西北典型缺水地區非常規水源綜合利用與統一配置
——以鄂爾多斯市為例

劉爭勝,彭少明,崔長勇,鄭小康

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南鄭州 450003)

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西北典型缺水地區非常規水源綜合利用與統一配置
——以鄂爾多斯市為例

劉爭勝,彭少明,崔長勇,鄭小康

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南鄭州 450003)

以鄂爾多斯市為典型地區,針對區域礦產資源豐富、水資源貧乏、生態環境脆弱、水資源供需矛盾突出的問題,在各種非常規水資源可利用量分析的基礎上,研究非常規水源利用技術,提出多種水源統一配置、聯合調度的方案。結果表明,鄂爾多斯市常規水資源(地表水及地下水)有限,通過實施污水處理再生水、利用煤炭礦井水、淡化處理微咸水(礦化度2～5g/L)、開采巖溶水、潛流以及雨水利用等各種非常規水源的綜合利用,2020年各種非常規水源利用量可達到3.310億m3,可有效增加區域可供水量,緩解區域供需矛盾,支撐經濟社會持續發展。研究提出的非常規水源利用策略對于我國西北缺水地區具有借鑒意義。

缺水地區;非常規水源;統一配置;調劑;鄂爾多斯市

鄂爾多斯市能源礦產資源十分豐富,擁有各類礦藏50多種,含煤面積約占全市面積的70%,目前煤炭已探明儲量1496億t,約占全國的1/6,是中國產煤第一地級市。天然氣探明儲量約占全國的1/3。豐富的煤炭、天然氣等資源為鄂爾多斯市發展能源和化工產業開辟了廣闊的資源空間,依托豐富的能源礦產資源,鄂爾多斯市成為內蒙古自治區乃至我國西部經濟最為活躍的地區。然而鄂爾多斯市氣候干旱,年均降水量僅265mm,多年平均地表水資源量11.80億m3,水資源總量為28.47億m3,水資源貧乏,單位面積地表水資源量不足全國平均水平的1/15,為黃河流域平均水平的1/5。伴隨著區域經濟快速發展以及工業化、城鎮化進程加快,經濟社會發展與水資源利用及保護之間出現了嚴重的不協調,并成為制約經濟社會發展的關鍵瓶頸要素。

長期以來,鄂爾多斯市水資源開發一直是以地表水和地下水等常規的水源為主,非常規水源利用量極為有限。2010年鄂爾多斯市供水總量19.46億m3,其中地表水供水量7.85億m3,占總供水量的40.3%;地下水供水量10.87億m3,占總供水量的55.9%;非常規水源供水量0.74億m3,僅占3.8%。在國家能源需求的拉動下,未來區域需水量快速增長,預測到2030年鄂爾多斯市需水量將達到28.09億m3,水資源供水矛盾十分突出。鄂爾多斯市近30年各種供水量見表1。

表1 鄂爾多斯市近30年各種水源供水量 億m3

1 非常規水資源評價

鄂爾多斯市境內主要的非常規水資源包括:再生水、煤炭礦井水、礦化度2～5 g/L的微咸水、巖溶水、潛流以及雨水等。這些非常規水源的特點是經過開采、處理后可以利用,在一定程度上替代常規水資源[1]。經評價,鄂爾多斯市非常規水資源可利用總量3.50億m3,合理高效利用對于緩解區域水資源短缺具有十分重要的意義。

1.1 再生水

城鎮污水深度處理除去懸浮物、有機物、氮、磷、微生物等,深度處理可采用活性炭吸附、臭氧活性炭、生物脫氮、離子交換、生物過濾、膜分離等技術。城鎮污水再利用系統的構成包括:水源收集與輸送、處理消毒、再生水輸配、再生水利用等環節[2]。針對鄂爾多斯市城鎮廢污水情況,采用膜分離技術,工藝流程見圖1。

圖1 膜分離工藝再生水生產工藝流程

預測2020年鄂爾多斯市污水產生量1.64億m3,通過完善污水管網建設,通過加強回收處理再利用,實現污水處理回用率達到58%,再生水利用量0.88億m3;2030年城鎮再生水利用量達到1.12億m3。根據工業項目、生態環境對水量、水質需求以及范圍要求,落實再生水的數量和用途,考慮對污水處理再利用需要新建的供水管路和管網設施實行分質供水,以滿足特殊用戶對水質的目標要求。

1.2 礦井疏干水

鄂爾多斯市煤炭資源豐富,煤炭開采產生的礦井水經混凝沉淀后,濁度、色度、氟化物、硬度大大降低,另外Pe、Mn、SO42-礦化度也得到部分去除,可滿足洗選煤用水、工業冷卻水和城市綠化等用水要求。

鄂爾多斯市境內當前的產煤區包括東勝、準格爾、桌子山和上海廟四大煤田,主要形成于石炭三疊紀和侏羅紀雙紀復合煤田,石炭二疊紀煤系主要分布于東部準格爾旗—烏蘭格爾、西部棋盤井一帶。煤田構造簡單,煤層賦存穩定,地層傾角2°～5°,很少有斷層、褶曲,瓦斯含量少,水文地質條件簡單。據統計,鄂爾多斯市2010年煤炭產量3.8億t,煤炭開采產生的礦井水量3 970.5萬m3,礦井水就近利用量1638萬m3,利用率41%。根據《鄂爾多斯市煤炭產業總體規劃》,預測鄂爾多斯市2020年和2030年煤炭開采量將分別達到7.0億t和8.0億t,采用富水系數法計算礦井出水量將分別達到0.93億m3和1.06億m3。對煤炭礦井水利用采取統一研究、統一分配、統一管理的策略,提高煤炭礦井水的處理和利用率,到2020年鄂爾多斯市礦井水利用量可達到0.49億m3,2030年達到0.71億m3,煤炭礦井水利用率達到67%。

1.3 微咸水

微咸水指礦化度為2～5 g/L的淺層地下水以及鹽湖地表水。微咸水經脫鹵去鹽后可用于工業項目發展,淡化處理是微咸水資源化利用的重要途徑,國內常用的技術有蒸餾法、電滲析法、反滲透法、冷凍法、超濾法等。隨著微咸水淡化技術的成熟和淡化成本的降低,微咸水的利用空間將更加廣闊,微咸水淡化技術已經成為微咸水分布區解決居民生活用水和工業用水的新途徑。

據《鄂爾多斯市水資源評價報告》評價,鄂爾多斯市多年平均可以更新的地下水微咸水(礦化度2～5 g/L)資源量為0.60億m3,主要分布在杭錦旗、達拉特旗和鄂托克旗。地表微咸水主要分布在鄂爾多斯市杭錦旗的鹽海子以及烏審旗的浩通查干淖爾均為地表咸水湖。考慮微咸水的采補平衡,2020年和2030年微咸水利用量為0.45億m3,其中地下微咸水利用達到0.36億m3。

1.4 巖溶水

巖溶水是指賦存于可溶性巖層的溶蝕裂隙和洞穴中的水,主要分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水、層狀基巖裂隙水和基巖裂隙水及巖溶水,其中松散巖類孔隙水又分為沖洪積潛水及承壓水和沖湖積潛水,其分布一般很不均勻。巖溶水歷來是巖溶地區的主要供水水源。巖溶水的富水性是由地質構造、裂隙及巖溶發育程度決定。

據《鄂爾多斯市地下水資源評價報告》,鄂爾多斯市巖溶水主要分布于準格爾旗東部以及鄂托克旗的桌子山兩大含水系統,評價1956—2009年系列巖溶水資源量1.52億m3。通過典型地段的水文地質勘探表明,在鄂爾多斯市的鄂托克旗桌子山棋盤井一帶賦存質優量大的深埋隱伏巖溶水,準格爾旗東部黃河沿岸巖溶水豐富,水質好,便于集中開采,已建成唐公塔、陳家溝門、蘇計溝等供水水源地,可開采量為0.75億m3,為減少對地表水和地下水的影響,2020年和2030年利用0.45億m3,主要滿足城鎮生活用水。

1.5 雨水

雨水利用是指在一定范圍內,有目的地采用各種措施對雨水資源進行收集、凈化和利用。雨水利用工程包括農村雨水利用工程(指農村水窖、雨水調蓄池、濕地等)和城鎮雨水利用工程(主要是指建立包括屋面雨水集蓄系統、雨水截污與滲透系統、生態小區雨水利用系統等)。

現狀鄂爾多斯市農村雨水利用工程相對分散,主要用水對象是農業灌溉和牲畜飲用,雨水收集利用量約30萬m3。城鎮雨水利用是綜合考慮雨水徑流污染控制、城鎮防洪以及生態環境的改善等要求,收集雨水可用作噴灑路面、灌溉綠地、蓄水沖廁等城市雜用水。鄂爾多斯市多年平均降水量為265mm,但空間分布不均,東部地區降水量在300mm以上的區域降水量相對集中,具備雨水利用的條件,研究水平年將在準格爾旗、伊金霍洛旗和烏審旗實施雨水利用0.03億m3。

2 多水源的利用策略

2.1 多水源利用的策略構建

鄂爾多斯市境內地表供水嚴重不足、地下水利用占主導地位、非常規水源利用潛力較大,水資源合理利用應處理好取用黃河水、當地地表水、地下水和非常規水源供水之間的關系,在穩定外來水源供水的基礎上,充分利用當地水源供水,積極利用污水處理再利用等非常規水源。

研究水平年鄂爾多斯市供水源包括地表水、地下水、非常規水源(包括再生水、微咸水、巖溶水、雨水、礦井水)等7種水源以及深層地下水作為應急水源,供水方案包括對工程的挖潛配套、在建和研究的水源工程、污水處理再利用、其他非常規水源利用工程等。供水對象包括城鎮生活、農村生活、農業、一般工業、能源化工工業、建筑業和第三產業以及生態環境等7項用水。水源調配是一個非常復雜的系統工程,水源合理調配可提高供水效率、有效緩解水資源供需矛盾。根據研究水平年各種可能水源的特征和各項需水性質,提出鄂爾多斯市水資源調配的關系網絡(圖2)。

圖2 鄂爾多斯市水資源調配關系

鄂爾多斯市水資源調配網絡構建圍繞:生活用水對水質要求較高,以地下水為主水源,巖溶水利用和黃河引水為輔助水源;工業用水以黃河水源為主,再生水、微咸水、礦井水等非常規水源利用為輔助水源;農業用水以地下水為主水源,引黃灌區逐步轉向地下水灌溉;生態環境用水以地下水、再生水為主水源;深層地下水主要作為應急供水水源。

2.2 多水源的供水規則

按照多水源聯合調配,地表水、地下水、非常規水源的利用相互補償的原則,在水源調配中,根據各種水源特點擬定各種水源的運行秩序:

a.非常規水源優先。鄂爾多斯市可利用的非常規水源包括:再生水、礦井水、微咸水、巖溶水、雨水等。研究水平年鄂爾多斯市應優先利用非常規水源,作為工業發展的水源,非常規水源利用中宜根據各地區的非常規水資源分布情況,將再生水、礦井水和微咸水利用放在優先利用地位,既可增加經濟發展的可供水量,又可緩解環境壓力。

b.地表水利用中以黃河干流取水優先。黃河干流流經鄂爾多斯市的多年平均過境徑流量達300億m3,保證率相對較高,可作為工業發展的穩定水源,合理取用黃河水可調節鄂爾多斯市水資源的空間分布。境內黃河支流地表水利用應以水庫蓄水優先,通過增加支流調蓄工程建設,增加支流地表水供水量。合理利用內流區水系地表徑流。內流區河流主要受基流補給,徑流相對穩定,可用作工業水源,而且內流區地表水得不到有效利用也將被蒸發損耗,研究水平年在保障區域生態環境用水需求的前提下,合理利用內流區河流的地表徑流。

c.可開采的地下水利用優先。鄂爾多斯市境內的淺層地下水水質相對較好,是生活用水、農業灌溉的良好水源,可作為調節水源,除滿足生活需水外,地下水開采量可根據來水頻率對農業灌溉水進行調節。

d.特殊情況下采取應急供水。當黃河流域或鄂爾多斯市出現特殊干旱時期,在系統的缺水量達到較大程度的情況下,符合啟動應急水資源條件時,啟用應急供水預案,允許部分區域超采部分淺層地下水、少量開采深層地下水并動用區內蓄水水庫死水位以下的可利用水量等作為緊急備用水量,保障區域國計民生供水。

3 多水源的優化配置

3.1 優化配置目標

鄂爾多斯市未來水資源需求主要為滿足新增的工業生活用水需求,因此多水源優化配置的目標既要滿足凈效益的最大化,也要滿足一定的保證率要求。

a.綜合凈收益最大化,保證水資源的高效利用,即開發水源增加的供水收益與水源的總成本之差最大:

式中:TB(Q(i,j,k))、TC(Q(i,j,k))分別為水源i= 1,2,…,7增加Q供水量的總收益和總成本;j=1, 2,…,J指供水地區數;k=1,2,…,K指配水的部門。

b.調水保證率盡可能高,優化各種水源實現時空對接、達到用水保證率要求,保障水資源系統穩定:

式中:Pr為供水量滿足用水需求保證率的概率,P (Q≤Q0)為供水量Q低于需水量Q0的概率。

3.2 約束條件

在多水源供水系統的優化配置研究中,將主要斷面的生態環境需水量、維持地下水合理水位以及控制污染物入河水平作為多水源供水系統優化配置模型的約束條件,各類水源的取水量應控制不超過最大可取水能力[3]。

a.可利用量約束:河流下泄水量滿足斷面生態環境需求,維持河流的生態功能。

式中:Qin(t)、Qec(t)、Qmin(t)分別為河道內流量、河流生態環境需求的流量和低限生態環境流量。

b.地下水控制:保持地下水均衡、穩定,滿足植被要求。

式中:ELgr(t)、ELec(t)、ELmin(t)分別為地下水水位、地下水適宜的水位和地下水地下水位。

c.環境承載約束:控制主要污染物入河量低于河段納污能力。

式中:CODin(t)、CODec(t)分別為河段主要污染物入河量和水功能區能力。

d.供水能力約束:各類水的供水量低于時段的供水能力。

式中:Qs(t)、Qmax(t)分別為實際供水量和供水能力。

3.3 多水源優化調配

通過各種水源和多用戶之間的優化,提高水資源配置水平、穩定生活用水和工業用水的供水量,滿足高保證率用水量的需求,形成有利于水循環多源互補、豐枯調劑的良性格局,提升區域供水保障能力,支撐經濟發展[4]。通過合理調配水源顯著提升供水能力,2020年供水量增加到21.78億m3,2030年達到22.87億m3。研究水平年多水源供水量見表2。

從供水結構分析,研究水平年非常規水源利用量從現狀的0.74億m3增長到2030年的3.31億m3,是供水增長的主體,占總供水量的比例從現狀的3.8%提高到14.5%;地表水供水量從現狀7.85億m3增加到9.02億m3,基本達到地表水資源可利用量的上限,所占比例從現狀的40.5%增加到39.4%;地下水開采量有所減少,從現狀的10.87億m3減少到2020水平年的10.55億m3,但占總供水量比例從現狀的55.4%降低到48.0%。

3.4 水資源配置的效果

3.4.1 生活得到優質穩定水源保障

在人口增長和生活水平提高等因素推動下,鄂爾多斯市城鎮生活和農村生活的需水量不斷增長,生活需水從現狀的0.42億m3增長到2030年的1.23億m3。生活供水水源以優質的地下水、巖溶水為主,局部不具備水源條件的區域采用地表水滿足,保障生活用水,對于支撐地區城鎮化建設具有重要意義。

3.4.2 形成工業水源網絡

優化地表水源的調配。推進東勝、康巴什中心區和重要工業園區雙水源和多水源建設,積極安排與建設應急儲備水源。以黃河主要取水工程為龍頭,著手構建磴口引水、畫匠營子引黃和大草灣引水線路“縱貫南北”;以萬家寨引水、小南河、堿柜和上海廟形成地表水、地下水與礦井水、微咸水、再生水等非常規水源的“多源互補”;加強地下水合理開采和有效保護,形成“豐枯調劑”;加強水源地之間和供水系統之間的聯合調配,形成“供應保障、結構合理,穩定可靠、配置高效”,覆蓋城鄉的區域供水保障體系。提高各區域特別是城鎮和工業園區用水保證率,為特殊干旱年份的提供穩定水源,實現從“基本保障”向“安全保證”過渡。

3.4.3 形成多源供水格局

通過多水源的聯合利用、優化調配形成區域供水的保障體系,改變區域供水過度依賴地表水、地下水等常規水源的局面。通過加大污水處理力度、提高污水處理回用量可有效降低排入河湖的污染物量,逐步恢復河湖水體功能,改善河湖生態環境;對地下水開采實行了嚴格的控制,實現地下水的采補平衡;加大煤炭疏干水的收集利用率,有利于減少工業用水成本;實施雨水資源化利用,有利于發展庭院經濟。

表2 研究水平年鄂爾多斯市多水源供水量 億m3

4 結 語

鄂爾多斯市水資源貧乏,科學評價、合理調配、高效利用非常規水源對于緩解水資源供需矛盾,提升水資源承載水平具有重要意義。通過對區域水文、地質、經濟社會發展的綜合分析,提出2020年及2030年非常規水資源合理利用量分別達到2.26億m3和3.31億 m3,供水比例從現狀的 3.8% 提高到14.5%,改善了區域供水格局,為水資源可持續利用指明了方向。

[1]曲煒.我國非常規水源開發利用存在的問題及對策[J].水利經濟,2011,29(3):60-63,78.

[2]吳季松.用循環經濟理念創新水污染防治對策[J].中國水利,2003(5):14-16.

[3]劉偉.非常規水資源利用基本問題的研究[D].天津:天津大學,2004.

[4]王建華,王浩.社會水循環原理與調控[M].北京:科學出版社,2014.

TV213.9

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1003 -9511(2015)04 -0057 -05

2015 04 -16 編輯:陳玉國)

10.3880/j.issn.1003 -9511.2015.04.015

國家“十二五”科技支撐計劃(2013BAC10B02);國家國際科技合作項目(2013DFG70990)

劉爭勝(1962—)男,河北磁縣人,高級工程師,主要從事水資源綜合規劃研究。E-mail:liuzhengsheng2004@126.com