中水回用的經(jīng)濟與中水利用潛力分析

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簡介： 對清華大學東區(qū)浴室中水回用三種方案的經(jīng)濟性進行了比較，結果表明中水直接用于宿舍沖廁比用于綠地澆灌更為經(jīng)濟合理，并揭示了當前水價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。在此基礎上進一步對中水回用在清華大學及北京市區(qū)推廣的潛力以及對水價的影響進行了定量分析。?
關鍵字：中水回用 經(jīng)濟性 水價 利用潛力

1 　中水回用項目的經(jīng)濟分析

　　清華大學占地2.64km²，服務人口為4.8萬余人，1999年用水量為670×10⁴m³/a。學校為節(jié)省水費支出、緩解北京市用水危機，擬于東區(qū)浴室建一個中水回用的示范工程，原水為淋浴水，產(chǎn)水量為200m³/d,采用膜生物反應器一體化工藝。
　　中水回用的經(jīng)濟性在很大程度上受到水價的影響，水價越高，項目的收益越大。北京市現(xiàn)行居民生活自來水價為1.3元/m³，居民污水處理費為0.3元/m³，近期將調整居民生活自來水價格為1.57元/m³(調價幅度為21%)，居民污水處理費為1.03元/m³(調價幅度為243%)，即到戶價格為2.6元/m³(上漲62.5%),該價位已經(jīng)接近或略高于成本，遠期調整的幅度將減緩?，F(xiàn)假定2002年—2016年水價年增長率的三種可能為5%，8%和10%。?
　　中水就近回用的三種方案為：①用于學生宿舍廁所沖洗；②冬季3個月用于沖洗廁所，其余9個月澆灌綠地；③中水用于綠地澆灌，即冬季3個月的中水排放，其余9個月澆灌綠地。采用費用效益分析方法對三種方案的經(jīng)濟性進行比較[1]，其計算公式為[2]：
?　　　　　　　NPV=PVB-PVC?　　　　(1)?
　　式中 ?PVC——中水回用項目的總費用現(xiàn)值，

　　PVB——中水回用項目的總效益的現(xiàn)值，

　　NPV——中水回用項目的凈效益現(xiàn)值?
?　Ct——第t年的費用,包括建設費用、運行費用
?　Bt——第t年的效益，包括節(jié)省了新鮮水費、污水處理費用等
?　r——貼現(xiàn)率(以長期國庫券利息為貼現(xiàn)率)
　　t——時間，a
　　計算結果見表1，可見方案①的投資回收期最短、NPV最高、需要的最小水價增幅最小， 因此直接沖廁方案是最經(jīng)濟的。

表1 三種回用方案的投資回收期、NPV和最小水價增幅水價增長率(%)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最小水價增幅1.984.487.75注： 最小水價增幅指的是，假設第15年末NPV值為零，第16年末為正值時應該規(guī)劃的水價年均增長率。

2 中水回用的潛力分析

　　通過計量經(jīng)濟學回歸與預測，并結合不確定性分析方法，定量給出清華大學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
　　① 中水來源分析?
　　中水來源主要集中在生活污水方面。假設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1994年—1999年數(shù)據(jù)，將確定在0.35～0.43之間。?
　　關于總用水量，根據(jù)1990年—2000年總用水量的歷史數(shù)據(jù)(并刪去奇異點)，利用二次曲線進行擬合，基本模型為：?
　　?Z(t)=a+bt+ct?2?　　(3)?
　　　式中 ?t——時間，a?
?　　　　 　a、b、c——系數(shù)?
　　回歸結果：? ?Z(t)=446.089 8+ 7.9621t+1.8697t²???
?　　　　　t檢驗值：(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)間內隨機正態(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準差(如圖1)。結果顯示清華大學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，同時由于參數(shù)的不確定性，導致模型預測結果的不確定性逐漸增大。

　　② 利用潛力?
　　假設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?
　　假設綠地的面積在近15年的內變化可以忽略，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)調查，清華大學現(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?？梢钥闯觯瑳_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
　　① 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)?
　　回歸結果：?
　　　?W(t)=23540.093-619.111t+183.155t²-3.819t³?
?　t檢驗：?
　　　　(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)間內隨機正態(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準差，結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，這與北京市節(jié)水力度的加大有密切關系，同樣，由于參數(shù)的不確定性，導致模型預測結果的不確定性逐漸增大。?
　?、?利用潛力?
　　對于澆灌綠地而言，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)調查，北京市市區(qū)以及近郊八個區(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行推算，即r＝20hm²/2.64km²＝7.576，假設北京市該比例的上下浮動為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，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 水價作用
　　沖洗廁所和澆灌綠地15年末運營期凈現(xiàn)值為零的最優(yōu)水價增長率分別為1.98%和4.48%，以該兩種方式中水利用量比例為權重系數(shù)，確定最優(yōu)水價增長率，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)水價增長率，%?
　　　　　 Prs——澆灌綠地最優(yōu)水價增長率，%?
　　　 ?　Pr(t)——t年最優(yōu)水價增長率，%?
　　　 ?　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
　　具體計算結果如表2所示,可見對于清華大學中水利用而言，最優(yōu)水價增長率平均為2.34%,隨時間呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢，到2015年水價增長率為2.21%即可滿足。對于北京市而言，最優(yōu)水價增長率平均為3.03%，隨時間呈現(xiàn)波動中的下降后緩慢回升。

表2 中水回用分析得出的最優(yōu)水價增長率年份t清華大學北京市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 　結語

　　對清華大學東區(qū)浴室中水回用的三種方案進行的經(jīng)濟分析表明，只要水價保持一定的增長速度，中水用于沖廁或綠地澆灌均經(jīng)濟可行。
　　中水用于沖廁比用于澆灌綠地的經(jīng)濟效益更加顯著。當中水用于沖廁仍有剩余時可以考慮用于澆灌綠地，進而可考慮用于生態(tài)、景觀用水。
　　在清華大學，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。
　　對方案的經(jīng)濟分析和中水回用潛力的預測表明，水價對于中水回用的經(jīng)濟可行性起著決定性的作用，因此合理運用水價這一經(jīng)濟杠桿是推動中水回用項目發(fā)展、實現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

參考文獻：

　　[1]John A Dixon, Louise Fallon Scura, Richard A Charpenter, et al. Economic analysis of environmental impacts[M]. London: Earthscan Publication Ltd,1997.
　　[2]姚楓.論開發(fā)項目環(huán)境影響經(jīng)濟損益分析的方法[J].干旱環(huán)境監(jiān)測，2000，14(1):23-29.
　　[3]曹型榮.城市水資源的調查利用和預測[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，1998.