張 許 王寶山# 夏訓峰 陳曉杰 李鵬程 劉 捷

(1.蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省黃河水環(huán)境重點實驗室,甘肅 蘭州 730070;3.生態(tài)環(huán)境部土壤與農業(yè)農村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術中心,北京 100012)

隨著新時代農村經濟的大力發(fā)展,農民生活水平提高,農村生活污水產生量大幅度增加,造成了農村水體污染日益嚴重的現(xiàn)象[1],導致農村環(huán)境的惡化[2],成為制約農村環(huán)境整治目標達成的主要因素。我國西北地區(qū),常年干旱缺水、冬季嚴寒,經濟發(fā)展水平較落后[3],且環(huán)境生態(tài)較脆弱,農村污水治理面臨諸多困難。我國農村污水治理起步較晚,農村污水治理一直處于摸索階段,無法快速推進。多數農村地區(qū)陷入城市污水治理的誤導,照抄、模仿及沿襲城市污水治理模式[4],導致現(xiàn)存農村污水處理設施存在“重投資建設、輕運行管理”等諸多問題。一些農村地區(qū)缺乏污水治理的科學認識,不考慮治理模式的適用性,一味推崇已成功治理的模式[5],致使多地經常出現(xiàn)污水處理設施建成后運行不理想、污水治理工程運行費用難以支撐而導致的“曬太陽”的情況[6]。治理農村環(huán)境時有限的資金無法得到充分分配[7]。因此,選擇合理、經濟的治理模式來減少農村污水治理的費用支出是必要的。

費用模型是研究工程項目技術與經濟的常用手段,也稱經濟目標函數,費用模型估算法被廣泛用于水工程經濟領域來估算目標最初的費用。費用模型在我國城市污水處理中應用較廣[8],但在農村污水治理中運用卻相對較少。目前大多數污水治理的費用模型研究并沒有一個較全面的經濟判據,且模型僅考慮建設初期的經濟投資,沒有從全生命周期成本(LCC)的理念出發(fā)。

LCC是指某一產品或項目在整個生命周期內的建設、運行及拆除費用折現(xiàn)后的總成本[9],最早由美國提出并用于軍事行業(yè),隨后在各民事工業(yè)應用。近些年來,生命周期成本與生命周期評價在水處理領域廣泛使用[10-12]。

針對西北寒旱地區(qū)農村生活污水治理模式選擇缺乏科學性量化指標的難題,本研究在LCC理念下建立判別農村污水治理模式的費用模型,通過西北不同地區(qū)典型污水治理的調研資料完成模型參數擬合,并以青海省大通縣為例實現(xiàn)了模型的應用校核,研究結果表明,LCC費用模型可作為西北寒旱地區(qū)農村污水治理模式的判別依據。

1 LCC費用模型的構建

農村污水治理模式主要有3種典型模式(納管、集中式污水處理(CWWM)和分散式污水處理(DWWM)[13])。納管模式主要適用于靠近市政污水管網的待治理區(qū)域,生活污水經管道收集后納入臨近市政管網,依靠已有污水處理廠處理[14]。CWWM模式是指將較大區(qū)域內的污水統(tǒng)一收集、處理,建立管網輸送系統(tǒng),通過提升泵站輸入已建污水處理站進行污水處理。DWWM模式是指小區(qū)域內的污水通過分散處理設施進行處理,一般是單戶或幾戶進行收集。農村污水治理的直接經濟成本主要有污水收集設施建設與運維成本、污水處理設施建設與運維成本。

在LCC理念下,優(yōu)化農村污水治理模式選擇。首先將污水治理模式的選擇分為兩個層次:1)宏觀規(guī)劃層,區(qū)分納管與就地處理模式;2)建設決策層,就地處理模式下區(qū)分CWWM與DWWM模式。然后實現(xiàn)農村污水治理模式的分級決策,在LCC理念下將復雜的農村污水治理模式的選擇問題簡單化。

1.1 納管與就地處理模式的判別

理論上來說,就地處理與納管模式相同之處是首先需要對污水統(tǒng)一收集,不同之處在于前者需要構建污水處理設施就地進行污水處理,后者需要建設一套管徑較大、輸送距離較長的污水管道系統(tǒng)。對于農村污水治理模式并沒有一個科學的分界,不同區(qū)域的農村污水治理模式也不盡相同。農村污水的治理要從環(huán)境、技術及經濟等多角度綜合考慮,但模式選擇的決策者更關注的是經濟性問題,而非項目建設的技術標準與建設計劃[15-16],且環(huán)境標準不是劃分治理模式的決定性因素[17],需要在經濟維度做出優(yōu)選。要在宏觀規(guī)劃層判別納管與就地處理模式,就需要將問題簡化為污水運輸管道費用與污水處理設施LCC之間的博弈。

由臨界費用模型可得到一個臨界納管距離,進而判別納管與就地處理模式,即管線敷設的經濟性問題。袁敏航等[18]提出,污水納管模式的使用以距離城鎮(zhèn)市政管網1～2 km為宜,最大不超過5 km。但對這個5 km的判別距離沒有一個經濟性的解釋,即在規(guī)劃農村污水是否納管時并不確定在何種情況下使用該判別距離,單以5 km作為農村污水治理模式的判據并不妥。由此,以臨界費用模型來建立臨界納管距離判別模型。該模型不考慮地形等影響因素,僅對納管與就地處理模式不同費用部分進行博弈,且假設不存在泵站建設情況。

1.1.1 納管模式費用模型

納管模式費用模型投資費用主要有管道建設與運行投資費用兩個方面。管道建設投資費用主要取決于管徑和敷設長度,管道運行投資費用主要是管道大修及檢修維護費用。農村污水管道及處理設施一般建設期較短,但運行周期較長,一旦投入使用,需要15～20年的運行期。而且,不僅要關注整個生命周期內各年的費用情況,還要考慮費用的時間價值,需要將未來產生的費用折算到建設初期,在相同的時間價值層面進行折算。納管模式費用模型為:

(1)

式中:CN為納管全生命周期費用,萬元;k1為管道造價參數;D為輸送管道管徑,mm;k2為管徑經濟指數;L為納管建設距離,m;γ為工藝設施和管網的大修及檢修維護費率,%,取2.5%;r為折現(xiàn)率,%,取3.3%;T為構筑物生命周期年數,本研究中取20。

1.1.2 就地處理模式費用模型

就地處理模式費用模型投資費用主要包含就地處理建設和運維費用。運維費用考慮資金的時間價值,通過等額支付現(xiàn)值系數折現(xiàn)到建設初期。就地處理模式費用模型為:

(2)

式中:CW為就地處理全生命周期費用,萬元;α1、β1分別為污水處理設施建設費用的模型參數、規(guī)模經濟指數;Q為污水處理量,m3/d;α2、β2分別為污水處理設施運維費用的模型參數、規(guī)模經濟指數。

1.1.3 臨界納管距離模型

由納管與就地處理模式費用模型可得出臨界納管距離模型,即在該臨界納管距離下兩者的收集管網與處理設施的總投資是相等的。因此,臨界納管距離模型為:

(3)

式中:L0為臨界納管距離,m。

當待治理區(qū)域離市政管網的距離小于臨界納管距離時,建議選用納管模式;反之,宜選用就地處理模式。

1.2 CWWM與DWWM模式的判別

農村污水集中處理可減少污水處理設施的數量,且污水的集中處理規(guī)模經濟性成為其最大的優(yōu)勢,這也是決策者更傾向于污水集中處理的一個重要原因。但隨著污水的集中,輸水管道的長度增加、管徑增大且管道埋深增加,污水的輸送費用也將增加。有研究表明,對于城市污水處理,污水處理廠建設成本占DWWM模式資本成本的71%～78%,而污水輸送系統(tǒng)成本占CWWM模式資本成本的84%[19]。從污水處理與輸送費用兩方面出發(fā),CWWM與DWWM模式都存在著一定的問題,這使得污水收集管道的距離成為制約集中與分散的決定性因素。本研究提出經濟集中度作為經濟判據,可簡便地從LCC角度判別區(qū)域使用CWWM或DWWM模式。

1.2.1 綜合費用效益模型

根據以往城市污水處理費用模型[20-21]分析,污水處理設施建設和運行費用可用冪函數的形式來表示。定義DWWM與CWWM模式污水處理設施的全生命周期費用之差為生命周期費用效益。在同一區(qū)域內不考慮管道費用的情況下,所有的DWWM設施的LCC比CWWM高,即兩者的生命周期費用效益總是正的,則區(qū)域污水處理設施的全生命周期費用效益(E,萬元)計算如下:

(4)

式中:M為村莊村民戶數,本研究中單戶村民以4人估算;C1、C2分別為單戶污水處理設施建設、運行費用,萬元;α3、β3分別為CWWM設施建設費用模型的經驗系數、規(guī)模經濟指數;α4、β4分別為CWWM設施運行費用模型的經驗系數、規(guī)模經濟指數。

模型假設區(qū)域內DWWM模式每戶建設一座污水處理設施,CWWM模式區(qū)域內規(guī)劃建設一座污水處理站,并且不考慮污水處理設施在全生命周期內的拆除費用。

1.2.2 污水收集成本模型

對于給定區(qū)域,影響區(qū)域污水治理模式的另外一個因素為污水收集管網成本。DWWM設施管道費用包含在污水處理設施內,而CWWM模式的管道敷設成本和管網維修費用對模式選擇具有決定性影響。

污水管道LCC模型為:

(5)

式中:C為CWWM模式全生命周期管道費用,萬元;L1為污水收集管道建設距離,m。

污水收集管道的敷設受區(qū)域人口數量與人口居住面積的制約,陳娟等[22]以行政區(qū)域為分級單元,提出了人口居住分散度理論,以區(qū)域人口數量、區(qū)域面積和人口居住比建立人口分散度計算模型。可見,收集管道建設長度與區(qū)域人口居住面積和區(qū)域人口數量存在著一定的關系。收集管道建設長度模型為:

L1=k3Sk4Nk5

(6)

式中:k3為收集管道建設長度模型系數;S為區(qū)域人口居住面積,m2;k4為人口居住面積經濟指數;N為區(qū)域人口數量;k5為人口經濟指數。

將式(6)代入式(5),可得到污水收集成本模型,如式(7)所示。

(7)

1.2.3 CWWM與DWWM模式的綜合判別模型

經濟集中度(K)計算見式(8)。當K>1時,建議采用CWWM模式,即污水集中處理更經濟;反之,K<1時宜采用DWWM模式。

(8)

2 結果與分析

本研究以西北寒旱地區(qū)69個農村典型污水治理實際工程為計算基礎數據,結合相關文獻數據、設計手冊和設計規(guī)范,通過擬合法對全生命周期兩級決策模型參數進行求解。

2.1 宏觀規(guī)劃層費用關系擬合

以西北寒旱地區(qū)典型污水治理模式數據為依據,結合各污水治理模式的投資費用組成,以Matlab軟件擬合費用函數參數,從而得到農村污水治理的費用模型。曲線擬合的過程中以調研費用為基礎,不考慮物價變動的經濟性原因。就地處理模式費用擬合取得了較理想的曲線關系(R2均大于0.96),式(2)即為CW=9.95Q0.67+3.62Q0.84。根據污水處理管道費用調研,式(1)即為CN=4×10-4D0.85(R2=0.96)。因此式(3)可簡化為:

(9)

為便于計算,污水處理量通過污水定額與人口數量進行估算。污水定額根據現(xiàn)場調研資料并參考《西北地區(qū)農村生活污水處理技術指南》,不同經濟水平的農村污水定額為50～60 L/(人·d)[23]。當待治理區(qū)域人口數量已知,可估算出臨界納管距離。

以西北寒旱地區(qū)前期調研數據來看,農村生活污水輸送管徑為300 mm的納管管道使用最普遍。為便于判別農村污水治理模式,將10～500 m3/d的污水處理量與之對應的臨界納管距離進行擬合,結果見圖1。管徑按平均管徑計算,以區(qū)域污水處理量85 m3/d為例,其對應的臨界納管距離為5 km,即當污水治理區(qū)域距離市政管網小于5 km時宜采用納管模式,否則宜采用就地處理模式。

圖1 納管與就地處理模式分界圖Fig.1 Dividing diagram between pipe-collected mode and on-site treatment mode

2.2 建設決策層費用關系擬合

根據西北地區(qū)實際工程資料,以不同規(guī)模下已正常運行的污水處理站、污水處理設施工程結算為費用數據樣本,擬合CWWM模式的建設費用(Cp,萬元)和運行費用(Cq,萬元)模型,結果見圖2。文獻[24]曾總結出城市污水處理廠建設費用(5 427.75Q0.85)和運行費用(515.23Q0.71)。也有學者擬合了不同農村污水處理規(guī)模(x,m3/d)與建設費用(y,萬元)的模型為y=6.308 3x0.624 4[25]。本研究所擬合的建設費用模型系數(18.29)比文獻[25]的模型系數(6.308 3)高,這是由于本研究從全生命周期角度出發(fā),不光考慮了建設初期的投資費用,還有污水處理設施在生命周期內的運行費用。但本研究擬合的農村污水治理費用模型也存在一定的規(guī)模效應。DWWM模式因其設施建設分散,一般建設費用較高,經過調研資料顯示,單戶分散處理設施的平均建設費用為1.8萬元,但分散處理設施的運行費用基本沒有或很少,每戶約50元/a。在農村地區(qū),因自然地理與人為因素污水收集較困難,不同地區(qū)的管道敷設表現(xiàn)出較大的差異。根據各污水治理案例資料,得到式(6)為L1=0.14S0.37N0.78(R2=0.82)。

圖2 CWWM模式的建設和運行費用擬合曲線Fig.2 The construction and operation cost fitting curve of CWWM mode

根據各擬合參數,生命周期為20年的農村污水治理的經濟集中度為:

(10)

2.3 應用與校核

本研究擬選取青海省西寧市大通縣良教鄉(xiāng)和東峽鎮(zhèn)的11個行政村作為應用與校核研究對象,涉及常住人口20 187人。大通縣處于青藏高原與黃土高原的過渡帶,是典型的西北黃土溝壑地區(qū),區(qū)域地形見圖3。區(qū)域內人口居住無序,管網建設不完善,農村污水對當地脆弱的水環(huán)境構成嚴重威脅,嚴重影響了農村環(huán)境的綜合整治效果。良教鄉(xiāng)距離城市市政管網較近且村莊規(guī)模較大,人口較多,污水處理量較大。東峽鎮(zhèn)距離城市污水管網較遠,村莊居住分散。各村經濟發(fā)展水平較低,污水定額以50 L/(人·d)、納管管徑按照300 mm計,得到各村臨界納管距離(見表1)。

表1 污水治理模式判別結果Table 1 Identification results of sewage treatment modes

圖3 大通縣區(qū)域地形圖Fig.3 Topographic map of Datong County

不同污水規(guī)模的臨界納管距離存在較大的差異,其中麻其村臨界納管距離為1.52 km,但麻其村距離市政污水管網23.74 km,顯然納管模式成本要遠高于就地處理模式,宜通過就地處理進行農村污水治理。臨界納管距離(9.10 km)最長的下治泉村距離市政管網3.86 km,納管要比就地處理更經濟,該村污水宜通過納管進行治理。同理由臨界納管距離模型判別其他行政村。因此,良教鄉(xiāng)通過納管模式解決農村污水治理問題,東峽鎮(zhèn)就地建設污水處理設施來治理農村污水。

東峽鎮(zhèn)各村就地處理模式進入下一級判別模式,計算其經濟集中度。通過各村前期調研數據代入經濟集中度模型,污水定額以50 L/(人·d)、污水收集管道管徑按照200 mm計,各村經濟集中度結果見表1。爾麻村、麻其村的K<1,集中治理并不經濟,宜適用DWWM模式進行污水治理;其他五村的K>1,宜選用CWWM模式,管道收集、集中處理較適用。

從模型應用結果來看,兩級決策模型取得了較好的實際應用效果。兩級決策模型在西北地區(qū)作為農村污水治理模式選擇的判據,一方面,由于我國長期實行的城鄉(xiāng)二元分割管理體制,部分村莊具備納管條件卻因管理體制束縛而以污水收集、末端建站的方式進行污水處理,模型可優(yōu)化污水處理模式的選擇;另一方面,在規(guī)劃污水治理模式時,決策者傾向于工藝相對成熟且管理方便的集中處理方式,模型提供了一種新的解決思路。從農村生活污水治理全生命周期費用進行分析,可實現(xiàn)污水治理工作經濟效益的最大化。

3 結 論

1) 構建了基于LCC理念的農村污水兩級決策費用模型,以臨界納管距離作為納管與就地處理模式的經濟判據,以經濟集中度作為CWWM與DWWM模式的經濟判據。通過西北寒旱地區(qū)69個農村典型污水治理實際工程的基礎數據求解了模型參數,即L0=(9.95Q0.67+3.62Q0.84)/(5.45×10-4D0.85)、K=[1.87M-(18.29Q0.59+3.76Q0.86)]/(2.59×10-4D0.85S0.37N0.78)。模型可用于決策西北寒旱地區(qū)農村生活污水治理模式。

2) 以青海省大通縣的東峽鎮(zhèn)和良教鄉(xiāng)作為應用校核對象,利用兩級決策模型的計算結果表明:良教鄉(xiāng)四村離市政管網距離小于臨界納管距離,宜選擇納管模式;東峽鎮(zhèn)七村離市政管網距離大于臨界納管距離,宜選擇就地處理模式,且其中五村K>1,宜選用CWWM模式,兩村K<1,宜適用DWWM模式。

3) 信息收集、分析和數學建模相結合的方法可為西北寒旱地區(qū)農村生活污水治理模式選擇的合理性和經濟性決策提供科學依據。