摘要：水资源严重短缺已经成为制约我国经济社会可持续发展的瓶颈，再生水回用于农业是污水资源化的有效途径。在分析再生水利用现状的基础上，建立了再生水灌溉优化模型，利用优化模型分析了用水组成、再生水质及农作物组成的相关指标。最后，以郑州市为例，对再生水农业回用进行了技术经济分析。

 

　　关键词：城市污水处理；再生水农业利用；再生水

 

　　中图分类号：ＴＶ513　文献标识码：Ａ文章编号：1007-2284（2012）02-0135-02

 

　　农业一直是我国的用水大户，2010年全国总用水量5　990亿ｍ3，农业用水占61．5％，平均每年农业缺水300亿ｍ3[1]。同时随着经济社会的发展、人口的增长及生态环境保护的需要，工业用水、城市生活用水占总用水的比重快速增加，生态环境用水不断加强，而且这种趋势仍将持续下去。农业用水将面临被工业及生活用水挤占、与生态环境争水、农业内部的争水等多方面的挑战。从国家用水安全角度考虑，我国农业用水量在未来30年不能超过现状用水量。国务院近日批复了《全国水资源综合规划》，到2020年，全国用水总量力争控制在6　700亿ｍ3 以内；农田灌溉水有效利用系数提高到0．55；城市供水水源地水质基本达标，主要江河湖库水功能区水质达标率提高到80％。因此，污水经适当处理和配备使用也是一种有用的农业水源，其合理使用是广义农业节水的重要内容之一。

 

　　1　我国城市再生水农业利用现状

 

　　城市再生水是指污水经适当处理后，达到一定的水质指标，满足某种使用要求，可以进行有益使用的水。随着国民经济的发展，污废水的排放量将会越来越大，这是一种潜在待开发的可利用水资源。城市再生水是具有出水稳定、水源可靠、水质标准明确的一种水资源。2009年全国城市污水排放总量425．6亿m3/a，城市污水处理率为64．2％，与此同时，再生水利用量也不断加大。2009年全国城市污水处理回用总量21．8亿m3/a，全国城市污水处理回用总量占全国城市污水排放总量的5．29％，占全国城市污水处理总量的8．83％，其中，回用于农林牧业5．11亿m3/a。根据全国城市污水处理回用发展规划研究报告[2]，2015年全国城市污水排放量将达到566．5亿m3/a，如能将污水处理与污水处理回用于农业有机地结合起来，对于缓解我国农业与生态供水不足的压力和水环境的改善都有特别重要的意义。

 

　　2　再生水灌溉优化模型

 

      再生水灌溉要考虑不同的灌溉方式和作物种类，本文深入研究并建立了充分考虑农作物组成和不同水质水源的优化模型[3]。该模型以盐分对土壤及作物的影响为约束条件，以净效益作为目标函数。该优化模型如下：

 

 

      式中：ＭａｘＺ表示最大的净效益；ｉ表示农作物类型（如棉花、小麦、花生、马铃薯和其他蔬菜等）；ｊ表示水质（二级出水，三级出水）；ｋ表示季节（ｋ＝ 1，2，3，4）；ｌ是指不同区域（ｌ＝1，2）；Ｗｉ，ｊ，ｋ，ｌ是对于农作物ｉ季节ｋ在ｌ区域的水质；Ｕｉ，ｊ，ｋ，ｌ、Ｃｉ，ｊ，ｋ，ｌ、Ｄｉ，ｊ，ｋ，ｌ分别为效益、成本和损失，元／ｍ3。

 

　　中间函数为：

 

Ｗａ=Ｗｎ+Ｗｌ（2）

 

Ｆａ=Ｆｎ+Ｆｌ（3）

 

　　式中：Ｗａ，Ｗｎ，Ｗｌ为供水量、用水量、处理过的水量，ｋｇ／ｈｍ2；Ｆａ，Ｆｎ，Ｆｌ为肥料供应量、使用量、处理过的量，ｋｇ／ｈｍ2。

 

　　效益函数为：

 

Ｕｉ，ｊ，ｋ，ｌ=Ｙｉ，ｊ，ｋ，ｌ（Ｆｎ，Ｗｎ）＋Ｌｉ，ｊ，ｋ，ｌ（Ｗｌ）（4）

 

　　式中：Ｙｉ，ｊ，ｋ，ｌ是再生水灌溉的农产品增加值，元／ｍ3；Ｌｉ，ｊ，ｋ，ｌ是再生水对于含水层补水的贡献价值，元／ｍ3。

 

　　成本估算为：

 

      Ｃｉ，ｊ，ｋ，ｌ=ＣＴｊ＋ＣＩｌ＋ＣＬｌ＋ＣＦｉ，ｊ（5）

 

　　式中：ＣＴｊ为再生水处理成本，元／ｍ3；ＣＩｌ为贮水成本，元／ｍ3；ＣＬｌ为输水成本，元／ｍ3；ＣＦｉ，ｊ表示肥料价格，元／ｍ3。

 

　　损失函数为：

 

      Ｄｉ，ｊ，ｋ，ｌ=ＤＡｉ，ｊ，ｋ，ｌ（Ｆｌ）＋ＤＳｊ，ｋ，ｌ＋ＤＨｊ，ｌ（6）

 

　　式中：ＤＡｉ，ｊ，ｋ，ｌ表示含水层损失，元／ｍ3；ＤＳｊ，ｋ，ｌ表示土壤损失，元／ｍ3；ＤＨｊ，ｌ表示农作物损失，元／ｍ3。

 

　　3　应用实例

 

　　本文将再生水灌溉优化模型应用到已开展再生水灌溉工作的郑州市。郑州市区现有的再生水厂为西区的五龙口污水处理厂和北区的马头岗污水处理厂。五龙口污水处理厂设计生产能力为10万ｍ3／ｄ，采用氧化沟处理工艺，其中二级处理和三级深度处理各5万ｍ3／ｄ；马头岗污水处理厂设计生产能力为30万ｍ3／ｄ，采用ＵＣＴ处理工艺，二级处理。污水经过二级处理后ＢＯＤ和ＴＳＳ可以控制在20～30mg/L，三级处理后ＢＯＤ和ＴＳＳ可以控制的20mg/L以下，含盐量也大有降低，可用于大多数农作物灌溉以及蔬菜灌溉。2个再生水厂及出水水质情况见表1。

 

表1　郑州市再生水厂及出水水质情况

 

 

　　回用水灌溉的成本和损失包括：①水处理成本，它包括污水二级、三级处理费用，季节性贮存费用和输送至灌溉区域的费用。②为了降低出水中的盐分而增加的灌溉成本。③盐分渗滤引起含水层破坏的损失[4]。④由于二级处理的水适用于不同种类作物，从而使得农民改变农作物的组合导致收入的损失。⑤与农作物需要的营养物质相比多余的营养物质造成的收益减少。⑥污水中的盐分影响农作物组合引起的收益减少。

 

　　收益包括：①农产品的赢利，本文中以在郑州地区的农业用水的边际价格表示；②灌溉对含水层补水的效益；③由于二级处理的污水中Ｎ、Ｐ等营养物质而节省的肥料的价值[5]；④避免排河减少水处理的成本。

 

　　考虑到再生水水质较好，且污水来源均为城市生活污水，污染程度较轻，所以本次分析研究暂时忽略了对人体健康造成的损失，污水回用的净效益为总收益减去成本和损失。表2对郑州市西区和北区2个地区的2个污水处理厂不同处理程度的再生水灌溉进行了经济技术比较，并对再生水灌溉和再生水排入河道的环境质量进行了分析比较。

 

      依据表2可计算出郑州市的再生水全部用于农业利用所贡献的年社会净效益为：0．42×1　800＋0．31×1　680＋0．27×16　000＝5　596．8万元／ａ。

 

      表2　郑州市再生水农业回用效益分析元／ｍ3

 

 

    注：表中净效益的计算为：净效益＝增收节支＋效益－损失－成本。

 

      由表2可知，利用西区二级处理出水灌溉的效益最大，北区二级处理出水灌溉的效益最小。这是因为北区的马头岗二级处理采用的是ＵＣＴ技术，较西区二级处理更加先进，虽然马头岗再生水灌溉对生态环境影响较小，但与西区五龙口的二级处理出水相比，其水质变化不太明显，水处理成本较高，所以效益提高并不明显。三级处理后水质较好，ＢＯＤ、ＴＳＳ及含盐量含量较低，所以对生态环境影响最小，但因处理成本较高，所以效益并不是最高。

 

      4　结语

 

      （1）再生水灌溉优化模型的建立，为再生水灌溉技术经济分析提供了理论工具。

 

      （2）研究结果证明，将氧化沟处理工艺的二级出水应用于农田灌溉，取得的净效益最大。

 

      （3）由于本文对再生水灌溉经济效益分析时，忽略了再生水灌溉对人体健康影响的分析，因此，在选择再生水灌溉时，建议优先利用三级处理的再生水，这样既带来了可观的社会经济效益，同时又可降低对人体健康影响的风险。

 

      参考文献：

 

      [1]　中华人民共和国水利部．2009年水资源公报[Z]．2011：2-3．

 

      [2]　周振民．全国城市污水处理回用调查评价[R]．华北水利水电学院城市水务研究所，2009：35-40．

 

      [3]　周振民．污水资源化与污水灌溉技术研究[M]．郑州：黄河水利出版社，2006：47-50．

 

      [4]　张凯．水资源循环经济理论与技术[M]．北京：科学出版社，2007：55-61．

 

      [5]　沈满洪．资源节约型社会的经济学分析[M]．北京：中国环境科学出版社，2007：88-101．

 

      作者简介：荣四海（1963-），男，汉，副教授，研究方向为城市水务等。

 

 

      作者：荣四海 王学超

 

      来源：中国农村水利水电