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1.2 层次模型与指标权重
排水系统分布-集中决策模型的指标权重确定步骤为:①行业内5位专家及5位工程师,按照9标度法对指标体系逐层比较;②构建判断矩阵,进行一致性检验。若一致性检验不通过,则与受访者进一步沟通;③以专家给出的权重均值作为评价指标权重。结果显示,准则层中资源效益所占权重最高,这与如今国家大力推行资源化的发展方向一致。技术经济先进性在本模型中同样重要,权重占比第二。污水处理厂的建设应适度集中,过于分散会增加污水处理厂建设和运维成本,降低方案技术经济性,而过于集中则会导致管网长度和成本增加,同样会影响技术经济性。环境效益和社会效益在本模型中重要程度基本相当,弥补了现有评价模型的不足。各评价指标中,能量平衡率、再生水利用率、土地释放程度对评价结果的影响最大,且这三项指标均属于资源效益准则层。可以看出,不同分散程度的方案在能量、再生水及土地等资源利用上所产生的效益是衡量方案好坏的重要考量。
1.3 评价指标标准化
C1~C5采用离差标准化法对数据进行标准化处理[见式(1)]。该方法需要确定评价指标中的最大值(Cmax)和最小值(Cmin),否则每次评价时若最大值和最小值变化,就需要重新定义标准化函数,无法做到横向统一对比不同方案。
式中 Ci——待标准化的样本数据;
Cmax——对应评价指标最大值;
Cmin——对应评价指标最小值。
确定性指标对应的标准化函数见表3,数据范围确定方法如下:
(1)污水处理厂单位建设成本(C1):参考《建标[2001]77号 城市污水处理工程项目建设标准》及相关文献,以吨水投资2 000元/(m³·d)为最小值。采用大数据技术、结合公开发表的相关文献,调研国内103座已运行的地下厂,选取出水标准高于一级A、箱体及设备均一次建成的地下厂作为成本分析对象,有效数据样本共计28座。图1显示规模效应在地下厂领域仍在存在,其单位建设成本与处理规模的关系以式(2)表示。计算处理规模为1万m³/d时的单位建设成本,取整后作为标准化函数的最大值,即16 000元/(m³·d)。
式中 P——地下厂单位建设成本,元/(m³·d);
Q——为处理规模,万m³/d。
表3 评价指标数据范围与标准化函数
(2)单位污水收集管网长度(C2):以《中国城市建设统计年鉴(2019)》中各省市建成区排水管道长度和污水处理能力为基础,计算全国680座城市单位污水收集管网长度,其最小值和均值分别为0.17 m/(m³·d)、3.54 m/(m³·d)。考虑标准化函数的可用性,取3.55 m/(万m³·年)作为本评价指标最大值,取0.15m/(万m³·年)为最小值。
(3)单位再生水回用管网长度(C3):以《中国城市建设统计年鉴(2019)》中各省市再生水管道长度和全年再生水利用量为基础,计算全国680座城市的单位再生水回用管网长度,其最小值、均值分别为0、10.46 m/(万m³·年)。考虑标准化函数的可用性,取10 m/(万m³·年)作为本评价指标最大值,取0为最小值。
(4)污水处理厂单位污染物去除能耗(C4):至2018年我国一级A及以上污水处理厂单位COD能耗范围为0.6~5.2 kW·h/kg COD,该数据基于住房和城乡建设部“全国城镇污水处理厂信息管理系统”(2018年)中4 300多座污水处理厂实际运行数据统计得出,具备可靠性。同时,考虑数据时效性、水处理技术发展速度和标准化函数的可用性,该项评价指标的最小值、最大值分别确定为0.5 kW·h/kg COD、5.0 kW·h/kg COD。
(5)污水处理厂单位用地面积(C5):以《建标[2001]77号 城市污水处理工程项目建设标准》中规定的城镇污水处理厂单位用地面积1.6 m²/(m³·d)为最大值。以103座调研的已运行地下厂为基础,结合地理信息系统、文献调研等方法获取地下厂的箱体占地面积,有效数据样本共计61座,其最小值、最大值和全国均值分别为0.15 m²/(m³·d)、0.83 m²/(m³·d)、0.33 m²/(m³·d)。考虑标准化函数的可用性,取0.15 m²/(m³·d)作为本评价指标最小值。
(6)C7~C9、C11、C12的数据范围为0~100%。C13、C15分别构建与水资源利用种类的数量、公共服务供给种类的数量相关标准化函数。
其余指标采用5级划分法进行评分,评价标准见表4。
1.4 决策指数H的计算方法
利用式(15)计算各方案的最终得分,以分布-集中决策指数H表示,并用于评价不同分布程度的排水系统方案,决策指数越高,表明方案越优。
2 应用案例
2.1 南明河概况
南明河是贵阳市的母亲河,其干流及5条支流全长118 km,流域内服务人口350万人,服务面积6 600km²,是长江与珠江上游的重要生态屏障。2013年前,南明河流域水质恶化、污染严重,中心城区段水质长期处于劣Ⅴ类,主要原因包括:①收集与处理设施跟不上城市高速发展,现状污水处理厂仅5座,处理能力67万m³/d,远期缺口超100万m³/d;②贵阳市为典型喀斯特地貌,且南明河流域主城区人口密度高(7 100~8 100人/km²),污水收集难、输送难;③南明河为季节性缺水河流,城市发展占用水资源,使生态基流持续下降,河道自净能力降低。针对上述问题,南明河流域水环境综合治理项目自2012年开始实施,至今已持续近9年。
2.2 决策模型应用与结果讨论
在南明河流域综合治理之初提出了传统集中式建设模式和分布式厂网建设模式两种方案。图2为按照原规划思路编制的排水系统集中式方案,新建3座地上式污水处理厂(处理规模62.5万m³/d),扩建4座地上式污水处理厂(处理规模53.5万m³/d)。图3为以“下沉式再生水厂”为核心,结合“适度集中、就地处理、就近回用”原则提出的分布式厂网建设模式,沿南明河干支流新建改扩建再生水厂23座,新增处理规模116万m³/d。其中,下沉式污水处理厂17座(处理规模67.5万m³/d),地上污水处理厂6座(处理规模48.5万m³/d)。
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