晋中市城区中水利用现状分析及资源化利用研究

吴伟伟 孟 佩 胥 涛

(晋中市水利局，山西 晋中 030600)

水是人类生存和社会经济发展不可替代的基本资源，在快速城市化进程中水资源短缺、失衡与污染已成为城市经济增长、社会发展与环境保护的最主要瓶颈之一。以晋中市为例，晋中市是一座典型的北方缺水型城市，2019年水资源总量96580万m3，人均仅287m3，水资源时空分布不均，东多西少，夏季降水量占到全年60%，还多以强降雨出现。而晋中市城区的水资源供需矛盾则更为突出，年均用水量4300万m3，其中有1300万m3来自地下水，形成了85km2的榆次区小型裂隙水超采区，还有1500万m3来自外调水，均接近饱和。在严峻的形势面前，循环经济城市水资源管理成为新的研究课题，即建立水循环经济型城市，把城市建立在水资源循环利用的基础上，改变过去水资源-使用消费-污水排放的单向流动的线性经济，变成水资源-使用消费-污水再生处理-水再利用的闭路循环经济。中水利用无疑是实现循环经济的关键环节，对降低水污染，缓解水资源矛盾，推进汾河流域生态修复意义非凡。

1 城区概述

晋中市城区古称“魏榆”，位于山西省中部的太原盆地内，属温带大陆性季风气候，年降水量414mm，年均气温9.8℃，年日照时数2662小时，无霜期186天，年均蒸发量2068mm。城区面积85km2，是晋中市的经济、文化、交通中心，地势平坦、南北高、中部低。城南有潇河，其河床较城区高，北边有黑河和涧河，3条河流汇入汾河。城区排水为自北向南，自东向西，最终排入城西的榆太东退水渠，最后流入汾河，设计排水流量30m3/s。城区建有2座污水处理厂，目前第一污水处理厂停产，由第二污水处理厂全面负责处理城区污水，日处理能力15万m3，中水一部分利用，其余排入榆太东退水渠。2019年城区用水总量4300万m3，其中第二、三产业1950万m3，生活用水1900万m3，生态用水450万m3。按类型分：地表水1500万m3，地下水1300万m3，外调水1500万m3。

2 中水工程及利用现状

2.1 中水工程概述

晋中市城区中水工程为“两心、四轴”的布置，见图1，两心指两座污水处理厂，四轴指四条干管，覆盖了城区的东西南北中五个方位，总供水能力9.5万m3/d，达到目前污水处理能力的57%，工程已初具规模。

图1 晋中市城区中水工程现状图

a.两心即两座污水处理厂。第一污水处理厂，2002年投入运营，日处理能力3万m3，厂区位于蕴华西街，随着城市发展厂区位置被包裹在城市中，无法完全处理城市退水，目前停产闲置；第二污水处理厂，2014年投入运营，日处理能力15万m3，厂区位于榆次张庆乡东贾村，主体工艺采用预处理+污水生化处理+污水深度处理工艺，经处理后的污水水质达到一级A排放标准，目前运行良好，负责全城区的污水处理，2019年污水处理量4307万m3，中水产生量3446万m3，是中水工程的中心枢纽。

b.四轴即四条干管，分别为城中干管、西北干管、西南干管、科创园区干管。干支管总长度112.1km。各干管基本情况如下：

ⓐ城中干管，起于第一污水处理厂，全长12km，管径500mm，日供水能力2.5万m3，支管1条东北二号干管(5km)到新能源区，主要负责蕴华街沿线区、新能源区、百草坡植物园供水。ⓑ西北干管，起于第二污水处理厂，全长26.6km，两条并行管道，管径450mm，末端到瑞光热电厂，日供水能力4万m3，支管两条分别到高校园区(7.2km)和晋商公园(5.2km)，主要负责龙城大街区、高校园区供水。ⓒ西南干管，起于第二污水处理厂，全长21.5km，管径400mm，末端到国电榆次热电厂，日供水能力1.5万m3，支管1条到潇河国家湿地公园上游(5km)，主要负责潇河产业园和潇河国家湿地公园供水。ⓓ科创园区干管，起于第二污水处理厂，全长3km，管径500mm，日供水能力2.5万m3，主要负责科创园区供水。

2.2 中水利用现状

目前，城区中水利用分三大块：工业用水、生活用水和环卫用水。中水工程已投入运营的是西北干管和西南干管，2019年中水回用量539万m3，回用比15.6%。瑞光热电厂和国电榆次热电厂是主要客户源，2019年用水量246万m3，占到45.6%；其次是11所高校园区绿化冲厕用水，年用水量273万m3，占到50.7%；最后是环卫用水，年用水量20万m3，占到3.7%。

未投入运营的是城中干管和科创园区干管，科创园区目前管道铺设还不完善，科创园区干管还未有效对接到用水企业，城中干管由于与第二污水处理厂有5km未接通，而第一污水处理厂停产，致管道处于停运状态。

3 取得的实效

3.1 工程规模初成，扩容高潜力大

从2002年第一座污水处理厂建成运行以来，城区中水工程已拥有2座污水处理厂、4条干管和112km供水管网，污水处理能力达15万m3/日，供水能力9.5万m3/日，工程已初具规模。目前主要用户群体是热电厂和高校，用水量大且稳定，保障了污水处理厂的良性运行状态。从管网布局看，覆盖了城北、城南两个关键地区和城中、城东、城西三个潜在用户区，既优先保障了工业区和生活区用水，让企业能活下来，又考虑了生态用水和农业用水，为下一步扩大用水群体提供了工程条件。潜在的用户群体有科创园区、龙城大街区、蕴华街沿线区、新能源区、百草坡植物园、潇河国家湿地公园、潇河产业园以及潇河灌区，工程布局可扩容度高、潜力巨大，具有很强的科学性。

3.2 污水大幅减少，入汾水质改善

经第二污水处理厂水质统计，2020年CODCr进水415mg/L，出水20.2mg/L，进水是出水的20倍；NH3-N进水42mg/L，出水0.3mg/L，进水是出水的140倍；BOD5进水174mg/L，出水3.3mg/L，进水是出水的53倍；SS进水294mg/L，出水4mg/L，进水是出水的74倍；TP进水6.56mg/L，出水0.15mg/L，进水是出水的44倍；TN进水52mg/L，出水10mg/L，进水是出水的5倍；重金属多数未检出，可以看出城市污水经处理后水质得到大幅改善。由于晋中市城区退水最后要流入汾河，高品质的中水大大提高了入汾水质，为汾河流域生态修复起到了巨大的作用，还为拓展用户群提供了基础。从可持续发展的角度来看，维持了城市的良好生态环境，大大提高了水资源的利用率，促进了人与自然和谐发展。

3.3 再生水资源化，构建海绵城市

构建生态海绵城市是晋中市未来发展的目标，而良好的水生态和水循环是关键核心，中水工程让晋中市城区水循环得到可持续发展，建立了水安全格局，为渗、滞、蓄、净、用、排提供了工程支撑。目前，晋中市城区中水工程雏形已成，每年利用量稳定在540万m3左右，如果中水利用率达到90%，将达到3100万m3，不仅能够彻底消除对外调水的依赖，还能大幅减少地下水开采，根治城区地下水超采的问题，可以说是治标又治本，节省下来的水可以发展高新经济产业、修复潇河流域生态和发展精品农业。

4 存在的不足

4.1 中心区管道少，与城市规划不同步

从图1我们可以看到，城区中心区中水管道分散且数量不足，只有城中干管1条，且还未正式利用，说明中水工程与城市规划发展并不同步，在城市规划中并没有充分考虑中水工程，而在城区定型后很难再建设中水工程。由于中水管道布置不均，严重限制了中水在中心区的利用，中心区绿化、生产、生活中可以利用中水的潜在群体仍然只能使用自来水，加剧了城区水资源供需紧张的局面。从设计角度来看，中心区至少应有3条干管，在安宁街和顺城街新增2条干管，形成网状结构，才能有效提高中水利用量。

4.2 资金投资不足，管网覆盖率低

资金投资不足是中水工程面临的最大问题，由于投资回报率低、地方财力有限，中水工程更多是依赖社会融资，这就造成了工程在整体布局上不够科学，管道走线更多的倾向于短而不是覆盖更多的地区。例如西北干管在线路上没有得到很好的优化；中心区中水管道稀少，西南干管和西北干管管径偏小，均体现出资金投入的不足；支管很少也反映出用户群不多，管网覆盖率低、投资不足等问题。虽然地方政府已非常重视并投入大量资金，但对于庞大的城市来说，资金仍远远不足，不能够与城市同步发展，很多区域已很难再发展中水工程了，这也是不小的遗憾。

4.3 供水成本偏高，市场竞争力低

市场化运作下，中水工程的运行成本是非常高的，远无法与自来水和自备井竞争，加之自来水和机井水质更好，这导致了企业对使用中水积极性很低，主动使用再生水意愿不强，阻碍了中水工程的融资和建设进程。污水处理厂需要生存，城市需要健康发展，政府的干预和帮扶是必要的，但是从目前看来，政策支持多而资金支持少，城市规划发展没有将中水工程建设作为首要内容。中水回用率仅15.6%，其中潇河湿地公园和城市环卫用水中中水的用量更不足4%，也从侧面说明了政府扶持力度不够。

4.4 城中干管未通，限制东区用水

城中干管是中心区唯一一条管道，但是第一污水处理厂已停产，一直闲置未利用，城中干管西端与第二污水处理厂仍有5km的距离，严重限制了中水回用。不仅中心区未利用上，还影响到新能源区、东区百草坡植物园和潇河灌区用水。新能源区是工业用水，用水潜力巨大，效益高。百草坡植物园是生态用水，可改善城区生态环境，结余出更多的自来水。潇河灌区是农业用水，用水需求巨大，灌区渠首源涡大坝离城中干管东端不足4km。因此，城中干管贯通非常重要，且第一污水处理厂还可作为调蓄设施，省去了很大一笔投资。

4.5 雨污未能分离，城市排洪能力低

晋中市是一座古老的城市，城区排水系统老旧，多为新中国成立初期建成，老城区排水未实现雨污分离。榆太东退是晋中市城区总退水渠，随着城区扩张，东面和北面大片面积成为集雨场，集雨效率高、产流快，排水面积已达300km2，但是经过多轮改造后，榆太东退退水能力仍仅有30m3/s，远远无法满足退水要求，每年雨季来临时都会造成城西、城南和周边农田被淹，生活污水、垃圾、化肥等污染物被冲刷入汾河，给汾河带来很大的面源污染，加之雨污未能实现分离，加大了污水处理厂处理难度和工作效率，两者叠加成为汾河治理的一大难题。

4.6 集雨设施稀少，调蓄能力低下

海绵城市建设中雨洪管理是最为关键的一环，其与中水工程结合才能实现水的“渗、蓄、净、用、排”，然而晋中市城区的集雨设施和缓洪设施并不多，仅有8处，北边涧河4处、黑河2处，南边淳湖、潇河2处，均以湿地形式存在，总蓄水能力接近300万m3，城北防洪能力略强，而城东几乎没有防洪缓洪设施，城南潇河一级支流涂河也没有调蓄水库，这就造成了城区雨季内涝、旱季用水极紧张等问题。集雨设施与中水工程并未连通也使城区调控能力低下，水循环系统还未真正形成。

5 资源化措施建议

5.1 统筹规划设计，有序分步实施

中水工程是水安全格局和海绵城市建设的核心环节，建议相关部门联合组织编制中水回用专项规划，务必要与城市国土空间发展规划、城市供水排水规划、河道综合治理规划、城区防洪工程规划、城市各景观规划相配套，尤其注重中水工程与城区给排水、公园湿地、集雨设施、防洪设施、潇河灌区相结合。在分析了城市规划布局和给排水管道的基础上，研究了一套城区中水工程规划设计概念图，见图2，并提出了一些优化建议，希望能使城市发展多一份参考。此设计的特点是：ⓐ将供水区划分为十个区域，明确用水群体，利于有序分步实施；ⓑ根据实际情况新增了支管，多沿街道布置，降低了施工难度；ⓒ生产、生活、生态、农业用水全部考虑到了，有效提高了中水利用率，增强了水资源调度能力；ⓓ在城区周边规划了必要的缓洪池，一为增强城市防洪能力，二为调蓄雨洪和中水，提高利用率和调控力；ⓔ中水管道形成网状结构，对干管进行了连通，提高了保证率，增强了供水效率和供水保证率。

5.2 优先发展工业区，实现工程良性运行

城区主要工业区有四个，分别是科创城核心区、新能源区、榆次工业园区、潇河产业园。现行中水工业水价3.0元/m3，低于自来水工业水价6.7元/m3，配合免收污水处理费等激励政策和雨污分离提高水质等措施，企业积极性会很高，甚至愿意承担部分工程建设投资，这将大大减轻政府和污水处理厂的负担。预计初期年新增中水用量就可达到230万m3，此举是污水处理厂扭亏为盈、可持续发展的关键，应优先发展。具体思路是：ⓐ通过西南干管在潇河产业园东西两处建分水口实现覆盖，东区需要建设加压泵站；ⓑ科创园区干管南北两处建分干管实现覆盖，根据企业意愿分批铺设支管；ⓒ西北干管分干——东北1号干管向东延伸至新能源区实现覆盖，需要建设加压泵站，并与东北2号干管相连，用于干管间、缓洪池间、园区间水资源相互调配；ⓓ城中干管向西连通第二污水处理厂，距离大概5km，沿途设分水口，实现榆次工业区覆盖。

5.3 拓展学校用户群，实现回用量稳定增长

能够使用中水的学校主要分布在高校园区和城区中心区，这里有近20所中小学和高等院校，潜力巨大。

工业生产淡旺季用水量差异大，而学校用水量常年稳定，主要用途是绿化、冲厕，如果供水保证率高、服务质量好，中水用量会稳定且提高，但此群体配套工程需要由政府投资或者污水处理厂出资。目前高校园区年用水量已达273万m3，由于末端压力不足学校间用水量差异很大，如果加以改造配套的话，年可新增中水用量100万m3以上。具体思路是：ⓐ在高校支管上铺设直达各高校的管道，更新原有泵站，由于用水量大，高处需建调蓄池，保障各高校水压稳定；ⓑ在城中干管上铺设支管到各中小学校，更新第一污水处理厂泵站，改造生化池为调蓄池，以保障中心区东部稳定供水。

5.4 注重生态景观用水，政府财政补贴水价

榆次是山西的园林城市，公园湿地景观众多，主要有城北高校园区的晋商公园、城区中心区的六七座公园、城南的潇河国家湿地公园、城东百草坡植物园等，由于这些公园均是公益性质的，建议政府进行水价财政补贴，中水工程接通后可置换出大量自来水，不仅能发展经济，还能净化水质、补充地下水，实现海绵城市的生态效应，年可新增中水用量660万m3。具体思路是：ⓐ城区中心区公园通过在城中干管上铺设支管连接，东部高处依托第一污水处理厂的泵站加压供水；ⓑ百草坡植物园通过在东北二号管上铺设支管连接，依托东外环新建泵站加压供水；③潇河国家湿地公园和晋商公园干管均已铺设，需要完善公园内部管网，人工湖不建议用中水。中水用于生态景观能够结余出大量的自来水用于生产，为城市发展提供基础支撑。

5.5 南干连潇河灌区，探索农业灌溉利用

潇河灌区属大型自流灌区，有效灌溉面积33.24万亩，渠首源涡大坝在潇河国家湿地公园的上游处，近年来潇河生产、生活和生态用水激增，农业用水大幅减少，年用水量已降低到不足1300万m3，严重影响到农业生产，威胁粮食安全。由于中水水质良好，重金属元素极少，并且水中富含氮磷钾对农作物生长有利，因此建议中水与河水混合或交叉进行灌溉，在将土壤污染减至最低的同时提高农业灌溉面积，预计年可新增中水用量1000万m3。具体思路是：ⓐ城中干管在东外环新建泵站，延伸干管至源涡大坝；ⓑ建议扩容源涡大坝蓄水能力至70万m3；ⓒ调整灌溉制度以适应长流水的供水方式；ⓓ中水灌溉比例不宜高于30%以满足农田的自然净化能力，并联合高校做好土壤和水质监测。

5.6 政策全方位支持，落实水价补贴

中水利用是晋中市城区可持续发展的关键，而中水利用离不开政策的全方位支持。目前晋中市政府已经出台了《晋中市城区中水回用实施方案》，不可谓不重视，政策方面建议如下：ⓐ修订完善《晋中市城区中水回用管理办法》，让中水利用有法可依、有章可循，向标准化规范化管理迈进；ⓑ建立合理水价形成机制，公益性的和农业灌溉的需要财政进行补贴，企事业单位用水建议推行政府指导价，发挥经济杠杆作用，强化水权分配；ⓒ中水工程必须列入城市新建和改造项目中，同步设计、施工和运行；ⓓ与太原市签订合作协议，为太原城南提供用水。

6 结 语

综上所述，晋中市城区的中水利用已经有了良好的开端，污水处理厂也处于高效运行期，出厂水质较好，要进一步提高供水保证率、扩大用户群、提供优质服务，需要有长远的、科学的专业规划和优秀的管理团队。建议优先供给稳定的客户，在寻求工程可持续发展的前提下，加大覆盖范围，循序渐进，切忌操之过急，铺摊过大。相信在未来，晋中市城区的中水利用会成为中国北方城市水效管理的典范。