1 引言(Introduction)

农村人居环境整治对加快改变农村发展面貌、改善农民生产生活条件、补齐农村建设短板和全面建成小康社会具有重要意义(胡明等, 2019).推进农村人居环境整治工作重点是农村垃圾污水治理、厕所革命、村容村貌提升, 核心是农村垃圾和污水治理(于法稳等, 2019).据2017年城乡建设统计年鉴表明(住房和城乡建设部, 2017), 2016年农村生活污水处理率仅为20%, 而农村生活污水处理系统建设和运行的合格率分别不到40%和20%.2017年我国有自然村约244.88万个, 乡村户籍人口近7.56亿人, 农村生活污水年排放总量约240亿方, 且随着农村人均用水量的逐年递增, 农村生活污水排放总量仍会持续增加.因此, 农村生活污水处理逐渐成为制约乡村人居环境改善的瓶颈.

经过近20年的发展, 预计2020年乡村生活污水处理率将达到30%.然而, 当前我国开展的农村生活污水治理, 绝大多数陷入城市污水治理的陷阱(Dodd et al., 2008), 照搬、模仿和沿袭城市生活污水治理范式, 混合稀释、直肠式排泄、末端集中处理(张健, 2006).这种污水治理范式在解决人类卫生问题的同时, 造成了大量资源、能源和资金的浪费(Vogel, 2012; Mcconville et al., 2014).和城市污水相比, 农村污水具有分散、变化系数大、收集困难等特点, 基于城市污水的治理模式较难适应农村.结合我国农村污水治理现状(戴红等, 2020), 由于前期污水治理模式选择不当, 导致后期污水治理的建设、运维成本增加的案例时有发生.

目前, 关于我国农村污水治理模式分类, 不同区域和学者之间存在差异(沈丰菊等, 2014；蒋涛等, 2018), 按照污水集中收集程度可划分为原位处理(单户或联户处理)、分散处理、村组集中处理、纳管处理等模式(关睿等, 2020).关于农村污水治理模式的划分依据, 目前并没有一个相对科学的标准, 大多数引用城市污水处理厂集中与分散规划作为依据(Geenens et al., 2000；于法稳等, 2019), 以此作为农村污水集中与分散治理判据是否合适有待验证.关于农村污水治理系统集中或分散布局, 很少有学者以此为对象开展研究, 更多的研究集中在城市污水处理系统的布局研究中(Cheng et al., 2020).影响农村污水治理系统集中或分散布局的影响较多, 如人口聚集、地形地貌以及河湖沟壑等(刘俊新, 2017), 以及农村所在区域的类型, 如山区、平原区、民俗旅游、城乡结合部村庄等(王洪臣, 2018)都将直接或间接影响规划布局.在区域污水分散或集中处理规划中, 1994年王永航等(1995)在对污水输送费用与综合费用效益的关系分析中, 提出用临界距离作为集中/分散布局的判据, 此后便衍生出一系列基于临界距离的城市污水处理系统布局研究(张丽丽, 2009；占定春, 2014；高盼, 2016).基于此, 本文以北京市平原区农村污水治理为例, 采用费用-效益分析的经济评价获取临界距离, 以此作为农村污水集中与分散治理模式的判据, 为农村污水治理模式优选提供技术支撑.

2 研究方法(Methods) 2.1 农村污水治理模式优化依据

确定农村污水治理模式是开展村污治理的首要环节, 集中与分散治理是争论的焦点, 同时也是决定治理成败的关键.影响集中与分散治理模式决策的要素, 集中在污水治理成本与污水输送成本之间的博弈, 较大的处理规模能够带来一定的规模效应, 但高昂的污水输送费用制约了污水处理规模的无限制扩大, 从污水处理与输送成本两方面综合考虑, 集中与分散处理都存在一定度的问题(龙腾锐等, 1998), 污水处理设施的收水范围是衡量这个“度”的最好指标.因此, 借助城市污水处理厂规划思路, 引用临界距离的概念.以集中处理厂到各污水源的距离求得的最小输水费用等于按传统标准条件下考虑的区域综合最大的经济效益, 这个距离即为临界距离(Fuentes et al., 2020).基于此, 本文主要以临界距离作为农村污水治理模式优化依据, 以此作为指导实际工程应用的标准.

2.2 假设条件

临界距离衍生于水污染控制系统最优化均匀处理问题, 以及污水厂厂群规划问题(钟雨倩, 2005), 与之相关的数学模型是建立在一定的假设条件之上, 结合临界距离的产生背景(王永航等, 1995)、应用场景(卜全民, 2011), 以及本文的研究对象, 假设条件归总如下(王永航等, 1995；张丽丽, 2009)：

① 模型中未考虑地形因素, 将规划区域视为理想的平面, 不过多地关注管线的管径, 而仅考虑管线长度.

② 模型中每个农户、每个自然村都可以视为一个排污点, 且每个排污点的位置都能设置潜在的污水处理站.

③ 每个排污点满足“全部处理或全部处理策略”, 关于这种策略经济性证明可参见《环境系统分析》.

④ 在考虑集中处理费用效益时忽略污水输送费用, 本文研究的是费用效益的上界而不是效益的最大值.

⑤ 对于一个单一建站的集中治理模式, 当所有排污点的流量相等且等于区域平均流量时, 此时区域效益最大且可获得.

2.3 临界距离模型

基于临界距离定义, 以及前人关于临界距离模型的推导, 临界距离计算公式见式(1).

(1)

式中各字母的定义、单位可参见相关临界距离模型推导研究(Downey Brill et al., 1978；Lauria, 1979；陈荣, 2011；薛峥等, 2011).

3 案例研究(Case study)

本研究拟选取紧邻北京通州副中心的潞城镇作为案例研究对象.潞城镇位于北运河与潮白河两河之间, 总面积为144 km², 镇域面积为70.76 km², 辖54个自然村, 乡镇级行政村常住户数19853户、51492人, 人口密度约为360人· km^-2.本案例的研究对象为潞城镇除拆迁上楼村庄之外的所有村庄, 为满足临界距离计算的需要, 收集了潞城镇镇域范围的高程图, 同时结合对各村庄的调研, 现场测量了各村庄的高程信息以及其他基础信息, 案例研究区域如图 1所示, 潞城镇各村庄基本情况如表 1所示.

4 北京市农村污水治理现状(Current situation of rural wastewater treatment in Beijing) 4.1 北京市农村污水治理发展历程

北京市农村污水治理始于2000年, 以推进小城镇建设为契机, 安排专项资金加快33个重点镇污水处理厂建设, 解决了重点镇周边19座村庄污水的收集处理问题.2003年, 以京津风沙源治理、水土保持、水源地保护为重点, 开展生态清洁小流域工作, 实行“污水、垃圾、厕所、河道、环境”五同步治理, 共建成农村污水处理设施85座, 覆盖87个村庄.2006年, 实施以让农村“亮起来”、让农民“暖起来”、让农业资源“循环起来”为主要内容的“三起来”工程, 开展农村厕所改造、农村污水收集处理等工作, 共建成农村污水处理设施351座, 覆盖227个村庄.2009年, 制定新农村“五项基础设施”建设规划, 积极推进郊区村庄的街坊路、安全饮水、污水处理、厕所改造和垃圾处理5方面的建设, 共建成农村污水处理设施236座, 覆盖153个村庄.2013年至今, 先后启动实施了3个“三年行动方案”, 分别为《北京市加快污水处理和再生水利用设施建设三年行动方案(2013-2015年)》、《北京市进一步加快推进污水治理和再生水利用工作三年行动方案(2016年7月—2019年6月)》和《北京市进一步加快推进城乡水环境治理工作三年行动方案(2019年7月—2022年6月)》, 在第二个和第三个“三年行动方案”中分别计划解决760个和900个村庄的污水收集、处理问题.通过近20年农村污水治理工作, 北京市农村污水治理模式已逐步形成, 根据农村地区污水排放特点, 北京市农村污水治理划分为分户处理、联村或单村处理、城镇带村处理3种模式.分户处理等同于原位处理、单户处理或者小范围联户处理, 联村或单村处理是以一个自然村为治理单元的小集中处理, 城镇带村处理是通过管网的方式将污水纳入城镇污水系统进行处理.北京农村污水治理模式的划分与其他区域(周莉, 2012)没有本质上的区分, 只是在名称和规模上有所差异, 在下文治污模式上以北京市所采用的方式进行论述.

4.2 北京市农村污水治理概况

基于《北京市水务统计年鉴-2019》、《北京市统计年鉴-2019》和《北京市生态环境状况公报-2019》等统计资料, 结合2018-2019年在全市范围内开展的农村污水治理调研, 从北京市农村生活污水治理村庄数量、治理模式和厂站规模等方面阐述北京市农村污水治理概况.截止到2018年底(图 2), 全市村庄共计3920个, 已完成农村污水治理的村庄1906个, 剩余2014个待治理, 已治理村庄约占全市49%.在余下未治理村庄中, 通州、顺义、大兴、延庆、昌平和房山未治理村庄约占总未治理村庄的76%, 其中通州、大兴和延庆未治理村庄数分别为360个、265个和254个, 这3个区域农村污水治理压力较大.

关于村污治理模式, 不同行政区之间存在一定差异.由图 3可知, 采用城镇带村治理模式较多的乡镇分别为朝阳、丰台和海淀, 分别占各自污水处理总量的82.5%、75%和57.4%；采用联村治理模式较多的乡镇分别为通州、大兴和顺义, 分别占各自污水处理总量的41.6%、30%和21.7%；采用单村治理模式较多的乡镇分别为密云、怀柔和延庆, 分别占各自污水处理总量的90.3%、86.2%和76.5%.由上述各乡镇采取的农村治理模式可知, 城镇带村治理模式适用于城镇化率较高的区域, 如朝阳、丰台和海淀, 这3个行政区的城镇化程度明显高于其他区, 相应的市政管网较丰富, 地势平坦, 有利于农村生活污水汇入周边管网.联村治理模式适用于过渡带区域, 即城镇化程度不太高, 但是整体地势起伏较小, 有利于在小范围内将临近村庄的污水汇聚后集中处理, 如通州、大兴和顺义.单村治污模式适用于城镇化程度较低的边缘山区, 不利于修建大范围收水管网, 但户与户之间居住不是特别分散, 能够采取单村集中的方式处理, 如密云、怀柔和延庆.从北京市各区县在污水治理模式选择上可知, 北京市农村污水治理满足因地制宜、一区一策的方式, 具有一定的科学性.

北京市农村生活污水治理厂站规模, 不同行政区之间存在一定差异.由图 4可知, 朝阳和大兴厂站规模主要为大于1000 m³ · d^-1, 分别占比为81.2%和53.3%；丰台、海淀、通州、顺义和昌平厂站规模主要为50~500 m³ · d^-1, 分别占比为90.9%、65.2%、47.4%、47.2%和60.4%；平谷、怀柔、门头沟、房山、密云和延庆厂站规模主要为5~50 m³ · d^-1, 分别占比为75.6%、72.7%、62.1%、54.4%、68%和46.8%.规模小于5 m³ · d^-1以及500~1000 m³ · d^-1的厂站在各区县所占比例较小, 其中厂站规模小于5 m³ · d^-1的占比较高的是密云, 约占密云总数量13.9%；厂站规模500~1000 m³ · d^-1的占比较高的是海淀, 约占通州总数量17.4%.由上述分析可知, 厂站治理规模与治理模式具有一定的相关性, 城镇带村的治理规模通常大于500 m³ · d^-1, 联村治理模式的厂站规模约为50~500 m³ · d^-1, 单村治理模式的厂站规模约为5~50 m³ · d^-1, 原位以及分散治理模式的规模通常小于5 m³ · d^-1.

5 结果与讨论(Results and discussion) 5.1 厂站建设费用关系拟合

由临界距离的计算公式可知, 关于重力流输送管道基建费用以及农村污水处理厂站基建费用是至关重要的.与城市污水收集管网不同, 农村地区分散、地形条件复杂、河道沟渠纵横等条件, 导致其管网建设费用与市政管网建设费用存在一定差距.与城市污水处理厂不同, 农村污水处理厂站通常面临负荷波动大、厂站规模小、专业运维条件差等, 导致厂站建设费用与城镇污水处理厂也存在较大差异.因此, 本文基于北京市农村污水治理背景, 在全市范围内调研已经建设完成、并正常运行一年以上的不同规模厂站, 以此作为建设费用拟合的样本, 具体样本如表 2所示.

由表 2可知, 用于建设费用统计的厂站数量累计113个, 分布在全市13个区县, 其中约30%的样本点集中在通州, 获得拟合曲线能够用于通州区潞城镇农村污水治理模式优选.在进行建设费用统计过程中, 将相同规模厂站的数据合并处理, 将相同尺寸管径的建设费用合并处理, 在拟合曲线过程中将相同规模厂站以及相同管径管网的建设费用按照平均值来处理, 各项费用支出以当年的数据为基础, 不考虑物价变动导致的经济性问题, 建设费用拟合结果如图 5所示.由图 5可知, 建设费用能够获得比较理想的曲线关系(R²均大于0.9), 厂站建设费用与厂站规模之间的拟合曲线为：y=6.3083x^0.6244, 管网建设费用与管径之间的拟合曲线为：y=103.0195x^0.4924.关于厂站建设费用与厂站规模之间的拟合曲线, 其他学者也有做相关的拟合, 如北京市环科院曾总结污水处理厂的费用函数为y=5427.75x^0.85(建设费用)和S=514.23Q^0.71(运行费用)(张丽丽, 2009), 上海市环保局基于调研数据拟合了污水处理厂费用模型为C=3.512Q^0.7878 (薛峥等, 2011).由上述分析可知, 尽管本文拟合的方程系数与城市污水处理厂存在差异, 但是厂站建设费用与规模的拟合与现有研究相似, 即农村污水厂站建设费用也具有一定的规模效应.在后续临界距离计算中, 直接将拟合方程代入即可.

5.2 临界距离分析

关于农村污水治理模式的优化涉及两个环节, 第一个环节是户与户之间的临界距离计算, 在计算该临界距离时, 将每户看成一个固定的污染源, 通过计算户与户之间的临界距离, 区分单户、联户以及户与户之间小范围集中的原位处理模式, 亦可称其为分散治理模式.第二个环节是村与村之间的临界距离计算, 此时将每村视为一个固定的污染源, 通过该临界距离的计算, 能够区分单村、联村、城镇带村治理模式.基于潞城镇各村的调研数据、厂站和管网建设费用拟合曲线, 潞城镇农村污水治理模式优选判据——临界距离计算结果如表 3所示.由表 3可知, 不同村庄内的户间临界距离存在较大差异, 其中最小户间临界距离为崔家楼村的152 m, 最大户间临界距离为西堡村的249 m, 平均户间临界距离为191 m.结合各村庄实际调研数据, 潞城镇各村庄户与户之间相对比较集中, 平均户间距离为35.2 m, 最大户间距离为108.7 m, 均小于最小户间临界距离.因此, 潞城镇各村庄不适宜采用原位的单户、联户类似的分散治理模式.

由计算所得的村间临界距离可知, 不同村之间同样存在较大差异, 最小村间临界距离为夏店村的2.19 km, 最大村间距离为大营村的9.65 km, 平均村间临界距离为4.51 km.按照临界距离定义, 在临界距离范围内的村庄适宜合并处理.因此, 基于各村计算的临界距离与村与村之间的实际距离进行比较, 当村与村之间的实际距离在彼此的临界距离范围内时, 将这些村的污水收集后集中处理经济性较好.结合上述两类临界距离的计算结果, 潞城镇农村污水治理模式优化结果如图 6所示.潞城镇现有两座大型污水处理厂, 即河东再生水厂和甘棠再生水厂, 目前的处理规模分别为48000 m³ · d^-1和10000 m³ · d^-1, 暂且将其划分为城市再生水厂和乡镇再生水厂, 汇入再生水水厂的治理方式分别称为城带村和镇带村.以镇带村为例说明如何依据临界距离优化治理模式, 在村间临界距离中找出最小的村庄夏店, 以夏店村的临界距离为半径、夏店村为圆心画圆, 在圆心范围内的村庄都可以采用合并处理的方式, 此时甘棠再生水厂也在临界距离范围内, 因此将临界距离范围内的村庄污水采用镇带村的方式统一汇入甘棠再生水厂进行集中处理.其他村庄治理模式划分按照上述过程操作, 各村治理模式优化结果如表 3和图 6所示.由优化结果可知, 潞城镇农村污水处理主要采用城带村解决6个村庄污水治理问题, 采用镇带村解决8个村庄污水治理问题, 采用联村解决18个村庄污水治理问题, 采用单村解决1个村庄污水治理问题.在联村治理模式中, 太子府和康各庄联村处理、前榆林村和后榆林村联村处理, 其他村庄采用大联村方式集中处理.

关于农村污水集中与分散治理模式的判据, 至今没有统一的判定标准, 本文尝试在这方面做一些探索性工作.在分散与集中治理模式选择上, 大多数学者选择采用5 km作为适宜接入市政管网的判据, 通常认为在距离市政管网5 km范围内、且地形高程符合接入条件的, 均可采用接入市政管网的方式进行处理, 即采用城镇带村治理模式.例如何刚等(2007)基于新农村污水治理工作的经验认为, 对于距离城镇污水管网较近(5 km以内), 符合高程接入要求的村庄污水适宜采用接入城镇污水处理厂的治理模式；徐志嫱等(2007)基于费用函数, 以临界距离作为污水集中或分散处理再生回用的判据, 研究结果表明集中式再生水厂半径约5 km范围内采用集中处理再生回用经济性较好；卜全民(2011)结合我国农村污水处理现状, 研究了我国农村污水处理的主要模式, 接入市政管网模式适用于距离市政污水管网在5 km范围以内的村庄；周莉(2012)认为农村污水处理包括分散处理和集中处理两种方式, 其中城镇集中处理模式适用于距离市政污水管网5 km以内的村庄, 且地形高程符合接入条件(Geenens et al., 2000；卜全民, 2011)；刘凤梅(2013)总结了盘锦市农村污水治理的成效和经验, 在处理模式上建议将距离市政管网5 km以内符合接入城市污水处理厂的农村, 接入市政污水管网集中处理；于法稳等(2019)基于我国农村生活污水治理现状, 结合广泛基础调研表明, 城镇污水管网延伸的半径5 km范围内的村庄污水, 依靠重力汇入管网进行集中处理经济性较优.然而, 结合本文计算所获得村间临界距离可知, 选用5 km作为城镇带村治理模式判据稍有不妥.一方面, 每个村庄都有各自独特的特征, 从临界距离结算结果可知, 没有两个临界距离相同的村庄, 采用统一标准来衡量所有村庄实为不妥；另一方面, 无论从村间临界距离的最小值、平均值以及最大值来看, 选用5 km作为城镇带村治理模式判据亦有不妥.尽管各村之间的临界距离存在差异, 但是在特定的研究区域内, 用平均临界距离作为判据能够满足工程需要.因此, 结合本文临界距离计算结果分析, 潞城镇农村污水治理模式判据, 建议户间临界距离选用190 m、村间临界距离选用4.5 km.

6 结论(Conclusions)

1) 北京市农村生活污水治理始于2000年, 在政府引导和政策支持下, 北京市主要采用单村和城镇带村治理模式, 建设规模为50~500 m³ · d^-1的污水处理厂站, 解决北京市49%的村庄污水治理问题.

2) 临界距离理论计算结果表明, 户间临界距离和村间临界距离建议分别选用190 m和4.5 km, 以此作为潞城镇农村污水治理模式优选判据.

3) 潞城镇农村污水治理模式优选表明, 通过城带村、镇带村、联村和单村分别解决6、8、18和1个村庄污水治理问题.

7 展望(Outlook)

通过上述研究获得潞城镇农村生活污水治理模式, 和现有的分散与集中治理模式判据相比, 本文研究结论与实际情况更相符.尽管通过临界距离能够优选治污模式, 但本文仍存在一些问题有待深入研究, 如本文仅考虑了治污模式优选的经济性, 在费用-效益分析过程中并未涉及地形、地势带来的影响, 乡镇尺度上的规划无法较好体现经济性等.结合治污模式优选的重要性, 基于本文研究存在的不足, 建议继续在以下几个方面开展深入研究：

① 开展涉及经济、环境和社会指标的综合评价研究优选治污模式.和城市污水治理类似, 农村污水治理决策不仅需要考虑经济性, 而且应兼顾乡村人居环境改善、乡村振兴、居民需求、环境容量等需求, 使得优选的治污模式能够达到综合效益最优.

② 因地制宜、一区一策优选村污治理模式.北京市各区县在经济、区位以及发展模式上差异性较大, 用统一判定标准优选治污模式难免有失偏颇.因此, 在制定区县治污模式决策时, 建议充分调研研究区域基础信息, 结合区域发展规划, 因地制宜、一区一策地优选治污模式.

③ 打破行政边界束缚, 在县域及以上尺度统筹农村污水治理规划.无论是城市污水或农村污水, 在管理上都存在属地责任划分, 导致污水治理规划只能在行政边界内统筹, 严重制约了污水治理系统性规划实施, 难免增加污水治理的建设成本和运维费用.