基于生命周期费用的农村污水处理模式决策模型与规划研究

农村地区人口较为分散、资源相对有限，生活污水的有效治理是一项全球性的挑战。农村污水治理方案的决策通常涉及到国家政策、政府规划、项目实施等多个层次。我国地区差异巨大，如何才能因地制宜地制定科学的治理模式、提高资金投入的效率是各级政府所关注的重要决策问题。本研究从工程项目层面出发，在自然村的分辨率下，开展基于生命周期费用的污水处理模式决策研究。本研究针对离网式、邻镇纳管式、村自建厂式这三种典型农村污水处理模式，构建了全生命周期费用模型，对模型中的参数进行了敏感性分析，并以湖南省慕隆村为案例进行了模型验证；基于费用模型求解得到适用于我国农村国情的污水处理模式优选决策临界曲线，绘制出广东、湖南、河南省农村地区的最优处理模式分布图；综合考虑经济与生态效益开展了农村污水优先治理地区的决策分析；设计开发了农村污水处理项目规划的决策支持平台。

论文首先构建了农村污水处理模式的生命周期费用模型、决策临界曲线以及基于多目标优化的农村污水治理优先区域决策模型用于农村污水项目规划的决策。筛选出对污水处理模式决策产生影响的主要因素，构建了从建设安装阶段到运行维护阶段的生命周期费用模型，形成了人口总数、人均可支配收入、地形坡度指数同污水处理项目造价费用间的解析关系式。通过生命周期费用模型对不同处理模式造价费用接近的农村地区特征参数进行反推，以判别各污水处理模式最适用的区域特征，形成污水处理模式间的决策临界曲线簇。构建了包含直接经济效益和间接生态效益的项目效益评估模型，并耦合优化算法，提出了基于多目标优化的农村污水治理优先度计算框架。

绘制了农村污水处理模式的决策相图，发现农村污水处理模式间的临界费用受地区人口规模、经济发展水平的影响较大，受地形条件的影响较小。离网式与邻镇纳管式的临界人口总数为0.45万人，离网式与村自建厂式的临界人口总数约为1.6万人，邻镇纳管式与村自建厂式的临界人均可支配收入为0.99万元。人口规模为1.7万人、人均可支配收入为1.1万元、地形坡度指数为40的行政村采用三种污水处理模式的费用相等，均为10719.83万元。灵敏度分析发现离网式污水处理模式的费用计算应注意设备建设安装费用的取值准确性，拉网式污水处理模式费用计算则需重视人均日产污水量、污水处理厂日均运行维护费用以及污水干管管径等参数的准确取值；在经济发展水平高、人口规模大、地形条件复杂的地区，应额外重视干管管径、土方开挖费以及管道材料费等参数的取值准确性。

广东、湖南、河南省三省的区划研究发现，三个省份中地形平坦的地区通常经济发展水平高、人口规模大，适宜采用邻镇纳管式，且该模式的适宜区域随经济发展水平的提升而扩增，而地形崎岖的地区通常经济发展水平较低、人口规模较小，适宜采用离网式和村自建厂式，村自建厂式更适用于其中地形较为平坦的区域。

在综合成本效益情景、效益优先情景、成本优先情景等多类决策情景下，基于全省净收益的最大化为省内不同区域的污水治理划分优先度排序，发现综合考虑成本与生态、经济效益的规划情景能获得所有情景中最高的效益成本比。人口规模对项目的治理优先度影响最大，人居面积次之，经济发展水平和地形条件对治理优先度的影响非常小。将前述研究成果进行集成化应用，针对我国农村污水处理项目的规划搭建了可为决策者提供理论支撑的决策支持系统，通过计算污水处理项目全生命周期的经济成本与效益、对各类污水处理技术进行适宜性评估，并智能生成决策分析报告。

本研究构建的农村污水处理模式决策框架能够帮助各级政府因地制宜地选择经济性最佳的污水处理模式，提高公共资金利用效率，同时促进经济与生态效益的协调发展。决策支持平台的搭建更为决策者提供了便捷的决策工具，为相关决策提供了理论支持，有助于优化农村污水处理项目的规划与实施，从而促进我国农村水环境治理信息化水平的提升，为我国改善农村人居环境和实现美丽乡村建设做出积极贡献。

[1]谢林花, 吴德礼, 张亚雷. 中国农村生活污水处理技术现状分析及评价[J]. 生态与农村环境学报, 2018, 34(10): 865-870.
[2]中华人民共和国统计局. 中国统计年鉴2016[M]. 北京: 中国统计出版社, 2017.
[3]肖瑞芳. 农村污水处理存在的问题及对策探讨[J]. 山西化工, 2023, 43(3): 245-248.
[4]李立君, 杨瑞. 农村污水治理存在的问题及对策[J]. 工程建设与设计, 2022(17): 147-149.
[5]戴星翼. 解读农村社区的边缘化趋势—上海市奉贤区江海镇社区调查[J]. 上海改革, 2003 (02):48-53.
[6]徐志荣, 叶红玉, 卓明, 等. 浙江省农村生活污水处理现状及其对策[J]. 生态与农村环境学报, 2015, 31(4): 473-477.
[7]刘金昊. 审计观察 | 农村生活污水治理的现状、问题及审计对策[EB/OL]. (2023-05-15)
[2023-12-22]. https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_23089200.
[8]黄天寅, 马奕, 吴玮, 等. 苏州地区农村生活污水治理长效管理机制与对策[J]. 中国给水排水, 2012, 28(12): 9-14.
[9]李玉恒, 刘彦随. 中国城乡发展转型中资源与环境问题解析[J]. 经济地理, 2013,33(1): 61-65.
[10]田华. 农村生活污水治理现状及对策的探索研究[J]. 资源节约与环保, 2023(4): 91-94.
[11]姜海, 李成瑞, 梁永红, 等. 农村生活污水治理难题与对策研究——以江苏太湖地区为例[J]. 农业环境与发展, 2013, 30(2): 1-6.
[12]梁祝, 倪晋仁. 农村生活污水处理技术与政策选择[J]. 中国地质大学学报(社会科学版), 2007(3): 18-22.
[13]范彬. 美国乡村污水管理经验与启示[J]. 中国建设信息(水工业市场), 2009(10):30-33.
[14]李宪法, 许京骐. 北京市农村污水处理设施普遍闲置的反思(Ⅰ)[J]. 给水排水, 2015, 51(6): 48-50.
[15]严岩, 孙宇飞, 董正举, 等. 美国农村污水管理经验及对我国的启示[J]. 环境保护,2008(15): 65-67.
[16]纳丽萍, 马航海. 基于生命周期理论的我国农村污水处理探讨[J]. 安徽农业科学,2015, 43(11): 227-228+231.
[17]郭芳, 陈永, 王国田, 等. 我国农村生活污水处理现状、问题与发展建议[J]. 给水排水, 2022, 58(S1): 68-72.
[18]夏玉立, 夏训峰, 王丽君, 等. 国外农村生活污水治理经验及对我国的启示[J]. 小城镇建设, 2016(10): 20-24.
[19]朱亮, 张文妍. 农村水污染成因及其治理对策研究[J]. 水资源保护, 2002(2): 17-19+69.
[20]林小如, 赵苏磊. 美国农村城镇化历程、动力机制及特点研究[J]. 城市建筑, 2019, 16(13): 87-92.
[21]Office of Water. EPA Guidelines for Management of Onsite/Decentralized Wastewater Systems[R/OL]. The United States: Environmental Protection Agency, 2000. https://www.epa.gov/sites/default/files/2015-06/documents/2004_07_07_septics_septic_guidelines_factsheet.pdf.
[22]郝晓地, 张向萍, 兰荔. 美国分散式污水处理的历史、现状与未来[J]. 中国给水排水, 2008, 24(22): 1-5.
[23]European Environment Agency. Waterbase - UWWTD: Urban Waste Water Treatment Directive – reported data[EB/OL]. (2023-09-25)
[2023-12-22]. https://www.eea.europa.eu/en/datahub/datahubitem-view/6244937d-1c2c-47f5-bdf1-33ca01ff1715.
[24]European Environment Agency. Beyond water quality: sewage treatment in acircular economy[M]. Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2022.
[25]DEE T, SIVIL D. Selecting package wastewater treatment works[M]. CIRIA,2001.
[26]安乐. 我国农村生活污水治理的思考与实践[J]. 水污染及处理, 2022, 10(04): 165-172.
[27]浄化槽システム協会（JSA）. 浄化槽とは - しくみ - 浄化槽のしくみ - 浄化槽のしくみ[EB/OL].
[2023-12-22]. http://www.jsa02.or.jp/01jyokaso/01_1a.html.
[28]中华人民共和国住房和城乡建设部. 中国城乡建设统计年鉴2016[M]. 北京: 中国统计出版社, 2018.
[29]罗涛. 基于全生命周期理论的农村污水治理设施建设决策模型构建及应用[D]. 中国人民大学, 2020.
[30]胡明, 刘英豪, 朱仕坤, 等. 农村分散污水处理技术评价研究进展[J]. 中国给水排水, 2015, 31(12): 16-21.

[31]彭蕾, 董俊友. 乡村振兴背景下农村生活污水治理探析[J]. 农村经济与科技, 2022, 33(23): 172-175.

[32]徐泽水, 达庆利. 基于模糊语言评估的多属性决策方法[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2002(4): 656-658.

[33]邓仁健, 任伯帜, 周赛军. 采用三角模糊数层次分析法选择小型污水处理工艺[J].环境工程, 2010, 28(1): 91-93+111.

[34]夏训峰, 王明新, 闵慧, 等. 基于模糊优劣系数法的农村生活污水处理技术优选评价方法[J]. 环境科学学报, 2012, 32(9): 2287-2293.

[35]王志良, 陈海涛. 水资源管理多属性决策分析研究综述[J]. 华北水利水电学院学报, 2007(5): 7-10.

[36]孙在东, 徐泽水, 达庆利. 基于方案贴近度的不确定型多属性决策模型[J]. 中国管理科学, 2001(6): 59-63.

[37]WOMER N K, BOUGNOL M L, DULA J H, et al. Benefit-cost analysis using data envelopment analysis[J]. Annals of Operations Research, 2006, 145(1): 229-250.

[38]赵强, 张慎峰, 吴育华. 污水处理厂规模与技术相对有效评估研究[J]. 成都信息工程学院学报, 2003(1): 36-39.

[39]HERNÁNDEZ-SANCHO F, SALA-GARRIDO R. Technical efficiency and cost analysis in wastewater treatment processes: A DEA approach[J]. Desalination, 2009, 249(1): 230-234.

[40]赵霞. 石羊河流域水资源管理有效性评价[D]. 兰州大学, 2011.

[41]SALA-GARRIDO R, MOLINOS-SENANTE M, HERNÁNDEZ-SANCHO F. Comparing the efficiency of wastewater treatment technologies through a DEA metafrontier model[J]. Chemical Engineering Journal, 2011, 173(3): 766-772.

[42]CALADO E A, LEITE M, SILVA A. Integrating life cycle assessment (LCA)and life cycle costing (LCC) in the early phases of aircraft structural design:an elevator case study[J]. The International Journal of Life Cycle Assessment, 2019, 24(12): 2091-2110.

[43]李晓超. 生命周期评价在环境治理工程中的应用[D]. 南京理工大学, 2005.

[44]周凌. 城市污水处理厂环境效益的生命周期分析[D]. 重庆大学, 2007.

[45]罗世彬, 罗文彩, 张海联, 等. 基于全寿命周期费用分析的可重复使用运载器级数选择[J]. 国防科技大学学报, 2002(1): 9-13.

[46]UTNE I B. Life cycle cost (LCC) as a tool for improving sustainability in the Norwegian fishing fleet[J]. Journal of Cleaner Production, 2009, 17(3): 335-344.

[47]DOGOT T, XANTHOULIS Y, FONDER N, et al. Estimating the costs of collective treatment of wastewater: the case of Walloon Region (Belgium)[J]. Water Science and Technology, 2010, 62(3): 640-648.

[48]ZHANG Q Y, LIU Z J, LIU L S, et al. Research on comprehensive evaluation model of rural domestic sewage treatment technology based on fuzzy comprehensive evaluation and analytic hierarchy process method[J]. Water Practice and Technology, 2021, 16(2): 452-471.

[49]CHENG P, JIN Q, JIANG H, et al. Efficiency assessment of rural domestic sewage treatment facilities by a slacked-based DEA model[J]. Journal of Cleaner Production, 2020, 267: 122111.

[50]JIANG J P, HU X, GU Y, et al. Suitability evaluation of rural sewage treatment facilities in China considering lifcycle environmental impacts and regional differences[J]. Journal of Environmental Management, 2023, 344: 118516.

[51]WANG P, SHI J, XIONG P, et al. Optimization of rural domestic sewage treatment mode based on life cycle assessment method: A case study of Wuzhong District, Suzhou City, China[J]. Journal of Water Process Engineering, 2023, 56: 104480.

[52]付浩, 闾海, 邱长浩. 人口密集地区农村生活污水治理若干问题探讨[J]. 给水排水, 2020, 56(9): 9-14.

[53]Office of Water. Response to congress on use of decentralized wastewater treatment system[R]. United States: Environmental Protection Agency, 1997.

[54]環境省. 平成29年度における浄化槽の設置状況等について[EB/OL]. (2019-03-19)

[2023-12-22]. https://www.env.go.jp/press/106477.html.

[55]陈娟, 王超, 王沛芳, 等. 基于人口分散度的农村生活污水处理模式选择[J]. 中国给水排水, 2020, 36(23): 81-88.

[56]阎轶婧. 乡村振兴战略下县域农村污水治理工程规划探索[J]. 净水技术, 2022, 41(S1): 127-132.

[57]李桂兰, 严滢, 李鹏宇, 等. 基于村庄分散度的农村生活污水治理模式量化分析[J]. 环境工程学报, 2024, 18(2): 523-530.

[58]刘平养, 沈哲. 基于生命周期的农村生活污水处理的成本有效性研究——以浙江省白石镇为例[J]. 资源科学, 2014, 36(12): 2604-2610.

[59]梁宏根, 郑弘, 李惠平. 农村污水治理方案的经济分析与优化选择[J]. 中国市政工程, 2020(6): 64-66+71+114.

[60]胡明, 王培京, 邱彦昭, 等. 基于经济性评价的北京市平原区农村污水治理模式优化研究[J]. 环境科学学报, 2021, 41(1): 133-142.

[61]陈秀丽. 高质量高标准建设背景下农村生活污水治理模式探讨[J]. 给水排水, 2022, 58(12): 69-75.

[62]张许, 王宝山, 夏训峰, 等. 基于全生命周期费用模型的西北农村生活污水治理模式选择[J]. 环境污染与防治, 2023, 45(12): 1635-1640.

[63]HUANG Y, WU L, LI P, et al. What’s the cost-effective pattern for rural wastewater treatment?[J]. Journal of Environmental Management, 2022, 303: 114226.

[64]SANTOS R, COSTA A A, SILVESTRE J D, et al. Integration of LCA and LCC analysis within a BIM-based environment[J]. Automation in Construction, 2019, 103: 127-149.

[65]SHERIF Y S, KOLARIK W J. Life cycle costing: Concept and practice[J]. Omega, 1981, 9(3): 287-296.

[66]EMBLEMSVÅG J. Life-cycle costing: Using activity-based costing and Monte Carlo methods to manage future costs and risks[M]. John wiley & sons, 2003.

[67]KEOLEIAN G, KENDALL A, DETTLING J, et al. Life-cycle cost model forevaluating the sustainability of bridge decks[C]//. Proceedings of the First U.S.–Japan Workshop. Life-Cycle Cost Analysis and Design of Civil Infrastructure Systems. ASCE Library. 2004, 143-150.

[68]刘平养. 农村生活污水处理经济分析[M]. 中国环境出版集团, 2020.

[69]杜焱强, 吴娜伟, 丁丹, 等. 农村环境治理PPP模式的生命周期费用研究[J]. 中国人口·资源与环境, 2018, 28(11): 162-170.

[70]郝晓地, 于文波, 王向阳, 等. 地下式污水处理厂全生命周期综合效益评价[J]. 中国给水排水, 2021, 37(7): 1-10.

[71]郝前进, 张苹. 农村生活污水治理示范工程的成本有效性研究——以上海和苏南地区为例[J]. 中国人口·资源与环境, 2010, 20(1): 108-111.

[72]MITCHELL C, FANE S, WILLETTS J, et al. Costing for Sustainable Outcomes in Urban Water Systems - A Guidebook[M]. 2007.

[73]TUCKER S N, MITCHELL V G, BURN L S. Life cycle costing of urban water systems[J]. Water-melbourne then artarmon, 2000, 27(5): 12-13.

[74]SINGHAL R K. 11th International Symposium on Environmental Issues and Waste Management Energy and Mineral Production (SWEMP 2009): Bannf, Alberta, Canada, 16 - 19 November 2009[M]. Red Hook, NY: Curran, 2014.

[75]NORRIS G A. Integrating life cycle cost analysis and LCA[J]. The International Journal of Life Cycle Assessment, 2001, 6(2): 118-120.

[76]BOVEA M D, VIDAL R. Increasing product value by integrating environmental impact, costs and customer valuation[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2004, 41(2): 133-145.

[77]CARLSSON R M. Economic assessment of municipal waste management systems—case studies using a combination of life cycle assessment (LCA) and life cycle costing (LCC)[J]. Journal of Cleaner Production, 2005, 13(3): 253-263.

[78]BRIX H. How ‘green’ are aquaculture, constructed wetlands and conventional wastewater treatment systems?[J]. Water Science and Technology, 1999, 40(3): 45-50.

[79]LUNDIN M, BENGTSSON M, MOLANDER S. Life Cycle Assessment of Wastewater Systems:  Influence of System Boundaries and Scale on Calculated Environmental Loads[J]. Environmental Science & Technology, 2000, 34(1):180-186.

[80]Stone Environmental, Inc. Decentralized Wastewater System Reliability Analysis Handbook. Project No. WU-HT-03-57[R]. The United States: Washington. 2005.

[81]谷洋. 综合生命周期环境影响与地区差异的农村污水处理设施适宜性评价[D]. 南方科技大学, 2021.

[82]广东省生态环境厅, 广东省市场监督管理局.农村生活污水处理排放标准: DB44/2208-2019[S/OL]. 2019. http://gdee.gd.gov.cn/shbtwj/content/post_2709258.html.

[83]王晟. 环境工程经济分析[M]. 上海: 同济大学出版社, 2014.

[84]MU X, ZHANG X, YEH A G O, et al. Evaluating the representativeness of mobile big data: A comparative analysis between China's mobile big data and census data at the county level[J]. Applied Geography, 2024, 166: 103260.

[85]SANG M, JIANG J, HUANG X, et al. Spatial and temporal changes in population distribution and population projection at county level in China[J]. Humanities and Social Sciences Communications, 2024, 11(1): 1-13.

[86]徐江林. 数字经济发展对城乡收入差距的影响研究[J]. 科技和产业, 2024, 24(06): 52-59.

[87]钟里卉. 城镇污水处理项目的公众价值研究[D]. 武汉纺织大学, 2014.

[88]黄雯. 城市污水回用及环境经济效益分析[J]. 环境保护与循环经济, 2016, 36(3):38-41+63.

[89]国家环境保护总局, 国家质量监督检验检疫总局. 城镇污水处理厂污染物排放标准: GB 18918-2002[S]. 中国环境科学出版社, 2002.

[90]NICKEL S, STEINHARDT C, SCHLENKER H, et al. Decision Optimization with IBM ILOG CPLEX Optimization Studio: A Hands-On Introduction to Modeling with the Optimization Programming Language (OPL)[M]. Springer Nature, 2022.

[91]ROTHBERG E. Gurobi optimization: three founders strive to build a different kind of optimization software company[J]. OR/MS Today, 2014, 41(2): 22-25.

[92]SALTZMAN M J. COIN-OR: an open-source library for optimization[J]. Programming languages and systems in computational economics and finance, 2002: 3-32.

[93]MITCHELL S, OSULLIVAN M, DUNNING I. Pulp: a linear programming toolkit for python[J]. The University of Auckland, Auckland, New Zealand, 2011, 65.

[94]SHAPLEY L S. A Value for N-Person Games[R]. RAND Corporation, 1952.

[95]PEDREGOSA F, VAROQUAUX G, GRAMFORT A, et al. Scikit-learn: Machine learning in Python[J]. The Journal of Machine Learning Research, 2011,12: 2825-2830.

[96]LUNDBERG S, LEE S I. A Unified Approach to Interpreting Model Predictions[C]// Proceedings of the 31st International Conference on Neural Information Processing Systems. 2017: 4768–4777.

[97]北京中郡经济发展研究所. 第二十三届县域经济与县域发展监测评价报告[R/OL]. 2023. https://china-county.org/?list_1/2921.html=.

[98]广东省生态环境厅, 广东省农业农村厅, 广东省住房和城乡建设厅, 等. 广东省农村生活污水资源化利用指南（试行）[EB/OL]. (2023-03-19)

[2023-12-22]. https://gdee.gd.gov.cn/gl5873/content/post_4149713.html.

[99]河南西峡县 谋污水治理方略 建生态宜居村庄[J].农村工作通讯,2022(24):59-60.

[100]河南省生态环境厅, 河南省市场监督管理局.农村生活污水处理设施水污染物排放标准: DB 41/ 1820—2019[S/OL]. 2019. http://oss.henan.gov.cn/sbgt-wztipt/attachment/sthjt/portal/cn/rootimages/2019/06/18/20190618115559598.pdf.