太原市污水量预测方法研究

姜晋波 杨连昱

(太原市城乡规划设计研究院，山西 太原 030002)

1 概述

随着人口增长和城市化进程的加快，城市发展面临的水质污染与水资源短缺矛盾日益凸显，生态用水、产业用水、生活用水互相竞争，难以满足。我们需要合理分配水资源量，提高资源回收利用率，完善并优化适应本地的城市水循环系统。污水资源的再生回用是城市水循环系统的重要一环，污水量是城市水资源承载力的重要组成部分。污水量预测对城市建设和环境保护有重要影响。一方面城市污水量决定污水处理厂规模及污水主干管规模，其中城市平均日污水量确定城市污水处理厂规模，城市最高日最大时污水流量确定污水主干管规模。另一方面汾河水质标准的提高，使得现状污水处理厂实际上成为重要的污染源，由于污水处理厂出水标准略低于受纳水体标准，污水处理厂出水对汾河环境容量形成冲击，当汾河生态基流不足时，影响更甚。现状太原市城市污水处理厂日处理量大于城市日供水量，这与生活污水量小于生活用水量的常识相背离，原因是现状污水处理厂进厂污水为混合污水，其中存在包括入渗地下水在内的其他水量。由于污水量快速增长和不明水量混入，近几年投入运行的污水处理厂建成即满负荷，使管理工作极为被动。混合污水中的其他水量占用污水处理设施规模，造成能量与药剂的巨大浪费，同时影响水量平衡计算及污染物转移评估。2020年正值新旧规划交替时期，污水处理厂建设的紧迫性要求污水量预测前置。污水量预测成果作为污水处理厂建设规模的依据，服务行业主管部门提前布局、提前决策的要求，并用于城市水循环系统的构建。

2 资料与方法

2.1 研究区域

太原市地处晋中盆地，东、西、北三面环山，汾河自北向南穿越市区，中、南部为河谷平原。市区面积1 416 km2，下辖迎泽、杏花岭、万柏林、尖草坪、小店、晋源6个城区。研究区域包括城六区及太原市国家级经济技术开发区、山西转型综改示范区潇河产业园区太原起步区。2018年城六区常住人口361.68万人，现状户籍人口293.46万人，流动人口68.22万人[1]。

2.2 数据来源

考虑数据的权威性与一致性，研究选用太原市2010年—2018年用水统计年报逐年用水量数据分析太原市用水量变化特征。现状人口数据使用2011年—2019年统计年鉴，规划人口数据与在编国土空间规划一致。建设用地分类及面积数据与现状片区控规一致。

2.3 预测方法

研究基于太原市2010年—2018年用水量的变化趋势及历史均值，结合相关研究，按照规范[2]确定人均用水量、工业用水量与与综合生活用水量比值、不同类别用地用水量等参数，进而预测城市用水量。城市污水量根据城市用水量和城市污水排放系数确定[3]。研究主要解决以下三个问题：一是三种预测方法各自的适用情形不明确，二是全市采用统一用水量参数偏离各分区实际用水规律，三是按行政区统计的用水量数据与排水分区边界不匹配。

3 历史用水规律分析

历史用水规律包括用水量的均值、比重、极值等诸多要素，研究仅就预测方法涉及的数据进行分析。

3.1 用水量与服务人口的相关性

根据2010年—2018年各区及全市逐年人口和逐年用水量数据，分析人口与用水量的相关程度。城六区总人口与总用水量相关系数达0.831(见表1)，说明人均用水量指标可以较好的反映太原市城六区用水量规律。

表1 2010年—2018年人口与用水量相关系数表

3.2 城六区2010年—2018年人均用水量逐年变化

城六区2010年—2018年人均居民生活用水量从89.2 L/(人·d)增长至152.98 L/(人·d)，主要原因是城市居民生活水平提高引起人均居民生活用水量增长。城六区2010年—2018年人均综合生活用水量与人均居民生活用水量的差值介于30 L/(人·d)～40 L/(人·d)，且总体呈下降趋势。这表明人均综合生活用水量的增长主要动因是人均居民生活用水量增长。城六区2010年—2018年人均工业用水量在140 L/(人·d)附近摆动，而同期太原市工业产值呈增加趋势，其主要原因是高污染、高能耗、资源型产业外迁及工业节水水平提高。城六区2010年—2018年人均综合用水量从288 L/(人·d)增长至322 L/(人·d)，其中人均工业用水量贡献率接近50%，并呈降低趋势。城六区2010年—2018年人均用水量变化趋势见图1。

3.3 各城区2010年—2018年人均用水量逐年变化

2010年—2018年小店区人均用水量呈增长趋势，其中人均综合用水量与人均工业用水量相关系数达97%，说明两者高度相似。小店区人均用水量与近年来小店区人口、产业集聚趋势密切相关。2010年—2018年晋源区人均用水量呈降低趋势，其中人均综合用水量与人均工业用水量相关系数达98.4%，说明两者高度相似。晋源区人均用水量与国电太原第一热电厂外迁密切相关。2010年—2018年迎泽区、杏花岭区人均综合用水量小幅增长，人均综合用水量与人均工业用水量相关系数分别为46.2%，0.7%。迎泽区、杏花岭区综合用水量中工业用水量占比极小，且相关程度低。

2010年—2018年万柏林区、尖草坪区人均综合用水量小幅增长，人均综合用水量与人均工业用水量相关系数分别为62.6%，71.9%。万柏林区、尖草坪区综合用水量中工业用水量占比高，区内大企业用水量与综合用水量的相关程度低。

综上，综合生活用水比例相关法用于小店区、晋源区用水量预测效果最好，用于万柏林区、尖草坪区用水量预测效果一般，用于迎泽区、杏花岭区用水量预测效果最差。各城区2010年—2018年人均用水量变化趋势见图2。

3.4 各城区横向比较

分别求取六个城区2010年—2018年人均用水量的均值，分析发现六个城区的人均工业用水量、人均综合用水量数据离散程度高，说明统一指标替代分区指标不合理(如表2所示)。

表2 人均用水量离散程度分析表

人均居民生活用水量2010年—2018年均值中杏花岭区最高，晋源区和尖草坪区最低。人均综合生活用水量2010年—2018年均值中杏花岭区最高，万柏林区、小店区和尖草坪区最低。人均工业用水量2010年—2018年均值中尖草坪区最高，杏花岭区和迎泽区最低。人均综合用水量2010年—2018年均值中尖草坪区、小店区、晋源区较高，原因是统计期间尖草坪区、小店区工业用水量较大导致人均用水量较高，晋源区人口较少导致人均用水量较高。各城区人均用水量横向比较图如图3所示。

3.5 小结

根据统计分析，各城区的人均用水量与城六区人均用水量均值等存在明显偏差。例如2010年—2018年期间小店区人均用水量大幅增长，晋源区人均用水量大幅降低后趋于稳定，均与城六区人均用水量总体稳定增长规律不一致。分区预测用水量与统一参数预测用水量存在较大偏差，偏离程度介于-29.2%～60.6%，因此分区预测用水量更加合理(见表3)。

表3 分区预测偏离全市统一指标预测程度表

4 用水量预测

4.1 用水趋势预测

生活用水趋势预测：小店区预测人口大幅增加，生活水平持续提高，综合生活用水量呈明显增长趋势。迎泽区、杏花岭区、尖草坪区、万柏林区、晋源区人口稳定增长，生活水平持续提高，综合生活用水量呈增长趋势。

工业用水趋势预测：小店区分布有潇河产业园区、太原市国家级经济技术开发区，预计工业用水量继续增加。迎泽区、杏花岭区规划无新增大型工业产业，工业用水基本稳定在极低水平。尖草坪区由于太钢、二电厂的节水技术进步及新建军民融合产业园工业用水水平较低，工业用水量总体呈下降趋势。万柏林区由于太重、晋机、汾机的节水技术进步，工业用水量总体呈下降趋势。晋源区由于一电厂等企业外迁，工业用水大户已不存在，工业用水量在2013年之后已经基本稳定，未来工业用水基本稳定在极低水平。

4.2 用水量预测方法

城市用水量分别采用城市综合用水量指标法、综合生活用水比例相关法、不同类别用地用水量指标法确定[2]。

4.2.1城市综合用水量指标法

Q=q1p。

其中，Q2为城市最高日用水量，万m3/d；q1为城市综合用水量指标,万m3/(万人·d)；P为用水人口，万人。

基于前述研究，人均用水量指标可以较好的反映太原市城六区用水量规律，因此采用城市综合用水量指标法预测用水量。以2010年—2018年用水量统计数据为基础，规划城市综合用水量指标取值如下：随着全市居民生活水平提升，六个区的居民生活用水量指标在现状用水量指标基础上进一步增加，预测杏花岭区居民生活用水量指标大于140 L/(人·d)，其余城区均小于140 L/(人·d)。基于三产发展水平，预测杏花岭区、迎泽区综合生活用水量指标大于210 L/(人·d)，其余城区不大于210 L/(人·d)。基于高耗水行业集中在尖草坪区，小店区工业企业集中的现状，预测尖草坪区、小店区工业用水量指标远大于140 L/(人·d)，杏花岭区、迎泽区、晋源区均远小于140 L/(人·d)。基于尖草坪区工业用水量占比巨大，杏花岭区、迎泽区、晋源区工业规模较小的现状，预测尖草坪区、小店区城市综合用水量指标远大于350 L/(人·d)，杏花岭区、迎泽区、晋源区均低于350 L/(人·d)。

4.2.2综合生活用水比例相关法

Q=10-7q2P(1+s)(1+m)。

其中，q2为综合生活用水量指标，L/(人·d)；P为用水人口，人；s为工业用水量与综合生活用水量比值；m为其他用水(市政用水及管网漏损)系数，当缺乏资料时可取0.1～0.15。

基于前述研究，综合生活用水比例相关法用于小店区、晋源区用水量预测效果最好，用于万柏林区、尖草坪区用水量预测效果一般，用于迎泽区、杏花岭区用水量预测效果最差。为了满足三种方法互相校核的需求，研究采用综合生活用水比例相关法预测用水量。以2010年—2018年逐年工业用水量与综合生活用水量比值的平均值为基础，结合六个城区用水趋势预测确定参数S(如表4所示)。

表4 各城区工业用水量与综合生活用水量比值表

4.2.3不同类别用地用水量指标法

Q=10-4∑qiai。

其中，qi为不同类别用地用水量指标，m3/(hm2·d)；ai为不同类别用地规模，hm2。

由于采用《城市给水工程规划规范》的各类用地用水量指标下限所得城市总用水量远超太原市现状用水量，研究根据城六区各类用地规模及其用水量确定参数qi。首先使用GIS提取现行控规地块属性，利用EXCEL分类汇总得出各类用地面积。然后按照城镇生活用水量与居住用地用水量，三产用水量与公建等用地用水量，二产用水量与工业用地用水量的对应关系，将太原市用水统计年报数据进行概化处理，进而得出与用地数据对应的用水量数据，最终确定参数qi。

4.3 小结

城市综合用水量指标法、综合生活用水比例相关法、不同类别用地用水量指标法的适用情形各有侧重，研究按三种方法互相校核，并取其均值作为预测用水量。

5 污水量预测

5.1 折污系数法

采用折污法计算污水量，污水量等于平均日用水量乘以折污系数。沿用上版专项规划取值习惯，折污系数取0.85。

5.2 污水量空间分配

由于既有用水量数据按行政区统计，而污水量计算以排水分区为界，导致按行政区统计的用水量数据与排水分区边界不匹配问题。通过叠加排水系统分区与行政边界，研究发现排水系统多数横跨数个行政分区，因此采用比例分配方式将污水量重新分配。根据污水量与人口和建设用地的密切关系，取人口与建设用地各自比例的均值分配污水量。

以太钢东片区为例进行说明，太钢东片区归属杏花岭区行政单元，同时处于河东Ⅰ区污水系统，因此确定太钢东片区预测污水量采用如下步骤：首先依据太钢东片区规划人口和杏花岭区规划人口求得人口比例为21%，再依据太钢东片区建设用地面积和杏花岭区建设用地面积求得用地比例为16%(见表5)，取两项比例的均值18.5%乘以杏花岭区污水量得出太钢东片区污水量，解决了计算污水量空间分配的问题。

表5 太钢东片区污水量占比

6 结果分析

研究从现状用水水平、水资源红线、相关规范三个方面校核预测用水量。

第一，根据预测用水量和预测人口，预测人均综合用水量接近350 L/(人·d)。而2015年—2017年用水统计年报数据显示，太原市城市人均综合用水量已达322 L/(人·d)～342 L/(人·d)。考虑城市人均综合用水量的增长，预测人均综合用水量指标较为合理。

第二， 2030年城六区用水总量控制为6.64亿m3/年，核减一产用水和生态用水后，城市综合用水量为5.87亿m3/年[4]，经校核预测用水量小于水资源红线。

第三，预测人均综合用水量350 L/(人·d)乘以日变化系数1.1得人均最高日用水量0.385万m3/(万人·d)，符合二区Ⅰ型大城市城市综合用水量指标0.35万m3/(万人·d)～0.55万m3/(万人·d)[2]要求。

7 结语

预测用水量采用城市综合用水量指标法、综合生活用水比例相关法、不同类别用地用水量指标法，三种方法应互相校核。

城市综合用水量指标法、综合生活用水比例相关法、不同类别用地用水量指标法分别基于人口与用水量、用地与用水量的相关关系预测用水量。使用公式前应做现状用水规律分析，以合理评估公式的适用性。研究发现城市综合用水量指标法适用于用水量与服务人口相关程度较好区域，综合生活用水比例相关法适用于人均综合用水量与人均工业用水量相关程度较好区域，不同类别用地用水量指标法适用于产业规模及用水量与区域人口无明显关联的区域。

根据统计分析，用水量预测全市采用统一用水量参数偏离各分区实际用水规律。研究提出分区指标与全市统一指标各自适用的情形，分区指标适用于计算不同城区的用水量和确定水处理设施规模，全市统一指标适用于衡量城市的整体用水水平，不宜直接指导水处理设施建设。