太原市污水量預測方法研究

姜晉波 楊連昱

(太原市城鄉規劃設計研究院，山西 太原 030002)

1 概述

隨著人口增長和城市化進程的加快，城市發展面臨的水質污染與水資源短缺矛盾日益凸顯，生態用水、產業用水、生活用水互相競爭，難以滿足。我們需要合理分配水資源量，提高資源回收利用率，完善并優化適應本地的城市水循環系統。污水資源的再生回用是城市水循環系統的重要一環，污水量是城市水資源承載力的重要組成部分。污水量預測對城市建設和環境保護有重要影響。一方面城市污水量決定污水處理廠規模及污水主干管規模，其中城市平均日污水量確定城市污水處理廠規模，城市最高日最大時污水流量確定污水主干管規模。另一方面汾河水質標準的提高，使得現狀污水處理廠實際上成為重要的污染源，由于污水處理廠出水標準略低于受納水體標準，污水處理廠出水對汾河環境容量形成沖擊，當汾河生態基流不足時，影響更甚。現狀太原市城市污水處理廠日處理量大于城市日供水量，這與生活污水量小于生活用水量的常識相背離，原因是現狀污水處理廠進廠污水為混合污水，其中存在包括入滲地下水在內的其他水量。由于污水量快速增長和不明水量混入，近幾年投入運行的污水處理廠建成即滿負荷，使管理工作極為被動。混合污水中的其他水量占用污水處理設施規模，造成能量與藥劑的巨大浪費，同時影響水量平衡計算及污染物轉移評估。2020年正值新舊規劃交替時期，污水處理廠建設的緊迫性要求污水量預測前置。污水量預測成果作為污水處理廠建設規模的依據，服務行業主管部門提前布局、提前決策的要求，并用于城市水循環系統的構建。

2 資料與方法

2.1 研究區域

太原市地處晉中盆地，東、西、北三面環山，汾河自北向南穿越市區，中、南部為河谷平原。市區面積1 416 km2，下轄迎澤、杏花嶺、萬柏林、尖草坪、小店、晉源6個城區。研究區域包括城六區及太原市國家級經濟技術開發區、山西轉型綜改示范區瀟河產業園區太原起步區。2018年城六區常住人口361.68萬人，現狀戶籍人口293.46萬人，流動人口68.22萬人[1]。

2.2 數據來源

考慮數據的權威性與一致性，研究選用太原市2010年—2018年用水統計年報逐年用水量數據分析太原市用水量變化特征。現狀人口數據使用2011年—2019年統計年鑒，規劃人口數據與在編國土空間規劃一致。建設用地分類及面積數據與現狀片區控規一致。

2.3 預測方法

研究基于太原市2010年—2018年用水量的變化趨勢及歷史均值，結合相關研究，按照規范[2]確定人均用水量、工業用水量與與綜合生活用水量比值、不同類別用地用水量等參數，進而預測城市用水量。城市污水量根據城市用水量和城市污水排放系數確定[3]。研究主要解決以下三個問題：一是三種預測方法各自的適用情形不明確，二是全市采用統一用水量參數偏離各分區實際用水規律，三是按行政區統計的用水量數據與排水分區邊界不匹配。

3 歷史用水規律分析

歷史用水規律包括用水量的均值、比重、極值等諸多要素，研究僅就預測方法涉及的數據進行分析。

3.1 用水量與服務人口的相關性

根據2010年—2018年各區及全市逐年人口和逐年用水量數據，分析人口與用水量的相關程度。城六區總人口與總用水量相關系數達0.831(見表1)，說明人均用水量指標可以較好的反映太原市城六區用水量規律。

表1 2010年—2018年人口與用水量相關系數表

3.2 城六區2010年—2018年人均用水量逐年變化

城六區2010年—2018年人均居民生活用水量從89.2 L/(人·d)增長至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長。城六區2010年—2018年人均綜合生活用水量與人均居民生活用水量的差值介于30 L/(人·d)～40 L/(人·d)，且總體呈下降趨勢。這表明人均綜合生活用水量的增長主要動因是人均居民生活用水量增長。城六區2010年—2018年人均工業用水量在140 L/(人·d)附近擺動，而同期太原市工業產值呈增加趨勢，其主要原因是高污染、高能耗、資源型產業外遷及工業節水水平提高。城六區2010年—2018年人均綜合用水量從288 L/(人·d)增長至322 L/(人·d)，其中人均工業用水量貢獻率接近50%，并呈降低趨勢。城六區2010年—2018年人均用水量變化趨勢見圖1。

3.3 各城區2010年—2018年人均用水量逐年變化

2010年—2018年小店區人均用水量呈增長趨勢，其中人均綜合用水量與人均工業用水量相關系數達97%，說明兩者高度相似。小店區人均用水量與近年來小店區人口、產業集聚趨勢密切相關。2010年—2018年晉源區人均用水量呈降低趨勢，其中人均綜合用水量與人均工業用水量相關系數達98.4%，說明兩者高度相似。晉源區人均用水量與國電太原第一熱電廠外遷密切相關。2010年—2018年迎澤區、杏花嶺區人均綜合用水量小幅增長，人均綜合用水量與人均工業用水量相關系數分別為46.2%，0.7%。迎澤區、杏花嶺區綜合用水量中工業用水量占比極小，且相關程度低。

2010年—2018年萬柏林區、尖草坪區人均綜合用水量小幅增長，人均綜合用水量與人均工業用水量相關系數分別為62.6%，71.9%。萬柏林區、尖草坪區綜合用水量中工業用水量占比高，區內大企業用水量與綜合用水量的相關程度低。

綜上，綜合生活用水比例相關法用于小店區、晉源區用水量預測效果最好，用于萬柏林區、尖草坪區用水量預測效果一般，用于迎澤區、杏花嶺區用水量預測效果最差。各城區2010年—2018年人均用水量變化趨勢見圖2。

3.4 各城區橫向比較

分別求取六個城區2010年—2018年人均用水量的均值，分析發現六個城區的人均工業用水量、人均綜合用水量數據離散程度高，說明統一指標替代分區指標不合理(如表2所示)。

表2 人均用水量離散程度分析表

人均居民生活用水量2010年—2018年均值中杏花嶺區最高，晉源區和尖草坪區最低。人均綜合生活用水量2010年—2018年均值中杏花嶺區最高，萬柏林區、小店區和尖草坪區最低。人均工業用水量2010年—2018年均值中尖草坪區最高，杏花嶺區和迎澤區最低。人均綜合用水量2010年—2018年均值中尖草坪區、小店區、晉源區較高，原因是統計期間尖草坪區、小店區工業用水量較大導致人均用水量較高，晉源區人口較少導致人均用水量較高。各城區人均用水量橫向比較圖如圖3所示。

3.5 小結

根據統計分析，各城區的人均用水量與城六區人均用水量均值等存在明顯偏差。例如2010年—2018年期間小店區人均用水量大幅增長，晉源區人均用水量大幅降低后趨于穩定，均與城六區人均用水量總體穩定增長規律不一致。分區預測用水量與統一參數預測用水量存在較大偏差，偏離程度介于-29.2%～60.6%，因此分區預測用水量更加合理(見表3)。

表3 分區預測偏離全市統一指標預測程度表

4 用水量預測

4.1 用水趨勢預測

生活用水趨勢預測：小店區預測人口大幅增加，生活水平持續提高，綜合生活用水量呈明顯增長趨勢。迎澤區、杏花嶺區、尖草坪區、萬柏林區、晉源區人口穩定增長，生活水平持續提高，綜合生活用水量呈增長趨勢。

工業用水趨勢預測：小店區分布有瀟河產業園區、太原市國家級經濟技術開發區，預計工業用水量繼續增加。迎澤區、杏花嶺區規劃無新增大型工業產業，工業用水基本穩定在極低水平。尖草坪區由于太鋼、二電廠的節水技術進步及新建軍民融合產業園工業用水水平較低，工業用水量總體呈下降趨勢。萬柏林區由于太重、晉機、汾機的節水技術進步，工業用水量總體呈下降趨勢。晉源區由于一電廠等企業外遷，工業用水大戶已不存在，工業用水量在2013年之后已經基本穩定，未來工業用水基本穩定在極低水平。

4.2 用水量預測方法

城市用水量分別采用城市綜合用水量指標法、綜合生活用水比例相關法、不同類別用地用水量指標法確定[2]。

4.2.1城市綜合用水量指標法

Q=q1p。

其中，Q2為城市最高日用水量，萬m3/d；q1為城市綜合用水量指標,萬m3/(萬人·d)；P為用水人口，萬人。

基于前述研究，人均用水量指標可以較好的反映太原市城六區用水量規律，因此采用城市綜合用水量指標法預測用水量。以2010年—2018年用水量統計數據為基礎，規劃城市綜合用水量指標取值如下：隨著全市居民生活水平提升，六個區的居民生活用水量指標在現狀用水量指標基礎上進一步增加，預測杏花嶺區居民生活用水量指標大于140 L/(人·d)，其余城區均小于140 L/(人·d)。基于三產發展水平，預測杏花嶺區、迎澤區綜合生活用水量指標大于210 L/(人·d)，其余城區不大于210 L/(人·d)。基于高耗水行業集中在尖草坪區，小店區工業企業集中的現狀，預測尖草坪區、小店區工業用水量指標遠大于140 L/(人·d)，杏花嶺區、迎澤區、晉源區均遠小于140 L/(人·d)。基于尖草坪區工業用水量占比巨大，杏花嶺區、迎澤區、晉源區工業規模較小的現狀，預測尖草坪區、小店區城市綜合用水量指標遠大于350 L/(人·d)，杏花嶺區、迎澤區、晉源區均低于350 L/(人·d)。

4.2.2綜合生活用水比例相關法

Q=10-7q2P(1+s)(1+m)。

其中，q2為綜合生活用水量指標，L/(人·d)；P為用水人口，人；s為工業用水量與綜合生活用水量比值；m為其他用水(市政用水及管網漏損)系數，當缺乏資料時可取0.1～0.15。

基于前述研究，綜合生活用水比例相關法用于小店區、晉源區用水量預測效果最好，用于萬柏林區、尖草坪區用水量預測效果一般，用于迎澤區、杏花嶺區用水量預測效果最差。為了滿足三種方法互相校核的需求，研究采用綜合生活用水比例相關法預測用水量。以2010年—2018年逐年工業用水量與綜合生活用水量比值的平均值為基礎，結合六個城區用水趨勢預測確定參數S(如表4所示)。

表4 各城區工業用水量與綜合生活用水量比值表

4.2.3不同類別用地用水量指標法

Q=10-4∑qiai。

其中，qi為不同類別用地用水量指標，m3/(hm2·d)；ai為不同類別用地規模，hm2。

由于采用《城市給水工程規劃規范》的各類用地用水量指標下限所得城市總用水量遠超太原市現狀用水量，研究根據城六區各類用地規模及其用水量確定參數qi。首先使用GIS提取現行控規地塊屬性，利用EXCEL分類匯總得出各類用地面積。然后按照城鎮生活用水量與居住用地用水量，三產用水量與公建等用地用水量，二產用水量與工業用地用水量的對應關系，將太原市用水統計年報數據進行概化處理，進而得出與用地數據對應的用水量數據，最終確定參數qi。

4.3 小結

城市綜合用水量指標法、綜合生活用水比例相關法、不同類別用地用水量指標法的適用情形各有側重，研究按三種方法互相校核，并取其均值作為預測用水量。

5 污水量預測

5.1 折污系數法

采用折污法計算污水量，污水量等于平均日用水量乘以折污系數。沿用上版專項規劃取值習慣，折污系數取0.85。

5.2 污水量空間分配

由于既有用水量數據按行政區統計，而污水量計算以排水分區為界，導致按行政區統計的用水量數據與排水分區邊界不匹配問題。通過疊加排水系統分區與行政邊界，研究發現排水系統多數橫跨數個行政分區，因此采用比例分配方式將污水量重新分配。根據污水量與人口和建設用地的密切關系，取人口與建設用地各自比例的均值分配污水量。

以太鋼東片區為例進行說明，太鋼東片區歸屬杏花嶺區行政單元，同時處于河東Ⅰ區污水系統，因此確定太鋼東片區預測污水量采用如下步驟：首先依據太鋼東片區規劃人口和杏花嶺區規劃人口求得人口比例為21%，再依據太鋼東片區建設用地面積和杏花嶺區建設用地面積求得用地比例為16%(見表5)，取兩項比例的均值18.5%乘以杏花嶺區污水量得出太鋼東片區污水量，解決了計算污水量空間分配的問題。

表5 太鋼東片區污水量占比

6 結果分析

研究從現狀用水水平、水資源紅線、相關規范三個方面校核預測用水量。

第一，根據預測用水量和預測人口，預測人均綜合用水量接近350 L/(人·d)。而2015年—2017年用水統計年報數據顯示，太原市城市人均綜合用水量已達322 L/(人·d)～342 L/(人·d)。考慮城市人均綜合用水量的增長，預測人均綜合用水量指標較為合理。

第二， 2030年城六區用水總量控制為6.64億m3/年，核減一產用水和生態用水后，城市綜合用水量為5.87億m3/年[4]，經校核預測用水量小于水資源紅線。

第三，預測人均綜合用水量350 L/(人·d)乘以日變化系數1.1得人均最高日用水量0.385萬m3/(萬人·d)，符合二區Ⅰ型大城市城市綜合用水量指標0.35萬m3/(萬人·d)～0.55萬m3/(萬人·d)[2]要求。

7 結語

預測用水量采用城市綜合用水量指標法、綜合生活用水比例相關法、不同類別用地用水量指標法，三種方法應互相校核。

城市綜合用水量指標法、綜合生活用水比例相關法、不同類別用地用水量指標法分別基于人口與用水量、用地與用水量的相關關系預測用水量。使用公式前應做現狀用水規律分析，以合理評估公式的適用性。研究發現城市綜合用水量指標法適用于用水量與服務人口相關程度較好區域，綜合生活用水比例相關法適用于人均綜合用水量與人均工業用水量相關程度較好區域，不同類別用地用水量指標法適用于產業規模及用水量與區域人口無明顯關聯的區域。

根據統計分析，用水量預測全市采用統一用水量參數偏離各分區實際用水規律。研究提出分區指標與全市統一指標各自適用的情形，分區指標適用于計算不同城區的用水量和確定水處理設施規模，全市統一指標適用于衡量城市的整體用水水平，不宜直接指導水處理設施建設。