北京大学学报(自然科学版) 第61卷 第5期 2025年9月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 61, No. 5 (Sept. 2025)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2025.022
国家重点研发计划(2021YFC3200204)和国家自然科学基金(52479031, 52009141, 52239004)资助
收稿日期: 2024–08–19;
修回日期: 2025–02–19
摘要 以公共生活用水大户高校为例, 通过全国范围的问卷调查分析, 量化用水管理因素对学生用水方式的影响, 构建高校用水节水潜力模型, 并模拟单一和混合策略作用下高校学生用水情景、节水效果和节水成本。研究结果表明, 我国高校学生人均生活用水量为 122.7L/d, 北方高校更注重用水管理的实时性和透明化, 计费 IC 卡使用率比南方高 16%; 在现有管理方式下, 北方学生人均用水量比南方学生少 36%。进一步建立“器具源头节水–管理影响习惯–节水意识提升–末端分质回用”的作用链条, 多元策略模拟结果显示高校学生生活节水潜力为 17%～24%。研究结果可为我国高校用水管理和水资源高效利用提供数据支撑和科学依据。
关键词 生活用水; 高校用水; 节水模型; 用水管理; 节水策略
水是维系人类生存与发展的重要资源。随着全球气候变化的影响日益显著, 水资源短缺问题愈发突出。气候变化导致降水模式改变、极端天气事件频发以及水资源时空分布不均, 进一步加剧我国水资源短缺问题。随着社会经济的快速发展, 我国生活用水量显著增长, 2023 年已达到 909.8 亿 m3, 近20 年的年均增长率为 2.1%, 其中公共生活用水量的增长更为迅速, 年增速达 3.0%[1]。在“节水优先”的治水背景下, 应对水资源短缺的策略已经从简单的用水供给管理转变为用水需求管理。因此, 科学地评估生活用水变化规律, 探究微观尺度下生活用水的行为机制和节水驱动因素, 成为实现水资源高效利用的关键课题。
高校是典型的公共用水大户, 具有用水人口集中、年龄整体偏小、群体特征显著以及用水环节复杂的特点, 不同地区高校用水水平差异较大, 高校学生人均用水量明显高于居民生活用水量[2–5]。根据各省级行政区调查结果, 全国约有 38%的高校学生人均用水量超过本省制定的高校用水定额[6], 节水潜力较大。同时, 由于高校内部不同环节在用水方式、收费方式和水质要求方面存在差异[7], 如何建立系统、高效的管理机制, 成为高校水资源精细化管理的难点。
近年来, 众多学者对高校用水规律、节水措施和节水潜力展开研究。高校用水场景复杂[8], 其中宿舍、教学楼和食堂全年用水量占高校全年用水量的 70%～91%[9–11], 为高校用水的主要部分, 如常州大学城宿舍用水量占全校的 46%[12]。目前, 较为常用的节水措施是节水器具推广、实施定额管理和水价激励[13–14]。兰凤等[15]基于常规节水措施构建高校节水体系, 提出高校节水新举措。徐劲草等[16]提出基于定额管理的自来水管理方式。姜海珊等[17]强调节水设施推广和节水意识培养的重要性。穆泉等[18]利用离散选择模型量化节水意识对节水行为的激励作用, 结果表明影响幅度为 8.8%～25.3%。马训舟等[19]构建二次近似完美的需求体系, 探讨价格弹性对用水需求的影响。师林蕊等[20]构建层次化节水模型, 量化生活节水潜力。目前, 各高校水资源管理存在较大的差异, 部分高校已经建立系统化、专业化的节水措施, 但仍然有约 60%的高校尚未达到节水型高校标准[21]。未来的研究重点应聚焦于用水环节的量化识别[22]、节水潜力评价[23]以及学生用水心理理论[24]等方面。
从节水管理方式来看, 现有研究更多地聚焦于城市综合节水管理[25–26]。在高校, 节水措施主要依托市场化手段和工程方式推进, 前者以合同节水管理[27]为主, 后者则包括节水工程以及节水技术改 造[28]等, 例如更换节水型设备[29]、安装用水计量设施[30]和建设非常规水代替工程[31]等。然而, 当前的研究对管理措施影响下学生用水习惯的量化关注较少, 针对节水问题的基础性研究仍然不足[32]。
本研究针对高校学生生活用水特点设计问卷并开展调查, 分析不同地区高校现有用水管理措施的差异和学生生活用水特点, 量化不同管理措施下的学生用水习惯和节水行为差异。以学生节水作用路径为依据, 总结高校管理措施的实施效果, 建立涵盖器具源头节水、管理影响习惯、节水意识提升和末端分质回用 4 种节水方式下混合策略的节水作用链条, 构建高校学生生活用水节水潜力模型, 模拟单一策略和混合策略下高校学生分环节用水的节水潜力和节水成本, 以期为高校用水管理和水资源高效利用提供数据支撑和科学依据。
高校学生用水习惯以及节水情况问卷的内容涉及个人特征和高校管理两部分, 细分为六大内容共50 个问题, 其中学生个人特征包括基本信息、生活习惯和用水习惯三部分, 高校管理包括住宿设施、校园设施和节水教育三方面, 详见表 1。
表1 问卷调查内容
Table1 Contents of the questionnaire survey
分类内容信息 个人特征基本信息学校(校区)、家乡、年龄、年级、性别、生活费、住宿方式、离校频次 生活习惯学习或校内外活动时长、活动主要场所 用水习惯饮水习惯, 洗浴、洗衣、冲厕、个人清洁、宿舍清洁频次和用水时长、其他行为用水量(养花、加湿器等)、在家与在校用水习惯频次差异 高校管理住宿设施宿舍人数、卫浴条件、洗衣机类型、卫生器具类型、饮水设施、缴费形式及水价 校园设施器具改造或更换情况、中水回用设施 节水教育区域水资源了解程度、节水标语张贴情况、节约用水标语敏感程度、常用节水形式、参加节水活动频次
通过入校调研和线上问卷两种方式, 面向全国年招生人数超过 4000 人的全日制住宿高校师生开展问卷调查。其中, 教师问卷主要针对高校管理工作相关人员。调查时间为 2023 年 6—12 月, 回收有效问卷 7454 份, 其中含教师问卷 67 份。调查涵盖151 所高校, 华东、华北、东北、华中、西南、西北和华南地区分别占 32%, 23%, 10%, 13%, 8%, 8%和 6%。受访学生中, 男生和女生的占比分别为 57%和 43%。
我国高校学生用水集中在校园内, 直接用水行为主要包括饮用、洗浴、洗衣、冲厕、个人清洁和宿舍环境 6 个方面, 其中冲厕和个人清洁用水包括宿舍、食堂和教学区等场所用水, 洗浴、洗衣和宿舍环境维护用水则集中在宿舍区。本文基于用水频率、习惯、器具水平和活动轨迹, 构建高校学生生活用水量计算方法。日用水总量 Q(L/(人·d))的计算公式为
(1)
其中, Qi(i=1, 2, … , 6)为饮用、洗浴、洗衣、冲厕、个人清洁和宿舍环境 6 种用水行为的日用水量。日饮用水量 Q1 (L/(人·d))的计算公式为
(2)
其中, Fd 为日饮水频率(次/d), qd 为平均每次饮水量(L)。日洗浴用水量 Q2 (L/(人·d))的计算公式为
(3)
气候和季节变化是影响个人洗浴频次和时长的主要因素[33], 本研究重点区分夏季与冬季的洗浴习惯, 即式(3)中 n
2; Fb1 和 Fb2 分别为夏季和冬季平均洗浴频次(次/d); Tb1 和 Tb2 分别为夏季和冬季平均洗浴时长(min), Eb 为淋浴器用水效率(L/min); Cb 为淋浴器关闭系数。日洗衣用水量 Q3(L/(人·d))的计算公 式为
(4)
其中, F3i 和 Fh 分别为平均每日机洗和手洗衣物频次(次/d); i=1, 2, 分别为波轮式和滚筒式洗衣机; Eci 为洗衣机用水效率(L/kg); Wi 为洗衣机洗涤重量(kg); qh 表示平均单次手洗衣物用水量(L)。日冲厕用水量 Q4(L/(人·d))的计算公式为
(5)
其中, i=1, 2, 3, 分别表示宿舍、食堂和教学区; Fti 为平均每日在地点 i 的冲厕次数(次/d); Eti 为冲便器用水效率(L/次); Rti 为再生水利用率(%)。日个人清洁用水量 Q5 (L/(人·d))的计算公式为
(6)
其中, Fω 为平均每日清洁次数(次/d), Tω 为清洁时长(s), Eω 为水龙头用水效率(L/s), Cω 为水龙头关闭系数。日宿舍环境用水量 Q6(L/(人·d))的计算公式为
(7)
其中, i=1, 2, 3, 4, 分别表示拖地、擦拭物品、浇花和加湿器 4 种用水行为; Fmi 为平均每日频次(次/d); qmi 为平均单次用水量(L); Rmi 为废水利用率(%)。
上述公式中, 单次用水量均值(qd, qh 和 qmi)、使用淋浴器和水龙头过程中的用水关闭系数(Cb 和 Cω)、用水行为废水利用率(Rti 和 Rmi)均表示学生用水习惯, 通过学生问卷调查得到; 不同用水器具的用水效率(Eb, Eci, Eti 和 Eω)通过教师问卷和抽样调查, 并结合市场调研获取; 用水器具等级及参数根据节水型用水器具用水效率等级国家标准[34–37]确定, 1 级和 2 级为节水型器具, 3 级及以上为非节水型器具。
问卷调查结果显示, 高校学生平均日用水量为122.7L/d, 比全国水资源公报中去掉烹饪用水[38–40]的人均居民生活用水量高约 14%[1]。其中, 个体行为存在较大的差异(图 1), 约 69%的受访者日用水量为 75～150L, 8%的受访者日用水量低于 50L, 6%的受访者日用水量超过 200L。从用水地点来看, 71%的个人清洁用水集中在宿舍区, 其余则主要在教学区、食堂和体育馆, 其中近六成的工作日冲厕行为发生在教学区。从用水行为来看, 洗浴、冲厕以及个人清洁是用水量最多的 3 种行为, 占日用水总量的 64%～86%。近半数学生平均每周洗浴 4～6 次, 25%的学生洗浴时长超过 20 分钟。从用水地域来看, 南北方学生用水量差异明显, 南方学生日用水量比北方学生高 36%, 华南地区最高(158.6L), 西北地区最少(91.3L); 南方学生洗浴和洗衣行为用水量比北方学生分别高 20.2 和 8.1L。与当地人均居民生活用水量相比[1], 不同地区学生的用水量均更高, 其超出幅度在南方和北方分别为 16%和 9%。
不同高校的用水管理办法存在显著差异。据统计, 61%的高校已建立较完善的用水管理体系, 表现在收费管理、水价调控、宣传教育和节水设施四方面。高校学生用水收费管理方式分为免费和自费两类, 各地区学生用水自费的高校占比及相应的水价如图 2 所示, 具体收费管理方式可划分为 4 种: 1)校方承担费用, 约 78%的高校承担学生宿舍水费; 2)储值式缴费, 5%的高校将水费折算在电费或住宿费中, 其中 93%的高校实行学期结算制; 3)学生即用即缴, 按次缴费, 常见于洗衣机和饮用水; 4)储值IC 卡, 根据用水量或时长实时显示用水的费用, 约79%的高校采用此方法管理洗浴用水。北方高校更注重用水量的实时性和透明化, 北方高校储值 IC 卡使用率达 91%, 比南方高校高出 16%。
图1 高校学生生活用水结构和地域分布特征
Fig. 1 Structure and regional distribution characteristics of domestic water consumption for college students
高校水价调控政策因地区而异, 自来水价格普遍执行居民水价标准, 少数高校执行非居民水价, 多在 2.5～5.5 元/m3 之间(图 2)。其中, 北京、河北和天津的高校水价较高(4.5～5.5 元/m3), 海南、广西和湖北地区则较低。热水价格普遍在 20～45 元/m3 之间, 受设施成本、运行费用以及人工成本等因素影响, 山东、湖北和福建部分高校的热水价格可达 60元/m3。
节水宣传教育是普及节水知识和技能, 引导公众自发节水的有效方式。目前, 高校开展节水宣传教育的频次差异较大, 只有 7%的高校每年开展 2～4次节水宣传活动, 91%的高校每年只开展一次节水宣传活动, 且多在“中国水周”期间。在学生参与度方面, 有 32%的学生每年至少参加一次节水活动, 包括校内讲座和社会实践等活动; 46%的学生不了解且从未参加过校内节水活动。积极参与节水活动的学生一水多用、及时关闭水龙头和关注水资源状况等行为的践行率比其他学生高出约 24%。
节水设施的普及是从源头提升节水效果的有效措施, 不同的高校在用水器具的更换频率和非常规水资源利用等方面存在较大的差异。问卷调查结果显示, 55%的高校在过去 3 年内对节水器具进行了更新, 约 45%的高校近 5 年内未系统地更换节水器具。此外, 约 53%的高校建有小型生活污水分散回用处理设施, 将处理后的中水用于教学楼或学生宿舍的冲厕用水, 在北方缺水地区常见这类设施。总体来看, 绝大多数高校在非常规水资源的综合利用方面仍然具有较大的潜力。
图2 高校学生用水自费比例和水价统计结果
Fig. 2 Statistics of self-funded water consumption and water price of college students
采用 Spearman 相关系数法进行相关性分析, 探讨影响高校学生用水行为的管理因素。自变量包括用水收费方式、水价、宣传教育、节水设施和住宿情况等, 因变量为各环节的用水量。除水价外, 其余因素均采用量化评定等级的方式进行赋值。用水收费方式分为不收费、储值式、即用即缴和 IC 卡 4种, 分别赋值 1, 2, 3 和 4。水价根据实际情况确定, 若无需缴纳水费, 则赋值 0。宣传教育包括节水教育开展频次和节水标语张贴情况两个自变量。节水教育开展频次包括不开展、两年一次、一年一次和一年多次, 分别赋值 1, 2, 3 和 4。节水标语张贴情况为二分变量, 在用水处有、无张贴标语分别赋值1 和 0。节水设施包括器具等级和中水回用设施两个自变量。器具等级按水效等级划分为 3 级、2 级和 1 级, 分别赋值 1, 2 和 3。中水回用设施为二分变量, 有为 1, 无为 0。住宿情况包括住宿规模和卫浴设施两个自变量。住宿规模按房间人数划分为 1～2人间、3～4 人间、5～6 人间、7～8 人间及以上, 分别赋值 1, 2, 3 和 4。卫浴设施为二分变量, 宿舍有独立卫浴赋值为 1, 否则为 0。
采用 Spearman 相关系数法对因变量和自变量进行双变量相关性分析, 结果显示 P 值均小于 0.05(表 2), 表明该统计指标具有显著性。对用水量影响不显著的管理因素在表 2 中不显示相关系数值。
各因素的相关系数表明, 不同管理方式与分环节用水量之间存在关联。为进一步探究其影响因素, 本文构建多元线性回归模型。结果显示, 德宾–沃森检验值均处于 1.8～2.2 之间, 方差分析的显著性 P 值均小于 0.05, 说明构建的回归模型具有统计学意义。通过标准化回归系数 β 值(图 3), 可以比较不同管理因素对分环节用水量的影响程度。
不同管理因素对用水量的影响存在差异。其中, 热水收费方式和水价与洗浴用水量显著负相关; 器具等级是影响个人清洁和宿舍环境用水的主要因素, 同时与洗浴、冲厕等用水量显著负相关; 独立卫浴设施与洗浴、洗衣用水量正相关。
为量化不同管理方式下学生用水的差异, 综合主要管理因素, 绘制用水量分布图。图 4 显示, 不同管理方式下, 洗浴、洗衣、个人清洁和宿舍环境用水量差异明显。在不收费情况下, 洗浴、洗衣、个人清洁和宿舍环境的人均日用水量分别为 55.4, 21.7, 21.1 和 4.7L/d; IC 卡管理模式下的平均用水量最低, 各行为的用水量比不收费模式低 15%～29%。学生用水需求具有一般商品特征, 水价提升对节水行为有激励作用。调查结果表明, 热水水价在 40～ 60 元/m3 区间对洗浴用水的调控效果最明显, 该区间人群的洗浴用水量比水价在 20～40 元/m3 时低19.8L/d; 自来水价上涨 10%, 个人清洁用水相应地减少 2%。与未接受节水教育的学生相比, 长期接受节水教育的学生在洗浴、洗衣和个人清洁方面的平均日用水量减少 10%～17%。
表2 高校学生用水量与管理因素的相关系数
Table 2 Correlation coefficient between water consumption and management factors for college students
管理因素 洗浴用水洗衣用水冲厕用水个人清洁用水宿舍环境用水 热水收费方式−0.261−0.125−−0.106− 水价−0.242−−−− 自来水收费方式−0.150−0.178−−0.123−0.106 水价−−−−0.121− 宣传教育教育频次−0.205−0.178−−0.120− 节水标语−−0.070−−0.121−0.039 节水设施器具等级−0.232−0.090−0.187−0.182−0.216 中水回用设施−−−0.213−− 住宿情况住宿规模−−0.038−−0.043−0.049 卫浴设施 0.079 0.073−−0.064−
图3 高校学生用水管理因素标的准化回归系数b
Fig. 3 Standardized regression coefficient of water use management factors for college students
基于问卷调查结果, 进一步探讨不同管理措施对各环节用水量的影响。结合 2.2 节中主要管理方式及其赋值对样本进行分类, 统计各类管理方式组合下的用水量均值, 构建多维管理矩阵, 其中各元素代表特定管理方式组合下分环节用水行为的用水量。为分析单一因素的影响, 固定其他因素为样本高校中最普遍采用的管理方式, 以赋值为 1 的基础管理方式作为对照, 计算各分组与基础方式的用水量差异, 从而反映该单一因素对用水行为的影响程度。通过逐项计算并加和主要影响因素在各用水环节的变化量, 得到多因素综合影响总量, 进而量化单一因素影响量在总变化量中的占比, 用于表征各管理因素对用水的影响程度(图 5)。
综合分析结果表明, 节水设施在降低高校人均日用水量方面发挥关键作用。高效节水器具可实现源头节水, 对洗浴、冲厕、个人清洁和宿舍环境用水均产生显著影响, 特别是对宿舍环境用水的影响幅度超过 60%; 中水回用设施对冲厕用水的影响最突出。收费方式和水价等管理措施能够潜移默化地改变用水习惯, 对各环节节水具有激励作用, 特别是对洗浴用水的影响程度达到约 54%。宣传教育对洗衣、个人清洁和洗浴用水的影响明显, 其中对洗衣用水的影响程度约占 37%。单一策略分析有助于理解各项管理措施的独立影响, 为高校制定综合节水策略提供基础方案。
从需求管理的角度出发, 构建高校学生生活用水节水潜力模型, 量化混合策略下的高校节水潜力。模型以个人特征及高校管理方式为基本输入, 以高校学生在校正常开学期间为时间边界, 以学生在校活动区域为空间边界, 将学生的校内生活用水行为习惯和活动轨迹与基于混合策略归纳出的联合行为子集合[41]进行链式关联。以问卷数据为基础参数库, 以混合管理策略为核心, 构建“日常用水需求–混合管理策略–用水行为反馈”链, 实现对不同管理策略下节水潜力和成本的模拟分析。该模型分为 7 个模块, 分别为参数输入、用水需求、用水量模拟、策略分析、节水潜力、成本分析和输出模块(图 6)。节水潜力模块用于计算不同策略的节水潜力, 计算公式为
图4 不同管理方式下高校学生用水量
Fig. 4 Water consumption of college students under different management modes
图5 分环节用水主要影响因素及其影响程度
Fig. 5 Main influencing factors of water use by link and their influencing degree
(8)
其中, Wsni 是策略 n 作用下用水行为 i 的单项节水潜力(L), 表示该策略影响下分环节可节约的用水量; △Q 是可节约用水量(L); Q0ni 是用水行为 i 在单一指标 n 基准场景下的现状用水量(L); Qdni 是用水行为 i在单一指标 n 节水场景下的用水量(L)。
在实际管理工作中, 不仅要考虑单一管理策略对用水行为产生的可节约用水量(Wsni), 还需要综合研究不同管理策略下用水者的需求变化与节水潜力的复合影响, 即总用水行为的节约水量。因此, 在式(8)的基础上, 分别构建单一策略(单因素)与混合策略(多因素)的总节水潜力计算公式:
(9)
(10)
其中, Wsn 是单一策略指标 n 作用下全部用水行为的节水潜力(L), n 表示节水设施、收费管理、水价调控和宣传教育 4 类策略下的中水回用设施等 8 个单因素措施, W 是混合策略中多因素叠加作用下全部用水行为的综合节水潜力(L), Wsi 是用水行为 i 受多因素作用的节水潜力(L)。策略的多因素叠加过程中综合考虑影响因素、作用链条和影响程度, 构建“器具源头节水–管理影响习惯–节水意识提升–末端分质回用”作用链条, 量化不同策略对器具效率、行为频次和用水时长的影响, 从而得出混合策略的节水潜力。该系数根据用水管理相关因素, 结合管理作用链条, 通过量化单一策略 n 作用下分环节用水变化量占 m 个相关策略(m≥8)总变化量的比例得到影响系数:
(11)
其中, εni 为影响系数, 表示策略 n 在混合策略中对用水行为 i 的影响程度; 
表示策略 n 作用下, 改变管理方式场景影响用水行为 i 的用水量均值。
节水是一项需要成本投入的社会活动。成本分析模块用于评估不同节水策略的经济投入, 以便帮助高校结合自身特点选择合适的节水方案。成本投入包括高校节水成本与学生自付成本, 高校成本包括节水建设和节水教育成本, 节水建设成本包含节水器具更换、计量设施安装、中水回用设施建造和设施运行等方面, 可划分为投资建设、设施管理运行和运营维护期的增量成本 3 个部分。各项设施建设成本参数参考市场普遍价格[42], 水龙头、淋浴头数量及建设面积等根据各高校实际情况确定。节水教育成本主要为开设相关节水课程或者活动产生的人力劳动成本, 参考所在城市的劳动力水平进行核算[43]。学生自付成本包括两个方面, 一是用水管理及水价调整后学生需额外支出的费用, 二是学生因参与节水相关活动产生的费用, 具体参数依据各地区水价政策和学生问卷数据确定。
图6 高校学生生活用水节水潜力模型结构
Fig. 6 Structure of potential model of water saving for college students
以问卷数据作为模型的基础样本, 结合来自山西、上海和贵州等地 46 所高校学生的实际用水数据, 匹配学生人群及个人特征与高校管理策略, 利用模型用水需求模块计算学生用水量并与实测用水量对比。同时, 通过计算高校实际用水量与当地高校学生用水定额先进值之间的差异, 得出节水量, 从而验证模型的节水潜力模块。上述两个模块的验证结果误差均小于 10%, 表明该模型的预测值具有较高的准确性。
通过设定不同的节水情景, 模拟学生在单一策略及混合策略下的用水行为差异和节水潜力, 定量地探究基于混合策略的高校节水潜力。基准场景依据典型非节水型高校的用水管理模式设定, 节水场景则基于当前高校实际采用的节水管理措施, 结合节水型高校评价标准[44]及问卷调研结果, 设计收费管理方式、水价调控、节水宣传教育和基础设施建设 4 类场景下的 14 种方案(表 3)。个人用水习惯数据来源于问卷数据库, 代表特定情境下群体的用水特征, 通过对大量样本数据进行分组筛选, 计算得出单一策略改变下的合计节水潜力(Wsn)。此外, 当节水场景发生变化时, 节水效果主要表现为用水习惯的改变, 例如用水时长和用水频次减少、关闭水龙头频次的增加等。
通过比较单因素节水潜力发现, 推进高校基础设施建设场景下的节水潜力最大(表 3)。当 1 级节水型器具普及率达到 100%时, 节水潜力为 29.6±8.7L, 用水效率最高可提升约 23%。用水收费方式和水价管控措施也表现出显著的节水潜力, 与当前我国高校平均热水水价(32.6 元/m3)的基准场景相比, 水价提高至 42.4 元/m3 时, 学生用水时长减少约17%, 洗浴用水节水潜力约为 10.2L/(人·d)。综合源头节水、管理习惯、节水意识和末端回用等环节的节水措施, 考虑单一模态的个性化需求, 基于多层次融合策略研究[45], 选取多种单一策略方案构成混合策略, 设置混合节水策略场景(表 4)。同时, 结合基础设施建设、人力资源成本以及管理办法实施的难易程度和学生心理可接受程度等因素, 开展节水潜力和节水成本的模拟分析。
表3 单因素节水场景设计及潜力
Table 3 Design of single-factor water conservation scenarios and potential
场景基准场景用水方案设计 涉及用水行为方案编号节水场景说明影响用水习惯合计节水潜力/L 场景A合理设定用水收费方式储值式缴纳改变热水缴纳方式洗浴、洗衣1即用即缴时长减少 10%, 使用期间关闭龙头频次增加 8%7.1±2.0 2IC卡时长减少 26%, 使用期间关闭龙头频次增加 15%14.5±3.6 均不缴费改变自来水缴纳方式洗衣、个人清洁、宿舍环境3储值式时长减少 9%, 使用期间关闭龙头频次增加 7%6.1±2.5 4IC卡时长减少 20%, 使用期间关闭龙头频次增加 16%9.7±2.3 场景B适当调控用水水价热水水价32.6元/m³热水水价适当上调洗浴110%时长减少 10%2.8±0.2 230%时长减少 17%10.2±2.2 350%时长减少 30%15.8±3.5 场景C加强节水宣传教育两至三年参加一次增加每年参加节水活动频次洗浴、洗衣、个人清洁11次频次减少 8%, 时长减少 6%8.7±1.9 22～3次频次减少 14%, 时长减少 12%14.4±2.5 未张贴节水标语个人清洁3用水处均粘贴时长减少 9%, 使用期间关闭龙头频次增加 3%2.0±0.6 场景D推进高校基础设施建设现状水平*提高器具水效洗浴、冲厕、个人清洁、宿舍环境12级增加 9%效率12.1±5.2 21级增加 23%效率29.6±8.7 无中水回用提高再生水利用率冲厕350%以上新鲜水使用减少 55%12.1±2.5 470%以上新鲜水使用减少 81%17.4±4.8
注: *样本范围内, 高校学生生活区用水器具的 1 级、2 级和 3 级水效分别占 25%, 45%和 30%。
表4 混合节水策略场景说明
Table 4 Description of hybrid water conservation strategy scenarios
综合情景编号节水情景场景解释 场景A场景B场景C场景D 1提升用水水价方案2 +方案3方案2方案2 +方案3方案1 +方案3 2严格管理方式方案2 +方案4方案3方案2 +方案3方案1 +方案3 3节水器具普及方案1 +基准场景方案1方案1 +方案3方案2 +方案4 4提高节水意识方案2 +方案3方案2方案2 +方案3方案2 +方案4 5多维综合节水方案2 +方案4方案3方案2 +方案3方案2 +方案4
以学生人数为 2.5 万、建筑面积为 100 万 m2 的某高校为例, 分别计算混合节水策略场景下的节水潜力和节水成本(学校和学生支出成本用场景新增人均年成本表示)。情景 1 和 2 在考虑高校节水基础设施成本的基础上, 分析不同收费方式和水价提升幅度对节水潜力的影响; 情景 3 和 4 侧重提升用水效率措施, 包括将器具水效等级提升至 1 级, 将再生水利用率提升至 60%以上, 重点模拟学生节水意识、收费方式和水价变化对节水潜力的影响; 情景5 则探讨高校在多维化、全方位管理策略下的节水 潜力。
模拟结果如图 7 所示, 与基准情景的用水量相比, 情景 1 在洗浴和冲厕方面的节水量最大, 占总节水量的 70%以上, 综合节水潜力为 22.2L/(人·d)。在情景 1 的基础上, 情景 2 严格管理自来水收费方式(表 4), 在全国平均水平基础上将热水水价提升50%, 虽然各用水环节节水量均高于情景 1, 但受限于器具水效及再生水回用率, 节水潜力未能完全发挥, 综合节水潜力为 25.0L/(人·d), 比情景 1 提升13%。与情景 1 相比, 情景 3 将器具水效提升至 1级, 再生水利用率至少提升 20%, 但在收费方式和水价调整方面, 因宣传力度不足, 节水幅度较小。该情景的洗浴、洗衣和个人清洁节水量比情景 1 少5.6L/(人·d), 综合节水潜力为 20.6L/(人·d)。在情景1 基础上, 情景 4 重点加强节水基础设施建设, 提升器具水效和再生水利用率(表 4), 冲厕和宿舍清洁节水量比情景 1 提高 21%, 综合节水潜力达到 27.3L/(人·d)。情景 5 采用 IC 卡收费制度, 将热水价格提高 50%, 并加强节水宣传来提高学生的节水意识, 同时完善器具水效等级, 各用水环节的节水潜力均最高, 冲厕和洗浴节水潜力分别达到 44%和 22%, 综合节水潜力为 29.4L/(人·d)。
从节水成本来看, 学校方面, 中水回用设施成本相对较高, 其次为安装计量设施和更换节水器具的成本, 节水教育的成本最低; 学生方面, 水价调控带来的额外成本最高。以情景 1 的节水成本为基准(100%), 计算不同场景下高校节水成本与基准成本的比值, 结果如图 7 所示。由于各高校在规模、基础设施和地域条件等方面存在差异, 实际成本缺乏普适性和可比性, 因此本文采用百分比来表征节水成本的相对大小, 反映不同高校节水措施的成本差异。
图7 优化节水情景模拟结果
Fig. 7 Simulation results of optimized water-saving scenario
综合来看, 节水基础设施建设标准越高, 高校承担的成本越高; 水价越高, 学生的用水成本越高。情景 3～5 涉及基础设施建设, 高校承担的成本相较情景 1 和 2 显著增加。其中, 情景 1 的节水潜力约为 18%, 综合成本最低, 学生人均年用水成本为 321 元; 情景 2 节水潜力约为 20%, 与情景 1 相比, 学生人均年用水成本因水价上升增加 34%; 情景 3 节水潜力约为 17%, 高校在节水基础设施上的投入比情景 1 增加 40%, 但学生人均年用水成本显著下降 59%; 情景 4 节水潜力约为 22%, 其主要成本来自节水器具更新和中水回用系统建设; 情景 5节水潜力最大, 约为 24%, 对各环节用水量的影响最为显著, 但在计量、器具更换、中水回用、节水教育和宣传活动等方面的成本最高, 高校和学生成本投入分别比情景 1 增加约 60%和 34%。情景 5 实现最大节水效果, 情景 1 则在节水效果和实施可行性之间取得较理想的平衡。在选择最优节水方案时, 需综合考虑高校的具体条件、现行政策以及长期发展规划。
本文通过全国范围的大规模问卷调查, 研究高校用水管理以及学生用水习惯的现状, 量化不同管理方法对学生用水行为的影响, 建立高校用水节水潜力模型, 分析混合策略下高校学生的节水潜力, 主要结论与建议如下。
1)我国高校学生人均生活用水量为 122.7L/d, 比全国居民人均用水量(扣除烹饪用水)高约 14%。不同地区学生的用水行为差异较大, 南方学生洗浴和洗衣行为的日用水量比北方学生分别高出 20.2 和8.1L。与当地人均居民生活用水量相比, 南方和北方学生分别高 16%和 9%。约 78%的高校宿舍存在自来水用水主体与水费缴纳主体分离的现象, 水费多由学校承担, 导致学生节水执行力较弱。南北方的用水管理方式也存在差异, 北方高校 IC 卡使用率比南方高校高 16%。建议北方高校持续完善节水基础设施, 南方高校则需加强节水制度建设和学生节水意识的培养。
2)管理策略的作用链条显示, 器具设施属于源头节水措施, 对各用水行为均有显著的影响, 对宿舍环境用水的影响程度超过 60%; 收费方式和水价通过影响学生用水习惯实现节水, 对洗浴用水的影响程度最大, 达到 54%; 宣传教育通过普及节水知识提升节水意识, 对洗衣、个人清洁和洗浴用水均有影响; 末端分质回用对冲厕用水影响最大。建议高校优先提高节水器具的效率, 并综合运用经济激励、教育引导和末端中水回用等多元化策略, 构建系统化的节水管理体系, 实现水资源的高效利用。
3)通过 14 种单因素方案模拟, 发现基础设施建设的节水潜力最大, 将器具水效标准提升至 1 级时, 平均节水潜力达到 29.6±8.7L/(人·d)。基于不同方案间的协同作用, 集成多维综合典型节水场景的模拟结果显示, 高校学生节水潜力为 17%～24%。建议高校结合地域实际情况制定节水方案, 统筹节水设施建设与运营成本, 形成更合理更高效的水资源管理政策。
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Simulation Study on the Water Conservation Potential of College Based on Mixed Strategies
Abstract Taking colleges, the large users of public domestic water, as an example, the research quantifies the impact of water management on students’ water consumption patterns, builds a water conservation potential model for colleges and simulates the water consumption scenarios, water conservation effects and costs of college students under single and mixed strategies, through a nationwide questionnaire survey and analysis. The research results reveal that the average water consumption of college students in China is 122.7 L/d, and northern colleges are more concerned with real-time transparency of water management, with a 16% higher usage rate of IC cards for charging than that in the southern colleges. Under the current management, the average water consumption per student in the north is 36% less than that of students in the south. The research further established a chain of functions: “faucet-level appliance water conservation®influences habits management®water conservation awareness enhancement® end- use of water quality recycling”, and the simulation of multiple strategies indicates that the water conservation potential of college students is about 17% to 24%. This study provides data support and scientific evidence for college water management and efficient use of water resources in Chinese universities.
Key words domestic water use; college water consumption; water conservation model; water management; water conservation strategies