太原市污水量預(yù)測(cè)方法研究

姜晉波 楊連昱

(太原市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002)

1 概述

隨著人口增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的加快，城市發(fā)展面臨的水質(zhì)污染與水資源短缺矛盾日益凸顯，生態(tài)用水、產(chǎn)業(yè)用水、生活用水互相競(jìng)爭(zhēng)，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(yōu)化適應(yīng)本地的城市水循環(huán)系統(tǒng)。污水資源的再生回用是城市水循環(huán)系統(tǒng)的重要一環(huán)，污水量是城市水資源承載力的重要組成部分。污水量預(yù)測(cè)對(duì)城市建設(shè)和環(huán)境保護(hù)有重要影響。一方面城市污水量決定污水處理廠規(guī)模及污水主干管規(guī)模，其中城市平均日污水量確定城市污水處理廠規(guī)模，城市最高日最大時(shí)污水流量確定污水主干管規(guī)模。另一方面汾河水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，使得現(xiàn)狀污水處理廠實(shí)際上成為重要的污染源，由于污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)略低于受納水體標(biāo)準(zhǔn)，污水處理廠出水對(duì)汾河環(huán)境容量形成沖擊，當(dāng)汾河生態(tài)基流不足時(shí)，影響更甚?，F(xiàn)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(shí)相背離，原因是現(xiàn)狀污水處理廠進(jìn)廠污水為混合污水，其中存在包括入滲地下水在內(nèi)的其他水量。由于污水量快速增長(zhǎng)和不明水量混入，近幾年投入運(yùn)行的污水處理廠建成即滿負(fù)荷，使管理工作極為被動(dòng)?；旌衔鬯械钠渌空加梦鬯幚碓O(shè)施規(guī)模，造成能量與藥劑的巨大浪費(fèi)，同時(shí)影響水量平衡計(jì)算及污染物轉(zhuǎn)移評(píng)估。2020年正值新舊規(guī)劃交替時(shí)期，污水處理廠建設(shè)的緊迫性要求污水量預(yù)測(cè)前置。污水量預(yù)測(cè)成果作為污水處理廠建設(shè)規(guī)模的依據(jù)，服務(wù)行業(yè)主管部門提前布局、提前決策的要求，并用于城市水循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)建。

2 資料與方法

2.1 研究區(qū)域

太原市地處晉中盆地，東、西、北三面環(huán)山，汾河自北向南穿越市區(qū)，中、南部為河谷平原。市區(qū)面積1 416 km2，下轄迎澤、杏花嶺、萬(wàn)柏林、尖草坪、小店、晉源6個(gè)城區(qū)。研究區(qū)域包括城六區(qū)及太原市國(guó)家級(jí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、山西轉(zhuǎn)型綜改示范區(qū)瀟河產(chǎn)業(yè)園區(qū)太原起步區(qū)。2018年城六區(qū)常住人口361.68萬(wàn)人，現(xiàn)狀戶籍人口293.46萬(wàn)人，流動(dòng)人口68.22萬(wàn)人[1]。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

考慮數(shù)據(jù)的權(quán)威性與一致性，研究選用太原市2010年—2018年用水統(tǒng)計(jì)年報(bào)逐年用水量數(shù)據(jù)分析太原市用水量變化特征?，F(xiàn)狀人口數(shù)據(jù)使用2011年—2019年統(tǒng)計(jì)年鑒，規(guī)劃人口數(shù)據(jù)與在編國(guó)土空間規(guī)劃一致。建設(shè)用地分類及面積數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀片區(qū)控規(guī)一致。

2.3 預(yù)測(cè)方法

研究基于太原市2010年—2018年用水量的變化趨勢(shì)及歷史均值，結(jié)合相關(guān)研究，按照規(guī)范[2]確定人均用水量、工業(yè)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(shù)，進(jìn)而預(yù)測(cè)城市用水量。城市污水量根據(jù)城市用水量和城市污水排放系數(shù)確定[3]。研究主要解決以下三個(gè)問(wèn)題：一是三種預(yù)測(cè)方法各自的適用情形不明確，二是全市采用統(tǒng)一用水量參數(shù)偏離各分區(qū)實(shí)際用水規(guī)律，三是按行政區(qū)統(tǒng)計(jì)的用水量數(shù)據(jù)與排水分區(qū)邊界不匹配。

3 歷史用水規(guī)律分析

歷史用水規(guī)律包括用水量的均值、比重、極值等諸多要素，研究?jī)H就預(yù)測(cè)方法涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 用水量與服務(wù)人口的相關(guān)性

根據(jù)2010年—2018年各區(qū)及全市逐年人口和逐年用水量數(shù)據(jù)，分析人口與用水量的相關(guān)程度。城六區(qū)總?cè)丝谂c總用水量相關(guān)系數(shù)達(dá)0.831(見(jiàn)表1)，說(shuō)明人均用水量指標(biāo)可以較好的反映太原市城六區(qū)用水量規(guī)律。

表1 2010年—2018年人口與用水量相關(guān)系數(shù)表

3.2 城六區(qū)2010年—2018年人均用水量逐年變化

城六區(qū)2010年—2018年人均居民生活用水量從89.2 L/(人·d)增長(zhǎng)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(zhǎng)。城六區(qū)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(shì)。這表明人均綜合生活用水量的增長(zhǎng)主要?jiǎng)右蚴侨司用裆钣盟吭鲩L(zhǎng)。城六區(qū)2010年—2018年人均工業(yè)用水量在140 L/(人·d)附近擺動(dòng)，而同期太原市工業(yè)產(chǎn)值呈增加趨勢(shì)，其主要原因是高污染、高能耗、資源型產(chǎn)業(yè)外遷及工業(yè)節(jié)水水平提高。城六區(qū)2010年—2018年人均綜合用水量從288 L/(人·d)增長(zhǎng)至322 L/(人·d)，其中人均工業(yè)用水量貢獻(xiàn)率接近50%，并呈降低趨勢(shì)。城六區(qū)2010年—2018年人均用水量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

3.3 各城區(qū)2010年—2018年人均用水量逐年變化

2010年—2018年小店區(qū)人均用水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中人均綜合用水量與人均工業(yè)用水量相關(guān)系數(shù)達(dá)97%，說(shuō)明兩者高度相似。小店區(qū)人均用水量與近年來(lái)小店區(qū)人口、產(chǎn)業(yè)集聚趨勢(shì)密切相關(guān)。2010年—2018年晉源區(qū)人均用水量呈降低趨勢(shì)，其中人均綜合用水量與人均工業(yè)用水量相關(guān)系數(shù)達(dá)98.4%，說(shuō)明兩者高度相似。晉源區(qū)人均用水量與國(guó)電太原第一熱電廠外遷密切相關(guān)。2010年—2018年迎澤區(qū)、杏花嶺區(qū)人均綜合用水量小幅增長(zhǎng)，人均綜合用水量與人均工業(yè)用水量相關(guān)系數(shù)分別為46.2%，0.7%。迎澤區(qū)、杏花嶺區(qū)綜合用水量中工業(yè)用水量占比極小，且相關(guān)程度低。

2010年—2018年萬(wàn)柏林區(qū)、尖草坪區(qū)人均綜合用水量小幅增長(zhǎng)，人均綜合用水量與人均工業(yè)用水量相關(guān)系數(shù)分別為62.6%，71.9%。萬(wàn)柏林區(qū)、尖草坪區(qū)綜合用水量中工業(yè)用水量占比高，區(qū)內(nèi)大企業(yè)用水量與綜合用水量的相關(guān)程度低。

綜上，綜合生活用水比例相關(guān)法用于小店區(qū)、晉源區(qū)用水量預(yù)測(cè)效果最好，用于萬(wàn)柏林區(qū)、尖草坪區(qū)用水量預(yù)測(cè)效果一般，用于迎澤區(qū)、杏花嶺區(qū)用水量預(yù)測(cè)效果最差。各城區(qū)2010年—2018年人均用水量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。

3.4 各城區(qū)橫向比較

分別求取六個(gè)城區(qū)2010年—2018年人均用水量的均值，分析發(fā)現(xiàn)六個(gè)城區(qū)的人均工業(yè)用水量、人均綜合用水量數(shù)據(jù)離散程度高，說(shuō)明統(tǒng)一指標(biāo)替代分區(qū)指標(biāo)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(qū)最高，晉源區(qū)和尖草坪區(qū)最低。人均綜合生活用水量2010年—2018年均值中杏花嶺區(qū)最高，萬(wàn)柏林區(qū)、小店區(qū)和尖草坪區(qū)最低。人均工業(yè)用水量2010年—2018年均值中尖草坪區(qū)最高，杏花嶺區(qū)和迎澤區(qū)最低。人均綜合用水量2010年—2018年均值中尖草坪區(qū)、小店區(qū)、晉源區(qū)較高，原因是統(tǒng)計(jì)期間尖草坪區(qū)、小店區(qū)工業(yè)用水量較大導(dǎo)致人均用水量較高，晉源區(qū)人口較少導(dǎo)致人均用水量較高。各城區(qū)人均用水量橫向比較圖如圖3所示。

3.5 小結(jié)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，各城區(qū)的人均用水量與城六區(qū)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(qū)人均用水量大幅增長(zhǎng)，晉源區(qū)人均用水量大幅降低后趨于穩(wěn)定，均與城六區(qū)人均用水量總體穩(wěn)定增長(zhǎng)規(guī)律不一致。分區(qū)預(yù)測(cè)用水量與統(tǒng)一參數(shù)預(yù)測(cè)用水量存在較大偏差，偏離程度介于-29.2%～60.6%，因此分區(qū)預(yù)測(cè)用水量更加合理(見(jiàn)表3)。

表3 分區(qū)預(yù)測(cè)偏離全市統(tǒng)一指標(biāo)預(yù)測(cè)程度表

4 用水量預(yù)測(cè)

4.1 用水趨勢(shì)預(yù)測(cè)

生活用水趨勢(shì)預(yù)測(cè)：小店區(qū)預(yù)測(cè)人口大幅增加，生活水平持續(xù)提高，綜合生活用水量呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)。迎澤區(qū)、杏花嶺區(qū)、尖草坪區(qū)、萬(wàn)柏林區(qū)、晉源區(qū)人口穩(wěn)定增長(zhǎng)，生活水平持續(xù)提高，綜合生活用水量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

工業(yè)用水趨勢(shì)預(yù)測(cè)：小店區(qū)分布有瀟河產(chǎn)業(yè)園區(qū)、太原市國(guó)家級(jí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，預(yù)計(jì)工業(yè)用水量繼續(xù)增加。迎澤區(qū)、杏花嶺區(qū)規(guī)劃無(wú)新增大型工業(yè)產(chǎn)業(yè)，工業(yè)用水基本穩(wěn)定在極低水平。尖草坪區(qū)由于太鋼、二電廠的節(jié)水技術(shù)進(jìn)步及新建軍民融合產(chǎn)業(yè)園工業(yè)用水水平較低，工業(yè)用水量總體呈下降趨勢(shì)。萬(wàn)柏林區(qū)由于太重、晉機(jī)、汾機(jī)的節(jié)水技術(shù)進(jìn)步，工業(yè)用水量總體呈下降趨勢(shì)。晉源區(qū)由于一電廠等企業(yè)外遷，工業(yè)用水大戶已不存在，工業(yè)用水量在2013年之后已經(jīng)基本穩(wěn)定，未來(lái)工業(yè)用水基本穩(wěn)定在極低水平。

4.2 用水量預(yù)測(cè)方法

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

4.2.1城市綜合用水量指標(biāo)法

Q=q1p。

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

基于前述研究，人均用水量指標(biāo)可以較好的反映太原市城六區(qū)用水量規(guī)律，因此采用城市綜合用水量指標(biāo)法預(yù)測(cè)用水量。以2010年—2018年用水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，規(guī)劃城市綜合用水量指標(biāo)取值如下：隨著全市居民生活水平提升，六個(gè)區(qū)的居民生活用水量指標(biāo)在現(xiàn)狀用水量指標(biāo)基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加，預(yù)測(cè)杏花嶺區(qū)居民生活用水量指標(biāo)大于140 L/(人·d)，其余城區(qū)均小于140 L/(人·d)?；谌a(chǎn)發(fā)展水平，預(yù)測(cè)杏花嶺區(qū)、迎澤區(qū)綜合生活用水量指標(biāo)大于210 L/(人·d)，其余城區(qū)不大于210 L/(人·d)?；诟吆乃袠I(yè)集中在尖草坪區(qū)，小店區(qū)工業(yè)企業(yè)集中的現(xiàn)狀，預(yù)測(cè)尖草坪區(qū)、小店區(qū)工業(yè)用水量指標(biāo)遠(yuǎn)大于140 L/(人·d)，杏花嶺區(qū)、迎澤區(qū)、晉源區(qū)均遠(yuǎn)小于140 L/(人·d)?；诩獠萜簠^(qū)工業(yè)用水量占比巨大，杏花嶺區(qū)、迎澤區(qū)、晉源區(qū)工業(yè)規(guī)模較小的現(xiàn)狀，預(yù)測(cè)尖草坪區(qū)、小店區(qū)城市綜合用水量指標(biāo)遠(yuǎn)大于350 L/(人·d)，杏花嶺區(qū)、迎澤區(qū)、晉源區(qū)均低于350 L/(人·d)。

4.2.2綜合生活用水比例相關(guān)法

Q=10-7q2P(1+s)(1+m)。

其中，q2為綜合生活用水量指標(biāo)，L/(人·d)；P為用水人口，人；s為工業(yè)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(wǎng)漏損)系數(shù)，當(dāng)缺乏資料時(shí)可取0.1～0.15。

基于前述研究，綜合生活用水比例相關(guān)法用于小店區(qū)、晉源區(qū)用水量預(yù)測(cè)效果最好，用于萬(wàn)柏林區(qū)、尖草坪區(qū)用水量預(yù)測(cè)效果一般，用于迎澤區(qū)、杏花嶺區(qū)用水量預(yù)測(cè)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(guān)法預(yù)測(cè)用水量。以2010年—2018年逐年工業(yè)用水量與綜合生活用水量比值的平均值為基礎(chǔ)，結(jié)合六個(gè)城區(qū)用水趨勢(shì)預(yù)測(cè)確定參數(shù)S(如表4所示)。

表4 各城區(qū)工業(yè)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(biāo)法

Q=10-4∑qiai。

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

由于采用《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》的各類用地用水量指標(biāo)下限所得城市總用水量遠(yuǎn)超太原市現(xiàn)狀用水量，研究根據(jù)城六區(qū)各類用地規(guī)模及其用水量確定參數(shù)qi。首先使用GIS提取現(xiàn)行控規(guī)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(zhèn)生活用水量與居住用地用水量，三產(chǎn)用水量與公建等用地用水量，二產(chǎn)用水量與工業(yè)用地用水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將太原市用水統(tǒng)計(jì)年報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行概化處理，進(jìn)而得出與用地?cái)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的用水量數(shù)據(jù)，最終確定參數(shù)qi。

4.3 小結(jié)

城市綜合用水量指標(biāo)法、綜合生活用水比例相關(guān)法、不同類別用地用水量指標(biāo)法的適用情形各有側(cè)重，研究按三種方法互相校核，并取其均值作為預(yù)測(cè)用水量。

5 污水量預(yù)測(cè)

5.1 折污系數(shù)法

采用折污法計(jì)算污水量，污水量等于平均日用水量乘以折污系數(shù)。沿用上版專項(xiàng)規(guī)劃取值習(xí)慣，折污系數(shù)取0.85。

5.2 污水量空間分配

由于既有用水量數(shù)據(jù)按行政區(qū)統(tǒng)計(jì)，而污水量計(jì)算以排水分區(qū)為界，導(dǎo)致按行政區(qū)統(tǒng)計(jì)的用水量數(shù)據(jù)與排水分區(qū)邊界不匹配問(wèn)題。通過(guò)疊加排水系統(tǒng)分區(qū)與行政邊界，研究發(fā)現(xiàn)排水系統(tǒng)多數(shù)橫跨數(shù)個(gè)行政分區(qū)，因此采用比例分配方式將污水量重新分配。根據(jù)污水量與人口和建設(shè)用地的密切關(guān)系，取人口與建設(shè)用地各自比例的均值分配污水量。

以太鋼東片區(qū)為例進(jìn)行說(shuō)明，太鋼東片區(qū)歸屬杏花嶺區(qū)行政單元，同時(shí)處于河?xùn)|Ⅰ區(qū)污水系統(tǒng)，因此確定太鋼東片區(qū)預(yù)測(cè)污水量采用如下步驟：首先依據(jù)太鋼東片區(qū)規(guī)劃人口和杏花嶺區(qū)規(guī)劃人口求得人口比例為21%，再依據(jù)太鋼東片區(qū)建設(shè)用地面積和杏花嶺區(qū)建設(shè)用地面積求得用地比例為16%(見(jiàn)表5)，取兩項(xiàng)比例的均值18.5%乘以杏花嶺區(qū)污水量得出太鋼東片區(qū)污水量，解決了計(jì)算污水量空間分配的問(wèn)題。

表5 太鋼東片區(qū)污水量占比

6 結(jié)果分析

研究從現(xiàn)狀用水水平、水資源紅線、相關(guān)規(guī)范三個(gè)方面校核預(yù)測(cè)用水量。

第一，根據(jù)預(yù)測(cè)用水量和預(yù)測(cè)人口，預(yù)測(cè)人均綜合用水量接近350 L/(人·d)。而2015年—2017年用水統(tǒng)計(jì)年報(bào)數(shù)據(jù)顯示，太原市城市人均綜合用水量已達(dá)322 L/(人·d)～342 L/(人·d)?？紤]城市人均綜合用水量的增長(zhǎng)，預(yù)測(cè)人均綜合用水量指標(biāo)較為合理。

第二， 2030年城六區(qū)用水總量控制為6.64億m3/年，核減一產(chǎn)用水和生態(tài)用水后，城市綜合用水量為5.87億m3/年[4]，經(jīng)校核預(yù)測(cè)用水量小于水資源紅線。

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

7 結(jié)語(yǔ)

預(yù)測(cè)用水量采用城市綜合用水量指標(biāo)法、綜合生活用水比例相關(guān)法、不同類別用地用水量指標(biāo)法，三種方法應(yīng)互相校核。

城市綜合用水量指標(biāo)法、綜合生活用水比例相關(guān)法、不同類別用地用水量指標(biāo)法分別基于人口與用水量、用地與用水量的相關(guān)關(guān)系預(yù)測(cè)用水量。使用公式前應(yīng)做現(xiàn)狀用水規(guī)律分析，以合理評(píng)估公式的適用性。研究發(fā)現(xiàn)城市綜合用水量指標(biāo)法適用于用水量與服務(wù)人口相關(guān)程度較好區(qū)域，綜合生活用水比例相關(guān)法適用于人均綜合用水量與人均工業(yè)用水量相關(guān)程度較好區(qū)域，不同類別用地用水量指標(biāo)法適用于產(chǎn)業(yè)規(guī)模及用水量與區(qū)域人口無(wú)明顯關(guān)聯(lián)的區(qū)域。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用水量預(yù)測(cè)全市采用統(tǒng)一用水量參數(shù)偏離各分區(qū)實(shí)際用水規(guī)律。研究提出分區(qū)指標(biāo)與全市統(tǒng)一指標(biāo)各自適用的情形，分區(qū)指標(biāo)適用于計(jì)算不同城區(qū)的用水量和確定水處理設(shè)施規(guī)模，全市統(tǒng)一指標(biāo)適用于衡量城市的整體用水水平，不宜直接指導(dǎo)水處理設(shè)施建設(shè)。