APP下载

河北省城镇居民层次化需水研究

2023-01-30刁子乘韩宇平张戴炜段晶晶

中国农村水利水电 2023年1期
关键词:层次化洗衣刚性

刁子乘,赵 晶,韩宇平,张戴炜,段晶晶

(1.华北水利水电大学水资源学院,河南 郑州 450046;2.黄河水利科学研究院 引黄灌溉工程技术研究中心,河南 郑州 450003;3.河南省农村水环境治理工程技术研究中心,河南 郑州 450003)

0 引言

随着以水定城、以水定人等城市发展原则的提出,城市需水管理已成为学术研究、城市规划与管理实践关注的焦点。近年来,我国城镇居民生活用水量已成为城市用水量的主要增长点。2010年我国人均城镇生活用水量(含公共用水)117 L/d,占我国人均综合用水总量的10.4%;2020 年我国人均城镇生活用水量(含公共用水)119 L/d,占我国人均综合用水总量的16.8%,近10年增长近7%,城镇居民生活节水成为了节水工作的重点。

居民家庭生活用水主要包括饮用水、烹饪用水、洗漱用水、环境清洁用水、洗衣用水、洗澡用水及冲厕用水等七部分[1]。国外先进国家已开展了居民生活不同层次用水变化趋势研究,西班牙七个较大城市2003-2016 年平均生活日用水量由135 L/d下降到110 L/d,Sauri D 等人分析是由于西班牙陷入水资源危机,政府颁布相应条例及法律(例如新公寓必须安装节水装置,并使用灰水或雨水等替代水源)鼓励居民节水且效果显著,并且节水主要集中在洗浴、洗漱和冲厕用水。同时发现当人均生活日用水量达到100 L/d 左右时,很难再降[2]。Lee M 等人发现美国佛罗里达州迈阿密在2010 年实施节水激励措施的部分家庭3 年内经历了持续和显著的节水,每户每天节约的水量约为200L,家庭需水量减少了约31%,并发现节水水龙头和节水淋浴头的使用对居民用水的影响比例分别为20.2%、16.3%[3]。Friedman 收集了世界各地区城镇居民生活用水量,指出当前城镇居民生活用水量范围在55~176 L/d 之间,其家庭用水结构组成大致为洗澡45%、冲厕30%、洗衣20%和烹饪5%,存在一定刚性、弹性和奢侈不同层次用水[4]。国内车建明结合全国第1次水利普查,对北京市开展了城镇及农村居民内部用水结构典型调查,结果表明,北京市居民最主要的用水集中在炊事、衣服洗涤和淋浴3项上,3者共占到生活用水总量的50%[5]。王海叶等人以600 份北京市居民生活用水行为调查问卷为样本,分析了北京市居民家庭生活用水的现状,结果表明,洗衣用水占比33%,洗浴用水占比22.5%、马桶用水占比14.4%[6]。

用水户的水资源需求层次会随着所处的环境和发展阶段变化而变化,目前已初步开展水资源层次化需求研究。如侯保灯[7]基于马斯洛[8]需求层次理论初步建立了基本、发展、和谐3个层次的水资源需求层次理论,并从生活、生产、生态三方面分别探讨不同层次的真实需水,计算了普洱市基本、发展与和谐3个层次的需水量。赵勇[9]采用概率密度区间的统计方法,在刚性、弹性、奢侈用水层次理论的基础上,采用物理机制构建各用水行为的层次区间,对北京市和天津市居民生活用水进行层次化评价,结果表明,北京市和天津市刚性用水量占比分别为48.2%和74.5%,弹性用水量占比分别为36.6%和15.6%,奢侈用水量分别占比为15.2%和9.9%,北京市和天津市人均刚性用水量差距较小,但北京市的人均弹性用水量和人均奢侈用水量高于天津市。目前水资源层次化需求研究尚处于起步阶段,以往研究多针对于居民生活用水量影响因素分析,对层次化需水研究停留在理论分析阶段,且缺乏水资源层次化需求评判方法,定量研究成果较少,缺乏对两个不同水平年之间刚性、弹性、奢侈用水的横向与纵向对比分析。

研究设计问卷调查,选择地理位置相近、经济发展不均衡、水资源条件不均衡的河北省作为研究区,收集河北省2016、2020年两个不同水平年的调查问卷,根据刚性、弹性、奢侈用水标准的区间,构建居民层次化用水(包括饮用水、洗漱用水、环境清洁用水、洗衣用水、洗澡用水、烹饪用水及冲厕用水七部分)评判模型,基于调查问卷进行参数率定,通过横向、纵向对比分析刚性、弹性、奢侈用水的时空变化特征,为生活层次化用水预测、阶梯水价制定以及水资源精细化管理提供理论与方法依据。

1 居民生活层次化用水评判模型

将居民生活用水细分为饮用、洗漱、环境清洁、洗衣、洗澡、烹饪、冲厕7 种用水行为,基于城镇居民家庭用水问卷调查结果,计算居民家庭不同用水行为的用水量,构建层次化用水评判模型。

1.1 居民家庭生活用水调查问卷统计

1.1.1 问卷设计及回收情况

调查问卷包括用水结构调查和家庭基本情况调查,用水结构调查中分不同用水行为进行调查,包括饮用水用水情况、烹饪次数、冲厕频率和每周拖地次数,洗澡用水中主要涉及冷热天每周洗澡频率、洗澡时间及洗澡方式(淋浴、浴缸),洗衣用水中主要涉及冷热天每周洗衣频率、洗衣方式(手洗、机洗、手洗机洗混合)、洗衣机类型(滚筒式、波轮式)。家庭基本情况调查主要调查户口所在地、家庭所产生的水费,家庭常住人口以及年龄结构、家庭成员职业及年收入、家庭居住面积和家庭人员节水意识。

2016 年通过问卷走访的形式进行调查,共获得有效问卷176份;由于新冠疫情的影响,2020年采取了网络问卷形式进行调查。共获得有效问卷185份。将调查问卷结果与河北省水资源公报进行对比,确保问卷数据真实有效,问卷调查回收率为95%,有效率达85%以上,可作为有效样本。

1.1.2 调查问卷数据分析

(1)家庭基本结构。在有效问卷样本中,男性受访者占47%,女性受访者占53%,大多数家庭收入集中在4~8 万。被访者中大多为三口之家,2016年,全面二胎政策放开,四口之家的比例上升。

(2)用水结构分析。对2016 年和2020 年调查问卷进行分析,得到城镇居民家庭生活用水行为比例图(如图1 所示)。2016 年各用水行为占用水总量的比重如下:洗澡36%,洗衣18%,冲厕16%,洗漱13%,环境清洁11%,烹饪4%,饮用2%;2020 年各用水行为占用水总量的比重如下:洗澡38%,洗衣22%,冲厕10%,洗漱9%,环境清洁12%,烹饪6%,饮用2%。2020年相对于2016年,洗澡用水所占比重增加2%,洗衣用水增长4%,环境清洁用水增长1%,烹饪用水增长2%,饮用水所占比重基本保持不变,冲厕用水和洗漱用水所占比重减少。

图1 河北省居民家庭生活各用水行为比例Fig.1 Proportion of household water use behavior in Hebei Province

1.2 层次化需水的概念

借鉴人们对衣物、食品等物质资料的需求规律,用水户对水资源的需求也应分层次:刚性需水、弹性需水、奢侈需水。刚性用水是指满足基本的生理需求及卫生需求的用水,是居民为了生存,对水资源的最低需求,是生命延续的基本用水和安全需求,必须无条件满足,是作为人权的基本范畴,由政府保障;弹性用水是指在经济可承受范围内,维持一定生活水平和品质所需的水量,应尽可能的提高用水效率,进行动态调控;奢侈需水是居民使用超出用水量合理范围的部分,由于居民节水意识淡薄和现有节水技术的限制,导致用水效率低以及水量有剩余造成水资源的浪费。

1.3 居民层次化生活需水评判模型

1.3.1 居民家庭生活用水刚性、弹性、奢侈区间界定

对河北省城镇居民家庭生活用水进行刚性、弹性和奢侈的界定,如表1所示。

表1 居民家庭生活用水刚性、弹性、奢侈区间界定Tab.1 Definition of rigidity,flexibility and luxury in household water use

(1)饮用:饮用水是用于满足人类生理需求,维持人类生命活动的用水,所以全部为刚性用水[9]。

(2)烹饪和冲厕:几乎不受经济条件、气候变化等客观因素影响,单次发生量按照定额计算,均为刚性用水。

(3)洗衣及洗澡用水:25 ℃为“热感”起始温度[10,11],一般日最高气温超过25 ℃,洗澡用水量急剧增加,而在低于25 ℃的环境里,洗澡的频率会大大降低[12]。城市家庭中,洗衣过后通常需要换洗衣物,因此洗衣和洗澡几乎是同时发生,频率几乎一致,导致总用水量差别主要取决于单次发生用水量,用水量呈现定比关系[13]。当气温在25 ℃以上时,洗澡、洗衣频率在每周3.5 次以下时的用水量为刚性用水,3.5 次到7 次之间的用水量为弹性用水量,当每周次数大于7 次时,超出部分为奢侈用水量。当气温在25 ℃以下时,洗澡、洗衣频率在每周1 次以下时的用水量为刚性用水,1 次到2 次之间的用水量为弹性用水量,当每周次数大于2次时,其超出部分为奢侈用水量[1]。

(4)环境清洁:选取每周拖地次数作为界定层次用水的依据[9]。

(5)洗漱:洗漱两次以下为刚性用水,超过两次为弹性用水[1]。

根据实地调研居民用水行为的结果,通过居民家庭生活不同用水行为的频率,界定刚性、弹性和奢侈用水量,进而进行层次化评价。

1.3.2 模型构建

城镇居民生活用水主要包括饮用用水、洗漱用水、环境清洁用水、洗衣用水、洗澡用水、烹饪用水及冲厕用水7部分[1]。

各部分用水总量的计算方程如下[1]:

式中:Qtotal代表城镇生活总用水量;Qdrink代表饮用水;Qwash代表洗漱用水;Qenv代表环境清洁用水;Qlaundary代表洗衣用水;Qbath代表洗澡用水;Qkitchen代表烹饪用水;Qtoilet代表冲厕用水。

(1)饮用水用水量计算方程。对于不同年龄段的人群而言,饮用水量有区别,成人的日饮用水定额高于孩童[14]。

式中:Qi,drink代表目标家庭年内第i日家庭成员饮用需水量,L;Ua,drink代表成人每日基本饮用水需求定额,一般取2.5 L/d[15];Uc,drink代表孩童每日基本饮用水需求定额,一般取2.0 L/d[15];Na代表家庭中18 岁以上成人的数量;Nc代表家庭中18 岁以下的孩童数量。

(2)洗漱用水量的计算方程。家庭成员的频率和次数决定了洗漱的用水量,除早晚洗漱外,家庭成员在家里的停留时间与洗漱频率直接相关[16]。

式中:Qi,wash代表目标家庭年内第i日洗漱用水量,包括刚性用水量Qi,rigidity、弹性用水量Qi,elasticity,L;Uwash代表家庭洗漱一次的用水量,L;S代表正常人一日的洗漱次数,根据问卷调查确定;Na1,Na2,Nc分别代表家庭成员中老人、中青年和孩童的人数;T1,T2,T3分别代表不同年龄段的家庭成员一天在家里的居留时间,h。

(3)清洁用水量计算方程。家庭环境清洁用水平均每天的用水量等于单位面积用水定额和家庭住房面积的乘积再乘以家庭清洁发生频率[17]。

其中:当P(e) ≤0.43 时,即每周清洁次数在3 次或3 次以下,认为所用水量都为刚性需水;当0.43 ≤P(e) ≤1时,即每周的清洁次数在4次以上并且小于7次时:

当P(e) ≥1时,即每周的清洁次数在7次以上时:

式中:Qi,env代表目标家庭年内第i日洗漱用水量,包括刚性用水量Qi,rigidity、弹性用水量Qi,elasticity、奢侈用水量Qi,luxury,L;Uenv代表单位面积的清洁用水量,L/m2;A代表家庭居住面积,m2;P(e)代表家庭拖地发生的频率。

(4)洗衣、洗澡用水量计算方程。

当nhot≤3.5,ncold≤1 时,所有洗衣加洗浴用水都为刚性用水;

当3.5 <nhot≤7,1 <ncold≤2时:

式中:QLaundary+Qbath表示目标家庭人均洗衣洗澡用水量,包括刚性用水量Qi,rigidity、弹性用水量Qi,elasticity、奢侈用水量Qi,luxury,L;Thot代表当地一年中超过25 ℃的天数;nhot代表温度高于25 ℃时,家庭每周洗衣、洗澡频率;ncold代表温度低于25 ℃时,家庭每周洗衣、洗澡频率;B代表一次洗澡的用水量;L代表一次洗衣的用水量,L;B和L随着经济发展水平变化,是人均GDP的函数;x为自变量,表示人均GDP。

(5)烹饪加冲厕用水。单次发生量按照定额进行计算,该部分用水均为刚性。

式中:Ucook代表家庭烹饪一次的用水量,L;Uflushing代表家庭冲厕一次的用水量,根据家庭使用的马桶水箱大小平均值确定,L;Scook代表正常家庭一日的烹饪次数,根据问卷调查确定;Sflushing代表正常家庭一日的冲厕次数,根据问卷调查确定。

基于问卷调查统计可得到的参数包括家庭成员的年龄结构、日洗漱次数、周洗浴次数、洗澡占洗衣洗澡用水比例、洗衣占洗衣洗澡用水比例、冲厕次数以及烹饪次数、人均住房面积和清洁频率;家庭人均收入数据来源于《河北省统计年鉴》。根据调查问卷进行率定的参数包括:α为常量,代表伸缩系数,α越大,表示人均生活用水随人均GDP 的变化越缓慢,反之亦然;B0为一次洗澡的基本用水需求;ΔB为随经济发展水平波动的洗澡用水需求;L0为一次洗衣的基本用水需求;ΔL为随经济发展水平波动的洗衣用水需求;BL0范围最终确定70~90,ΔBL范围80~100,α范围1~5[18]。

2 模型结果与分析

2.1 刚性、弹性和奢侈用水的时间变化

2016 年城镇人均生活用水量117 L/d,2020 年城镇人均生活用水量121 L/d,较2016年增长3.4%,河北省城市人均生活用水量呈上升趋势。以调查问卷为基础,采用评判模型,计算不同层次中的不同用水行为的用水量与不同层次用水行为比例,见表2与表3。

2016 年河北省城镇居民人均刚性用水量为59.76 L/d,占比51%,人均弹性用水量为38.76 L/d,占比33%,人均奢侈用水量为18.01 L/d,占比16%;2020 年河北省城镇居民人均刚性用水量为57.81 L/d,占比48%,人均弹性用水量为40.00 L/d,占比33%,人均奢侈用水量为23.07 L/d,占比19%。2020 年相比2016年,刚性用水量所占比重减小,弹性用水量保持不变,奢侈用水量所占比重增加。说明随着城市化的进程推进和经济社会的发展,河北省城镇居民生活奢侈用水增加,节水空间加大(如表2所示)。

表2 河北省城镇居民家庭生活层次化用水量占比 %Tab.2 Proportion of water consumption in the hierarchical household life of urban residents in Hebei Province

不同用水行为的不同层次用水量如表3 所示,通过横向对比分析发现2016年和2020年3个层次中,洗澡用水均所占比重最大,2016年刚性、弹性、奢侈洗澡用水在刚性、弹性、奢侈用水总量中的占比分别为31%、52%、65%,2020 年刚性、弹性、奢侈洗澡用水在刚性、弹性、奢侈用水总量中的占比分别为24%、46%、62%,大部分为弹性、奢侈需求;其次为洗漱用水,2016 年刚性、弹性用水在刚性、弹性用水总量中的占比分别为23%、5%,2020 年刚性、弹性用水在刚性、弹性、用水总量中的占比分别为17%、4%,大部分为刚性用水。

表3 河北省城镇居民家庭生活层次化用水结构 %Tab.3 Hierarchical water use structure of urban residents in Hebei Province

纵向对比分析,2020 年相对于2016 年,刚性用水方面饮用水占比增加3%、冲厕用水增加5%、洗衣用水增加16%,烹饪用水增加5%;洗漱用水占比减少6%、清洁用水减少2%,洗澡用水减少7%。弹性用水方面,环境清洁用水占比增加4%,洗澡用水减少6%,洗漱用水减少1%,洗衣用水基本保持不变。奢侈用水方面,洗澡用水占比减少3%,洗衣用水占比增加3%,环境清洁用水占比基本保持不变。随着经济发展,洗澡和洗漱用水所占比重均有减小的趋势。

2.2 刚性、弹性与奢侈用水的空间变化

计算各城市不同层次的用水量,得到各城市层次化用水量图和分层次用水量分布情况(如图2、3 所示)。2016 年河北省城镇居民生活用水量最多的城市为石家庄市,其次为保定市和邯郸市。2020年石家庄市用水量依然最多,其次为邯郸市和保定市。石家庄市7 种用水行为中刚性用水量最多,2016 年占用水总量的48%,2020年占比43%。

图2 河北省层次化生活用水图Fig.2 Hierarchical domestic water use map of Hebei Province

2016 年人均刚性用水量较多的城市集中在经济欠发达的河北省北部地区(张家口市、承德市),其次是河北省南部(石家庄市、衡水市、邢台市、邯郸市),河北省东部地区和中部地区刚性用水量较少,2020 年人均刚性用水量分布情况与2016 年大致相同,承德市人均刚性用水量减少;2020 年河北省的南部城市(石家庄市、邢台市、邯郸市)人均刚性用水量排在全省前列,2020 年石家庄市、邢台市和邯郸市人均弹性用水量减少,张家口市人均弹性用水量增加,其他城市基本保持不变。2016年河北省奢侈用水较多的地方集中在河北省中部和东部地区,其中唐山市和秦皇岛市奢侈用水量最多,北部地区和南部地区奢侈用水量较少;2020年奢侈用水主要集中在以石家庄市为中心的南部城市。近年来唐山市和秦皇岛市大力发展节水,节水行动初步见效,唐山市和秦皇岛市奢侈用水量减少。

图3 河北省分层次人均用水量分布情况Fig.3 Distribution of water consumption in Hebei Province at different levels

在空间变化上,经济越发达地区(石家庄市、唐山市、秦皇岛市),人均刚性用水量越低,弹性和奢侈用水量越高,主要原因是涉水家用电器较多,如洗碗机、净水器与拖地机器人等。

3 讨论

3 个层次用水中,刚性用水包含了城镇家庭居民用水的每一个方面,是3 个层次中所占比重最大的部分。弹性用水包括洗澡、环境清洁、洗衣、洗漱和饮用用水,奢侈用水包括环境清洁、洗衣和洗澡用水。弹性用水和奢侈用水在城镇家庭用水中占据较小部分,且大部分为洗澡和洗衣用水,说明大部分不合理用水来自洗澡和洗衣,建议将洗澡和洗衣作为节水重点,这与Sauri D[2]等人和Lee M[3]等人认为节水重点在于浴室和厨房,节水淋浴器以及节水水龙头在家庭中的广泛推广使得家庭生活用水量下降的结论类似。2020 年河北省人均生活用水量为121 L/d并且仍处在增长阶段,其中奢侈用水在人均生活用水量中占比19%,人均生活用水量可压缩极限是98 L/d 以上,这与Sauri D[2]等人提出的当人均生活用水量达到100 L/d 左右时,很难再下降的结论类似。赵勇[9]指出北京市的刚性用水占比小于天津市,但弹性用水以及奢侈用水占比均超过天津市,与本文得出的结论:经济越发达地区,人均刚性用水量越少,弹性和奢侈用水量越多类似。这说明,经济发展水平决定了城镇居民对生活质量的要求(洗碗机、净水器与拖地机器人等涉水家用电器人均保有量相对较大),进而弹性和奢侈用水量相应越多。综上,说明本文提出的模型合理,可用于河北省层次化用水需求研究。

当前节水重点应放在压缩奢侈用水上,且大部分的奢侈用水是由于居民生活中用水器具落后,计量设施落后,导致用水效率低。根据刘昌明和左建兵[19]的研究成果,家庭节水器具的普及,如节水型洗衣机比普通型洗衣机节水25%~30%,淋浴节水型喷头比普通喷头可节水近一半,节水龙头比普通水龙节水20%~30%。在进行节水宣传时,多鼓励居民使用节水器具,滚筒式洗衣机更加节水,冲厕时也可以考虑废水冲厕,采用节水马桶、净水器等。

由于新冠疫情的影响,2020 年不能进行实地调研,只能通过网络问卷的形式进行发放,并且填写问卷的居民以年轻人为主,有可能会使计算出来的刚性、弹性和奢侈用水量与实际产生一些误差。城市需水预测不能单纯只靠模型进行数学计算,还需考虑实际情况才能使模型更加完善,更符合实际,例如,养宠物的家庭会比不养宠物的家庭用更多的水,种植花卉的家庭用水量也会增多,但两部分用水量很少,故宠物和养殖用水本文没有单独列出。

本文构建的基于问卷调查的居民生活用水层次(刚性、弹性、奢侈)的评价方法,进一步丰富和发展了居民生活用水预测理论,刚性需求必须保证的情况下,压缩弹性用水和避免不必要的奢侈用水,对预测未来生活用水,科学管理水资源具有重要意义。

4 结论

根据用水需求的不同,本文将生活用水分为3个层次,分别为刚性用水、弹性用水和奢侈用水。细分为饮用、洗漱、清洁、洗衣及洗澡、烹饪、冲厕等7 个用水行为,通过调查问卷建立模型和参数率定,进行用水行为分析,界定刚性、弹性和奢侈用水量,进行层次化评价。

结果表明:

(1)河北省城镇居民家庭生活用水中,占比最多的是洗澡用水,其次为洗衣用水,2016 年洗澡用水所占比重36%,洗衣18%,2020 年洗澡用水所占比重38%,洗衣22%,且大部分不合理用水来自于洗澡和洗衣,因此在城镇家庭生活用水节水方面,应以洗澡和洗衣为重点。

(2)2016 年人均刚性、弹性、奢侈3 个层次用水量分别占总人均用水量的51%、33%、19%;2020 年人均刚性、弹性、奢侈用水量分别占总用水量的48%、33%、21%。对比2016 年和2020年人均刚性、弹性和奢侈用水量,说明随着经济发展,城镇居民生活水平提高,对生活品质的要求提高,奢侈用水量增加。

(3)通过空间分析,2016年、2020年河北省城镇居民用水总量最多的城市均为是石家庄市,其次均为保定市和邯郸市。河北省经济发达地区(石家庄市、保定市)的人均刚性用水量小于经济欠发达地区(张家口市、承德市),人均弹性和奢侈用水量大于经济欠发达地区,可见经济越发达地区,人均刚性用水量越少,弹性和奢侈用水量越多。

猜你喜欢

层次化洗衣刚性
面向量化分块压缩感知的区域层次化预测编码
自我革命需要“刚性推进”
10款洗衣液推荐,搞定各种难洗污渍
“洗衣液一哥”养成记
加权p-Laplace型方程的刚性
洗衣大作战
锻锤的打击效率和打击刚性
铁路传送网OTN设备互联互通开销层次化处理研究
洗衣厂如何建立与实施ISO9001标准
舰船系统间电磁兼容性的层次化优化方法