四類非傳統水資源開發工藝的可視化及可利用量計算

顧佳衛，解建倉，趙 津，連亞妮，李少軒，陳 晨

(西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，陜西西安710048)

21世紀人口的快速增長和城市化進程的加快帶來了許多世界范圍的水危機問題，主要表現有洪水、水資源短缺和水污染等。解決水資源短缺問題的傳統方法已經達到極限，新型水資源的開發與利用將成為水利工作的主題。除了對傳統的水資源進行開源、節流外，開發利用非傳統水資源無疑是一個解決水資源危機的重要途徑[1]。為大力推進非傳統水資源的開發利用，提高水資源配置效率和利用效益，近日發布的《水利部關于非常規水源納入水資源統一配置的指導意見》(水資源〔2017〕274號)，明確了非傳統水源納入水資源統一配置的總體要求，大力推進污水處理和中水回用，積極開展海水淡化和綜合利用，高度重視雨水、微咸水利用，將非傳統水源納入水資源統一配置有利于推進節約用水、減少污水排放、削減污染負荷，提高水的利用效率。

國內外對非傳統水資源利用的研究已經有近百年的歷史，包括英國、美國、以色列、日本和中國等國家，都在非傳統水資源的開發利用技術上進行了大量研究，取得了許多研究成果。進入21世紀以來，隨著科技發展，水處理技術的進步，使得海水淡化以及再生水的水質、產量都大大提高，生產成本逐漸降低；同樣，雨水收集技術以及灌溉技術的改進，也大大推動了雨水和微咸水的利用，目前許多國家非傳統水資源利用技術已經十分成熟。盡管非傳統水資源在區域水資源開發利用中占有越來越重要的地位，但是在具體的實施過程中仍然遇到一些阻力和困難，主要問題就在于開發工藝的管理及可利用量的確定。對于非傳統水資源可利用量的計算以及配置等方面的研究還比較缺乏，所以存在利用效率不高的問題。

本文從四類非傳統水資源的處理工藝入手，探討了區域非傳統水資源可利用量計算的新思路，在處理工藝流程中分階段對水量和水質進行控制，計算可利用量及對應水質；從信息化的角度出發，通過可視化技術和流程管理方式，對非傳統水資源的收集、處理、利用等過程進行流程化、可視化描述，將非傳統水資源開發工藝流程中的關鍵技術清楚展示，利用信息化手段實現區域非傳統水資源可利用量計算。

1 非傳統水資源開發工藝可視化研究

1.1 非傳統水資源開發工藝可視化構建基礎

非傳統水資源開發工藝可視化是基于綜合集成平臺[2]實現的，綜合集成平臺根據《中華人民共和國水利行業標準：水利信息處理平臺技術規定(SL538-2011)》的要求設計和建設。綜合集成平臺給非傳統水資源開發工藝提供了一個可視化流程構建和業務應用的環境，是實現水量水質轉化過程與工藝流程耦合的應用基礎，綜合集成平臺架構如圖1所示。

圖1 綜合集成平臺總體架構設計圖Fig.1 Integrated architecture platform overall architecture design

圖1自左向右依次分為4大層次：支撐層、資源層、信息綜合集成層、用戶層；其中關鍵部分包括知識圖集成、組件和框架服務、數據資源庫、研討資源庫、網絡等。支撐層主要以P2P技術和Gnutella網做綜合集成平臺的技術支撐。資源層主要用于存儲工藝流程可視化業務應用相關的數據、信息、工藝流程節點元素、工藝設備概化圖形、業務組件、業務流程等。信息綜合集成層主要用于支撐實現工藝流程圖的構建、業務組件網的定制等，該層還定義了基于工藝可視化的業務應用服務的訪問機制。從綜合集成平臺框架結構上可以看出，綜合集成平臺沒有設置業務應用層，因為基于該平臺的非傳統水資源業務應用都是通過綜合集成層的工藝流程圖和相關計算組件共同構建的，因此可通過綜合集成平臺實現開發工藝的可視化流程構建及業務應用。

1.2 非傳統水資源開發工藝可視化實現技術

本文基于四類非傳統水資源開發工藝流程，通過分析管線的連接方式和連接特點，應用計算機圖形技術、可視化技術、面向對象技術和數據庫技術，建立一個可視化的非傳統水資源開發利用環境，用戶在該環境中，可以直觀可視地查看不同階段非傳統水資源的收集、處理、利用情況，最終得到四類非傳統水資源的可利用量。

1.2.1非傳統水資源開發工藝的圖形化

由于非傳統水資源開發工藝結構復雜、設備繁多，本文通過分析管線的連接方式和連接特點，基于四類非傳統水資源開發工藝流程，對開發工藝流程進行設備流程抽象，通過綜合集成平臺實現了圖形化的工藝流程繪制與存儲。

1) 可視化工藝流程圖中的元素概化

可視化工藝流程圖中包含兩種元素，分別是點狀元素、線狀元素。

點狀元素指的是流程圖中的節點，主要分為兩類：一類是工藝流程中的實體設備，如水泵、閥門等，將其形狀概化，并添加至流程相應位置；另一類是在工藝流程中產生水質水量變化的過程，將其在工藝流程圖中概化為計算節點。

線狀元素指的是流程圖中的線段。線狀元素是工藝流程圖中的水流向和水量相關關系的節點間的有向線段，反映了流程中設備之間的水量流通關系。

2) 可視化工藝流程圖的描述

對工藝的流程描述主要基于圖中的點狀元素與線狀元素之間的關系。點狀元素表示工藝流程中各個設備或者水量水質的變化節點，線狀元素表示輸水管道等水量輸送路線，用線狀元素將點狀元素串聯起來，使得整個工藝流程直觀可視。

1.2.2非傳統水資源開發工藝流程圖的數據存儲

本文將非傳統水資源開發工藝流程圖概化成由節點和邊構成的有向圖，如圖2所示，圖2(a)為雨水收集利用的開發工藝流程圖，圖2(b)為抽象概化的有向圖。將開發工藝中的設備、計算節點等抽象為有向圖的節點，工藝流程中的管道抽象為有向邊。

圖2 基于開發工藝流程圖抽象的有向圖Fig.2 Abstract topology based on development process diagram

定義有向圖G中節點構成的有窮非空集合為Vertex(G)={V1,V2,…,Vn}，其中V1,V2,…,Vn表示有向圖中的n個節點，有向邊的集合為Edge(G)={{V1,V2},…,{Vm,Vn}}，其中{V1,V2}表示從V1到V2的有向邊，V1為起始點，V2為終點，于是有向圖可以理解為是由這兩個集合組合而成的，記為：

G={Vertex(G),Edge(G)}

按照此定義，圖2(b)中節點的集合為：

Vertex(Gb)={A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8}

有向邊的集合為：

Edge(Gb)={{A1,A2},{A1,A3},{A1,A4},{A2,A5},{A3,A5},{A4,A5},{A5,A7}{A5,A6},{A6,A8}}

因此，圖2(a)的開發工藝流程圖經過抽象概化后的有向圖為：Gb={Vertex(Gb),Edge(Gb)}。

本文通過鄰接表[3]進行非傳統水資源開發工藝圖的存儲，鄰接表是一個二維容器，第一維描述某個點，第二維描述這個點所對應的邊集們，由于鄰接表是圖的一種鏈式存儲結構，需要對圖中的每個頂點建立一個單鏈表，這樣就可以通過遍歷每個頂點的鏈表，從而得到該頂點所有的有向邊，圖2(a)的鄰接表如圖3所示。

圖3 有向圖存儲結構示例Fig.3 Directed graph storage structure example

1.3 非傳統水資源開發工藝可視化實現

非傳統水資源開發過程主要可以概括為四類內容，即取水、出水、排水以及工藝流程。非傳統水資源的取水過程、出水過程以及排水過程相對簡單，主要考慮其水質和水量。每類非傳統水資源的開發原理以及核心工藝都存在巨大差異，需要通過信息技術對其進行可視化，從而使得整個開發過程中的關鍵信息直觀可見。

1) 海水淡化

目前海水淡化工藝主要有低溫多效、多級閃蒸以及反滲透等，其中低溫多效海水淡化由于其對原料海水預處理要求不高、過程循環動力消耗小、出水水質高等特點，是目前最具發展前景的海水淡化技術之一。我國許多地區利用發電廠高溫蒸汽作為熱源，以低溫多效海水淡化技術制水，實現水電聯產，極大地降低成本節約能源。

以橫管降膜低溫多效海水淡化工藝[4]為例，其主要原理為將海水進行一定的預處理后噴淋在各個蒸發罐內的蒸發橫管上，形成液膜螺旋下流，經由管內流動的高壓蒸汽加熱后，形成水蒸氣，作為下一效熱源的同時凝結成淡化水。將各效的淡化水和濃海水分別收集，從而實現海水淡化。作為熱源的高壓蒸汽一部分在末效冷凝器內凝結后作為回爐水，一部分經閃蒸后再次作為熱源蒸汽，海水淡化工藝流程如圖4所示。

圖4 橫管降膜海水淡化工藝Fig.4 Cross-tube film desalination process

依據海水淡化的原理，工藝流程中，進料主要包括海水、高壓蒸汽，產物主要有淡化水、濃鹽水、回爐水以及低壓蒸汽。過程中主要涉及各級蒸發器中的淡化水和濃鹽水。依據整體流程以及關鍵節點，橫管降膜海水淡化可視化效果如圖5所示，以黑色線條構造出裝置輪廓及內部結構，藍色線條表示海水管道，黃色線條表示濃鹽水管道，淡藍色線條表示淡化水管道，灰色線條表示蒸汽管道，并以箭頭指示管道內流動方向。以圖形節點表示閥門、水泵等設備類型及位置，并添加其參數信息。在重要工藝節點，如蒸發器淡水收集、冷凝器水量等處設置帶文字的框型節點，使得可視化效果更為直觀。

2) 污水再生利用

常規污水處理流程如圖6所示，再生水在污水處理基礎上進行深度處理得到水質更好的再生水。從污水收集到污水處理廠后，首先經過粗、細格柵將固體污染物濾除，再經過初沉池將泥沙排出，然后通過生化反應將水體中膠體或溶解性污染物降解，最后經過二沉池并消毒后得到二級出水。在此基礎上，再生水廠經過深度處理后得到水質更好的再生水。

污水再生利用工藝[5]主要進水為污水，產物為再生水和污泥，過程中主要節點有一級出水和二級出水，對重要節點可視化后的污水再生工藝效果如圖7所示，以淡藍色線條表示污水在各個設備間的流動順序，以圖形節點表示格柵、水泵等設備的位置及作用。在產生水量水質變化的重要工藝節點，如初沉池出水、二沉池出水等處設置帶文字的框型節點。

3) 雨水利用

圖5 橫管降膜海水淡化開發工藝Fig.5 Cross-tube membrane desalination exploitation process

圖6 污水處理工藝Fig.6 Sewage treatment process

圖7 再生水工藝流程Fig.7 Reclaimed water process

圖8為城市雨水主要利用模式[6]，城市土地利用類型主要有路面、建筑用地、綠地以及水面，除了無法收集降落在水面的雨水，其他三類下墊面根據其徑流系數的不同均可以收集到不同量的雨水，設置地下集雨池將雨水收集并簡單處理后，可用作市政道路澆灑、綠化等。

圖8 雨水利用模式Fig.8 Rainwater utilization mode

雨水收集利用原理較為簡單，來水為天然降水，出水為收集處理后的雨水，過程中主要涉及三類下墊面的可收集量及棄流，對其工藝流程進行可視化，效果如圖9所示，以藍色線條串聯整個雨水收集過程，線條交叉表示雨水分流或匯集。以圖形節點表示蓄水池、棄流裝置等設備的位置及作用。在關鍵流程處設置帶文字描述的框型節點，直觀展示工藝各流程的作用。

圖9 雨水利用工藝流程Fig.9 Rainwater utilization process

4) 微咸水利用

微咸水一般是指礦化度在2～5g/L的含鹽水，我國微咸水主要用于農業灌溉，主要利用方式包括直接灌溉和咸淡混澆。微咸水可直接灌溉海水稻等耐堿作物，咸淡混澆技術是在現有深機井旁打淺機井，利用管道技術將淺層微咸水與深層淡水按一定比例送入混合水塔或者混合水池，再通過管道或者明渠輸送至田間。圖10為微咸水的主要利用方式[7]，微咸水主要存在于淺層地下，依靠降水、河道等滲透補給，利用微咸水可減少深層地下水的壓采，也利于抽咸補淡。

水源為微咸水和深層地下水，出水為混合水，微咸水可供水量由五類入滲補給量及可開采系數確定。可視化效果如圖11所示，以藍色線條表示微咸水流向，以淡藍色線條表示深層地下水流向，以圖形節點表示水泵、閥門等設備的位置及作用。

圖10 微咸水利用Fig.10 Brackish water utilization

圖11 微咸水開發工藝Fig.11 Brackish water exploitation process

2 基于工藝可視化的可利用量計算

水資源可利用量的計算是水資源綜合規劃和優化配置的一項重要前期工作，可為水資源的可持續利用提供堅實的科學依據。非傳統水資源可利用量的計算主要是依據工藝流程計算其對應水源的可利用量。本文基于工藝可視化，將可供水量計算流程化，依據流程各節點編寫計算組件，最終計算出對應可利用量。

2.1 可利用量計算組件的邏輯劃分

2.1.1再生水計算組件劃分

污水先后經過污水處理廠和再生水廠的處理后得到再生水。在該過程中涉及的水量水質變化的工藝節點主要有初沉池和二沉池。各節點具體計算方法為：

1) 初沉池出水量

Qc=Qw·nc

(1)

式中：Qc為初沉池出水量，萬m3/d；Qw為污水量，萬m3/d；nc為初沉池出水系數。

2) 二沉池出水量

Qe=Qc·ne

(2)

式中：Qe為二沉池出水量，萬m3/d；ne為二沉池出水系數。

3) 再生水出水量

Qz=Qe·nz

(3)

式中：Qz為再生水出水量，萬m3/d；nz為波形板反應沉淀池出水系數。

4) 污泥量

Qn=Qw-Qz

(4)

式中：Qn為污泥量，萬t/d。

在上述計算式中，初沉池出水系數、二沉池出水系數以及波形板反應沉淀池出水系數一般與地區污水水質、處理工藝等掛鉤，依據每個污水處理廠的經驗累積和實測數據推算。

依據計算方法劃分組件邏輯如圖12所示。

圖12 污水再生利用水量組件邏輯Fig.12 Sewage recycling water consumption calculation process

2.1.2海水計算組件劃分

以橫管降膜海水淡化為例，在其工藝過程中涉及的水質水量變化主要在蒸發器內，計算方法為：

1) 第i效蒸發器淡化水量

(5)

式中：Qdi為第i效蒸發器淡化水量，萬m3/d；Qs為取海水總量，萬m3/d；Qt為退水量，萬m3/d；ni為第i效蒸發系數，N為蒸發效數。

2) 第i效蒸發器濃鹽水量

(6)

式中：Qyi為第i效蒸發器濃鹽水量，萬m3/d。

3) 淡化水總量

(7)

式中：Qd為淡化水出水量，萬m3/d。

4) 濃鹽水總量

(8)

式中：Qy為濃鹽水出水量，萬m3/d。

在上述計算式中，蒸發系數ni與具體淡化廠的設備蒸汽溫度有關，通常由經驗累積和實測數據推算，一般在0.4左右。

依據計算方法劃分組件邏輯如圖13所示。

圖13 海水利用水量組件邏輯Fig.13 Seawater utilization calculation process

2.1.3雨水計算組件劃分

城市土地利用類型主要可分為建筑用地、道路、綠地、水面四大類。以城市雨水利用為例，雨水降至水面補充水體水量，但無法收集利用；雨水降至綠地可通過滲透補充地下水體，當雨強達到一定程度產生徑流后，可通過雨水花園工程將其收集至地下蓄水池，用于綠化；降至道路及屋頂的雨水，初期徑流由于路面及屋頂本身存在灰塵垃圾等，水質較差進行棄流，中后期雨水水質較好，收集后經簡單處理，可用于市政、消防以及居民沖廁。

通常情況下，雨水可利用量由集水面積、年均降雨量、徑流系數、季節折減系數的乘積來計算。

1) 綠地可收集雨量

Q1=qA1ψ1k

(9)

式中：Q1為綠地雨水可收集量，萬m3/d；q為區域年降雨量，mm；k為季節折減系數；A1為綠地面積，km2；ψ1為綠地徑流系數。

2) 道路可收集雨量

Q2=qA2ψ2k

(10)

式中：Q2為路面雨水可收集量，萬m3/d；A2為路面面積，km2；ψ2為路面徑流系數。

3) 屋頂可收集雨量

Q3=qA3ψ3k

(11)

式中：Q3為屋頂雨水可收集量，萬m3/d；A3為建筑面積，km2；ψ3為屋頂徑流系數。

4) 雨水可利用量

(12)

式中：QY為雨水可利用量，萬m3/d；Qi為第i類集雨面可收集雨量，萬m3/d；j為棄流系數。

在上述計算式中，雨水季節折減系數與區域氣候季節相關，本文取天津濱海新區季節折減系數為0.85。綠地徑流系數一般為0.15左右；由于城市道路一般為混凝土或者瀝青路面，所以徑流系數取0.9左右；屋頂徑流系數取0.9～1。

依據計算方法劃分組件邏輯如圖14所示。

2.1.4微咸水計算組件劃分

微咸水可供水量取決于區域地下水可開采量以及微咸水礦化度。微咸水與深層地下水混合后礦化度應當小于2 g/L。

1) 淺層地下水補給量

Qb=Qj+Qh+Qq+Qg+Qw

(13)

式中：Qb為淺層地下水補給量，萬m3/d；Qj為降雨滲透補給量，萬m3/d；Qh為河道滲透補給量，萬m3/d；Qq為渠道滲透補給量，萬m3/d；Qg為渠灌補給量，萬m3/d；Qw為井灌補給量，萬m3/d。

2) 微咸水可利用量

QW=ρ·Qb

(14)

式中：QW為微咸水可開采量，萬m3/d；Qb為淺層地下水補給量，萬m3/d；ρ為可開采系數。

在上述計算式中，可開采系數ρ根據各地區巖性、單井單位降深出水量資料及后續進行的抽水試驗分析補充資料來確定。對開采條件良好的地區(單井單位降深出水量大于20 m3/( h·m)的地區)，ρ取值范圍為0.85～0.95；對開采條件一般的地區(單井單位降深出水量為5～10 m3/( h·m)的地區)，ρ取值范圍為0.75～0.85；對開采條件較差的地區(單井單位降深出水量小于2.5 m3/(h·m)的地區)，ρ取值范圍為0.6～0.7。

依據計算方法劃分組件邏輯如圖15所示。

圖14 雨水利用水量組件邏輯Fig.14 Rainwater utilization calculation process

圖15 微咸水利用組件邏輯Fig.15 Brackish water utilization calculation process

2.2 水量計算組件與工藝可視化耦合

將水量計算組件添加至工藝圖相應節點，實現圖像與數據交互的非傳統水資源開發工藝可視化效果。以雨水利用為例，其工藝流程圖與組件耦合示例如圖16所示。

如圖所示，將各計算組件添加至流程圖相應節點，使得工藝流程圖具有了數據計算及展示功能。將區域年均降雨量、季節折減系數輸入綠地、路面以及屋面的計算組件，結合相應下墊面面積以及徑流系數可求出對應的雨水可收集量。將3個數據輸入棄流計算組件，可計算出區域雨水的總收集量，并計算棄流量以及雨水可利用量。

3 案例分析

濱海新區位于華北平原北部，地處天津市中心區的東面，瀕臨渤海。陸域面積2 270 km2，海域面積3 000 km2，海岸線153 km，主要包括塘沽、漢沽、大港三個行政區。該區屬暖溫帶大陸性季風氣候，全年降水量為500～700 mm，年平均蒸發量為1 909.6 mm。

濱海新區內共有5座海水淡化廠，分別是北疆電廠、泰達海水淡化工程、臨港海水淡化廠、大港新泉以及大港電廠，其中大港電廠也利用海水作為鍋爐冷卻水。區內主要有4座再生水廠，分別是泰達新水源、開發西區再生水廠、北塘中水廠以及港東污水處理廠。雨水利用方面有濱河公園雨水利用工程，在靠近津南區附近也有微咸水利用。

圖17為濱海新區非傳統水資源可利用量計算主界面。在主界面中點擊各個水源所在位置，可查看其對應的開發工藝圖。圖18為部分非傳統水資源開發工藝圖。

圖16 工藝流程圖與組件耦合示例Fig.16 Process flow chart and component coupling example

圖17 系統主界面Fig.17 System main interface

圖18 工藝流程界面Fig.18 Process interface

圖19 北疆電廠海水淡化信息Fig.19 Beijiang Power Plant desalination information

在工藝流程圖中，點擊各節點可查看相應位置的水質水量信息。以北疆電廠海水淡化項目為例，其使用的是橫管降膜低溫多效海水淡化裝置，如圖19所示，可直觀看出橫管降膜海水淡化工藝流程及原理，點擊各個流程可查看相應位置處出水的水質及水量信息，當來水信息及運行工況改變時，其數據也相應改變。通過對工藝中水質水量的可視化，使得非傳統水資源開發利用便于管理。

在主界面點擊可利用量統計表節點，可查看區域內各個非傳統水源統計信息(如圖20所示)，點擊可利用量統計圖界面，可查看濱海新區下轄三個分區——漢沽區、塘沽區以及大港區的四類非傳統水資源可利用量統計信息，并以柱狀圖形式直觀展現，如圖21所示。

圖20 濱海新區非傳統水源統計表Fig.20 Unconventional water source statistics from Binhai Area

圖21 濱海新區非傳統水資源可利用量計算柱狀圖Fig.21 Histogram of unconventional water resources availability calculation in Binhai Area

4 結論與展望

4.1 結 論

本文以知識可視化集成平臺為基礎，通過將非傳統水資源工藝流程圖形化，并將流程圖抽象為有向圖再以鄰接表的形式儲存；依據各個工藝中的流程節點，研究對應的水質水量計算方法，并編寫組件添加在工藝流程圖的相應位置，實現開發工藝的可視化、流程化管理，將各水源的水質、水量及工藝直觀展示。以濱海新區為例，開發非傳統水資源工藝可視化及可利用量計算系統，實現區域非傳統水源的流程化管理以及可利用量計算。

4.2 展 望

在已有可利用量計算的基礎上，后期可在系統中加入需水量計算、供需平衡分析計算以及分質優化配置等功能，并將非傳統水資源納入整個區域中，與地表水、地下水以及外調水聯合配置，實現區域水資源全面優化配置，從而緩解區域缺水矛盾。