基于GIS的城市处理废水灌溉再利用规划支持方法：以意大利西西里岛为例

《Agriculture》：A GIS-Based Methodology to Support Planning of Urban Treated Wastewater Reuse for Irrigation: An Application in Sicily, Italy

　　

地中海农业日益受到严重且反复出现的水资源短缺的制约。气温升高、降水减少以及干旱频发，正推高作物需水量并降低降雨的可靠性。加之对有限淡水资源日益激烈的竞争，这些气候压力对该地区农业系统的长期可持续性和生产力构成了重大挑战。在此背景下，城市处理废水(UTWW)日益被视为一种战略性替代资源。欧盟法规(EU) 2020/741基于“适用即用”原则，确立了农业水资源再利用的最低质量要求。意大利监管框架要求地区主管部门通过绘制再生水设施、水资源需求及输配管网图来规划水资源再利用。基于此，为支持规划进程，本研究描述了一种基于地理信息系统(GIS)的方法在西西里岛的应用，该方法通过整合国家数据集（定期更新），并从定性和定量两个角度比较再生水供应与灌溉需求，以评估UTWW再利用的潜力。UTWW供应量通过整合意大利国家统计局(ISTAT)民用用水普查数据和欧洲环境署(EEA)数据集进行估算，而灌溉需求则结合哥白尼作物数据、ISTAT灌溉面积占农业用地面积(UAA)比例以及源自SIGRIAN数据库的作物特定灌溉需求（季节性比容）得出。研究对草地、葡萄园、橄榄园和果园分析了两种情景。情景1仅包括位于灌溉区内的污水处理厂(WWTP)，而情景2还纳入了位于灌溉区外、但地形和距离条件允许潜在可行连接的选定WWTP。根据欧盟法规(EU) 2020/741，在筛选层面确定了所考虑的所有作物类别（需要B、C或D级水质）与所需水质类别的潜在兼容性。从定量角度看，情景1确定了19座WWTP服务于38个灌溉区中的11个，未封顶的总体需求覆盖率为53%；仅两个区域实现了本地需求完全满足。情景2新增23座外部WWTP，潜在服务区域增至20个，并将未封顶的总体覆盖率提高至73%。当在每个灌溉区内对剩余水量进行封顶时，情景1和情景2的有效需求满足率分别为12%和22%，凸显了储存、输送和区域间调配的重要性。结果表明，处理废水再利用可为地中海地区的农业用水安全和气候适应性水资源管理做出贡献。该框架有助于初步识别候选再利用区域，但在实施前仍需进行针对具体地点的出水质量、风险管理、成本和季节性储存评估。

基于GIS的城市处理废水灌溉再利用规划支持方法：以意大利西西里岛为例

一、研究背景与问题

气候变化正在显著改变水资源可获取性，气温上升、降水减少及干旱频发导致作物需水量增加，降雨模式的不可预测性加剧。这些问题在地中海地区尤为突出，干旱事件严重制约农业生产并加剧水资源短缺。同时，对有限淡水资源日益激烈的竞争进一步威胁农业系统的长期可持续性。在此背景下，再生水回用作为气候适应性农业的重要组成部分，能够同时缓解水资源压力、减少污染并保障作物生产。尽管具有诸多益处，全球范围内目前仅有不到20%的废水得到处理，其中仅有2%至15%的处理废水被回用于灌溉。意大利能源、网络与环境监管局(ARERA)估计，意大利约4%的处理废水被回用，主要应用于灌溉，而这一比例有望提升至17%。欧洲层面，仅塞浦路斯和马耳他等岛国废水回用率超过60%，意大利、西班牙和希腊的回用率仍相对较低（5%至12%）。为应对这一开发不足的潜力，欧盟通过了法规(EU) 2020/741，该法规依据“适用即用”(fit-for-purpose)原则，根据不同作物类型、灌溉方式和预期用途，确立了再生水的最低质量标准，并协调了各成员国的监管框架。意大利监管框架长期赋予区域规划核心角色，要求各区域通过识别拟用于回用的污水处理厂及所需输配管网和连接基础设施来规划水回用。然而，目前许多区域规划可追溯至2000年代，亟需根据最新法规发展进行更新。

西西里岛作为地中海地区典型案例，具有干旱频发、结构性缺水和对灌溉农业高度依赖等特征，同时废水处理已被确定为该地区最紧迫的基础设施投资优先事项之一。在此背景下，区域管理部门需要能够识别何处值得开展深入技术、经济和环境调查的筛选工具，以避免投资资源的盲目配置。本研究旨在回应这一需求，通过构建一种整合四项关键维度的规划支持方法，为农业水回用规划提供系统化工具。

二、研究内容与结论概述

研究人员开发了一种基于地理信息系统(GIS)的方法论框架，以支持城市处理废水(UTWW)在农业灌溉中的再利用规划。该方法以灌溉区为分析尺度，整合了四个关键维度：(i)欧盟法规(EU) 2020/741下作物特定水质要求；(ii)空间显式的灌溉用水需求；(iii)污水处理厂(WWTP)生产能力；(iv)影响配水的基础设施和地形约束。研究以西西里岛为案例区域，利用2020年多源数据，从定量和定性双重角度评估了再生水供应与灌溉需求之间的匹配程度，并设置了两种空间情景。研究得出以下主要结论：情景1中，38个灌溉区中有11个区域内部包含至少一座WWTP，共识别出19座适合筛选级水回用的处理设施，总可产再生水量为72,304,129立方米，未封顶总体需求覆盖率为53%，但考虑区域内部剩余水量不可自动转移后，有效需求满足率仅为12%；情景2纳入外部WWTP后，新增23座设施、14个灌溉区得到服务，总再生水量增至100,027,688立方米，潜在服务区域增至20个，未封顶总体覆盖率提高至73%，面积封顶的有效需求满足率提高至22%。在定性方面，由于所分析的作物类别均不需要A级水质，所有选定WWTP在筛选层面均能满足B、C或D级水质要求。研究指出，处理废水回用可为地中海地区的农业用水安全和气候适应性水资源管理做出贡献，但空间错配问题、储存能力和输送基础设施是实现高效利用的关键制约因素。该论文发表在《Agriculture》期刊，其方法论贡献在于提供了一个基于公开可获取数据、可在不同年份重复应用且可在不同区域推广的分层筛选框架。

三、主要关键技术方法

本研究采用了以下主要技术方法：利用哥白尼高分辨率层(HRL)数据（10米分辨率）获取作物类型与空间分布；运用意大利国家统计局(ISTAT)农业普查数据计算市级灌溉面积占农业用地面积(UAA)比例，并将其空间化至地块尺度；从SIGRIAN数据库获取灌溉区尺度的作物特定季节性比容(SSV)，通过基于同质环境区域的空间填补程序估算缺失值；利用ISTAT民用用水普查和欧洲环境署(EEA)数据整合处理厂信息，采用120米距离阈值及人工核验进行数据匹配；基于DTM-75数字地形模型和坡度分析筛选外部处理厂连接的地形可行性；在QGIS和RStudio环境中完成距离-容量分析和地形筛选。

四、研究结果

（一）情景1结果

在情景1条件下，研究共识别出西西里岛38个灌溉区，其中11个区域边界内包含至少一座WWTP。共有19座适合筛选级水回用的处理设施被识别，这些设施具备生产符合欧盟法规(EU) 2020/741定义的B、C或D级水质再生水的潜力。位于灌溉区内的19座处理厂年总产水量为72,304,129立方米。从定性角度看，由于所分析的作物类别均不要求A级水质，所有作物类别的灌溉水质需求均可在筛选层面得到满足。从定量角度看，未封顶总体需求覆盖率为53%，但在灌溉区层面进行剩余水量封顶后，有效需求满足率仅为12%，反映出剩余水量集中在少数几个区域。在地方尺度上，覆盖率差异显著。27个灌溉区内不包含任何选定WWTP，情景1下本地覆盖率为零。在拥有至少一座处理厂的11个灌溉区中，两个实现完全需求覆盖的区域（ID 4350和4455）覆盖率分别约为265%和819%，其余九个区域覆盖率介于1%（ID 4369）至55%（ID 4357）之间。极高覆盖率值源于大量废水供应与相对有限的本地需求的组合效应。

（二）情景2结果

在情景2条件下，研究根据距离-容量标准和地形分析，在情景1的基础上增加了位于灌溉区外的处理厂。共识别出23座额外WWTP，分布于14个灌溉区，对应增加再生水量27,723,559立方米，总再生水量达100,027,688立方米，潜在可灌溉区域总数增至38个中的20个。从定性角度看，情况与情景1相比未发生变化，所有选定WWTP在筛选层面均能满足所考虑作物对应B、C和D级的灌溉水质要求。从定量角度看，情景2显著但不均衡地改善了回用潜力。未封顶总体覆盖率从53%提高至73%，面积封顶的有效需求满足率从12%提高至22%。完全满足需求的灌溉区数量从2个增加到12个。仍有8个灌溉区未实现完全需求覆盖，部分满足率介于约4%至96%之间。

（三）区域总体指标比较

情景1和情景2下选定作物的灌溉需水量(IWR)满足率分别为53%和73%。这些数值包含区域内部无法自动重新分配至邻近灌溉区的剩余水量。当排除每个灌溉区内产生的剩余水量并将需求满足率封顶于100%时，区域层面的灌溉需水量覆盖率在情景1和情景2下分别降至12%和22%。这一差异揭示了再生水可利用性不仅是总量问题，更涉及空间匹配、储存能力、输送基础设施和治理安排等多重因素。

五、讨论与结论

研究讨论指出，再生水的空间错配是规划中的关键发现，可利用性不仅取决于总体积，还取决于需水的时间和地点。灌溉区之间的显著空间变异性值得特别关注，覆盖率较低的区域通常兼具低废水产量、城市聚落有限以及与适宜处理设施距离较远等特征，而邻近人口密集城市中心的灌溉区则倾向于受益于更大量的处理废水，从而表现出更高的覆盖率。虽然某一灌溉区内产生的剩余水量因领土、经济和制度约束不一定能输送至邻近管网，但其利用仍可能带来优势，例如支持灌溉基础设施向目前依赖自供水源的农业区域扩展，使其纳入灌溉水服务(IWS)框架，或将剩余水量分配至储存系统以确保灌溉季节高峰期供水，并有助于通过减少抽取量来保护地下水，特别是在西西里岛等沿海地区减缓盐水入侵。

研究局限性方面，废水可获取性和灌溉需水量均基于年度时间尺度评估，未显式表征处理废水相对持续生产与灌溉需求季节性集中之间的时间错配；单一参考年份限制了关于干旱驱动的灌溉需求增加的时序结论；作物特定灌溉面积估算采用市级统一比例可能在各作物类型间造成错配；SSV值反映实际输送水量而非潜在农艺需求；水质等级从处理技术推断而非基于实际监测数据；经济评估未纳入详细分析。

研究结论指出，处理废水是应对水资源短缺的潜在非常规水源。本研究的主要贡献在于开发了一个基于GIS的框架，能够支持农业水回用规划中的三个关键决策过程：(i)评估现有基础设施的潜力；(ii)识别再生水可获取性与灌溉需求之间的空间错配；(iii)识别可优先开展进一步调查的区域，以支持水回用方案的实施，包括处理性能、能源需求、季节性储存和输送能力、全生命周期成本、风险管理计划或授权程序以及利益相关者接受度。研究的方法论贡献在于提出了一个协调统一的、基于GIS的规划框架，该框架利用可获取的数据集整合了废水供应、灌溉服务需求、作物质量要求和基本基础设施约束。该框架并非提供确定性的可行性评估，而是作为基于年度更新、公共维护数据集的一级筛选工具，识别初步供需匹配良好、值得开展详细技术、环境和经济效益调查的候选区域。该方法可便捷地转移至其他具有类似灌溉管理和数据可获取性条件的意大利区域或其他地区，在局部调整后，可为初步比较和选择需开展针对具体地点的技术、经济、环境和监管评估的位置提供共同结构。