姜晉波 楊連昱

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

1 概述

隨著人口增長和城市化進(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(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)測對城市建設(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)，污水處理廠出水對汾河環(huán)境容量形成沖擊，當(dāng)汾河生態(tài)基流不足時，影響更甚。現(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(fù)荷，使管理工作極為被動?；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，同時影響水量平衡計算及污染物轉(zhuǎn)移評估。2020年正值新舊規(guī)劃交替時期，污水處理廠建設(shè)的緊迫性要求污水量預(yù)測前置。污水量預(yù)測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、萬柏林、尖草坪、小店、晉源6個城區(qū)。研究區(qū)域包括城六區(qū)及太原市國家級經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(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361.68萬人，現(xiàn)狀戶籍人口293.46萬人，流動人口68.22萬人[1]。

2.2 數(shù)據(jù)來源

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)計年報逐年用水量數(shù)據(jù)分析太原市用水量變化特征。現(xiàn)狀人口數(shù)據(jù)使用2011年—2019年統(tǒng)計年鑒，規(guī)劃人口數(shù)據(jù)與在編國土空間規(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(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問題：一是三種預(yù)測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)實際用水規(guī)律，三是按行政區(qū)統(tǒng)計的用水量數(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，研究僅就預(yù)測方法涉及的數(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(見表1)，說明人均用水量指標(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(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。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(qū)2010年—2018年人均工業(yè)用水量在140 L/(人·d)附近擺動，而同期太原市工業(yè)產(chǎn)值呈增加趨勢，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。城六區(qū)2010年—2018年人均用水量變化趨勢見圖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)人均用水量呈增長趨勢，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%，說明兩者高度相似。小店區(qū)人均用水量與近年來小店區(qū)人口、產(chǎn)業(yè)集聚趨勢密切相關(guān)。2010年—2018年晉源區(qū)人均用水量呈降低趨勢，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%，說明兩者高度相似。晉源區(qū)人均用水量與國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，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年萬柏林區(qū)、尖草坪區(qū)人均綜合用水量小幅增長，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)測效果最好，用于萬柏林區(qū)、尖草坪區(qū)用水量預(yù)測效果一般，用于迎澤區(qū)、杏花嶺區(qū)用水量預(yù)測效果最差。各城區(qū)2010年—2018年人均用水量變化趨勢見圖2。

3.4 各城區(qū)橫向比較

分別求取六個城區(qū)2010年—2018年人均用水量的均值，分析發(fā)現(xiàn)六個城區(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，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)定增長規(guī)律不一致。分區(qū)預(yù)測用水量與統(tǒng)一參數(shù)預(yù)測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)測用水量更加合理(見表3)。

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

4 用水量預(yù)測

4.1 用水趨勢預(yù)測

生活用水趨勢預(yù)測：小店區(qū)預(yù)測人口大幅增加，生活水平持續(xù)提高，綜合生活用水量呈明顯增長趨勢。迎澤區(qū)、杏花嶺區(qū)、尖草坪區(qū)、萬柏林區(qū)、晉源區(qū)人口穩(wěn)定增長，生活水平持續(xù)提高，綜合生活用水量呈增長趨勢。

工業(yè)用水趨勢預(yù)測：小店區(qū)分布有瀟河產(chǎn)業(yè)園區(qū)、太原市國家級經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，預(yù)計工業(yè)用水量繼續(xù)增加。迎澤區(qū)、杏花嶺區(qū)規(guī)劃無新增大型工業(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。萬柏林區(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。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，未來工業(yè)用水基本穩(wěn)定在極低水平。

4.2 用水量預(yù)測方法

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m3/d；q1為城市綜合用水量指標(biāo),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(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)測用水量。以2010年—2018年用水量統(tǒng)計數(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)。基于高耗水行業(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)。基于尖草坪區(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)測效果最好，用于萬柏林區(qū)、尖草坪區(qū)用水量預(yù)測效果一般，用于迎澤區(qū)、杏花嶺區(qū)用水量預(yù)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(guān)法預(yù)測用水量。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)合六個城區(qū)用水趨勢預(yù)測確定參數(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)用地用水量的對應(yīng)關(guān)系，將太原市用水統(tǒng)計年報數(shù)據(jù)進(jìn)行概化處理，進(jìn)而得出與用地數(shù)據(jù)對應(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)測用水量。

5 污水量預(yù)測

5.1 折污系數(shù)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(shù)。沿用上版專項規(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，而污水量計算以排水分區(qū)為界，導(dǎo)致按行政區(qū)統(tǒng)計的用水量數(shù)據(jù)與排水分區(qū)邊界不匹配問題。通過疊加排水系統(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)行說明，太鋼東片區(qū)歸屬杏花嶺區(qū)行政單元，同時處于河?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%(見表5)，取兩項比例的均值18.5%乘以杏花嶺區(qū)污水量得出太鋼東片區(qū)污水量，解決了計算污水量空間分配的問題。

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)范三個方面校核預(yù)測用水量。

第一，根據(jù)預(yù)測用水量和預(yù)測人口，預(yù)測人均綜合用水量接近350 L/(人·d)。而2015年—2017年用水統(tǒng)計年報數(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，預(yù)測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)測用水量小于水資源紅線。

第三，預(yù)測人均綜合用水量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m3/(萬人·d)，符合二區(qū)Ⅰ型大城市城市綜合用水量指標(biāo)0.35萬m3/(萬人·d)～0.55萬m3/(萬人·d)[2]要求。

7 結(jié)語

預(yù)測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)域人口無明顯關(guān)聯(lián)的區(qū)域。

根據(jù)統(tǒng)計分析，用水量預(yù)測全市采用統(tǒng)一用水量參數(shù)偏離各分區(qū)實際用水規(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)。