第一节　工业需水量的计算与预测

“水是工业的血液”，现代工业生产尤其需要大量的水。工业用水一般是指工、矿企业在生产过程中，用于制造、加工、冷却、空调、净化、洗涤等方面的用水。工业用水是城镇用水的重要组成部分。在整个城镇用水中，工业用水不仅所占比重大，而且增长速度快，用水集中；工业生产排放的工业废水，是水体污染的主要污染源，城市水资源紧张主要是工业用水问题所造成。工业用水量的大小受工业发展的规模及速度、工业的结构、工业生产的水平、节约用水的程度、用水管理水平、供水条件和水资源条件等多种因素影响，用水因部门而异，而且与生产工艺、气候条件等有关。

一、工业用水分类

由表2－3可见，现代工业分类复杂、产品繁多。工业用水系统庞大，用水环节多，而且对供水水流、水压、水质等有不同的要求，为满足水利工程调节计算需求，可按下述4种方法分类。

1.按工业用水在生产中所起作用分类

（1）冷却用水。

指在工业生产过程中，用于带走生产设备的多余热量，以保证进行正常生产的用水。

（2）空调用水。

指通过空调设备来调节室内温度、湿度、空气洁度和气流速度的用水。

（3）产品用水（或工艺用水）。

指在生产过程中与原料或产品掺混在一起，有的成为产品的组成部分，有的则为介质存在于生产过程中的用水。

（4）其他用水。

包括清洗场地用水，厂内绿化用水和职工生活用水。

2.按工业组成的行业分类

在工业系统内部，各行业之间用水情况差异很大，我国历年的工业统计资料均按行业划分统计。因此按行业分类有利于用水调查、分析和计算。行业分类见表2－3。

3.按工业用水过程分类

（1）总用水。

工矿企业在生产过程中所需用水的全部水量。总用水量包括空调、冷却、工艺、洗涤和其他用水。在一定设备条件和生产工艺水平下，总用水量基本是一个定值，可以通过测试计算确定。

（2）取用水。

又称补充水，工矿企业取用不同水源（河水、地下水、自来水或海水）的总取水量。

（3）排放水。

经过工矿企业使用后，向外排放的水。

（4）耗用水。

工矿企业生产过程中耗用掉的水量，包括蒸发、渗漏、工艺消耗和生活消耗的水量。

（5）重复用水。

在工业生产过程中，二次以上的用水，称之重复用水，重复用水量包括循环用水量和二次以上的用水量。

4.按水源分类

（1）河水。

工矿企业直接从河内取水，或由专供河水的水厂供水。一般水质达不到饮用水标准，可作工业生产用水。

（2）地下水。

工矿企业在厂区或邻近地区自备设施提取地下水，供生产或生活用水。在我国北方城市，工业用水中取用地下水占有相当大的比重。

（3）自来水。

自来水厂供给的水源，水质较好，符合饮用水标准。

（4）海水。

沿海城市将海水作为工业用水的水源。有的将海水直接用于冷却设备；有的海水淡化处理后再用于生产，随着海水淡化技术的进步，海水淡化成本显著降低，海水利用前景广阔。

（5）中水。

城市排出废污水经处理后再利用的水。

二、工业用水量的计算

由于过去长期对用水管理不够重视，用水资料不全，给水资源规划和工程设计的需水量计算与预测带来很大困难。因此，在必要的时候，开展工业用水调查是获得用水资料的重要手段，且是研究城市工业用水极其重要的一项工作。工业用水调查不仅提供了解工业用水的一般情况，更重要的是通过调查了解研究区域工业用水的水平，明确工业用水的节水潜力，为正确确定工程需水量提供保证。本课程不涉及繁琐的工业用水调查过程，而侧重于调查数据的分析计算。

1.工业用水水平衡

一个地区，一个工厂，乃至一个车间的每台用水设备，在用水过程中水量收支保持平衡。即：一个用水单元的总用水量，与消耗水量、排出水量和重复利用水量相平衡。

式中：Q总为总用水量，在设备和工艺流程不变时，为一定值；Q耗为消耗水量；Q排为排水量；Q重为重复用水量。

在水利工程水利计算中，对于工业用水的计算与预测，必须区分水平衡中不同水量的含义，式（3－1）中的总用水量与通常所说的用水量含义上有所不同，通常所说的用水量指取用水量（或称补充水量），取用水量是城镇供水工程水利计算的基础。而总用水量为补充水量和重复用水量之和。即

从式（3－2）看出，只有当Q重＝0时，总用水量才等于补充水量。当一个单元的用水过程中，若提高水的重复利用率，可使补充水量减少。由式（3－1）和式（3－2）又可得出：

Q耗在设备和工艺流程不变的情况下，其值比较稳定，一般情况下只占总用水量的2%～5%，只有在个别企业、行业中Q耗稍高些，如饮料、酿造业等，从产品中带走了一定数量的水量。

2.工业用水水平衡量指标

一般通过以下指标衡量一个地区的用水水平。

（1）重复利用率η。

重复利用率为重复用水量在总用水量中所占的百分比数。

（2）排水率P。

排水率为排水量在总用水量中所占有的百分比数。

（3）耗水率r。

耗水率为耗水量在总用水量中所占的百分比数。

上述三个指标是考核工业用水水平和水平衡计算的重要指标，也是地区用水规划和工业用水预测的依据之一。三个指标满足如下关系：

【例3－1】　某钢厂2010年引用新水6600万m3，工业用水重复利用率85%，排水量4200万m3。若在现有设备和工艺条件下，采用闭路循环，求其重复利用率。

解：由（3－4）有

根据式（3－7）可得耗水率：

γ＝（100－85－9.55）%＝5.45%

由于耗水率相对稳定，在一定设备和工艺条件下，采用闭路循环，排水率为零，则最高重复利用率为

η＝（100－5.45）%＝94.55%

【例3－2】　某城镇2010年工业用水重复利用率为50%，工业引用水量（补充水量）为6亿m3；计划2030年将工业用水重复利用率提高到85%，工业引用水量增加到7亿m3。设城镇工业综合耗水率r＝5%。试求2010年和2030年工业排水量。

解：（1）2010年。

（2）2030年。

从计算结果看，取水量增加，排水量反而下降，说明只要加强用水管理，提高工业用水重复利用率，水环境与经济社会之间是可以协调发展的。

【例3－3】　某化工厂有三种供水水源，其中地下水用量435m3/h，河水用量81m3/h，自来水用量41m3/h，地下水直接引入用水部门，河水先引入循环池，再通过循环池供给与地下水相同的部门，自来水独成系统，各水源与用户关系见图3－1。求该化工厂重复利用率、耗水率、排水率。

解：依图3－1，该厂总用水量：Q总＝4241＋435＋41＝4717m3/h

取用水量：Q补＝435＋81＋41＝557m3/h

重复用水量：Q重＝Q总－Q补＝4717－557＝4160m3/h

排水量：Q排＝300＋30＝330m3/h

耗水量：Q耗＝Q补－Q排＝557－330＝227m3/h

三、工业用水量预测

工业用水的预测是一项非常复杂的工作，正确估算一个城市或地区的工业用水量是十分困难的，目前采用的一些方法均有特定的应用条件。

1.趋势法

用历年工业用水增长率推算未来工业用水量。预测不同水平年的需水量计算式为式中：Si为预测的某i水平年工业需水量；S0为基准年（起始年份）工业用水量；d为工业用水年平均增长率；n为从起始年份至预测某一水平年份所间隔时间，年。

【例3－4】　某工业用水部门，2010年用水量2000万m3，根据综合分析，未来10年用水量年增长率10%，求2020年该工业部门的需水量。

解：2020年该工业部门的需水量为

用趋势法进行工业需水量的预测的关键是正确确定未来用水量的年增长率。用水平均增长率的主要影响因素有用水水平和重复利用程度，确定用水增长率必须注意以下几点。

1）随着用水水平的提高，用水增长率会降低，不同发展阶段有不同的用水增长率，用水增长率具有阶段性。表3－1展现了全国用水量及主要用水指标变化情况。表中全国用水总量1980年到1993年间年平均增长率为1.28%，而1997年到2000年间中用水量的增长率只有0.4%。

2）随着重复利用程度的提高，单位用水增长率下降。表3－1中万元GDP用水量和工业用水定额均呈现“负增长”。当单位用水指标降低过多时，甚至造成总用水量的下降，图3－2为1950—1995年美国用水变化趋势图，从图中可见1980年以后美国工业用水量有所下降。

3）从历史资料中分析用水增长率，应选取工业发展稳定的阶段。

4）对于有大型高耗水性工厂建成投产造成用水量跳变的偶然因素应予以修正，消除偶然因素的影响。

5）对于遇到连续干旱缺水年份，水源缺乏，供水量衰减，迫使工业用水减少等影响应予以修正。

确定需水增长率是一项十分复杂，而且难度很高的工作。一般认为经济发展与需水量增加具有十分密切的关系。当分析确定需水增长率有困难时，可采用以下方法确定其值。

1）根据历史资料，建立GDP增长率与用水量增长率的关系，根据经济规划中的GDP增长率计划值，确定用水量的增长率d。

2）我国是一个发展中国家，可以从世界发达国家中类似地区的特定的发展阶段进行类比选择。

2.指标预测法

指标预测法将工业需水量的预测分成3步进行。

（1）建立不同工业部门万元产值取水量与产值的相关关系。

工业部门万元产值取水量与产值的相关关系的表达形式有多种，最常采用的公式：

式中：Y为万元产值（或GDP）用水量；X为工业产值（或GDP）；a、b为待定参数；log为以10为底的对数。

在利用相关关系进行工业用水量预测时，也有利用工业用水增长率和工业产值增长率建立相关关系推算工业发展用水。工业用水增长率和工业产值增长率之比，称为工业用水弹性系数。

（2）对不同水平年各行业的产值进行预测。

由经济规划部门提供，或采用趋势法预测。

（3）计算不同水平年不同工业部门的需水量。

可采用指标法计算需水量。

式中：W为工业用水量；A为预测工业产值（或GDP）。

利用式（3－9）计算工业单位用水指标（定额）需要做合理性分析，在工业用水量预测时，实际是将分析指标（定额）外延（假定用水方式和工艺不变）。表3－2和表3－3为国内外部分用水指标，可资参考。

【例3－5】　某工业行业2015年产值10亿元，万元产值用水量1000m3，2020年产值20亿元，万元产值用水量900m3，据经济发展规划，2030年，工业产值达到50亿元，求在现有用水方式下，求2030年的需水量。

解：（1）根据2015年与2020年资料建立相关关系。

解得：a＝－0.153，b＝3.153

（2）2030年的需水量。

log（Y2030）＝－0.153log50＋3.153

log（Y2030）＝2.8931

Y2030＝102.8931＝781.8m3/万元

W2030＝50×104×781.8＝3.91×108m3

3.分行业重复利用率提高法

万元产值用水量和重复利用率，是衡量工业用水水平的两个综合指标。一般来说，一个地区或一个工矿企业单位，工业结构不发生根本变化时，万元产值用水基本取决于重复利用率。随着重复利用率的不断提高，万元产值用水将不断下降。

重复利用率与万元产值用水的关系，可用水平衡式推导：

万元产值用水量为

式中：A为产值；Y为万元产值用水量。

对于同一行业，只要设备和工艺流程不变，生产相应数量的产品，所需的总用水量不变。所以，当两个不同时期，重复利用率分别为η1和η2时，有

式中：Q总为总用水量；Q1补，Y1分别为某一时间补充水量和万元产值用水量；Q2补，Y2分别为另一时间的补充水量和万元产值用水量。

一个行业，如果已知现状用水重复利用率和万元产值用水，根据该地水源条件，工业用水的水平，如能提出将来可达到的重复利用率，便可利用式（3－11）求出将来的万元产值用水量，从而比较准确的推求将来的工业用水量。

【例3－6】　某工业部门，2010年产值为18.62亿元，用水量12930万m3，重复利用率76.28%，据节水规划2020年重复利用率将提高到85%，据经济发展规划，2020年产值为25.3亿元，求2020年的需水量。

解：2010年万元产值用水量：

本例显示，当重复利用率提高时，产值增加，用水量不一定增加，图3－3与图3－4反映了全国的平均情况。

4.分块预测法

分块预测法就是将一个城市（或地区）的工业分成几大块，分别用不同的方法预测将来的需水量。用分块预测一般有以下3种情况。

（1）原有工业基础十分薄弱，要大规模发展工业的城市或行业。

有的城市现有工业较少，今后要发展成为一个工业城市。这种情况下，工业用水和产值就很难说按某一速度增加，需水和产值之关系也不受现状关系的影响。要预测这种城市的工业用水量，用趋势法、指标法和重复利用率提高法都有困难，只能用分块预测法。将整个工业用水分成两大部分，一部分是原有基础上发展的工业用水，可按前面讲的3种方法预测；另一部分是各时期新建起来的工业，根据计划新建工厂规模、建成的时间，按设计用水量计算。

（2）电力工业和其他一般工业分块预测。

火电厂用水比较大，与其他一般工业相比，万元产值用水大很多。如果火电厂是直流冷却用水，每万元产值需用水达2万～3万m3，即使是循环冷却用水，重复利用率达到95%，每万元产值仍需用水超1000万m3。比一般工业万元产值用水高好几倍。要是将火电厂用水和一般工业用水放在一起预测，就会因火电厂发展规模、速度影响整个工业用水量。此外火电厂用水性质和一般工业也不同，一般工业用过的水均有不同程度的污染，不作污水处理难以作为水源再利用，而火电厂用过的水基本上没有污染，其他工业和城市部门仍可利用。对于一个地区来说火电厂总用水量大，而耗水量小。所以应将火电厂用水量和一般工业用水量分别预测。一般工业用水按前面讲的3种方法预测，火电厂用水可参照有关用水指标进行计算。表3－4为2000年发达国家和中国单机容量不小于30万kW的不同类型冷却电厂单位取水量对照表，从表中可以看出我国的同类型取水量与国际水平相差较大。

（3）特殊工业用水预测。

有的城市（或地区）是以某一种采矿工业和能源工业为主，其用水量与一般工业发展用水，可选用前面三种方法之一进行预测；另一部分就是煤炭能源工业，或采矿冶金工业发展用水，应根据计划发展的规模计算需水量。

四、工业用水过程计算

在调节计算中，不仅需要知道各水平年的年需水总量，还应了解不同水平年的工业用水量的年内分配过程。常用分配系数法确定工业用水的年内分配过程，分配系数的确定最好根据历史资料采用分区分行业的实际用水年内分配系数，在不具备资料条件时，可采用自来水厂的供水系数。

式中：Wt为第t时段的需水量；W为某水平年的年需水总量；αt为某水平年第t时段的需水分配系数。m为时段数，以月或旬为时段，时段数不同。

工业需水预测是一个十分复杂的工作，模型应用的关键在于确定未来水平年的用水指标与增长趋势规律。正确确定诸如万元产值取水量，必须进行纵向（时间变化）和横向（与相似类地区、相似历史阶段）比较方能确定，在这一过程中，人的智慧占绝对主导地位，模型只能起辅助分析作用。