淺談太原市供水重大場站及骨架管網布局

韓宇

（太原市城鄉規劃設計研究院， 山西 太原 030002）

1 項目概況

隨著城市的快速發展， 現狀的供水設施及管網已經不能滿足城市的需求， 同時可持續發展、 綠色發展、 韌性發展等目標越來越多見于國際大城市的規劃目標中。 水系統發展趨勢為水中立、 安全化、 高效率、 分散化、 高品質、 高水平， 這是城市發展新階段對未來將要面臨的關鍵問題。 國家、 省、 市相關政策為水資源利用和供水設施提出新目標， 為滿足城市發展， 指導城市供水設施建設。

2 現狀情況簡介

2.1 地理位置

太原市是山西省省會， 位于山西中部， 北與忻州市毗鄰， 東與陽泉市接壤， 東南與晉中市相依， 西與呂梁相連。 地處晉中盆地， 東、 西、 北三面環山，中、 南部為河谷平原， 整個地形北高南低， 呈簸箕形。 東西橫距約144km， 南北縱深約107km。 東部山地通稱東山， 西部山地為呂梁山東翼， 北部為系舟山， 是忻定、 太原兩盆地的界山。 東西山之間是太原盆地， 海拔在800m左右， 地勢平坦， 土壤肥沃， 灌溉方便。

2.2 太原市供水設施現狀

1） 水庫及輸水管渠概況： 現狀水庫中， 汾河一庫（水庫） 和汾河二庫是供應城鄉用水的主要水源，其中汾河一庫（水庫） 主供城市水源， 汾河二庫主要供給農業和生態用水。 引黃水從汾河水庫經過輸水管道進入呼延水廠。

2） 地表水廠： 太原市現狀有一座地表水廠， 即呼延水廠。 水源來自黃河水源。 分兩期建設。 一期工程建設規模日供水40 萬m， 二期實施后供水量總計為80 萬m/d。

3） 地下水廠： 棗溝水廠位于太原市城東高地北部棗溝村， 集產供水為一體， 日均產水量12 萬m。西張水廠位于汾河以西的西張村附近， 日均產水量10萬m。 三給水廠位于河西三給村， 日供水量為12 萬m。 新城水廠位于尖草坪區北固碾村， 日均供水量14萬m。 向陽水廠位于尖草坪區向陽鎮， 日供水量約2萬m。 勝利水廠位于勝利橋東大同路南端， 日供水量12 萬m。

4） 周邊水廠： 清徐縣現狀由太原供水集團供給清徐縣生活用水， 一部分大企業通過清泉湖和清泉西湖解決用水。

陽曲縣現狀除中心城區、 泥屯鎮、 東黃水鎮、 大盂鎮以外， 均未實現公共供水。 中心城區已建趙莊水廠、 陽曲第一、 第二水廠， 水源均為地下水， 但總供水規模為1.5 萬m/d。 泥屯鎮水源為地下水， 供水規模144m/d。

2.3 規劃情況

新規劃《太原都市區規劃（2016—2035 年）》 將都市區定位為國家新型產業基地和能源科技創新中心， 國家資源型經濟轉型與綠色發展示范區， 具有國際影響力的文化旅游都市， 努力建設成為國家區域中心城市。 將太原都市區建設成為引領山西振興崛起的動力引擎， 宜居宜業、 幸福和諧的美好家園， 魅力獨特的文化都會， 山青水綠天藍氣爽的生態都市。 太原都市區總人口規模為： 2020 年590 萬人， 2035 年770萬人， 遠景控制在850 萬人。 其中， 城鎮人口規模為： 2020 年560 萬人， 2035 年746 萬人。 研究城市重大場站布局及骨架布局顯得尤為重要。

3 通過研究相關國內外案例， 提出的重大場站經濟服務范圍及規模

供水場站和骨干網架布局主要是依照水源、 水廠的合理配置， 將不同地區的水廠、 管網進行統籌規劃， 形成大的、 多層次的供水網絡， 從而提高供水水質， 增強供水安全性。 有關此方面， 國內外主要圍繞水資源優化配置、 供水模式、 供水管網等幾個方面從經濟角度對區域供水進行了研究。

3.1 相關區域供水規劃研究

在國外， 從上個世紀四十年代開始， 巴黎統一供水系統服務包闊14 個地方城區， 人口400 萬。 洛杉磯范圍為1200km， 服務人口為320 萬， 飲用水源來自內華達山區； 華盛頓北方水廠的供水范圍為2849km，同時供水兩個水源。

3.2 供水場站的服務范圍和規模經濟方面

根據國內外相關研究， 供水場站的供水范圍和規模經濟方面有以下結論。

水廠規模的確定主要取決于兩個因素， 供水區域的需水量和供水的單位成本。 在供水系統當中， 規模經濟的效應十分明顯， 即增加規模可使得單位成本降低； 隨著規模的減少， 單位成本會增加。 美國學者得出供水工程規模經濟規律， 當設計規模小于7.6 萬m時， 單位水處理成本隨著規模的增加， 下降迅速變化顯著。 當大于15.2 萬m時， 單位水處理成本雖有所下降， 但變化緩慢。 也就是說隨著供水規模增加， 處理成本變化率減小。 整個供水系統的總成本當處理規模大于19 萬m， 系統總成本變化非常緩慢， 即當水廠超過19 萬m是經濟的。

給水的輸配水工程的投資也存在規模效應。 輸配水工程的投資與供水范圍、 地形等情況有關系， 超出了一定范圍輸配水管網距離增加會導致費用的增加。有關研究得出配水工程成本與輸水距離之間的關系，供水距離為8 ～10km最為經濟。

根據以上分析， 從經濟投資上來看， 水廠的規模控制在20 萬m以上， 供水半徑在8 ～10km最為經濟。

3.3 小結

從以上案例中得到如下啟示： 1） 注重安全供水保障： 通過多水源聯合供水、 配水分區多方向受水等措施， 提高供水可靠性； 2） 注重節約運行成本： 通過供水重力輸水、 降低管網長距離輸水的運行壓力，減少了漏水和爆管的幾率； 3） 注重多水源供水： 供水管網可適當的連成一片， 形成多水源供水的區域供水系統， 將城鄉供水統一規劃建設， 同時利用多水源保障應急供水； 4） 注重供水成本： 區域供水模式的制水費用相對較低， 供水廠規模越大， 制水成本越低。

4 落實以水定城的國家治水戰略， 對水資源進行配置及平衡

4.1 水資源配置原則

1） 用足黃河水， 能用盡用再生水， 壓采涵養地下水； 2） 保證居民生活、 生態、 生產用水量； 3） 農業生產用水以使用本地地表水資源為主； 4） 城鄉居民生活用水使用地下水、 黃河處理水為主； 5） 提升生態用水量， 以當地地表水和再生水為主。

4.2 水資源量

根據《山西省人民政府關于印發山西省水資源全域化配置方案的通知》， 到2030 年， 太原市用水紅線為10.47 億m， 其中， 地表水的可利用量為3.7 億m， 地下水可開采量為1.37 億m， 黃河水可利用量為5.4 億m。

經多種方法計算， 太原市區城鎮建設用地內新鮮水需求量為249.88 萬m/d， 新鮮水水資源的需求量為8.29 億m。 通過實施中部引黃和滹沱河飲水可以滿足要求。

4.3 新鮮水水資源平衡

經多種方法計算， 太原市區城鎮建設用地內新鮮水需求量為249.88 萬m/d， 對新鮮水水資源的需求量為8.29 億m。 通過實施中部引黃和滹沱河飲水可以滿足要求。

5 通過分析現狀存在問題， 為下一步改造及規劃布局提供依據

5.1 水廠位置分析

水廠分布都在城市的北側， 各水廠距城市最遠供水點距離43 ～60km， 對于一個重點防御城市， 不利于供水的安全。

5.2 從水廠的規模分析

從各水廠的供水規模可以看出， 呼延水廠一廠規模獨大， 結合未來對地下水“關井壓采” 的力度進一步加大， 地表水廠的供水未來將占到供水總量的60%左右。 一旦呼延水廠有事故發生， 將極大的影響城市的正常運行。

5.3 從水廠供水的能耗分析

由于太原市兩山夾一河的地形條件， 東西北高地用水都需要加壓供水， 甚至是多級加壓供水， 這是供水耗能的主要原因， 所以說供水系統和場站布置應該將節能降耗作為一個重要的因素。

5.4 骨架管網分析

萬家寨引黃工程經五級泵站， 揚程636m， 經涵洞和汾河輸送至呼延水廠， 目前正在進行向陽曲大盂施工， 晉陽湖至清徐段已經施工完畢， 其綜改區支線正在施工。

由于太原市所有水源都在城市北部， 隨著城市發展， 太晉同城化進程的不斷推進， 供水量日益增大，對于一個重點防御城市， 單線型線路存在安全隱患。

6 結合太原市實際情況研究布局供水場站和骨干網架

6.1 供水分區的劃分

1） 供水范圍的劃分考慮因素： 供水范圍的劃分要考慮的因素包括以下幾個方面： 一是現狀地形情況； 二是現狀給水設施情況； 三是供水場站的規模和供水范圍的合理性； 四是有助于保持各分區的有機聯系， 確保每個區域都可以互聯互供。

2） 供水區域區位和用水特征： 根據供水區域的區位和行政區劃， 結合各片區的需水情況， 如第五章描述。 可將供水區域分為中心城區、 東山片區、 西山片區、 陽曲片區、 泥屯片區、 清徐片區和瀟河片區七大片區。

3） 地形特征： 太原市地處晉中盆地， 東、 西、北三面環山， 中、 南部為河谷平原， 整個地形北高南低呈簸箕形， 東西橫距約144km， 南北縱約107km。東西山之間是太原盆地， 海拔在800m左右， 地勢平坦， 土壤肥沃， 灌溉方便。 根據現狀設施情況， 可以分為水廠直接供應區和二次加壓區， 現狀水廠直供范圍在地面標高800m以下， 地面標高800m以上區域為二次加壓區。

清徐縣位于山西省中部， 太原市南端。 境內地勢西北高、 東南低。 西北山區的廟前山為全縣最高點，海拔1865m； 南部邊境柳杜鄉常豐村一帶為全境最低洼處， 海拔753m。

陽曲縣地處忻定與晉中盆地之脊梁地帶。 東西寬82km， 南北長54km。 總的地勢為全境東、 西、 北三面較高， 南面低平。 東西兩端為石山區和土石山區，中部為盆地。 海拔位于800 ～2000m之間， 中部平川海拔800 ～900m。

6.2 太原市供水分區的劃分和場站布局

研究區域主要形成“15 點”、 “七片” 的供水格局， 包括現有的7 座地下水水廠， 和外源水8 座水廠（包括呼延、 西山、 東山、 大盂、 泥屯、 清徐、 城南、瀟河水廠） 的高水高供、 分區保障的供水格局； “七片” 是指按照地理位置、 供水結構以及管網布置形式， 市區范圍共形成7 個供水片區： 陽曲、 泥屯、 中心城區、 東山、 西山、 瀟河產業園區、 清徐。

6.3 各供水場站分區的場站布局研究

1） 城六區中部供水區域： 城六區直供地區地面標高基本在800m左右， 大致范圍是北中環街以南，西中環街以東， 東中環街以西范圍， 該范圍內可以實現直供。 城六區北部片區地面標高主要在800m以上，北至城市規劃區北界線， 南到北中環街。 所以從呼延水廠引輸水管線服務不銹鋼園區和軍民融合片區。

2） 城六區東西山地區： 東西山地區地面標高基本在800m以上， 800 ～900m范圍之間的用水用戶比較集中， 本研究認為東西山兩座水廠應該選址在地面高程900m以上， 這樣可以滿足東西山地區大部分用戶的供水。 地面高程900m以上地區根據用戶需要建設加壓站。

6.4 各供水場站規模確定及水源

場站規模： 各場站供水規模確定要滿足各區域的水量需求， 并且留有未來發展的余地， 在未來發展方向如陽曲、 清徐、 城南、 山西綜改區等片區， 其供水場站的規模要適當擴大。 按照上述分區， 各分區用水量如表1 所示。

表1 各分區用水量統計表

6.5 骨干網架構建

為了供水的安全性， 將太原市原先的單源供水優化為多源供水。 在引入萬家寨引黃工程的基礎上， 從嵐縣引入中部引黃工程水源， 同時從滹沱河引優質地下水入并， 為遠期分質供水做準備， 建立地下、 地表多水源安全供水骨架布局。

1） 中部引黃輸水管線： 按照《山西省水資源全域化配置方案》， 未來將建設中部引黃保德—興縣—嵐縣—嵐河供水支線， 向太原市都市區年供水2.4 億m。 建議該水廠輸水管線經由西山水廠輸水管道隧道引入太原市區引黃原水網架， 在城市西外環高速、 南外環高速布置環狀管網， 為規劃清徐、 瀟河、 城南水廠供水。

2） 滹沱河水骨干網架構建： 根據《滹沱河太原水質提升調水工程可行性研究報告》， 滹沱河優質地下水經泥屯進入太原市區， 在泥屯新建138 萬m儲水池， 經北高速環至東高速環東山配水廠， 服務東山地區， 管徑DN1800， 繼續往南進入城南水廠， 結合高速環的建設改造在東環高速和北環高速設置滹沱河輸水管。

滹沱河水引入東山水廠和城南水廠后， 經處理后與城市其他水廠聯合為我市供水。

3） 西山水廠的輸水管線構建： 綜合前文所述，引黃南干線未分配水量為0.81 億m/年， 西山水廠設計供水量為20 萬m/d， 西山水廠水源來自引黃南干線。 引黃南干線古交掃石口站水頭為965m以上， 可以滿足重力流引入西山水廠， 根據建設需要， 需新建隧道14km。

4） 北部供水輸水管線構建： 北部軍民融合區域和不銹鋼工業園區供水亟需解決， 同時呼延水廠出水管線為DN2200， 而進入市區后， 管徑驟減變為DN1600， 而沒有集中出流量， 只能用調流閥來調整出流量， 所以本研究認為在呼延水廠DN2200 輸水管后，調流閥之前引出DN1600 輸水管線， 沿康西路向北至新蘭路后， 東側敷設DN800 輸水管線延伸至中北大學板塊， 西側敷設DN1400 輸水管線延伸至陽興大道，與不銹鋼園區供水管線連接， 既實現了多余流量的有效利用， 也解決了北部工業區的供水問題。

7 結語

重要場站主要形成“15 點”、 “七片” 的供水格局， 包括現有的7 座地下水水廠， 和外源水8 座水廠（包括呼延、 西山、 東山、 大盂、 泥屯、 清徐、 城南、瀟河水廠） 的高水高供、 分區保障的供水格局； “七片” 是指按照地理位置、 供水結構以及管網布置形式， 市區范圍共形成7 個供水片區： 陽曲、 泥屯、 中心城區、 東山、 西山、 瀟河產業園區、 清徐。 引黃水骨架管網形成雙源雙網、 滹沱河水與地下書形成雙源一網、 處理水形成互聯互供的經濟、 安全供水格局。