浅谈太原市供水重大场站及骨架管网布局

韩宇

（太原市城乡规划设计研究院， 山西 太原 030002）

1 项目概况

随着城市的快速发展， 现状的供水设施及管网已经不能满足城市的需求， 同时可持续发展、 绿色发展、 韧性发展等目标越来越多见于国际大城市的规划目标中。 水系统发展趋势为水中立、 安全化、 高效率、 分散化、 高品质、 高水平， 这是城市发展新阶段对未来将要面临的关键问题。 国家、 省、 市相关政策为水资源利用和供水设施提出新目标， 为满足城市发展， 指导城市供水设施建设。

2 现状情况简介

2.1 地理位置

太原市是山西省省会， 位于山西中部， 北与忻州市毗邻， 东与阳泉市接壤， 东南与晋中市相依， 西与吕梁相连。 地处晋中盆地， 东、 西、 北三面环山，中、 南部为河谷平原， 整个地形北高南低， 呈簸箕形。 东西横距约144km， 南北纵深约107km。 东部山地通称东山， 西部山地为吕梁山东翼， 北部为系舟山， 是忻定、 太原两盆地的界山。 东西山之间是太原盆地， 海拔在800m左右， 地势平坦， 土壤肥沃， 灌溉方便。

2.2 太原市供水设施现状

1） 水库及输水管渠概况： 现状水库中， 汾河一库（水库） 和汾河二库是供应城乡用水的主要水源，其中汾河一库（水库） 主供城市水源， 汾河二库主要供给农业和生态用水。 引黄水从汾河水库经过输水管道进入呼延水厂。

2） 地表水厂： 太原市现状有一座地表水厂， 即呼延水厂。 水源来自黄河水源。 分两期建设。 一期工程建设规模日供水40 万m， 二期实施后供水量总计为80 万m/d。

3） 地下水厂： 枣沟水厂位于太原市城东高地北部枣沟村， 集产供水为一体， 日均产水量12 万m。西张水厂位于汾河以西的西张村附近， 日均产水量10万m。 三给水厂位于河西三给村， 日供水量为12 万m。 新城水厂位于尖草坪区北固碾村， 日均供水量14万m。 向阳水厂位于尖草坪区向阳镇， 日供水量约2万m。 胜利水厂位于胜利桥东大同路南端， 日供水量12 万m。

4） 周边水厂： 清徐县现状由太原供水集团供给清徐县生活用水， 一部分大企业通过清泉湖和清泉西湖解决用水。

阳曲县现状除中心城区、 泥屯镇、 东黄水镇、 大盂镇以外， 均未实现公共供水。 中心城区已建赵庄水厂、 阳曲第一、 第二水厂， 水源均为地下水， 但总供水规模为1.5 万m/d。 泥屯镇水源为地下水， 供水规模144m/d。

2.3 规划情况

新规划《太原都市区规划（2016—2035 年）》 将都市区定位为国家新型产业基地和能源科技创新中心， 国家资源型经济转型与绿色发展示范区， 具有国际影响力的文化旅游都市， 努力建设成为国家区域中心城市。 将太原都市区建设成为引领山西振兴崛起的动力引擎， 宜居宜业、 幸福和谐的美好家园， 魅力独特的文化都会， 山青水绿天蓝气爽的生态都市。 太原都市区总人口规模为： 2020 年590 万人， 2035 年770万人， 远景控制在850 万人。 其中， 城镇人口规模为： 2020 年560 万人， 2035 年746 万人。 研究城市重大场站布局及骨架布局显得尤为重要。

3 通过研究相关国内外案例， 提出的重大场站经济服务范围及规模

供水场站和骨干网架布局主要是依照水源、 水厂的合理配置， 将不同地区的水厂、 管网进行统筹规划， 形成大的、 多层次的供水网络， 从而提高供水水质， 增强供水安全性。 有关此方面， 国内外主要围绕水资源优化配置、 供水模式、 供水管网等几个方面从经济角度对区域供水进行了研究。

3.1 相关区域供水规划研究

在国外， 从上个世纪四十年代开始， 巴黎统一供水系统服务包阔14 个地方城区， 人口400 万。 洛杉矶范围为1200km， 服务人口为320 万， 饮用水源来自内华达山区； 华盛顿北方水厂的供水范围为2849km，同时供水两个水源。

3.2 供水场站的服务范围和规模经济方面

根据国内外相关研究， 供水场站的供水范围和规模经济方面有以下结论。

水厂规模的确定主要取决于两个因素， 供水区域的需水量和供水的单位成本。 在供水系统当中， 规模经济的效应十分明显， 即增加规模可使得单位成本降低； 随着规模的减少， 单位成本会增加。 美国学者得出供水工程规模经济规律， 当设计规模小于7.6 万m时， 单位水处理成本随着规模的增加， 下降迅速变化显著。 当大于15.2 万m时， 单位水处理成本虽有所下降， 但变化缓慢。 也就是说随着供水规模增加， 处理成本变化率减小。 整个供水系统的总成本当处理规模大于19 万m， 系统总成本变化非常缓慢， 即当水厂超过19 万m是经济的。

给水的输配水工程的投资也存在规模效应。 输配水工程的投资与供水范围、 地形等情况有关系， 超出了一定范围输配水管网距离增加会导致费用的增加。有关研究得出配水工程成本与输水距离之间的关系，供水距离为8 ～10km最为经济。

根据以上分析， 从经济投资上来看， 水厂的规模控制在20 万m以上， 供水半径在8 ～10km最为经济。

3.3 小结

从以上案例中得到如下启示： 1） 注重安全供水保障： 通过多水源联合供水、 配水分区多方向受水等措施， 提高供水可靠性； 2） 注重节约运行成本： 通过供水重力输水、 降低管网长距离输水的运行压力，减少了漏水和爆管的几率； 3） 注重多水源供水： 供水管网可适当的连成一片， 形成多水源供水的区域供水系统， 将城乡供水统一规划建设， 同时利用多水源保障应急供水； 4） 注重供水成本： 区域供水模式的制水费用相对较低， 供水厂规模越大， 制水成本越低。

4 落实以水定城的国家治水战略， 对水资源进行配置及平衡

4.1 水资源配置原则

1） 用足黄河水， 能用尽用再生水， 压采涵养地下水； 2） 保证居民生活、 生态、 生产用水量； 3） 农业生产用水以使用本地地表水资源为主； 4） 城乡居民生活用水使用地下水、 黄河处理水为主； 5） 提升生态用水量， 以当地地表水和再生水为主。

4.2 水资源量

根据《山西省人民政府关于印发山西省水资源全域化配置方案的通知》， 到2030 年， 太原市用水红线为10.47 亿m， 其中， 地表水的可利用量为3.7 亿m， 地下水可开采量为1.37 亿m， 黄河水可利用量为5.4 亿m。

经多种方法计算， 太原市区城镇建设用地内新鲜水需求量为249.88 万m/d， 新鲜水水资源的需求量为8.29 亿m。 通过实施中部引黄和滹沱河饮水可以满足要求。

4.3 新鲜水水资源平衡

经多种方法计算， 太原市区城镇建设用地内新鲜水需求量为249.88 万m/d， 对新鲜水水资源的需求量为8.29 亿m。 通过实施中部引黄和滹沱河饮水可以满足要求。

5 通过分析现状存在问题， 为下一步改造及规划布局提供依据

5.1 水厂位置分析

水厂分布都在城市的北侧， 各水厂距城市最远供水点距离43 ～60km， 对于一个重点防御城市， 不利于供水的安全。

5.2 从水厂的规模分析

从各水厂的供水规模可以看出， 呼延水厂一厂规模独大， 结合未来对地下水“关井压采” 的力度进一步加大， 地表水厂的供水未来将占到供水总量的60%左右。 一旦呼延水厂有事故发生， 将极大的影响城市的正常运行。

5.3 从水厂供水的能耗分析

由于太原市两山夹一河的地形条件， 东西北高地用水都需要加压供水， 甚至是多级加压供水， 这是供水耗能的主要原因， 所以说供水系统和场站布置应该将节能降耗作为一个重要的因素。

5.4 骨架管网分析

万家寨引黄工程经五级泵站， 扬程636m， 经涵洞和汾河输送至呼延水厂， 目前正在进行向阳曲大盂施工， 晋阳湖至清徐段已经施工完毕， 其综改区支线正在施工。

由于太原市所有水源都在城市北部， 随着城市发展， 太晋同城化进程的不断推进， 供水量日益增大，对于一个重点防御城市， 单线型线路存在安全隐患。

6 结合太原市实际情况研究布局供水场站和骨干网架

6.1 供水分区的划分

1） 供水范围的划分考虑因素： 供水范围的划分要考虑的因素包括以下几个方面： 一是现状地形情况； 二是现状给水设施情况； 三是供水场站的规模和供水范围的合理性； 四是有助于保持各分区的有机联系， 确保每个区域都可以互联互供。

2） 供水区域区位和用水特征： 根据供水区域的区位和行政区划， 结合各片区的需水情况， 如第五章描述。 可将供水区域分为中心城区、 东山片区、 西山片区、 阳曲片区、 泥屯片区、 清徐片区和潇河片区七大片区。

3） 地形特征： 太原市地处晋中盆地， 东、 西、北三面环山， 中、 南部为河谷平原， 整个地形北高南低呈簸箕形， 东西横距约144km， 南北纵约107km。东西山之间是太原盆地， 海拔在800m左右， 地势平坦， 土壤肥沃， 灌溉方便。 根据现状设施情况， 可以分为水厂直接供应区和二次加压区， 现状水厂直供范围在地面标高800m以下， 地面标高800m以上区域为二次加压区。

清徐县位于山西省中部， 太原市南端。 境内地势西北高、 东南低。 西北山区的庙前山为全县最高点，海拔1865m； 南部边境柳杜乡常丰村一带为全境最低洼处， 海拔753m。

阳曲县地处忻定与晋中盆地之脊梁地带。 东西宽82km， 南北长54km。 总的地势为全境东、 西、 北三面较高， 南面低平。 东西两端为石山区和土石山区，中部为盆地。 海拔位于800 ～2000m之间， 中部平川海拔800 ～900m。

6.2 太原市供水分区的划分和场站布局

研究区域主要形成“15 点”、 “七片” 的供水格局， 包括现有的7 座地下水水厂， 和外源水8 座水厂（包括呼延、 西山、 东山、 大盂、 泥屯、 清徐、 城南、潇河水厂） 的高水高供、 分区保障的供水格局； “七片” 是指按照地理位置、 供水结构以及管网布置形式， 市区范围共形成7 个供水片区： 阳曲、 泥屯、 中心城区、 东山、 西山、 潇河产业园区、 清徐。

6.3 各供水场站分区的场站布局研究

1） 城六区中部供水区域： 城六区直供地区地面标高基本在800m左右， 大致范围是北中环街以南，西中环街以东， 东中环街以西范围， 该范围内可以实现直供。 城六区北部片区地面标高主要在800m以上，北至城市规划区北界线， 南到北中环街。 所以从呼延水厂引输水管线服务不锈钢园区和军民融合片区。

2） 城六区东西山地区： 东西山地区地面标高基本在800m以上， 800 ～900m范围之间的用水用户比较集中， 本研究认为东西山两座水厂应该选址在地面高程900m以上， 这样可以满足东西山地区大部分用户的供水。 地面高程900m以上地区根据用户需要建设加压站。

6.4 各供水场站规模确定及水源

场站规模： 各场站供水规模确定要满足各区域的水量需求， 并且留有未来发展的余地， 在未来发展方向如阳曲、 清徐、 城南、 山西综改区等片区， 其供水场站的规模要适当扩大。 按照上述分区， 各分区用水量如表1 所示。

表1 各分区用水量统计表

6.5 骨干网架构建

为了供水的安全性， 将太原市原先的单源供水优化为多源供水。 在引入万家寨引黄工程的基础上， 从岚县引入中部引黄工程水源， 同时从滹沱河引优质地下水入并， 为远期分质供水做准备， 建立地下、 地表多水源安全供水骨架布局。

1） 中部引黄输水管线： 按照《山西省水资源全域化配置方案》， 未来将建设中部引黄保德—兴县—岚县—岚河供水支线， 向太原市都市区年供水2.4 亿m。 建议该水厂输水管线经由西山水厂输水管道隧道引入太原市区引黄原水网架， 在城市西外环高速、 南外环高速布置环状管网， 为规划清徐、 潇河、 城南水厂供水。

2） 滹沱河水骨干网架构建： 根据《滹沱河太原水质提升调水工程可行性研究报告》， 滹沱河优质地下水经泥屯进入太原市区， 在泥屯新建138 万m储水池， 经北高速环至东高速环东山配水厂， 服务东山地区， 管径DN1800， 继续往南进入城南水厂， 结合高速环的建设改造在东环高速和北环高速设置滹沱河输水管。

滹沱河水引入东山水厂和城南水厂后， 经处理后与城市其他水厂联合为我市供水。

3） 西山水厂的输水管线构建： 综合前文所述，引黄南干线未分配水量为0.81 亿m/年， 西山水厂设计供水量为20 万m/d， 西山水厂水源来自引黄南干线。 引黄南干线古交扫石口站水头为965m以上， 可以满足重力流引入西山水厂， 根据建设需要， 需新建隧道14km。

4） 北部供水输水管线构建： 北部军民融合区域和不锈钢工业园区供水亟需解决， 同时呼延水厂出水管线为DN2200， 而进入市区后， 管径骤减变为DN1600， 而没有集中出流量， 只能用调流阀来调整出流量， 所以本研究认为在呼延水厂DN2200 输水管后，调流阀之前引出DN1600 输水管线， 沿康西路向北至新兰路后， 东侧敷设DN800 输水管线延伸至中北大学板块， 西侧敷设DN1400 输水管线延伸至阳兴大道，与不锈钢园区供水管线连接， 既实现了多余流量的有效利用， 也解决了北部工业区的供水问题。

7 结语

重要场站主要形成“15 点”、 “七片” 的供水格局， 包括现有的7 座地下水水厂， 和外源水8 座水厂（包括呼延、 西山、 东山、 大盂、 泥屯、 清徐、 城南、潇河水厂） 的高水高供、 分区保障的供水格局； “七片” 是指按照地理位置、 供水结构以及管网布置形式， 市区范围共形成7 个供水片区： 阳曲、 泥屯、 中心城区、 东山、 西山、 潇河产业园区、 清徐。 引黄水骨架管网形成双源双网、 滹沱河水与地下书形成双源一网、 处理水形成互联互供的经济、 安全供水格局。