Urban Water Systems and Wastewater Planning

In this chapter, we present an agent-based model of household water consumption simulation (HWCSim) for the visualization of policy effectiveness of total amount control for household water consumption and as a guide for sustainable water resource management. Within this model the volume of household water consump- tion is regulated through a negotiation process regarding water price adjustment between household and government. Water consumption in an urban area is examined as a closed local water market, and a water price negotiation process between the supply side and the demand side is simulated. This process reflects how the supply side (government) and the demand side (households) reach a consensus on water price. The world urban population is predicted to reach 5.0 billion in 2030 (United Nations 2007). As a result of massive immigration to urban areas, in the past decade, household-level population activities and environmental influences have become major fields in population-environment research (Sherbinin et al. 2008). People’s increasing interest in environmental protection has caused sustainable development to become a popular topic. Sustainable development in this context means that energy supplies are readily available at reasonable cost, but are also sustainable over the long term and can be used for all required tasks without negative social effects (Ibrahim 2010). Water is the most basic resource.

中小城镇排水工程规划对人民生活和社会发展具有重大而深远的影响，其方案选择决策存在着因素复杂、影响难以量化、目标不可公度、偏好难以集结等困难，笔者在分析城镇排水工程规划涉及的内容的基础上，研究了城镇排水工程规划项目决策的特点，针对不同层次、不同类型的城镇排水工程规划问题推荐了不同的决策分析方法。在城镇 A排水工程规划项目中，采用多阶段交互方法改进的多目标决策理论进行方案的选优，将书面调查法和头脑风暴法相结合，建立并逐步完善方案评比的指标体系，对所拟定的规划方案进行决策分析。

在污水处理系统单元解析的基拙上 , 生成远景年满足水体控制断面水质全部达标的基拙规划方案 , 并在此基拙上生成个调整的规划方案 。 通过建立用于解决多目标决策问题的指标体系 , 在各方案属性分析和归一化的基础土进行方案综合评价 , 最终确定方案四即相对集中相对分散的方案为优选规划方案 , 之后依此方案确定佛山市域污水处理系统的各阶段的实施规模 , 由佛山市政府组织实施 。

在对城市污水系统分三个层次进行分析的基拙上 , 对其作了一定的简化 、 假设和相应的约定 , 建立城市污水系统仿真模型 , 采用对仿真模型的核心类进行设计 , 提出了采用组件技术进行仿真模型开发的技术路线 , 并对仿真模型的功能和优势进行介绍 。 同时给出了采用该套仿真模型开发城市污水系统仿真平台的技术要点和相应的开发实例 。 城市污水系统仿真模型可以作为城市污水系统仿真平台的核心组件 , 提高其开发效率 , 是城市污水系统仿真的便捷解决方案 。

城市污水处理厂规划是一个涉及面很广的问题 。规划方案的选择 ,直接影响污水处理厂的投资 、 运行及养护的经济性 ,以及城市环境保护 、污水和污泥资源再利用等诸多方面[ 1 ]。 目前污水处理厂规划主流平台为 CAD ,CAD 附带属性数据库 ,但这种属性数据库不支持空间分析功能 ,辅助规划的自动化程度不高[ 2 ]。而基于 GIS 的数据库 ,不仅可以方便地表达污水系统规划方案 , 还可以辅助生成规划方案并对不同方案进行经济等方面的分析计算 。鉴于 GIS 第三代空间数据模型 G eodatabase在数据管理 、可扩展 、用户可定制和无缝存储等方面具有前两代数据模型 CAD 和 Cove2 rage无法比拟的优势[ 3 ] ,可以提高城市污水系统规划的效率 。 北京市最近的一次污水处理与排除规划制定于 1992 年 。由于工业结构调整 、水价上涨 、节水和污水回用等因素的影响 ,亟需对原有污水处理厂规划作全面验证和修订 。受北京市规划委员会委托 ,清华大学环境科学与工程系与北京市城市规划院合作 ,对北京市污水处理厂的合理布局及规模进行研究 。在该研究中 ,笔者开发了一套基于 G eodatabase 的北京市污水处理规划辅助地理信息系统 ,实现了城市污水系统的辅助规划 。 1 系统构建本规划辅助系统的构建流程见图 1 , 包括需求分析 、系统设计 、数据预处理 、建立 G eodatabase和系统运行与维护五个阶段 。 在需求分析阶段 ,主要确定原始资料需求 、系统图 1 数据库系统构建流程功能 、平台以及数据模型等 ;在系统设计阶段 ,主要进行本规划辅助系统的原型概念化设计 、逻辑结构设计和物理结构设计 ;在资料预处理阶段 ,主要是对原始资料进行预处理 ,同时标准化数据格式并定义其空间引用 ;在建立 G eodatabase阶段 ,主要任务是进行 G eodatabase的模式设计 、模式建立 、定义关系并加载数据[ 2 ] ,从而完成该系统的初步设计 。在系统运行与维护阶段 ,根据用户需求不断完善该系统 , 使其更好地辅助城市污水系统的规划 。 本系统图层主要分为四类 ———基础图层集 、污水规划图层集 、中水规划图层集和属性表集 。具体每个图层集包括的图层见图 2 。 该系统的开发 ,采用美国环境系统研究所开发的 GIS 专业软件 ArcInfo 8. 1 作为 G eodatabase应用平台 , 利用 Microsoft Access XP 作为存储 G eo2 84 给水排水 V ol129 N o18 2003 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 2 G eodatabase结构示意 database 数据的关系数据库 。 2 系统功能利用本规划辅助系统 ,可以对城市污水量和回用量进行计算 ,可以辅助污水处理厂厂址选择 ,辅助确定污水处理厂服务区并计算其规模 ,辅助污水管道和中水管道布置 ,对系统经济因素进行计算 ,对各规划方案进行表达 。系统功能框图见图 3 。 图 3 系统功能示意 3 规划方案的辅助确定和分析在北京市污水处理厂的合理布局研究项目中 , 辅助确定规划方案生成的步骤见图 4 。 (1) 初步划分污水处理厂服务区 。根据城市地形综合图层初步确定污水处理厂服务区 ,用 Polygon 对象表示各个污水处理厂的服务区 。

随着城市规模的发展，城市给水排水工程规划也提高到更高的时间和空间尺度， 同时规划所涉及的内容也大大增加，原有的规划方法在一定程度上不能够很好地解决目前出现的流域规划观念欠缺、城市内部给水排水有失于综合考虑、欠缺动态规划的考虑、欠缺与城市规划的协调等问题，这就需要有新的方法论来指导城市给水排水工程规划，解决目前存在的问题。笔者从以问题为导向、复杂巨系统求解、数学方法和系统工程的角度对城市给水排水工程规划理念进行重新定义，以对城市给水排水工程规划起到方法上的导向作用。

在对区域水污染控制系统进行需求分析的基础上 ，进行 ArcGIS平台 Geodatabase 的结构设计 ，并以佛山市水污染控制系统规划课题为例 ，介绍了 ArcGIS平台进行辅助规划的具体步骤 。实践证明 ，采用 ArcGIS平台辅助区域水污染控制系统的规划，可以提高规划效率及数据完整性 ，是其便捷的计算机辅助规划解决方案 。

昌平西部砂石坑生态修复规划龙流何永在北京周边地区荒漠化土地数量上升的同时 , 昌平西部地区的砂石坑已经成为北京地区风沙源的一部分 ‘图 、 图截止到年 , 昌平西部挖取砂石形成的砂石坑总面积已超过公顷 。 由于多数砂石坑位于河道及河道两侧管理保护范围内或者水源保护区内等生态脆弱地带 , 不仅带来表面的沙尘污染和景观 “ 溃疡 “ , 严重时对地表环境和地下水质也造成不同程度的破坏 。 依据有关文件挖砂取石等活动虽已被禁止 , 但整治办法尚未出台存在重新破坏的可能性 。 同时利用砂石坑搞建设的呼声较高但据专家分析在建设项目对这类环境影响的后果尚未深入研究并采取必要措施整治之前建设可能带来更严重的环境破坏和资源浪费 。 现状砂石坑在上版规划中 , 多数被纳入绿化用地范围 。 从生态修复学考虑 , 在城市规划中如此处理是有一定问题的因此在新一轮昌平区域城市规划中开展了专门的砂石坑生态修复规划目前 , 当地已经自发开展了一部分砂石坑处理工程如在砂石坑基础上修建鱼塘 、 建设高尔夫球场 、 开展农家旅游等当地政府同时也批复了在砂石坑地区建设工业区文教设施等 。 具体的砂石坑现状利用图片如图图 、 图所示 。 砂石坑利用方式探讨砂石坑修复方式的选择取决于以下因素位置周边地形有无建设用地等 、 大小 、 地形深度 、 坡度等 、 投资规模 、 景观现状 、 生态条件土壤 、 植被 、 地下水位等 、 产权所属建设局等等 。 具体包括以下几种蓄滞洪区 、 垃圾填埋场房地图砂石坑现状分布图图砂石坑现状图图砂石坑地区的土壤特征及深入研究工作 。 在生态修复规划中 , 根据各处砂石坑的景观现状 、 生态条件等相关因素生态修复方式主要选择为建设用地皿换 、 本土植物修复和自然修复 。 建设用地盖换保护原有地区的生态服务功能 。 规划进行工业用地 、 居住用地和公建用地的置换 。 本土植物修复利用适应砂石坑地区土质 、 气候条件的本土植物进行生态修复发挥野草 、 乔木的生态效益 。 规划进行蓄滞洪区湿地 、 城市绿地和林地的建设 。 自然修复依靠自然的力进行修复 , 降低砂石坑地区的人类活动缓解其生态压力 。 砂石坑分布及利用现状昌平西部砂石坑现状分布如图所示图中标示了砂石坑地区的现状土地利用类型 , 从中可以看出多数为未利用地 。 图建设中的南口畅心园图冬季的鱼塘图规划为工业用地的砂石坑 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 产开发 、 公园 、 高尔夫球场 、 鱼塘 、 农田 、 绿化 、 工业用地和休闲度假用地等如表所示表中对各种修复措施的适用条件 、 政府投入效益高低 、 生态补偿措施等进行了分析 。 砂石坑生态修复规划根据昌平砂石坑的现状利用情况以及可以采用的修复方式 , 结合昌平不同砂石坑的实际情况推荐保持现状 、 蓄滞洪区 、 鱼塘 、 旅游用地工业用地等利用方式 。 在本次规划中砂石坑的修复规划如图所示 。 本次规划所采用的各种修复方式的砂石坑空间分布 、 具体修复措施等内容见图一图 。

在对区域水污染控制系统 C AP模型进行需求分析的基础上 , 采用 UM L技术进行 C AP模型的结构设计 , 提出了采用 G eodatabase作为 C AP模型的开发模式 。 以佛山市水污染控制系统规划为例, 介绍了采用 C AP模型进行辅助规划的具体步骤 。 实践证明, 采用 C AP模型辅助区域水污染控制系统规划 , 可以提高规划效率及数据完整性 , 是其便捷的 C AP解决方案 。

传统的城市水资源管理系统大都是基于关系型数据库的, 缺少基本的地理信息和空间分析与表达功能。 为了提高城市水资源管理与决策的信息化和现代化水平, 在分析和总结城市水资源管理的功能需求以及前人进行的有关地理信息系统 (G IS) 应用于城市水资源管理的探索与实践的基础上, 提出一种将Geodatabase、G IS空间分析工具及水资源管理模型系统集成来实现城市水资源管理的新型解决方案, 分析了Geodatabase 数据模型与城市水资源管理集成的优势。以洛阳市为案例, 对城市水资源管理系统进行了应用研究。

基于恢复生态学 、生态经济学和景观生态学的理论和生态修复的技术方法 ,分析了寨口石灰石矿区生态环境问题 ,由此探索性的提出了适用于石灰石矿区生态修复的策略 。然后根据寨口石灰石矿区的发展方向 、限制性因素等实际情况 ,因地制宜地将其划分为若干修复区 ,对不同修复区给出相应的修复策略 、利用方式和技术措施 ,最后给出规划实施的若干建议 。

区域水污染控制系统规划支持模型研究 Planning Support Model in Regional Water Pollution Control System (申请清华大学工学硕士学位论文) 院（系、所） ： 环境科学与工程系专业 ： 环境科学与工程研究生 ： 龙瀛指导教师 : 贾海峰副教授二零零四年六月区域水污染控制系统规划支持模型研究龙瀛关于论文使用授权的说明本人完全了解清华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该论文。 (涉密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名： 日期： 中文摘要 -I- 摘要区域水污染控制系统规划涉及众多数据的管理、查询、分析、计算以及决策等工作，计算机技术在环境规划中已经有了一定的应用，出现了计算机辅助规划（Computer Aided Planning，CAP）系统的概念，主要用于实现辅助规划的功能。笔者通过对国内外CAP系统的深入调研，发现现有的CAP系统一般都具有较强的规划项目针对性，一个规划项目的CAP系统一般很难移植到另一个甚至类似的规划项目。究其原因是现有CAP系统的开发模式不利于代码复制，不具有较好的平台移植性。 针对这个问题，笔者提出规划支持模型（Planning Support Model，PSM模型）的概念，可以作为区域水污染控制系统规划CAP系统的开发基础，提高其开发效率，具有较强的普适性。 文中笔者在对区域水污染控制系统规划进行深入剖析的基础上，对PSM模型进行结构需求分析和功能需求分析，确定了PSM模型的总体结构， 并采用软件工程通用建模语言UML进行PSM模型的总体设计和详细设计，其中详细设计主要包括PSM模型中要素模型、域模型、关系模型、方法模型和模拟模型的设计。在模型开发部分，有针对性地给出COM和Geodatabase两种开发模式。 对于COM开发模式， 在采用COM技术对PSM模型开发的基础上，结合COMGIS进行PSM-CAP系统（基于PSM模型开发的CAP系统）的开发；而对于基于Geodatabase的开发模式，分别对基于Geodatabase的要素模型、域模型和关系模型的开发和基于Microsoft Access的方法模型的开发进行详细介绍，并在此基础上介绍了PSM-CAP系统的实现方法。 在佛山市水资源保护与水污染控制规划项目中， 基于Geodatabase模式开发的佛山市水污染控制系统规划支持模型（FSH-PSM）得以成功应用，文中具体针对规划的各个过程中FSH-PSM模型的应用方法和实现的功能

通讯联系人：杜鹏飞，北京市清华大学环境科学与工程系，100084 Tel ：62785610 1 第三代地理数据模型与城市水资源管理集成的研究与实践龙瀛，杜鹏飞 (清华大学环境科学与工程系，北京 100084) 随着我国城市化进程的不断加快 ，城市对水资源的需求急剧增加 ，水资源供需矛盾日益尖锐，全国 663 个城市多达 400 个缺水。而不同程度的水环境污染和管理决策失误，又加剧了严峻的水资源危机。有效的水资源管理已成为保证人类社会、经济和环境可持续发展的重要手段。2001 年 ESRI 提出的第三代地理数据模型――Geodatabase，一改前两代地理数据模型中空间数据和属性数据独立存储的模式，功能上进行了较大的扩展，其技术特征使得它可以在第二代数据模型的基础上更好地支持城市水资源管理。在洛阳市 2010 年节水技术进步发展规划项目中这种集成得以成功应用。 1城市水资源管理需求分析城市水资源是指能被城市利用的所有类型的水资源 ，包括雨水、地表水、地下水、海水和再生水等五类。城市水资源管理的对象并不限于水资源本身，还包括人类从事水资源的开发利用和保护过程的各个环节（如供水、用水和排水等）。各环节既自成体系，彼此间又密切相关。因此，城市水资源管理的对象实际上是一个动态的多目标系统。它可分为四个子系统： 水资源状态系统（水源系统），水资源开发系统（供水系统）、水资源利用系统（用水系统） 和废水再生系统（排水系统）。城市水资源管理要求从更高的层次来协调这四个子系统的关系。 城市水资源管理的目标 ，就是要充分利用城市水资源的可恢复性和可再生性特征 ，通过科学管理，最大程度地降低或消除因水资源固有的脆弱性带来的不利影响 ，使有限的城市水资源得到持续合理的开发利用，以满足因城市社会经济持续发展和城市居民生活水平不断提高而持续增长的用水需求，并产生最大的资源效益、环境效益、经济效益和社会效益。 2 Geodatabase及集成的可行性分析 Geodatabase 是一种新型的面向对象的数据库，是继 CAD 数据模型和 Coverage 数据模型之后的第三代地理数据模型。它采用面向对象技术将现实世界抽象为由若干对象类组成的数据模型，每个对象类有各自的属性、行为、规则，对象类之间又有一定的联系。用户可以在已有地理数据模型的基础上，建立符合自己需求的扩展模型。 GIS 以其强大的空间数据和属性数据的维护能力及强大的空间检索查询功能，为城市水资源管理过程中实时获取信息和决策分析提供了一个有效的工作平台和可靠的技术支持 。

G eodatabase是美国环境系统研究所 ( ESRI) 提出的第三代地理数据模型 , 在分析和总结城市排水系统规划涉及的内容以及前人进行的有关 GIS应用于城市排水系统规划的基础上 , 对 G eodatabase数据模型与城市排水系统规划集成的优势进行分析 , 并提出了基于 G eodatabase的辅助城市排水系统规划的新型解决方案 。在北京市污水处理厂合理布局规划项目中 , 该解决方案得以成功应用 , 并被证明在城市排水系统建模 、规划数据管理以及规划方案生成效率等方面 , 较传统的第二代地理数据模型更具优势 。

以国内一建筑 C AD给排水设计系统为例 ,提出了一种进行建筑给排水 C AD的空间相容性分析方案 ,主要用于检查建筑给排水系统在设计阶段管道 、管件以及结构构件的空间相容性 。针对空间相容性分析运算量较大的特点 ,介绍了几种空间相容性分析算法优化的具体方法 。 该模块可以提高建筑给排水 C AD的设计质量 ,具有较为广阔的应用前景 。

In the project of “Beijing wastewater plants layout plan”, the geodatabase system to aid the planning was developed and utilized. The geodatabase system adopts the 3rd generation spatial database data model—Geodatabase developed by ESRI Corp., and employs ArcInfo 8 as the application platform. Both the spatial analysis function of ArcInfo and the query function of relation database are sufficiently utilized in the system. The design of the geodatabase system involved several steps: the requirement analysis, the prototype design, the logic structure design, the physical structure design, the original data processing and the data import into Geodatabase. As the assistant platform of wastewater plants layout plan, the system has the function of partitioning water drainage, defining service region and deciding the capability of wastewater plants, laying the wastewater and reclaimed water pipes, calculating the amount of graywater reusing, computing cost of different scenarios, displaying different scenarios, .etc. The structure and content of the geodatabase is regulated all through the utilizing period of the system. In the project, the system of geodatabase is utilized sufficiently. It is proved to be more automatic and accurate than that of CAD data model, the traditional urban engineering plan platform. It is believed that such system would be a new means to solve the urban engineering plan issues.