陜西省非常規水資源利用可行性及供需空間分析

張高鋒,寇嘉瑋,楊建宏,魏 瑄

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065;2.陜西省水資源與河庫調度中心, 陜西 西安 710004)

非常規水資源與傳統的地表水、地下水等常規水資源不同,主要有雨水、海水、空中水、礦井水、苦咸水等[1]。隨著水資源在經濟社會發展中剛性約束的不斷凸顯,非常規水資源利用逐漸引起人們的普遍關注。習近平總書記在關于黃河流域生態保護和高質量發展的講話中提出,堅持生態優先、綠色發展,堅持定水量水,因地制宜、分類施策,促進水資源節約集約利用。2011年中央一號文件和2012年國務院三號文件明確提出,鼓勵并積極發展中水、雨水、咸水、海水淡化和直接利用等非常規水源的開發利用。2014年,習近平總書記在中央財經領導小組第五次會議上提出了“節水優先、空間平衡、系統治理、兩手發力”的方針,對非常規水源的開發利用提出了新的更高要求,指明了發展方向。

相關研究方面,上世紀20年代初期,再生水回用技術引起各國的關注,美國、日本、新加坡等國在再生水處理技術和再生水廠規模方面逐漸走在世界前列[2],我國從1958年至“十五”期間陸續開展了一系列污水資源化利用技術與示范工作[3]。20世紀60年代起,日本的“空中花園”和地下雨水儲存池、美國的《雨水管理條例》和“低影響開發”理念、德國的雨水利用設計標準均提供了雨水利用的有益借鑒[4],我國的相關研究始于20世紀80年代到90年代,2008年鳥巢和水立方雨水回收利用系統的啟用標志著我國城市雨水利用達到了國際先進水平[5]。微咸水利用始于1593年,近代以色列、阿聯酋、美國、意大利等沿海國家國家對微咸水進行了深入研究并建設了一批微咸水淡化廠[6],上世紀50年代我國利用微咸水開展灌溉試驗[7],對微咸水淡化技術進行系統研究,目前天津大港新泉微咸水淡化工程是亞洲最大的微咸水淡化廠[8]。礦井水的研究始于上世紀40年代,德國、英國、美國、俄羅斯等國對礦井疏干水處理工藝進行了研究[9],上世紀80年代我國在大同、平頂山、徐州、淮北、陜北等礦區建設了煤礦疏干水處理凈化站[10]。

截至2020年底,陜西省再生水、雨水、微咸水、礦井水利用工程能力分別為5.24×108m3、4.01×107m3、2.53×107m3、2.78×108m3;全年非常規水資源供水量共5.77×108m3,占全省供水總量的6.37%,其中再生水、雨水、微咸水、礦井水利用工程供水量分別為3.78×108m3、1.62×108m3、2.22×107m3、1.45×107m3。生態環境用水是非常規水源第一大用戶,年非常規水利用量是第二大用戶工業利用量的4倍。陜西省作為缺水地區,特別是關中地區的咸陽、渭南、西安,地表水資源開發利用率已超過了國際公認的40%的水資源開發生態警戒線,局部地區地下水存在超采,經濟社會發展用水矛盾日益突出。但以再生水、雨水、微咸水和礦井疏干水為主要類型的非常規水資源利用中存在利用途徑相對單一、收集處理規模不足、管理體系不完善等問題,非常規水資源利用的規模仍落后于我國沿海省份。

1 非常規水資源利用的可行性

1.1 再生水利用可行性

1.1.1 再生水水量

截至2020年底,陜西省有城鄉污水處理廠128座,再生水設施生產總能力為2.32×106m3/d,再生水回用管網長度共計369 km。現有的污水處理廠不僅數量多,而且出水量大,水源受氣候條件和其他自然條件影響小,穩定、可靠,作為城市第二水源具有一定的可行性。陜西省再生水工程情況見表1。

表1 陜西省再生水工程情況

1.1.2 再生水水質

陜西省除個別尚未提標改造的污水處理廠外,絕大多數污水處理廠出水水質均達到《城市污水再生利用分類》(GB/T 18919—2002)中一級A標準,新建污水處理廠出水水質進一步達到準Ⅳ類標準,基本上能夠滿足生活雜用、市政道路澆灑、綠化澆灌、工業冷卻、建筑施工、消防等用水要求。

對于景觀水體補水,特別是接觸皮膚類的娛樂性景觀用水,通過微濾膜處理等工藝進行處理后即可滿足要求;對于工業鍋爐用水、生活飲用水等對水質要求更高的用途,采用反滲透處理等工藝可達到相關要求。因此,現有的污水處理回用技術為再生水水質達標提供了技術保障,使得再生水回用水質能夠滿足不同用戶要求。

目前陜西省128座污水處理廠每年高達1.53×109m3的處理水量為再生水利用提供了穩定水源,未來隨著污水排放量、收集率、處理率的進一步增長,再生水水源規模還會進一步增加。同時隨著環境保護制度的深入推進,污水處理廠出水水質將不斷提升,出水水質將基本滿足日常雜用、綠化澆灌、工業冷卻等大多數用途要求。對于接觸皮膚的娛樂性景觀用水、鍋爐用水、生活飲用等對水質要求較高的用水需要,國內外已有的水處理技術也完全能夠實現。因此,陜西省再生水利用無論在水量、水質還是處理技術、處理工藝方面均不存在明顯的短板,具有可行性。

1.2 雨水利用可行性

1.2.1 陜西省降水資源特性

陜西省地處西北內陸腹地,屬溫帶季風氣候,從北到南橫跨中溫帶、暖溫帶和北亞熱帶三大氣候帶和三個干濕區。全省降水資源從南向北依次減少,多年平均降水量在325 mm～1 270 mm之間,漢中市鎮巴縣降水量最大,多年平均降水量高達1 268 mm,古長城沿線的靖邊、橫山、榆林等地區年平均降水量不足400 mm,榆林市定邊縣降水量最小,多年平均降水量僅有328 mm[11]。

陜西省多年平均年降水日數空間分布特征與降水量基本一致,年降水日數最多出現在漢中市寧強縣,高達142 d,其次是鎮坪和鎮巴,均達到138 d,陜北長城沿線降雨量不足70 d,定邊縣為全省降水日數最少地區,僅有60 d。

降水資源分布除南北差異較大外,年內分配也極不均勻,汛期4個月的多年平均降水量為233 mm～830 mm,占到全年的總降水量的65%～71%。從降雨等級看,汛期和全年降水中小雨分別占24.4%和32.9%,小雨日數則分別占降水日數的79%和86%,小雨是全省主要降水事件。

1.2.2 雨水利用技術可行性

陜西省在20世紀末制定了“南塘、北窖、關中井”的農村水利發展策略,積極發展集雨節灌工程,使天然降水的利用率由原來不足30%提高到70%,補灌水的利用率達到90%。截至2020年底,全省雨水集蓄利用工程供水能力共4.01×107m3。此外,2007年西安市編制了《西安市雨水利用規劃》,并在浐灞生態區建設了多處雨水利用示范工程;此后,西安、銅川、寶雞等地市各地紛紛開展了海綿城市建設;2019年西安市啟動了總庫容1.15×107m3、以雨水利用為主要目的的馮家灣水庫可行性研究報告編制工作。

陜西省降水年內分配極不均勻的特征,使得每年汛期大量的雨水資源未到有效利用。國內外現有的雨水利用技術及模式不僅為全省雨水利用提供了技術支撐,西安、銅川、寶雞、延安等地的雨水利用工程實踐為雨水利用積累了經驗,促使在全省范圍內開展雨水利用成為可能。

1.3 微咸水利用可行性

1.3.1 陜西省微咸水資源量及分布情況

《水資源規劃規范》(GB/T 51051—2014)中明確了淺層淡水對礦化度的要求,礦化度超過2 g/L的水稱為微咸水。

陜西省地表微咸水河流主要分布于多年平均降水量小于450 mm的黃河流域陜北內流區、無定河水系,主要涉及3個區縣,5條河流。此外,在陜北內流區的定邊、神木、靖邊還分布有7個微咸水湖泊。陜西省地表微咸水分布情況見表2。

表2 陜西省地表微咸水分布情況

陜西省地下微咸水主要分布在關中和陜北地區,其中關中地區地下微咸水主要分布在咸陽—潼關北岸以及赤水—潼關南岸,該區域地勢平坦低洼,堆積物顆粒較細,地下水徑流緩慢,潛水垂直交替強烈,礦化度普遍高于3 g/L。咸陽至潼關北岸的大荔—固市一線以北至鹽池洼、鹵泊灘部分地區,礦化度更是超過10 g/L。此外,受三門峽庫區渭河河床淤高影響,潼關以西潛水也受到一定的壅水作用,使水中鹽分加速積聚形成鹽漬。陜北地區地下微咸水主要分布在定邊、鹽灘等內流區,該區域地勢低洼,地下水徑流不暢,埋深淺,蒸發濃縮作用強烈,礦化度普遍大于2 g/L,部分區域甚至超過10 g/L[12]。

陜西省微咸水資源量約8.93×108m3,其中地表微咸水資源量5.77×108m3,地下微咸水資源量3.16×108m3。陜西省微咸水資源量統計見表3[13]。

表3 陜西省微咸水資源量統計 單位:108 m3

1.3.2 微咸水利用技術可行性

陜西省微咸水資源分布具有一定的地域性特征(主要分布在內流區、無定河流域和關中渭北地區),而且微咸水資源量相對較大(8.93×108m3)。目前國內淡化的微咸水在電力、石化、化工等領域得到廣泛應用,淡化成本也隨著微咸水淡化技術的不斷進步逐年降低,甘肅、寧夏及省內的西安臨潼等缺水地區建設了多座以人畜飲水為主的微咸水利用工程。微咸水利用在生活、生產方面取得的大量成果為進一步推動微咸水資源化利用奠定了基礎,使陜西省進一步加大微咸水利用成為可能。

1.4 礦井疏干水利用可行性

1.4.1 陜西省礦井疏干水資源量及分布情況

陜西省是我國第四大煤炭資源大省,全省71個縣區含煤面積約5.7×104km2,煤炭資源分布總體呈南貧北富趨勢。截至2018年底,全省查明煤炭資源儲量1.73×1011t,保有資源量1.72×1011t,資源分布面積約5.7×104km2[14]。陜西省煤田資源量及分布情況見表4。

表4 陜西煤炭資源量及分布

根據2020年榆陽區礦井疏干水排放情況及相關研究可知,陜西省的礦山開采中每開采1 t煤,可產生0.87 t～1.52 t的疏干水,其中礦井自用水量占10%～20%,其余水量外排[15]。根據相關統計資料,2020年陜西省煤炭開采量6.79×108t[16],按此估算,全省每年因煤炭開采產生的疏干水約6.0×108m3～1.0×109m3,扣除礦井自用外,每年仍有大約4.8×108～9.0×108m3的疏干水未有效利用而直接排放,開發利用空間巨大。

1.4.2 礦井水利用技術可行性

陜西省作為煤炭資源大省,礦井疏干水資源量較大,充足的水量為礦井疏干水的開發利用奠定了基礎。同時不僅國內外長期以來對礦井疏干水利用的相關研究及實踐經驗可為全省礦井疏干水利用提供技術支撐,陜西省各大煤礦建設的礦井疏干水處理回用項目,更是進一步為當地礦井疏干水處理回用進行了嘗試,為全省全面開展礦井疏干水利用積累了當地經驗。

2 非常規水資源供需空間分析

2.1 需求空間分析

在用水總量控制指標的約束下,新增供水工程后,2025年陜西省除城鎮生活外仍缺水1.13×109m3[17]。鑒于目前陜西省非常規水資源在回用方面未向城鎮生活供水,因此認為非常規水資源利用需求空間為規劃水平年除城鎮生活用水之外的供需缺口。各行業及各地市非常規水資源需求空間分析成果見表5。

表5 陜西省各地市各行業非常規水資源需求空間 單位:104 m3

總體來看,渭南、榆林、西安、延安是陜西省未來非常規水資源需求空間最大的地市,農業和工業是非常規水資源需求空間最大的兩個行業,農村生活雖然需求空間有限但因農村人畜飲水重要性大,農村人畜飲水也將是非常規水資源的重要需求方。

2.2 供水空間分析

2.2.1 再生水供水空間分析

2025年全省城鎮生活用水量將達到2.14×109m3[17],估算城鎮污水排放量將達到1.71×109m3。按照“2025年關中、陜北地級城市再生水利用率不低于25%,陜南再生水利用率不低于10%”的要求,估算2025年全省再生水供水空間為3.66×108m3。陜西省2025年各地市再生水供水空間見表6。

表6 2025年陜西省再生水供水空間 單位:104 m3

2.2.2 雨水供水空間分析

目前雨水已逐漸成為城市生態環境、農業灌溉、河湖補水的重要水源,本次雨水供水空間主要對全省主要城市雨水供水空間進行分析。

城市雨水供水空間受城區氣候條件、降雨量在不同季節分配、城市綠地及不透水面積的大小、初期雨水棄流等因素影響。采用下式進行估算:

Q=φαβAH

(1)

式中:Q為雨水供水空間;φ為綜合徑流系數,由各匯流單元的徑流系數加權平均求得;α為季節折減系數,α=汛期平均降水量/年平均降水量;β為初期棄流系數,β= 1-初期雨量×平均降雨次數/年平均降雨量;A為集雨面積;H為年平均降雨量。

根據上式,估算全省主要城市雨水供水空間為2.06×108m3。陜西省主要城市雨水供水空間計算成果見表7。

表7 陜西省各地市雨水供水空間

2.2.3 微咸水供水空間分析

考慮到河流微咸水主要分布于陜北內流區、無定河流域,因此河流微咸水供水空間根據無定河流域地表水資源可利用率46.5%[12]估算河流微咸水供水空間約3.8×107m3。由于湖泊微咸水大量開發利用可能會對湖泊生態環境造成嚴重影響,因此本次暫不考慮湖泊微咸水供水空間。地下水微咸水主要分布在西安、咸陽、渭南、榆林四個地市的13個區縣,根據地下資源量與地下水可利用量之間關系[12],估算地下微咸水供水空間約1.69×108m3。因此,陜西省微咸水總供水空間約2.07×108m3。

2.2.4 礦井疏干水供水空間分析

陜西省煤炭產量2015年為5.12×108t,2020年為6.79×108t[20],年均增長5.8%。按此估算,2025年全省煤炭產量將達到9×108t。根據煤炭開采與疏干水產出關系,估算2025年全省煤炭疏干水量約7.83×108m3～1.37×109m3,扣除礦井井下除塵、道路澆灑等廠區雜用自用水量20%～30%外,礦井疏干水供水空間約5.48×108m3～1.09×109m3。

根據上述各類型非常規水資源供水空間計算成果,估算陜西省2025年非常規水資源供水空間為1.33×109m3～1.87×109m3,其中再生水供水空間3.66×108m3,雨水供水空間2.06×108m3,微咸水供水空間2.07×108m3,礦井疏干水供水空間5.48×108m3～1.09×109m3。

3 結 論

加強非常規水資源利用符合新時期治水理念和黃河流域生態保護和高質量發展的要求,是當前解決陜西省水資源短缺、水資源污染的有效途徑之一。經估算,未來陜西省經濟社會發展用水高達1.13×109m3的缺口將主要依靠再生水、雨水、微咸水及礦井疏干水等非常規水資源來解決,經濟社會發展對非常規水資源需求空間巨大。同時,未來陜西省非常規水資源總供水空間高達1.33×109m3～1.87×109m3,是重要的經濟社會發展供水水源,利用可行性強、供水空間大。