城市生活水代谢能值分析以北京市为例外文翻译资料

 2022-08-19 16:03:03

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城市生活水代谢能值分析amp;以北京市为例

摘 要

本文阐述了城市水代谢系统的分析。根据生态系统累积能量可用性，对系统流量和过程进行建模和计算，也称为能值。在细节上，城市生活供水过程代谢模型与核算确定了框架。然后，以北京市为例，分析了城市生活供水的全过程。特别是现有的水源包括：地表水、地下水、南水北调中线工程水资源；天津潜在的脱盐水。结果表明，当自来水供应量为1立方米时，总能值为上述四个来源的输入分别为3.22E 12、3.34E 12、4.55E 12和12.55E 12 sej。这些值反映了现有供水系统的不同能量成本，它们与水的输送、处理和分配有关，而且淡化水的能值约为地表水的4倍。反之，南水北调工程的价值并不比地表水高多少。最后，较高的成本与水处理阶段有关。为提高北京市生活供水的可持续性，提出了一些政策建议和今后的研究方向。

关键词：能值、数据精化、水代谢系统、北京、水源

Emergy analysis of urban domestic water metabolism:A case study in Beijing (China)

Abstract

This work elaborated an analysis of urban water metabolic system. The systems flows and processes were modeled and accounted on the basis of the ecosystem cumulative energy availability, also known as emergy. In detail, both the urban domestic water supplying process metabolism model and accounting framework were defined. Then, the whole process of the supplying of domestic water was analyzed, considering Beijing (China) as a case study. In particular, the existing water sources were included: surface water, underground water, water of the South-to-North Water Transfer Project; potential desa-linated water from Tianjin. The results showed that, for the supply of 1 m3 of tap water, the total emergy input from the above- mentioned four sources are 3.22E 12, 3.34E 12, 4.55E 12, and 12.55E 12 sej.These values reflect the different energy costs of the existing supply systems, that are related to water transportation, treatment and distribution, Moreover, the emergy cost of desalinated water is about 4 times higher than the one of surface water. Conversely, the value of South-to-North Water Transfer Project is not much higher than that of surface water. Finally, the higher costs are related to the water treatment phase. Consequently, some policy recommendations and future research directions are identified for improving the sustainability for Beijing domestic water supply.

Keywords Emergy ; Data elaboration ; Water metabolic systems ;Beijing ;Water supply

目 录

1.介绍 4

2. 方法 7

2.1. 系统描述和边界 7

2.2. 开 发 过 程 8

2.2.1. 地表水开采 8

2.2.2. 地下水开采 9

2.2.3. 南水北调中线输水 9

2.2.4. 海水淡化项目水资源 10

2.3. 处理和分配阶段 11

2.4. 能值指标 11

3.结论 11

3.1. 四种供水系统的能值分析 11

3.2北京市生活用水分配系统现状分析 16

4. 讨论 17

5.结论 21

致谢 21

参考文献 22

1.介绍

有限的水资源、日益增长的需求和老化的水基础设施是中国和世界许多其他地区面临的最大挑战。水需求的快速增长和淡水供应的减少，导致水资源短缺，现在在许多国家是一一个严重的问题 (Wang et al., 2016)。联合国教育、科学及文化组织(UNESCO)预测，2050年全球水需求将增长44%，其中居民用水增长近1.5倍(UNESCO, 2014)。没有源源不断的供水，人类社会就无法平稳、持续地发展(Chen et al.,2016) 。

城市地区由于人口密度较高，特别容易受到这些问题的影响。这就是为什么，现在准确规划水资源的可持续利用至关重要。在这方面，复杂的水问题不能用分室的水管理办法来解决，特别是在城市范围内。例如，, Hu et al.(2013)显示，北京目前的用水大部分来自家庭用水，即生活用水。2014年南水北调工程投产前，北京市的水主要来自当地地表水和地下水。然而，这种有限的供应无法满足日益增长的需求。SNWTP作为传统地表水和地下水的“替代水源”，极大地缓解了北京市供水压力。

在一个与水相连的世界里，可持续的解决办法需要一种基于系统的方法。特别是，水服务(传统联盟:废水、雨水和饮用水)应该与最大限度地恢复资源(即能量、营养物质、材料，当然，水)的努力相结合。美国环境保护署(US EPA) 的安全和可持续水资源(SSWR) 研究计划是水资源管理整体方法的一- 个例子。特别是，SSWR研究 试图避免规划场景，这可能会将现有的问题从一个区域转移到另一个区域。取而代之的是，我们选择了一种适应性的方法来应对不断变化的社会愿望、人口统计和气候。

其他的研究包括在不同的过程或空间尺度.上的分析。其中，供水设施规模(如供水厂、污水处理厂等)、整个工艺规模(如供水、分水、污水处理等)、区域规模(如市、省、县) ( (Lin, 2015) 。

在不同的研究中使用了生命周期方法。Raluy et al. (2005)在西班牙国家水文规划的三种不同情况下，比较了0bo河(西班牙) Trans-fer项目的预期能耗。Nalanie and Robert (2006) 探讨了新西兰奥克兰供水网络系统的能源消耗和二氧化碳排放。Lundie et al. (2004)预测2021年澳大利亚悉尼的供水对环境的影响。Stokes和Horvath (2011)以及Lyons et al. (2009)。分别采用生命周期分析法和混合生命周期分析法，对不同水源的不同供水厂的水能消耗及其影响因素进行了研究。Venkatesh et al. (2014)对奥斯陆、南特、多伦多和都灵进行了案例分析，以调查单位水的能源需求系数、水处理、水分配和污水处理。他们还计算了水在整个水系统中的能源需求和碳排放所占的比例。

其他学者试图找到-种方法来最小化生物物理和经济投入以及温室气体排放。采用了不同的方法，如遗传算法(Gupta et al., 1999;Prasad, 2010)、非线性规划(Gomes and Silva, 2006)、整数线性规划(Samani and Mot taghi, 2006)、二次规划(Bai et al., 2007)、多目标遗传算法(Wu et al. ,2012 ; Vamvakeri dou-lyroudia et al. , 2007)，多目标混合算法(diPierro et al., 2009)、 随机传输算法(Bolognesi et al., 2010)和多目标粒子群优化算法(Montalvo et al，2010)。

其中一个关键的研究问题，仍然是开放的，是经济和生物物理数量之间的分离，这往往是不相关的。因此，与纯经济方法相比，更全面的方法是一种有效的选择。其中能值合成是-种有效的选择(Odum,1996, 1998)。根据0dnm(1996) 的定义，能值是直接和间接参与产品或服务的生产和/或运营的累积可用能量。能值综合法通常用于多尺。度的各种系统，以将环境、社会和经济方面纳入通用的非货币计量单位(太阳能当量，sej)。能值会计能够在多个尺度上捕捉不同系统的特征和动态，可用于评估系统的可持续性，以及在管理复杂过程中提供关于替代方案的指示(Brown and McCl annahan, 1996; Brown and Ulgiati, 2004, 2015)。能值法不仅定量评估了生产商品和服务所需的直接和直接可用能源，而且还为管理者提供了评估替代品有效性的决策标准。例如，能值会计能够量化支持住何经济体系的自然资本，例如雨水对饮用水供应的“免费”贡献(Brown et. al.,2010) 。能值可用于评估水质、养分和能量回收、天然绿色基础设施、含水层储存回收和区域水分配对整体系统效率的影响。能值会计有潜力将可持续性原则纳入不同规模和水平的水系统管理。此方法通常是对其他系统度量的补充和集成，例如生命周期评估(LCA) (Raugei et al, 2014;Reza et al，2014)。

北京，中国的首都，位于华北平原的北部，可以代表一个非常有趣的开放实验室，通过一个整体的方法来研究水的代谢。其水源主要来自地表径流和降水产生的地下水(Ni et al., 2001)。由于人口的快速增长、经济的发展和第三产业(即服务业)的扩张，北京已经出现了严重的缺水问题。必须迅速解决水资源供需之间的巨大鸿沟。2014年初，中国国家主席西金平表示，“ 城市要坚持按城市、按地、按人口、按生产确定供水的原则”。他的迹象显示出明显的政治意愿。实际上，这意味着从“按需供给”向“按供消费”的转变。因此，在综合考虑投入、效率和可持续性的基础上，制定适当的规划是强制性的。

显然，无论是经济成本还是能源投入，大量的.工程建设投资必然会增加供水成本。然而，成本的量化仍然缺失。能值会计在这一- 问题.上的应用可以弥补现有差距，为合理规划和协调提供建议。因此，这项工作的目的是阐述--个城市生活用水代谢系统的全面分析。生活用水包括居民用水和市政公用建设用水(Yuan, 2004)。在方法一章中，提出了基于能值的城市生活水代谢模型和核算框架。结果一章从四个方面对北京市的供水过程进行了分析: (1) 地表水; (2) 地下水;(3)南水北调工程(SNWDP) 用水; (4) 天津市潜在淡化水。并计算了生活给水系统的能值输入。在讨论部分，讨论了供水系统的新能源管理策略和解决方案。

方法

系统描述和边界

北京城市供水系统是由一一个工程和自然解决方案组成，它支持每个用户所需的供水(Ren and Fei,2006)。该工程系统包括以下阶段:取水:水的可饮用性:水的运输:水的分配(He, 2009) 。本研究仅在水到达终端用户之前考虑该主题。不包括后续用户的排水和污水处理厂的处理。目前，城市用水可丛地表水或地下水中通过水泵获得，经水处理厂或饮用水处理厂处理后，再通过城市供水管网分配给各用户。自来水供应加工需要材料、能源、劳动力投入和相应的设施。

根据传统的能值分析程序，系统这一部分的边界从进入饮用水处理厂的水源水到处理后的水源水进入供水管网。图1根据H.T.0dum

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