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可持续社区的分布式水基础设施

摘要：相较高级别（例如区域）管理城市水的技术，分布式水基础设施（位于社区或家庭一级），相对未经试验和验证。这项工作对分布式水基础设施目前可行的选择进行了审查，并通过一系列指示性基础设施策略阐明这些方案实施的潜在影响。本次论文总结了集中式和分散式两种水基础设施的主要类别，涵盖了所有三种流动（给水，废水和排水）以及通过回收再利用进行整合。城市水管理明确了的基础设施选择的潜在影响是检测过的。审查过的策略的可取性取决于（具体情况）城市发展的限制，包括比如说区域或当地的水资源可用性、处理工厂的能力、升级基础设施的费用、（分布式）能量（微）产生和气候变化（及其他非平稳过程）的潜力。结果已得出并得到了讨论。得出的结论是，在城市水管理方面，目前存在着很大的前进潜力，这可以通过根据具体情况部署一系列技术基础设施备选方案而得到。也有人提出，在水利用、能源利用和土地利用之间存在着种种权衡，几者之间有着一个与先进技术相关的平衡点。在一定的先进技术中，进一步节水意味着要增加能源消耗（对于高科技解决方案）或土地使用（对于低科技解决方案）。然而，策略评估表明，在所有三个方面获得巨大成果之后，才能达到这种平衡点。在这平衡之后，一个方面的进步不可避免意味着会有其他方面的成本。理想的权衡选择依赖于手头问题的特定约束。

关键词：分散式分布式水基础设施微发电策略城市水务

介绍

关于集中式与分布式水基础设施的讨论已在城市水务社区中进行了有一段时间了，从排水系统开始（末端管vs源头控制或者是可持续排水系统（SUDS）：Woods等人2007;Rauch等人，2005;Makropoulos等人1999年），然后转至当地的废水处理，雨水收集以及最近的回收（Memon等人2007年;Makropoulos等人2008年;等人， Frazer-Williams等人2008年）。

可以认为，这是资源管理权力下放和(最终)更多地在当地管理环境的更大趋势的一部分，这种趋势可在下列不同领域中看到:

能源生产（微发电：Alanne和Saari 2006;Cherni等人2007年也与水有关:Jaramillo等人2004年;Ashok 2007;维埃拉和拉莫斯2008年;Koutsoyiannis等人2009年）
流域层面管理计划（同WFD相对应）以及社区层面的环境决策和管理（Tidwell等2004;Marks and Zadoroznyj 2005;Evan等人，2006;Brown和Farrelly 2009年）

无论是隐式的还是明确的，当地管理和授权、参与以及最终可持续的社区之间的联系(Pahl-Wostl和Hare 2004;Folke et al. 2005)，这一概念上的联系有时也会引起争论(Wilder和Lankao 2006)。

在这种背景下，城市水务系统经常在两个层面进行过讨论：一个是小的家庭规模（如Surendran和Wheatley 1998年；Cowden等人 2008年），另一个是大的城市规模（如Mitchell等人 2001年； Mitchell and Diaper 2006年）。中间水平的得到的关注更少：小型新发展、社区或者是邻居（van Roon 2007年；Makropoulos等人，2008年）

本文以家庭和中间层次的规模作为研究对象，研究城市管理技术的选择对包含水消耗和能源消耗等众多指标的影响。

本文最初提出了目前可行的各种规模水管理的方案。在某种程度上，这种工作所有的分类困难在本文中有所展现和讨论。在确定选项之后，本文就更为细节的讨论提出了一些最有前景的系统。已经确定了代表一系列兼容技术的替代战略，以帮助在短期、中期和长期内集中注意若干有前途的技术。本文提出了四项这样的策略（一些较为现实，其他更为激进），以及引进了合适的评估指标。最后，定义了一项假设性案例研究，允许对每一项战略对城市水管理的影响以及提出和讨论的主要结论进行上下文相关的讨论。本文得出结，识别知识差距和有前途的研究新途径，以协助战略研究的优先权和规划。

技术选项

主要的城市水务管理基础设施的选项和技术是确定的，并被分为三种水流（给水、废水和排水）以及三者的整合（通过回收/再利用），用于集中式和分散式应用（表1）。这种收集、检查和分类用于为开发人员提供潜在选项，并作为一种资源，用于在新开发或改造干预的早期阶段进行“操作”类型的分析。它也提供了可能的空间，从中可以绘制出在这里提出的策略。

很明显的是，科技在概念上可能属于不止一种类别，并且集中式应用和分散式应用难以区别。有时，可能甚至无关（水箱是集中式供水技术还是分散式供水技术？）。

在本文中，我们将集中式技术和那些选择方案定义为那些涉及有助于城市规模的应用的选项，包括大范围配电网、大型储水设施和大规模的资源开发。将分散式技术和选项定义为，能够在开发层面运用的选项（例如，上至5000户人家）。他们包含了内部选项，如果这些可以广泛运用至对基础设施产生影响（例如，节水设备是这一分类的一部分）。在本项工作中的另一个区别，将科技定义为“传统的”、“有创新但于某些地方用过”或者是“新颖的”。这里的假设是，传统的选项方案出现在欧洲特别是英国的“一如往常”的情境中（Butler和Makropoulos 2006）。所以，比如说，已经成为整个欧洲废水管理中主流基础设施选项的独立的下水管道，被纳进了传统类别中。新颖但是在某些地方用过的技术目前并没有在欧洲广泛运用（例如，尿液分离、小管径排水管），但是在欧洲或者是世界的其他地方运用成功，且超出了原型规模（例如Berndtsson 2006;Otterpohl等，2003）。最后一类是“新颖”，指的是那些本质上还在试验或者依旧处在开发阶段的工艺，比如说空气置换厕所。

应当指出的是，这三种流动和回收类别之间也难以区分。因为回收明显是若干流动的集合体。例如说，双重供水能够被归到供水和回收中。在本文中，我们在循环利用技术中包含了双重供水，这中技术使得在用水需求和废水产生之间形成一个几近闭合的循环。比如说，在供水流量的双重供水的情况下，我们描述科技时无需考虑非饮用部分的来源。在循环体系之中，我们考虑特定的非饮用部分的情况，即是处理过的废水。

考虑到上述的分类存在困难，一些最重要的城市水基础设施相关技术选项涵盖在下表中。

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表1各种流技术特征的总结
供水	描述
供水水库	大规模的雨水储存一般在高地的位置，水质一般较好。
地下水开采	大规模开采的含水层，水质一般较好。
地表水抽取（间接废水回用）	大规模利用(典型的)水质变化的河水。可能从上游地区处理过的废水中抽取回用。
资源转移	从供应充足的地区大规模工程地水资源转移。
海水淡化	将海水或是微咸水处理至饮用水的标准。能耗高且有残留盐水。
双重供应系统	有两个管道系统，一个输送饮用水，一个则是非饮用水。有交叉联通的危险。
直接废水回用	在技术上，污水处理达到饮用水标准是可行的的，但即使在水资源最紧张的地区也难以做到。
瓶装水	瓶装水消耗量在迅速上涨，并很容易接受用瓶装水运送饮用水。
节水设备	室内新的或是改装过的设备，可以实现用更少的水完成相似的功能。
局部抽取	类似于地下水开采，但是只是局部开采，通常用于非饮用水的用途。
定制供应	仔细评估水质标准对特定用途的需求，与现场可用的水类型相匹配。
使用点处理	各种内部设备(如过滤器，紫外线消毒，系统软化)用于水处理。
雨水
合流制水管	废水系统雨污同输，在合流制污水溢流中有潜在污染物。
分流式雨水管	两个管网系统分别输送雨水径流和污水。
地下存储系统	在地下储存雨水的水箱或超大型管道，用于在降雨发生后有控制地释放。
合流污水溢流（CSOs）	合流下水道的溢流装置，在高流量(由降雨引起)下运行，未经处理但经过稀释后排放
地面滞留系统	储存在池塘和湖泊中的雨水，在风暴事件后进行控制释放。
沟锅/插入	在道路的沟渠入口下收集沉淀物，为提高捕获性能而设计。
湿地	可以改善雨水质量的自然发生的植被水体。
砂滤	以砂为滤料的工程过滤用于雨水水质的提高
入口控制	用于延迟雨水径流的小型设备(断开的落水管、雨水对接、地面积水)。
洼地和滤土带	用于输送和处理雨水的平坦条形或有草的缓坡沟渠。
可渗透表面	工程硬表面允许雨水下渗。
渗水坑	填满碎石的地下空间，让雨水渗入周围的下层土壤。
渗透的其他措施	其他形式的雨水渗透装置如沟渠和毛毯
过滤排水	一种过滤沟，包括用于排水的埋置穿孔管;用于农村道路排水
池塘	一种地上雨水储存区，可以是自然的或工程的，以减少流量和改善质量。
人工湿地	人工建造的湿地。占地面积大，具有改善水质特性、美观和生物多样性的好处。
绿化空间	预留用于收集和处理雨水的土地，其效益与人工湿地类似。
生物滞留盆地	浅盆地用来减缓和处理现场雨水使用本地土壤。
沉积盆地	通过重力作用沉降而形成沉淀物的盆地。
模块化系统	各种“现成”处理单元，如沉淀池和用于雨水处理的人工湿地。

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