供水系統費用函數。通過查閱相關資料發現，供水系統費用函數型式較多，美國建立了較為復雜的費用函數模型，國內一些學者也提出許多常用模型，認為費用函數與供水量、供水管網和污染物去除量均有關，這里以一元線性函數模型進行研究［9］。C上＝f（Q上，L）＋θ（Wλ－W出）（1）式中：C上———供水系統投資和運行費用（萬元／a）；L———管網長度；θ———待定系數，可取值為6．02×10－3。（2）再生水系統費用函數。本研究再生水系統費用函數參考國內外常用工藝，選擇污水二級處理加深度處理的工藝流程，其中深度處理采用混凝沉淀、過濾、消毒，該這種情況下費用函數表示為［10］：C中＝αQβ中（2）式中：C中———再生水處理廠投資與運行費用（萬元／a）；α，β———待定系數，根據國內外已有的工程技術經濟函數，α取15．37，β取0．83。（3）排水系統費用函數。排水系統處理費用函數按照城市污水二級處理廠進行費用函數擬合，其費用函數與污水處理量和主要污染物的去除率有關［11］。C下＝k1Qk2下＋k3Qk2下ηk4（3）式中：C下———排水系統污水處理廠投資和運行費用（萬元／a）；k1，k2，k3，k4———待定系數，可由實際調查確定或經過系列設計計算得到費用矩陣后采用最優化方法仿真確定，有關資料通過費用擬合，得出其取值分別為9，0．657，22，1．7；η———水污染物去除率（一般指COD去除率）。（4）污染損失費用函數。城市水循環系統除了要計算處理污水實際支出的費用外，還應計算污水排放所造成的污染損失。水污染損失是水資源所具有的價值由于被污染而降低或喪失所造成的經濟損失。計算水污染損失有兩種方法：一種是虛擬治理成本法（又叫恢復費用法），一種是污染損失評估法。本研究采用虛擬治理成本法，則水污染損失的計算模型為［12］：F＝R（W入－W允）（4）式中：F———污水排放所造成的經濟損失；R———單位廢水治理所花費的成本；W入———城市水污染物排入水源系統中的量；W允———水源系統允許的污染物排放量（環境容量）。（5）經濟效益函數。污水再生最重要的經濟效益在于減少為滿足用水要求而必須從水源系統中取水的數量，增加城市供水量而帶來的經濟效益，其效益應為再生水量W7的函數，用公式表示為［13－14］：B1＝μW7（5）式中：B1———因污水再生回用而減少取水量帶來的經濟效益（萬元／a）；μ———缺水量所影響的經濟產值系數（或供水的單位價格）。在無法準確估量公共物品經濟效益時，應按照水資源影子價格進行計算，根據聯合國開發計劃署、世界銀行近幾年進行的技術援助項目研究成果，我國每1m3水的影子價格平均為3～4元，缺水地區每1m3影子價格超過5元。
2．2．3環境經濟分析
從以上分析中可以看出，在城市傳統水循環系統中加入再生水回用這一環節后，整個水循環系統排放的污染物和處理費用都發生了相應的變化，其變化量詳見表1。從表1可以看出，加入再生水回用這一環節后，排水系統處理污染物增加，供水系統處理污染物減少，排入水源系統的污染物減少，與之對應的費用也相應增減。傳統水循環模式與新的水循環模式各項費用之差即為增加再生水回用的環境凈效益，則整個水循環系統再生水回用產生的環境經濟凈效益為：B＝θεW6＋R（W2－W6）＋k3Qk2下（ηk41－ηk42）－αQβ中＋μW7（6）對于缺水城市，供水量Q上有限；在污水處理量Q下和工藝一定的情況下，W2，W4也一定，W5和W7只與污水再生量Q中有關。顯然，根據不同地區、水域等外界條件確定公式中的參數后，目標函數僅與污水再生量Q中有關。對此函數求導，即可得到使用單位回用水的邊際凈效益。對于缺水地區，按照規劃要求應使用再生水而未使用的用戶，該值即為該用戶對水循環系統造成的環境經濟損失。因此，對用戶超過規定用水量后仍使用優質水情況，有關管理部門應對超標用水量按照此邊際凈效益值處以相應的罰款，以激勵用戶使用再生水。
3重慶市再生水回用模式環境經濟分析
城市污水的利用不但解決了環境污染的后患，而且為城市水資源的供給提供了新的來源。尤其對于逐漸從農業向第三產業發展的城市，廢污水是不可多得的寶貴資源，通過污水處理可以將這部分水量用于農業灌溉、城市綠化、景觀水道用水，同時還可以使地下水資源得到補給。由于目前對費用效益函數的分析還處于探索階段，加之重慶市的再生水回用工程還不完善，只能在假設的基礎上，對再生水回用改變水循環的環境經濟效益進行粗略分析。#p#分頁標題#e#
目前，重慶市已投入運行的兩個污水處理廠污水處理能力為1．50×105m3／d，第一中水廠生產中水7．50×104m3／d，根據3，4和5污水處理廠的設計能力總計為2．50×105m3，合計處理污水4．00×105m3，按照2004年中水處理率的75％計算，2005年第一、二中水廠全面投入使用，日生產中水1．00×105m3／d，2010年處理率提高到80％。如果5個中水廠全部投入使用，那么每天可生產中水3．20×105m3。這部分水資源可以用于生活雜用水、景觀用水、農田灌溉用水、工業冷卻用水、建筑用水等。在現在污水處理能力和生產中水能力的基礎上，重慶市2011年第一、二污水處理廠生產中水能力為1．00×105m3／d，預計2012年5個污水處理廠生產中水能力將提高到3．00×105m3／d。假定固定資產投資折舊期限為10a，則其帶來的環境經濟凈效益計算步驟為：（1）首先，確定費用函數系數。重慶市費用函數系數具體取值為：ε＝0．25，θ＝6．02×10－3，Q下＝3．00×108m3／a，Q中＝3．00×107m3／a，q上＝0．29kg／m3，q中＝0．05kg／m3，q下＝0．05kg／m3，μ＝2元／m3，R＝2．5元／m3，K2＝0．657，K3＝22，K4＝1．7，α＝15．37，β＝0．83。（2）根據再生水計算公式和費用系數具體取值計算可得：W6＝q下Q中＝1563t／a；W2＝q下•Q下＝15630t／a；W7＝q中Q中＝1500t／a；W1＝q上•Q下＝87000t／a；W5＝W2－W6＝14067t／a；η1＝1－W2W1＝0．821；η2＝1－W5＋W6W1＋W7＝0．834（3）最后根據公式計算污水處理回用工程的環境經濟效益：C＝1．51×10－3W6＋2．5（W2－W5）＋2Q中－15．37Q0．83中／10＋22Q0下．657（η1．71－η1．72）＝8362．46萬元／a計算結果表明，該污水處理回用工程對于整個環境經濟系統而言，每年可以產生8362．46萬元的凈效益，可見城市污水回用具有重要的環境經濟意義。其中再生水價格的上限應是自來水價格，按國外通行慣例，再生水價格一般為自來水價格的50％～70％。根據重慶市自來水水價和課題組實地調查，重慶市生活用水綜合影子價格為3．38元／m3。因此，理論上可確定重慶市再生水價格為1．7～2．3元／m3，再生水平均價格2．0元／m3。2009年重慶市再生水回用量共為2．10×105m3，則再生水的價值為42萬元，占同期國內生產總值的0．003％。由此可見，重慶市目前對污水再生利用還不夠重視，再生水回用量極低，再生水價值還很小。因此重慶市政府應加大投資力度，采取鼓勵性措施加快城市污水回用工程的建設進程，同時，制定合理的回用水價格，以促進回用水的推廣使用，緩解重慶市日益嚴峻的水資源短缺形勢，實現水資源的良性循環。
4結論
設計了城市再生水回用系統，運用費用效益法，對再生水回用改變水循環的環境經濟效益進行了研究與分析。并對重慶市2009年城市再生水回用模式進行了模擬評估，提出了重慶市清潔生產和再生水利用的選擇建議。再生水可在一定程度上緩解城市供水的壓力，但再生水也存在利用范圍狹窄，前期投資過高，潛在增加居民和企業供水成本壓力的可能性，短期內難以見到效益，所以需政府加大投資力度，并逐漸加大再生水的利用范圍和強度。適時提供鼓勵措施，促使更多企業進行再生水的投資和利用。建議：（1）為節約利用地下水，提高水資源的利用效率和效益，重慶市應加強工農業清潔生產，特別是工業生產模式；應加大產業結構調整，特別是農業種植業結構的調整和工業高耗水行業的結構調整，努力提高造紙、紡織、化工、食品制造業等行業的清潔生產水平；（2）加大對再生水回用工程的投資力度，制定合理的再生水價格，擴大再生水回用量；（3）為節約利用地下水，提高水資源的利用效率和效益，重慶市市應實行農業用水向工業用水和城市生活用水的水權轉換；（4）加大節水宣傳教育，加強生活節水器具的推廣應用。