孔飛飛，王 琳，王浩程，王欣婷，牟春霞

(中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，青島 266100)

隨著城市化進程的加快，城市人口數(shù)量的激增，淡水資源日益短缺，發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)成為沿海城市解決水資源短缺的重要路徑。海水淡化廠選址是海水淡化廠建設前的關鍵環(huán)節(jié)，科學的選址一方面可提高海水淡化廠的社會效益和環(huán)境效益，另一方面可減少取水和輸水成本，提高海水淡化水的市場競爭力，確保海水淡化廠的可持續(xù)運行[1]。

設施選址方法主要可分為傳統(tǒng)方法(實地調查法、定量分析法、多指標定性分析法)和非傳統(tǒng)方法(基于ArcGIS技術的選址方法)。傳統(tǒng)方法受資金、時間、考慮因素和數(shù)據(jù)有限等因素限制，準確性不高，如實地調查法需要相關人員進行實地考察，耗時長、成本高；大部分定量選址方法(如重心法，線性規(guī)劃-運輸模型法)主要依據(jù)運輸成本最低原則，在一定的約束條件下進行極值的求解，從而得出最優(yōu)選址結果[2]。生力軍[3]通過改進的經(jīng)典粒子群算法求解某地級市物流配送中心的選址問題，該類模型求解的方法忽略了候選廠址的確定，且對非經(jīng)濟因素不加考慮，其選址結果并不理想；多指標定性分析方法(如層次分析法、因次分析法)綜合考慮多種影響因素，并根據(jù)影響因素的重要性進行賦權，最后通過專家打分得出各候選廠址的綜合適宜性指數(shù)。李楊等[4]通過層次分析法與線性加權和法將危險化學品儲存設施選址問題轉化為單目標決策問題，從而確定選址方案。但該類定性選址方法主觀性過強，且只適用于兩個或幾個已知可建設區(qū)域的適宜性比較?；贏rcGIS技術的非傳統(tǒng)方法具備強大的空間分析和可視化功能，輸出結果更加直觀、清晰，因此目前該法已廣泛應用于設施選址的問題[5-6]。Nega等[7]借助ArcGIS的空間功能對公共廁所的選址進行了優(yōu)化；Ibrahim等[8]基于ArcGIS技術解決了太陽能發(fā)電廠的選址問題。ArcGIS技術同樣存在一定的局限性，借助該法進行選址時無法定量考慮某些空間特性不明顯的影響因素，例如政策因素、水質因素等。

目前大多數(shù)學者對于選址的研究主要集中在垃圾中轉站、配送中心等物流系統(tǒng)的選址上，針對海水淡化廠的選址研究較少，且主要使用定性分析方法[9]。為此，在以往設施選址研究的基礎上，現(xiàn)構建海水淡化廠選址的評價指標體系，同時為了彌補傳統(tǒng)方法候選廠址難以確定、ArcGIS技術考慮因素受限等缺陷，綜合ArcGIS技術與綜合分析法對擬建的紅石崖海水淡化廠進行選址，以期為后續(xù)海水淡化廠的建設提供參考。

1 研究區(qū)概況

新區(qū)位于膠州灣南口西海岸，產(chǎn)業(yè)基礎雄厚，是青島市未來經(jīng)濟發(fā)展的重點區(qū)域。新區(qū)淡水資源嚴重短缺，多年平均水資源總量為4.638億m3，2019年水資源總量僅為0.421億m3，水庫無水現(xiàn)象時有發(fā)生，水資源短缺已嚴重限制了新區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[10]。隨著工業(yè)化進程的加快，工業(yè)用水量的增加將進一步加大新區(qū)供水壓力，緩解新區(qū)供水壓力是新區(qū)發(fā)展的關鍵。

紅石崖街區(qū)位于新區(qū)東北部，占地56.8 km2，海岸線長超過10 km。該街區(qū)充分發(fā)揮了交通區(qū)位和開發(fā)區(qū)六大產(chǎn)業(yè)集群優(yōu)勢，積極發(fā)展石化、電子和機械制造等產(chǎn)業(yè)，并設立了開發(fā)區(qū)北部工業(yè)區(qū)，同時該區(qū)耕地面積較多，農(nóng)業(yè)用水需求也較高。該街區(qū)緊鄰海岸線，具備海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先天優(yōu)勢條件，根據(jù)青島西海岸新區(qū)海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，該街區(qū)將規(guī)劃建造3×104m3/d的海水淡化項目，以緩解新區(qū)水資源供給不足。

2 海水淡化工藝的選擇

不同的海水淡化工藝會影響海水淡化廠的運行成本和能量消耗形式。選址前應確定該廠采取的海水淡化工藝。截至2018年底，中國采取反滲透工藝的工程121個，工程規(guī)模825 641 t/d，占總工程規(guī)模的68.70%；采取低溫多效工藝的工程16個，工程規(guī)模369 150 t/d，占總工程規(guī)模的30.72%；采取電滲析(ED)工藝的工程3個，工程規(guī)模450 t/d，占總工程規(guī)模的0.04%；采取多級閃蒸工藝的工程1個，工程規(guī)模6 000 t/d，占總工程規(guī)模的0.50%；采取正滲透工藝的工程1個，工程規(guī)模500 t/d，占總工程規(guī)模的0.04%[11]。從統(tǒng)計的數(shù)據(jù)可以看出反滲透技術、低溫多效技術是中國已工業(yè)化應用的主流海水淡化技術，具有一定的普適性。表1列舉了這兩種技術的優(yōu)缺點。

表1 反滲透技術與低溫多效技術優(yōu)缺點比較

從表1可以看出，反滲透技術和低溫多效技術都有各自的優(yōu)勢和劣勢，應根據(jù)當?shù)鼐唧w情況選擇適宜的海水淡化技術。從出水使用要求看，擬建的紅石崖街區(qū)海水淡化廠出水應一部分作為工業(yè)用水，另一部分進入市政管網(wǎng)作為生活用水。采用低溫多效技術的出水純度雖高于采用反滲透技術的，但目前已經(jīng)運行市政供水的海水淡化廠幾乎全部采用反滲透技術[1]。表明市政供水應用反滲透技術更成熟。從經(jīng)濟性看，反滲透技術占地少，建設運行費用低于低溫多效技術。此外，隨著反滲透膜性能和清洗方法的不斷改善，會逐漸延長反滲透膜的使用壽命，降低反滲透技術的運行和操作成本。綜上，擬建的紅石崖海水淡化廠采用反滲透技術。

3 海水淡化廠占地面積的確定

海水淡化廠占地面積主要包括海水淡化項目用地面積和海水取水設施用地面積。2018年自然資源部發(fā)布的《反滲透海水淡化工程設計規(guī)范》對不同工程規(guī)模的海水淡化廠進行了用地指標的劃分，如表2所示。

表2 反滲透海水淡化廠規(guī)劃用地指標

擬建的紅石崖海水淡化廠工程規(guī)模為3×104m3/d，參考海水淡化項目用地和海水取水設施用地指標，采取內插法確定擬建的紅石崖海水淡化廠面積為1.31×104m2。

4 反滲透海水淡化廠選址研究

4.1 基于ArcGIS技術確定海水淡化廠候選廠址

海水淡化廠選址需要滿足城市規(guī)劃、交通條件、經(jīng)濟性等基本要求。其具體包括：①應選擇適宜的用地類型，可選擇空地、小面積耕地等利于工程施工且生態(tài)敏感性低的地塊；②離主干道不宜過遠，確保交通、運輸便利；③應盡可能靠近海水取水設施，減少取水成本；④在水源不受污染和可持續(xù)安全生產(chǎn)的前提下，應盡可能靠近用水群體，減少運輸成本；⑤所選地址應便于濃縮海水的排放和資源化利用[12]。

海水淡化廠選址的基本要求具備明顯的空間性特征，故借助ArcGIS軟件中的空間分析工具實現(xiàn)紅石崖海水淡化廠預選址。

4.1.1 用地類型提取

進行海水淡化廠選址，應充分掌握目標區(qū)域的土地利用現(xiàn)狀，將土地利用現(xiàn)狀和其他影響因素進行綜合分析，得到適宜建設海水淡化廠的地塊。在ArcGIS軟件中載入紅石崖街區(qū)的Landsat遙感影像，采取目視解譯法提取紅石崖街區(qū)用地類型，得到綠地、水體、空地、耕地、廠房、林地、居住建設用地和道路8種用地類型，如圖1所示。

圖1 紅石崖街區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖

適宜建設紅石崖海水淡化廠用地類型是小面積耕地和空地。由圖1可見，空地分布在街區(qū)的各個方位，其中較大面積的空地主要分布在街區(qū)北部；耕地主要分布在街區(qū)的西北方向和東南方向。

4.1.2 確定候選廠址

通過谷歌衛(wèi)星地圖搜索得到紅石崖街區(qū)自來水廠和海岸線的具體位置，再采取目視解譯法在ArcGIS軟件中繪制自來水廠和海岸線的位置圖層。根據(jù)上述海水淡化廠選址的基本要求，建立路網(wǎng)、海岸線等多個緩沖區(qū)。緩沖區(qū)建立規(guī)則如下。

(1)擬建的紅石崖海水淡化廠出水主要作為生活用水和工業(yè)用水，建立2 000 m自來水廠緩沖區(qū)和1 500 m廠房緩沖區(qū)。

(2)對主要路網(wǎng)建立300 m緩沖區(qū)，以此滿足交通、運輸便利的基本要求。

(3)分別建立海岸線100 m和2 000 m緩沖區(qū)，再運用擦除工具從2 000 m緩沖區(qū)中擦除100 m緩沖區(qū)，得到距離海岸線100～2 000 m區(qū)域。該區(qū)域可滿足取用海水經(jīng)濟性要求，同時保持與海岸線的安全距離。

依據(jù)選址的基本要求，借助ArcGIS軟件中緩沖區(qū)重疊分析功能得到同時滿足上述所有基本要求的區(qū)域，最后根據(jù)擬建的紅石崖海水淡化廠的面積篩選出合適區(qū)域作為候選廠址。共得到6個候選廠址，如圖2所示。

圖2 候選廠址位置圖

4.2 適宜性分析

海水淡化廠選址除了考慮上述基本要求，還應全面考慮社會、海域等方面因素。綜合分析法是將經(jīng)濟因素與非經(jīng)濟因素依據(jù)相對重要性進行加權最終得出綜合適宜性指數(shù)的一種多指標決策方法[9]。該法可綜合考慮選址的主觀因素和客觀因素，相比于遵循成本最低原則的個別選址定量分析方法，選址結果更加具備客觀性。其具體步驟如下：

步驟一通過閱讀文獻確定反滲透海水淡化廠選址要素，基于層次分析法，建立反滲透海水淡化廠選址的層次分析模型。構建的反滲透海水淡化廠選址的層次分析模型如圖3所示。目標層是反滲透海水淡化廠最優(yōu)場地，準則層依據(jù)綜合分析法的原理劃分為經(jīng)濟因素和非經(jīng)濟因素這兩大類，其中非經(jīng)濟因素又劃分為海域因素、社會因素和政策因素，方案層為ArcGIS分析得出的各海水淡化廠候選廠址。

圖3 反滲透海水淡化廠選址的層次分析模型

反滲透海水淡化廠出水pH低、堿度低、總溶解性固體含量低、水質純度高，可供給工業(yè)企業(yè)作為工藝用水，產(chǎn)生的濃鹽水經(jīng)過化工企業(yè)進行資源化利用，故海水淡化廠應建在工業(yè)企業(yè)附近，實現(xiàn)更大的經(jīng)濟效益和資源效益；作為工業(yè)企業(yè)，海水淡化廠應盡量遠離居民區(qū)以減少對居民生活的不利影響；另外，反滲透海水淡化廠在運行過程中主要存在的兩大問題就是預處理過程復雜和膜需定期更換，在選址時應充分考慮附近海水的水質情況，選擇更為清潔的海域附近建廠；同時海水淡化廠建廠區(qū)域應具備供水、供電、供熱、道路等基礎設施，為海水淡化廠的運行提供保障；此外，應選擇合適的土地利用類型，產(chǎn)業(yè)空間布局盡可能與城市規(guī)劃相一致，從而有利于海水淡化廠的后續(xù)發(fā)展。

步驟二通過電子郵件的方式向相關領域的專家學者發(fā)送調查問卷，邀請他們對層次分析模型中非經(jīng)濟因素準則層下各指標進行兩兩比較，并依據(jù)1～9標度法[13]給出比較結果。由此構建判斷矩陣，將判斷矩陣進行歸一化處理和一致性檢驗，得到非經(jīng)濟因素準則層下各指標相對權重ωi。共發(fā)送10份調查問卷，權重計算結果如表3所示。

從表3可以看出，對附近居民的影響權重最高，其次是基礎設施配備情況和海水水質情況，說明選址時應優(yōu)先考慮居民人口密度少、基礎設施完備和附近海水水質優(yōu)良的區(qū)域。

表3 非經(jīng)濟因素準則層下各指標權重計算結果

步驟三采用強迫選擇法，即各候選廠址就非經(jīng)濟因素準則層下單一指標進行兩兩比較，令較佳候選廠址的比重值為1，較差候選廠址的比重值為0，再將各候選廠址比重值除以總比重值得到各候選廠址非經(jīng)濟因素準則層下單一指標的適宜性指數(shù)Tdi。最后將各適宜性指數(shù)Tdi與對應指標的相對權重ωi相乘再相加可得候選廠址非經(jīng)濟因素的綜合適宜性指數(shù)Tn，計算公式為

Tn=∑Tdiωi

(1)

借助ArcGIS可直觀看出候選廠址周圍的居住建設用地數(shù)量、廠房的數(shù)量和道路情況，同時綜合分析紅石崖街區(qū)的數(shù)據(jù)資料[14-19]，對6個候選廠址進行兩兩比較，根據(jù)上述的計算公式得到各候選廠址非經(jīng)濟性因素的適宜性指數(shù)，如表4所示。

表4 非經(jīng)濟因素的適宜性指數(shù)計算結果

從表4可以看出，候選廠址A的非經(jīng)濟因素的綜合適宜性指數(shù)最高，候選廠址D的非經(jīng)濟因素的綜合適宜性指數(shù)最低。

步驟四海水淡化廠投資建設成本主要包括海水取水成本、產(chǎn)品水運輸成本、海水淡化工程設備與構筑物的建設成本。本研究的候選廠址成本有所不同的原因主要是海水取水成本和產(chǎn)品水運輸成本不同。故采取常規(guī)供水工程費用模型[19]，即

C=127.07Q0.725 1L

(2)

式(2)中：L為候選廠址到海岸線和自來水廠的距離之和，km；Q為工程規(guī)模，萬m3·d-1；C為供水工程費用，萬元。

分別計算出各候選址的輸水費用Ci。在該廠址處投資建設成本越低，則在該廠址建設海水淡化廠的適宜性越高，故取Ci的倒數(shù)除以所有候選廠址的Ci倒數(shù)之和得到各候選廠址經(jīng)濟因素的適宜性指數(shù)Tm，計算公式為

(3)

運用ArcGIS軟件中距離測量功能分別得到各候選廠址與自來水廠和海岸線的距離，相加得到總輸水距離L。將L代入上述公式得到各候選廠址的輸水費用Ci和經(jīng)濟因素的適宜性指數(shù)Tm。計算結果如表5所示。

從表5可得出，候選廠址D輸水總距離最短，輸水成本最低，適宜性指數(shù)為0.200，在所有候選廠址中最高。反之，候選廠址F輸水總距離最長，輸水成本相對于候選廠址D要多966.445萬元，適宜性指數(shù)僅為0.085。另外，廠址A、B、C、E的適宜性指數(shù)相差不大。

表5 各候選廠址經(jīng)濟因素的適宜性指數(shù)計算結果

步驟五邀請專家學者填寫選址的經(jīng)濟因素與非經(jīng)濟因素的權重，分別為M和N，且M+N=1。對經(jīng)濟因素和非經(jīng)濟因素的適宜性指數(shù)分別加權再相加得到選址的綜合適宜性指數(shù)H，計算公式為

H=MTm+NTn

(4)

將專家填寫結果進行統(tǒng)計后取平均值，得到M為0.61，N為0.39。由此可看出經(jīng)濟因素對最終決策的影響要略高于非經(jīng)濟因素。將上述計算得出的各候選廠址的經(jīng)濟因素和非經(jīng)濟因素的適宜性指數(shù)代入上述公式，得到各候選廠址的綜合適宜性指數(shù)。計算結果如表6所示。

從表6可看出，候選廠址的綜合適宜性指數(shù)從大到小排列順序為A>D>B>C>E>F，由此得出紅石崖街區(qū)海水淡化廠最適宜建在候選廠址A處。

表6 各候選廠址綜合適宜性指數(shù)計算結果

5 結論

海水淡化廠選址不僅要考慮經(jīng)濟因素的影響，還需要考慮海域因素、政策因素和社會因素等非經(jīng)濟因素的影響。借助ArcGIS軟件，進行緩沖區(qū)重疊分析、面積篩選得到候選廠址；利用綜合分析法和強迫性選擇法，再構建了海水淡化廠選址的層次分析模型，通過計算各候選廠址綜合適宜性指數(shù)，最終選出候選廠址A為最適宜建設海水淡化廠的地址。

將ArcGIS與層次分析法結合，可生動直觀地得出候選廠址的位置，相比于傳統(tǒng)選址方法節(jié)省了大量的人力物力；同時綜合考慮了經(jīng)濟因素和非經(jīng)濟因素對海水淡化廠選址的影響，使得選址結果更加客觀、準確。該方法仍然存在著一些不足之處，例如選址的影響因素考慮得較少、確定權重時主觀性較強，應當將其作為未來研究的重點進行改善。