晉中市城區中水利用現狀分析及資源化利用研究

吳偉偉 孟 佩 胥 濤

(晉中市水利局，山西 晉中 030600)

水是人類生存和社會經濟發展不可替代的基本資源，在快速城市化進程中水資源短缺、失衡與污染已成為城市經濟增長、社會發展與環境保護的最主要瓶頸之一。以晉中市為例，晉中市是一座典型的北方缺水型城市，2019年水資源總量96580萬m3，人均僅287m3，水資源時空分布不均，東多西少，夏季降水量占到全年60%，還多以強降雨出現。而晉中市城區的水資源供需矛盾則更為突出，年均用水量4300萬m3，其中有1300萬m3來自地下水，形成了85km2的榆次區小型裂隙水超采區，還有1500萬m3來自外調水，均接近飽和。在嚴峻的形勢面前，循環經濟城市水資源管理成為新的研究課題，即建立水循環經濟型城市，把城市建立在水資源循環利用的基礎上，改變過去水資源-使用消費-污水排放的單向流動的線性經濟，變成水資源-使用消費-污水再生處理-水再利用的閉路循環經濟。中水利用無疑是實現循環經濟的關鍵環節，對降低水污染，緩解水資源矛盾，推進汾河流域生態修復意義非凡。

1 城區概述

晉中市城區古稱“魏榆”，位于山西省中部的太原盆地內，屬溫帶大陸性季風氣候，年降水量414mm，年均氣溫9.8℃，年日照時數2662小時，無霜期186天，年均蒸發量2068mm。城區面積85km2，是晉中市的經濟、文化、交通中心，地勢平坦、南北高、中部低。城南有瀟河，其河床較城區高，北邊有黑河和澗河，3條河流匯入汾河。城區排水為自北向南，自東向西，最終排入城西的榆太東退水渠，最后流入汾河，設計排水流量30m3/s。城區建有2座污水處理廠，目前第一污水處理廠停產，由第二污水處理廠全面負責處理城區污水，日處理能力15萬m3，中水一部分利用，其余排入榆太東退水渠。2019年城區用水總量4300萬m3，其中第二、三產業1950萬m3，生活用水1900萬m3，生態用水450萬m3。按類型分：地表水1500萬m3，地下水1300萬m3，外調水1500萬m3。

2 中水工程及利用現狀

2.1 中水工程概述

晉中市城區中水工程為“兩心、四軸”的布置，見圖1，兩心指兩座污水處理廠，四軸指四條干管，覆蓋了城區的東西南北中五個方位，總供水能力9.5萬m3/d，達到目前污水處理能力的57%，工程已初具規模。

圖1 晉中市城區中水工程現狀圖

a.兩心即兩座污水處理廠。第一污水處理廠，2002年投入運營，日處理能力3萬m3，廠區位于蘊華西街，隨著城市發展廠區位置被包裹在城市中，無法完全處理城市退水，目前停產閑置；第二污水處理廠，2014年投入運營，日處理能力15萬m3，廠區位于榆次張慶鄉東賈村，主體工藝采用預處理+污水生化處理+污水深度處理工藝，經處理后的污水水質達到一級A排放標準，目前運行良好，負責全城區的污水處理，2019年污水處理量4307萬m3，中水產生量3446萬m3，是中水工程的中心樞紐。

b.四軸即四條干管，分別為城中干管、西北干管、西南干管、科創園區干管。干支管總長度112.1km。各干管基本情況如下：

?城中干管，起于第一污水處理廠，全長12km，管徑500mm，日供水能力2.5萬m3，支管1條東北二號干管(5km)到新能源區，主要負責蘊華街沿線區、新能源區、百草坡植物園供水。?西北干管，起于第二污水處理廠，全長26.6km，兩條并行管道，管徑450mm，末端到瑞光熱電廠，日供水能力4萬m3，支管兩條分別到高校園區(7.2km)和晉商公園(5.2km)，主要負責龍城大街區、高校園區供水。?西南干管，起于第二污水處理廠，全長21.5km，管徑400mm，末端到國電榆次熱電廠，日供水能力1.5萬m3，支管1條到瀟河國家濕地公園上游(5km)，主要負責瀟河產業園和瀟河國家濕地公園供水。?科創園區干管，起于第二污水處理廠，全長3km，管徑500mm，日供水能力2.5萬m3，主要負責科創園區供水。

2.2 中水利用現狀

目前，城區中水利用分三大塊：工業用水、生活用水和環衛用水。中水工程已投入運營的是西北干管和西南干管，2019年中水回用量539萬m3，回用比15.6%。瑞光熱電廠和國電榆次熱電廠是主要客戶源，2019年用水量246萬m3，占到45.6%；其次是11所高校園區綠化沖廁用水，年用水量273萬m3，占到50.7%；最后是環衛用水，年用水量20萬m3，占到3.7%。

未投入運營的是城中干管和科創園區干管，科創園區目前管道鋪設還不完善，科創園區干管還未有效對接到用水企業，城中干管由于與第二污水處理廠有5km未接通，而第一污水處理廠停產，致管道處于停運狀態。

3 取得的實效

3.1 工程規模初成，擴容高潛力大

從2002年第一座污水處理廠建成運行以來，城區中水工程已擁有2座污水處理廠、4條干管和112km供水管網，污水處理能力達15萬m3/日，供水能力9.5萬m3/日，工程已初具規模。目前主要用戶群體是熱電廠和高校，用水量大且穩定，保障了污水處理廠的良性運行狀態。從管網布局看，覆蓋了城北、城南兩個關鍵地區和城中、城東、城西三個潛在用戶區，既優先保障了工業區和生活區用水，讓企業能活下來，又考慮了生態用水和農業用水，為下一步擴大用水群體提供了工程條件。潛在的用戶群體有科創園區、龍城大街區、蘊華街沿線區、新能源區、百草坡植物園、瀟河國家濕地公園、瀟河產業園以及瀟河灌區，工程布局可擴容度高、潛力巨大，具有很強的科學性。

3.2 污水大幅減少，入汾水質改善

經第二污水處理廠水質統計，2020年CODCr進水415mg/L，出水20.2mg/L，進水是出水的20倍；NH3-N進水42mg/L，出水0.3mg/L，進水是出水的140倍；BOD5進水174mg/L，出水3.3mg/L，進水是出水的53倍；SS進水294mg/L，出水4mg/L，進水是出水的74倍；TP進水6.56mg/L，出水0.15mg/L，進水是出水的44倍；TN進水52mg/L，出水10mg/L，進水是出水的5倍；重金屬多數未檢出，可以看出城市污水經處理后水質得到大幅改善。由于晉中市城區退水最后要流入汾河，高品質的中水大大提高了入汾水質，為汾河流域生態修復起到了巨大的作用，還為拓展用戶群提供了基礎。從可持續發展的角度來看，維持了城市的良好生態環境，大大提高了水資源的利用率，促進了人與自然和諧發展。

3.3 再生水資源化，構建海綿城市

構建生態海綿城市是晉中市未來發展的目標，而良好的水生態和水循環是關鍵核心，中水工程讓晉中市城區水循環得到可持續發展，建立了水安全格局，為滲、滯、蓄、凈、用、排提供了工程支撐。目前，晉中市城區中水工程雛形已成，每年利用量穩定在540萬m3左右，如果中水利用率達到90%，將達到3100萬m3，不僅能夠徹底消除對外調水的依賴，還能大幅減少地下水開采，根治城區地下水超采的問題，可以說是治標又治本，節省下來的水可以發展高新經濟產業、修復瀟河流域生態和發展精品農業。

4 存在的不足

4.1 中心區管道少，與城市規劃不同步

從圖1我們可以看到，城區中心區中水管道分散且數量不足，只有城中干管1條，且還未正式利用，說明中水工程與城市規劃發展并不同步，在城市規劃中并沒有充分考慮中水工程，而在城區定型后很難再建設中水工程。由于中水管道布置不均，嚴重限制了中水在中心區的利用，中心區綠化、生產、生活中可以利用中水的潛在群體仍然只能使用自來水，加劇了城區水資源供需緊張的局面。從設計角度來看，中心區至少應有3條干管，在安寧街和順城街新增2條干管，形成網狀結構，才能有效提高中水利用量。

4.2 資金投資不足，管網覆蓋率低

資金投資不足是中水工程面臨的最大問題，由于投資回報率低、地方財力有限，中水工程更多是依賴社會融資，這就造成了工程在整體布局上不夠科學，管道走線更多的傾向于短而不是覆蓋更多的地區。例如西北干管在線路上沒有得到很好的優化；中心區中水管道稀少，西南干管和西北干管管徑偏小，均體現出資金投入的不足；支管很少也反映出用戶群不多，管網覆蓋率低、投資不足等問題。雖然地方政府已非常重視并投入大量資金，但對于龐大的城市來說，資金仍遠遠不足，不能夠與城市同步發展，很多區域已很難再發展中水工程了，這也是不小的遺憾。

4.3 供水成本偏高，市場競爭力低

市場化運作下，中水工程的運行成本是非常高的，遠無法與自來水和自備井競爭，加之自來水和機井水質更好，這導致了企業對使用中水積極性很低，主動使用再生水意愿不強，阻礙了中水工程的融資和建設進程。污水處理廠需要生存，城市需要健康發展，政府的干預和幫扶是必要的，但是從目前看來，政策支持多而資金支持少，城市規劃發展沒有將中水工程建設作為首要內容。中水回用率僅15.6%，其中瀟河濕地公園和城市環衛用水中中水的用量更不足4%，也從側面說明了政府扶持力度不夠。

4.4 城中干管未通，限制東區用水

城中干管是中心區唯一一條管道，但是第一污水處理廠已停產，一直閑置未利用，城中干管西端與第二污水處理廠仍有5km的距離，嚴重限制了中水回用。不僅中心區未利用上，還影響到新能源區、東區百草坡植物園和瀟河灌區用水。新能源區是工業用水，用水潛力巨大，效益高。百草坡植物園是生態用水，可改善城區生態環境，結余出更多的自來水。瀟河灌區是農業用水，用水需求巨大，灌區渠首源渦大壩離城中干管東端不足4km。因此，城中干管貫通非常重要，且第一污水處理廠還可作為調蓄設施，省去了很大一筆投資。

4.5 雨污未能分離，城市排洪能力低

晉中市是一座古老的城市，城區排水系統老舊，多為新中國成立初期建成，老城區排水未實現雨污分離。榆太東退是晉中市城區總退水渠，隨著城區擴張，東面和北面大片面積成為集雨場，集雨效率高、產流快，排水面積已達300km2，但是經過多輪改造后，榆太東退退水能力仍僅有30m3/s，遠遠無法滿足退水要求，每年雨季來臨時都會造成城西、城南和周邊農田被淹，生活污水、垃圾、化肥等污染物被沖刷入汾河，給汾河帶來很大的面源污染，加之雨污未能實現分離，加大了污水處理廠處理難度和工作效率，兩者疊加成為汾河治理的一大難題。

4.6 集雨設施稀少，調蓄能力低下

海綿城市建設中雨洪管理是最為關鍵的一環，其與中水工程結合才能實現水的“滲、蓄、凈、用、排”，然而晉中市城區的集雨設施和緩洪設施并不多，僅有8處，北邊澗河4處、黑河2處，南邊淳湖、瀟河2處，均以濕地形式存在，總蓄水能力接近300萬m3，城北防洪能力略強，而城東幾乎沒有防洪緩洪設施，城南瀟河一級支流涂河也沒有調蓄水庫，這就造成了城區雨季內澇、旱季用水極緊張等問題。集雨設施與中水工程并未連通也使城區調控能力低下，水循環系統還未真正形成。

5 資源化措施建議

5.1 統籌規劃設計，有序分步實施

中水工程是水安全格局和海綿城市建設的核心環節，建議相關部門聯合組織編制中水回用專項規劃，務必要與城市國土空間發展規劃、城市供水排水規劃、河道綜合治理規劃、城區防洪工程規劃、城市各景觀規劃相配套，尤其注重中水工程與城區給排水、公園濕地、集雨設施、防洪設施、瀟河灌區相結合。在分析了城市規劃布局和給排水管道的基礎上，研究了一套城區中水工程規劃設計概念圖，見圖2，并提出了一些優化建議，希望能使城市發展多一份參考。此設計的特點是：?將供水區劃分為十個區域，明確用水群體，利于有序分步實施；?根據實際情況新增了支管，多沿街道布置，降低了施工難度；?生產、生活、生態、農業用水全部考慮到了，有效提高了中水利用率，增強了水資源調度能力；?在城區周邊規劃了必要的緩洪池，一為增強城市防洪能力，二為調蓄雨洪和中水，提高利用率和調控力；?中水管道形成網狀結構，對干管進行了連通，提高了保證率，增強了供水效率和供水保證率。

5.2 優先發展工業區，實現工程良性運行

城區主要工業區有四個，分別是科創城核心區、新能源區、榆次工業園區、瀟河產業園。現行中水工業水價3.0元/m3，低于自來水工業水價6.7元/m3，配合免收污水處理費等激勵政策和雨污分離提高水質等措施，企業積極性會很高，甚至愿意承擔部分工程建設投資，這將大大減輕政府和污水處理廠的負擔。預計初期年新增中水用量就可達到230萬m3，此舉是污水處理廠扭虧為盈、可持續發展的關鍵，應優先發展。具體思路是：?通過西南干管在瀟河產業園東西兩處建分水口實現覆蓋，東區需要建設加壓泵站；?科創園區干管南北兩處建分干管實現覆蓋，根據企業意愿分批鋪設支管；?西北干管分干——東北1號干管向東延伸至新能源區實現覆蓋，需要建設加壓泵站，并與東北2號干管相連，用于干管間、緩洪池間、園區間水資源相互調配；?城中干管向西連通第二污水處理廠，距離大概5km，沿途設分水口，實現榆次工業區覆蓋。

5.3 拓展學校用戶群，實現回用量穩定增長

能夠使用中水的學校主要分布在高校園區和城區中心區，這里有近20所中小學和高等院校，潛力巨大。

工業生產淡旺季用水量差異大，而學校用水量常年穩定，主要用途是綠化、沖廁，如果供水保證率高、服務質量好，中水用量會穩定且提高，但此群體配套工程需要由政府投資或者污水處理廠出資。目前高校園區年用水量已達273萬m3，由于末端壓力不足學校間用水量差異很大，如果加以改造配套的話，年可新增中水用量100萬m3以上。具體思路是：?在高校支管上鋪設直達各高校的管道，更新原有泵站，由于用水量大，高處需建調蓄池，保障各高校水壓穩定；?在城中干管上鋪設支管到各中小學校，更新第一污水處理廠泵站，改造生化池為調蓄池，以保障中心區東部穩定供水。

5.4 注重生態景觀用水，政府財政補貼水價

榆次是山西的園林城市，公園濕地景觀眾多，主要有城北高校園區的晉商公園、城區中心區的六七座公園、城南的瀟河國家濕地公園、城東百草坡植物園等，由于這些公園均是公益性質的，建議政府進行水價財政補貼，中水工程接通后可置換出大量自來水，不僅能發展經濟，還能凈化水質、補充地下水，實現海綿城市的生態效應，年可新增中水用量660萬m3。具體思路是：?城區中心區公園通過在城中干管上鋪設支管連接，東部高處依托第一污水處理廠的泵站加壓供水；?百草坡植物園通過在東北二號管上鋪設支管連接，依托東外環新建泵站加壓供水；③瀟河國家濕地公園和晉商公園干管均已鋪設，需要完善公園內部管網，人工湖不建議用中水。中水用于生態景觀能夠結余出大量的自來水用于生產，為城市發展提供基礎支撐。

5.5 南干連瀟河灌區，探索農業灌溉利用

瀟河灌區屬大型自流灌區，有效灌溉面積33.24萬畝，渠首源渦大壩在瀟河國家濕地公園的上游處，近年來瀟河生產、生活和生態用水激增，農業用水大幅減少，年用水量已降低到不足1300萬m3，嚴重影響到農業生產，威脅糧食安全。由于中水水質良好，重金屬元素極少，并且水中富含氮磷鉀對農作物生長有利，因此建議中水與河水混合或交叉進行灌溉，在將土壤污染減至最低的同時提高農業灌溉面積，預計年可新增中水用量1000萬m3。具體思路是：?城中干管在東外環新建泵站，延伸干管至源渦大壩；?建議擴容源渦大壩蓄水能力至70萬m3；?調整灌溉制度以適應長流水的供水方式；?中水灌溉比例不宜高于30%以滿足農田的自然凈化能力，并聯合高校做好土壤和水質監測。

5.6 政策全方位支持，落實水價補貼

中水利用是晉中市城區可持續發展的關鍵，而中水利用離不開政策的全方位支持。目前晉中市政府已經出臺了《晉中市城區中水回用實施方案》，不可謂不重視，政策方面建議如下：?修訂完善《晉中市城區中水回用管理辦法》，讓中水利用有法可依、有章可循，向標準化規范化管理邁進；?建立合理水價形成機制，公益性的和農業灌溉的需要財政進行補貼，企事業單位用水建議推行政府指導價，發揮經濟杠桿作用，強化水權分配；?中水工程必須列入城市新建和改造項目中，同步設計、施工和運行；?與太原市簽訂合作協議，為太原城南提供用水。

6 結 語

綜上所述，晉中市城區的中水利用已經有了良好的開端，污水處理廠也處于高效運行期，出廠水質較好，要進一步提高供水保證率、擴大用戶群、提供優質服務，需要有長遠的、科學的專業規劃和優秀的管理團隊。建議優先供給穩定的客戶，在尋求工程可持續發展的前提下，加大覆蓋范圍，循序漸進，切忌操之過急，鋪攤過大。相信在未來，晉中市城區的中水利用會成為中國北方城市水效管理的典范。