学术前沿 |【ESE】人口流动如何成为污水处理减碳杠杆？深圳1.7亿条人口热力记录揭示运行优化路径

前沿视野，学术共享

本期为您转载自卓越期刊Environmental Science and Ecotechnology（ESE）的研究成果。该刊是由中国环境科学学会、哈尔滨工业大学、中国环境科学研究院联合主办，Elsevier 出版的开放获取国际学术期刊，位列中科院一区，最新影响因子14.3，重点刊发全球环境热点与生态技术创新。以下为精选全文，供行业参考。

论文的视频解读由NotebookLM AI智能生成，内容仅供参考，具体研究请查阅原文。

人群如潮水每日早出晚归，穿梭于不同区域乃至不同城市间；在节假日，又如候鸟跨越千里返回家乡。人的每一次流动，都在悄然重塑生活污水产生的时空格局。基于深圳超过1.7亿条人口热力记录和32万条小时进水观测，研究团队发现，传统静态人口统计和聚合式负荷率难以充分捕捉这种动态变化。将人口流动信息纳入污水处理运行管理，有望改善实际进水与固定处理能力之间的匹配，为污水处理减碳开辟一条设备改造和工艺优化之外的新路径。

「READING」

污水处理保障城市水环境安全，却也是重要的温室气体排放源。已有研究估算，污水部门约占全球温室气体排放的2%。2009—2019年，中国城市污水处理厂由1214座增至2471座，行业温室气体排放由2240万吨增至5300万吨二氧化碳当量，达到2009年的2.4倍。

降低这些排放，除了更新设备和改造工艺，还有一个容易被忽略的运行问题：污水处理能力相对固定，城市中产生污水的人口却始终在流动。

通勤、求学、就医等行为以及春节等节假日迁移，会持续改变人口实际分布，生活污水也随之转移。如果实际进水与处理能力长期错位，污水厂可能在一些时段低负荷运行，在另一些时段又满负荷乃至超负荷运行，进而影响能源和药剂利用效率。

研究人员据此提出：如果更及时地知道“人在哪里”，能否帮助污水厂更合理地决定“怎么运行”？

平均负荷率可能掩盖真实的时空错配

污水处理厂通常以负荷率（load rate）衡量实际处理水量与设计处理能力之间的关系。但在城市尺度，如果一部分污水厂低负荷运行，另一部分已经接近满负荷，将全市进水量和总设计能力直接相除，仍可能得到一个看似理想的平均值。

研究团队因此提出处理–进水动态均衡指数（Treatment and Inflow Dynamic Equilibrium, TIDE），综合考量研究区域内各污水厂、各小时的设计处理能力与实际进水水量的偏差，并纳入不同污水厂的规模差异，以量化评估区域污水系统的整体匹配水平。TIDE的理论上限为1，数值越高，表示实际进水与设计处理能力在时间和空间上的匹配程度越高。

基于深圳市2023年实际运营数据分析发现，传统负荷率平均比TIDE高10.8%，最大高估达到50.6%，说明聚合指标可能明显掩盖真实的动态错配。

更重要的是，频繁且剧烈流动的人口与这种匹配程度存在紧密联系。研究使用来自百度慧眼的人口热力作为人口分布的代理，基于2023年近1.7亿条热力数据进行聚合分析，发现深圳城市尺度的人口热力值与TIDE显著正相关（r=0.87，p<0.01）。

进一步利用35座污水处理厂2022年1月至2024年10月的运行数据发现，在论文设定的处理过程温室气体核算边界内，间接排放占比超过72%，其中电力使用贡献最大；较高TIDE与较低的温室气体排放强度显著相关。

随着实际进水负荷更接近设计能力，单位处理水量的电力和药剂消耗通常下降，相应的温室气体排放强度也会下降，为这一负相关关系提供了运行层面的解释。需要说明的是，该核算包括处理过程中的CH4、N2O、外加碳源氧化CO2等直接碳排放及电力和药剂使用等相关间接碳排放，不包括最终污泥处置阶段。

图1深圳人口动态、处理–进水匹配与温室气体排放之间的关系。传统负荷率会高估实际匹配水平；人口热力值与TIDE显著正相关，而较高TIDE与较低的处理过程温室气体排放强度相关。

春节离城与日常通勤，为何产生相反影响？

作为世界最大规模的年度人口迁徙，春运为观察大规模人口变化提供了特殊窗口。

研究对比春节前典型工作日和大年初一发现，深圳全市人口热力值由263901.8降至95527.8，下降63.8%。人口热力值反映相对人口活动和存在强度，并不等同于绝对人口数量。

伴随这一变化，深圳9个区域的TIDE平均下降22.5%，处理过程温室气体排放强度平均上升27.7%，最大增幅超过100%。

其原因并不是简单的“人少了更费碳”，而是对于已有较多富余处理能力的系统，大规模人口外流使生活污水量进一步偏离设计负荷，单位处理水量对应的能源和药剂消耗可能上升。

图2春节人口外流对深圳污水处理运行的影响。春节期间人口热力值显著下降，与各区域TIDE降低和处理过程温室气体排放强度升高同时出现。

跨城通勤则呈现另一种结果。研究将深圳人口分为稳定居民、日通勤者和周通勤者，通过情景分析估算，跨城通勤带来的额外人口和生活污水负荷，使深圳平均处理过程温室气体排放强度较相应反事实情景降低27.2%。

对于具有富余处理能力的污水厂，适量人口流入使进水更接近设计负荷，从而改善TIDE。但这种效应存在边界：如果高峰进水超过处理能力，TIDE仍可能下降，并增加溢流污染风险。

城市内部通勤还留下了清晰的时间信号。人口热力值最低点通常出现在04:00—05:00，而TIDE低点约出现在06:00—08:00，滞后约2小时。研究认为，这一时间差可能反映污水由产生地点经管网输送至处理厂所需的时间。

让人口动态成为污水厂的运行信号

如果人口流动能够帮助预判污水量变化，它就可以进一步成为运行决策的辅助信息。

研究提出两类策略：春节等人口大规模外流时期，可采用分级停运（gradient shutdown），随着进水减少逐步降低并联处理单元的运行数量；日常运行则可采用流量均衡（flow equalisation），在高峰期暂存部分污水、低谷期再释放，削弱流量峰谷差。

为提高调度的可预见性，研究为深圳27个污水服务区域建立长短期记忆网络（long short-term memory, LSTM）进水预测模型。加入人口热力数据后，提前1、3和7小时预测的模型性能平均分别提高1.3%、10.9%和17.9%。

以深圳龙华一期污水处理厂为例，春节期间研究估计约70%的污水产生人口离开服务区域，TIDE下降78%。分级停运策略使TIDE平均提高5.7%，与流量均衡策略结合后TIDE提升幅度达到18.2%。

进一步进行全年范围模拟时，研究仅对TIDE理论改善超过20%的60天实施调度，相当于243个无雨日的24.7%。在论文设定的优化规则下，估算的平均温室气体减排幅度为17.5%。

这一结果属于基于真实运行数据构建的理论优化情景，并非已经完成的全尺度实际运行干预。真正应用仍需逐厂验证调蓄能力、泵送条件、工艺稳定性和出水达标等约束。

图3 基于人口动态改善处理–进水匹配的运行策略。春节期间可随进水下降逐步减少运行单元，日常运行则可通过调蓄削弱峰谷波动；龙华一期污水处理厂的理论优化显示，两类策略联合应用可进一步提高TIDE并降低处理过程温室气体排放。

全国369城：TIDE更像一张运行“诊断图”

研究进一步将分析扩展到全国369座城市。这部分与深圳存在重要区别：深圳使用污水厂小时级实测进水数据，而全国尺度缺少同等精度的观测。

研究因此采用自上而下的方法，将城市年度污水处理量按照每日人口热力值分配到不同日期，再结合区域生活污水产生时序系数重建小时变化，并将每座城市视为一个“虚拟污水处理厂”计算TIDE。因此，全国TIDE属于模型估算结果，而不是369座城市小时运行数据的直接观测。

结果显示，传统负荷率在全国尺度平均高估处理–进水匹配程度15.9%。2021—2023年，全国平均TIDE由0.63小幅升至0.64；应用研究提出的运行策略后，各城市TIDE的平均理论改善幅度为22.2%。

由于缺乏全国高频工艺和排放数据，研究没有进一步换算全国可减少多少吨温室气体，而是将TIDE改善作为识别潜在运行优化机会的指标。

这说明不同城市需要不同“处方”：有些城市应重点提高现有设施运行效率，有些更适合通过人口动态调度和流量均衡改善匹配，还有一些则可能真正需要管网改造或处理能力扩容。

图4全国369个城市的TIDE优化潜力。人口的剧烈流动在胡焕庸线以东普遍存在；南方地区TIDE相对较低，而优化潜力较高。

污水处理减碳，也需要理解城市如何流动

这项研究提供了一种不同于传统设施升级的视角：污水处理厂是固定的，但服务人口并不固定。

动态人口数据有可能帮助污水处理系统更及时地理解城市真实负荷，而不是只依据常住人口和年均流量运行。

这一框架也有明确边界。人口热力图反映的是相对人口活动强度，并非绝对人口数量；工业排水、降雨、管网渗入与入流以及居民用水行为同样会改变进水量。此外，虽然核算已包含直接CH4和N2O排放，但TIDE优化可能引起的这两类排放变化尚未计入减排收益。

因此，研究并没有给出一个可直接复制到所有城市的固定减排比例，而是提出一种新的运行逻辑：

让固定的污水处理设施，更主动地响应流动的城市人口。

对于具有显著日常通勤或节假日人口流动的其他城市，这一框架也具有进一步检验的潜力，但具体减排收益仍需结合当地电力结构、人口流动模式和污水处理系统分别评估。

作者简介

第一作者｜孟一鸣，哈尔滨工业大学环境学院，博士研究生。研究方向为AI+大数据赋能城市水系统智慧管控。

通讯作者｜田禹，哈尔滨工业大学二级教授/博导，国家级高层次人才，城乡水资源与水环境全国重点实验室副主任，物联网智能技术工信部重点实验室副主任。主要研究方向为人工智能与大数据水环境智慧管控、污废水深度处理与资源化等。近年来主持国家重点研发计划等国家级项目20余项，发表SCI论文180余篇，授权国家发明专利60余项，连续三年入选“全球前2%顶尖科学家”榜单，牵头获评国家发明博览会银奖、省部级技术发明一等奖2项、技术发明二等奖1项、科技进步二等奖1项。

通讯作者｜田勇，南方科技大学副研究员/博导。主要研究方向为人工智能和大数据技术在环境科学方面的应用、GIS/RS与水环境科学的交叉应用等。主持国家自然科学基金项目、科技部重点研发计划项目子课题等国家级及地方科研项目7项。在Environmental Science and Ecotechnology、Water Resources Research、Geophysical Research Letters、Environmental Modelling & Software等国际权威期刊发表学术论文80余篇，合作出版著作1部，获得软件著作权8项。

引用信息

Meng, Y., Tian, Y., Tao, Y., Wang, S., Wang, P., Li, M., ... & Zheng, C. (2026). Human Mobility Acts as a Lever for Decarbonising Wastewater Treatment Plants. Environmental Science and Ecotechnology 33: 100756.

doi: 10.1016/j.ese.2026.100756

本文来自：ESE期刊，仅供分享交流不作商业用途，版权归原作者和原文出处。

排版：李滨妤

审核：孙丽华

由于微信修改了推送规则，没有经常点“推荐”的，会慢慢收不到推送。如果你还想看到我们发布的权威信息，请将“净水技术”加为星标，每次看完后不忘点下“推荐”和“赞”。

欢迎广大水务企业加盟合作