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第十章 西部大開發與西北給水工程建設中的幾個問題

第十章 西部大開發與西北給水工程建設中的幾個問題

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        在世紀之交,在我國經濟步入一個嶄新發展階段的關鍵時刻,黨中央作出了實施西部大開發戰略的重要決定。這一決定將喚起西北大地,重振漢唐雄風。將加速實現中華民族的偉大復興。西北地區基礎設施落后,生態環境脆弱。要改變這些不利狀況,必須以水為依托。水是一切生命的源泉,是再造西北秀美山川的基礎。它關系著西北開發建設的全局。面對著西北水資源短缺設施落后的嚴峻形勢,面對著西部大開發千載難逢的大好機遇,讓有限的水資源在西部大開發的偉大實踐中充分發揮作用。

 

    一、西北的水資源狀況

 

    西北地處干旱、半干旱地區,降水量少,蒸發量大,水資源十分貧乏。水資源包括地表水資源和地下水資源兩大部分。地表水資源以地表水體的形式存在,包括河流、湖泊、冰川和沼澤。地表水的資源量通常用地表水的動態水量,即河川徑流量來表示。很明顯,河川徑流是按河流水系來劃分的。根據我國河流水系的自然特點和水資源的管理分類,習慣上把全國劃分為七大流域片。西北包括在黃河和西北內陸河流域片之內。對于地下水資源,由于它與地表水補給關系密切,也大致按河流水系的流域劃分來進行評價計算。西北水資源有以下四個明顯特點:

 

    1、一是資源總量少,時空分布不均

    

    根據多年統計資料,黃河平均天然年徑流量為580億立方米,僅占全國河川徑流量的2%,為長江年徑流量的二十分之一。按1990年的人口計算,流域內的人均水量為593立方米,是全國人均水量的四分之一。應該指出,我國水資源相當短缺,是世界上十三個貧水國家之一。我國的人均水資源占有量為2300立方米為世界平均水平的四分之一。如果按這個只有世界平均水平十六分之一的數字來進行評價,黃河流域水資源量的匱乏就可想而知了?;坪恿饔虻牡叵濾⒘懇埠萇?,全流域可開采儲量不到200億立方米,主要分布在寧蒙平原,汾渭盆地和花園口以下的一些小流域。

 

    西北內陸諸河的年徑流總量為1092億立方米,平原區的地下水資源量為777億立方米。由于區內人口稀少,平均人口密度不到9/平方千米,其人均水量數字可觀,為4833立方米,但按綜合指數分析,資源量也十分短缺。時空分布不均在黃河流域表現得十分明顯。河川徑流和地下水資源多依賴于降水。暴雨季節,降水集中,江河橫溢;干旱時期雨雪稀少,河干井枯?;坪恿饔蚰昶驕鄧?/FONT>466mm,降水在空間上的分布很不均勻。降水量最多的秦嶺北坡,年降水可達800mm,防水較少的寧蒙河套平原,年降水量僅200300mm,特別是杭錦后旗到臨河一帶,年降水量不足150mm。降水的年內分布更不均衡,7、8、9三個月雨水傾注而下,降水量可以達到全年的60%以上。不僅大量的水流挾帶著滾滾泥砂白白流失,還造成了下游地區的無窮水患。

 

    西北內陸河地區降水稀少,也極不均勻。其地域分布是山區多于盆地,盆周多于中央。

 

    山區年降水量為200mm700mm,盆地、走廊和高原的降水量僅為25mm300mm。在年內分配上,夏季最高,占4070%,冬季最少,僅為110%。

 

    防水和水資源在時間分布上的不均衡,加大了水資源利用方面的難度,水資源在地域分布上的差異,則給土地開發和城市發展增加了更多困難。

 

    2、第二特點是開發利用率較高

 

   以黃河為例,流域內已建成的各類水庫有3000多座,總庫容570億立方米,與黃河的年徑流量相當?;坪由系囊こ桃汛?/FONT>4500余處,提水工程2萬余座,平均耗用水量達到303億立方米,占黃河徑流量的53%。流域內年開采地下水資源80100億立方米,在諸如西安、呼和浩特等城市,地下水已嚴重超采。地下水的長期嚴重超采,使西安深層地下水位下降了50多米,造成大面積的地面沉降和長達33km的地裂縫,形勢相當嚴峻。 

 

    3、第三個特點是西北的許多城市水資源緊張

 

    由于經濟發展緩慢,西北的城市數量不多。到1993年底,僅有城市55座。這55座城市中,就有20座城市缺水。城市缺水按其缺水性質可分為資源性缺水,工程性缺水和水質性缺水三大類型。資源性缺水(一類缺水城市)主要是指當地水資源短缺,城市發展已超過當地水資源的承載能力,必須跨流域引水才能解決問題。西北地區的一類缺水城市有烏魯木齊、西安、金昌、東勝等8座。工程性缺水(二類缺水)是指當地水資源尚能滿足城市發展需要,但供水工程建設滯后,造成城市供水不足。二類缺水城市有哈密、酒泉、渭南等12座。第三類缺水城市,即水質性缺水主要是由城市供水水源的水質問題而影響正常供水,需要調整水源工程的。像西寧就是因為湟水水源污染嚴重,除了民和斷面外,其他各斷面均達不到一般工業用水的水質標準而影響供水。據統計自1984年以來,西寧城市供水因受水質影響,其第二水源被迫停止供水已達10次以上。

 

    城市缺水已經對區域經濟發展帶來了很多不利影響,隨著西部大開發戰略的實施,今后對水資源的需求將更加緊迫。據測算,2000年,西北缺水城市的需水量將達到50億立方米,今后10年,按照不低于全國年遞增率3.5%的增長數字計算,預計將達到60億立方米~70億立方米,缺水率將達到70%,而到2010年,我國將進入嚴重缺水時期。全國可供水總量為6670億立方米,缺水達318億立方米,因此對西北城市缺水率達到70%的數字決不能輕視,必須未雨稠繆,在資源利用和工程建設上采取一系列措施。

 

    4、第四個特點是污染威脅加大

 

    黃河流域污染嚴重,最近的污染調查表明,黃河干流的年納污量達到98.5t,其中COD91.5t,氨氮6.02t,揮發酚485t,石油類1663t,氰化物54.1t,總鉛1373t,總汞2.97t?;坪尤饔蠣磕昱湃牖坪擁姆?、污水總量已達到41.7k立方米,比90年的32.6億立方千米增加了30%,比80年代初增加了1倍以上,在實測污水中工業廢水排放量占48.3%,生活污水占7%,混合污水占44.5%,廢、污水主要來自西寧、蘭州、銀州、包頭和西安、寶雞等大中城市,根據近年來的水質監測評價資料,在黃河干、支流中,屬、類水體的不到14%,類水體占17%,類占34%,16%,劣于類的已達到18.7%。

 

    黃河干流水質每況愈下,蘭州、包頭兩個污染河段水質污染加重。蘭州段的石油類污染未能有效控制,水質長年處于類,包頭段耗氧有機污染明顯上升,枯水期已不能滿足城市供水要求。原來水質較好的陜西潼關段,水質也明顯下降,近10年來,潼關段的氨氮平均濃度增加3倍以上,水質常年處于類。

    支流污染更為嚴重,除大夏河、洮河、大通河水質尚好以外,其他支流都不同程度地受到污染。其中湟水西寧以下,渭河寶雞以下,大黑河呼和浩特以下水質基本處于類,部分河段已劣于類。一些小支流,如包頭附近的昆都侖河等,已變成當地的排水溝了。支流的主要污染物是氨氮、酚和COD等。

 

    西北內陸河的55條河流、8個湖泊水庫,屬、類水質標準的占88%,、類水質標準的河長僅占10%,這說明西北內陸河地區水質基本良好。

 

    二、區域性大型引水工程

 

    從西北水資源的狀況分析可知,西北地區的缺水狀況,特別是區域性缺水形勢還相當嚴峻。為解決區域性缺水問題,目前正在建設或規劃建設一批大型引水工程,現簡要介紹如下:

 

    1、新疆引額供水工程

 

    這是一個外流域的引水工程,主要解決以烏魯木齊為中心的天山北坡經濟開發帶,北疆油田等地域的城市供水問題。天山北坡經濟開發帶處在準葛爾盆地邊緣,屬大陸高寒干旱地區,水資源貧乏。該區66.3億立方米的水資源量不能滿足當地經濟發展需要,需要從流向西北的額爾齊斯河引水。引額供水工程將在額爾齊斯河干流上修建635水利樞紐和喀臘塑克水利樞紐,以調控中游以上33.8億立方米的年徑流,實現近期引水6億立方米,2020年引水18億立方米的目標。引額供水一期工程包括三個部分。一是水源工程63.5綜合樞紐。樞紐的正常高水位為640m,庫容1.86億立方米,壩高55m,水電裝機3.2KW,引水總干進水閘設計流量90立方米/s。二是635樞紐至烏魯木齊猛進水庫的輸水工程,輸水設計流量40立方米/s,一期10立方米/s,加大流量15立方米/s,三是烏魯木齊的終點調節水庫。已建的猛進水庫為尾端水庫,新建水紅溝水庫、500水庫為配換水的龍頭水庫,引水工程完成后,將為北疆的經濟發展提供可靠的水資源保證,意義重大,引水工程還將引導地區的工程建設布局,因烏市原市區的用水點高程高于引額供水終點高程。2000年以后,新建項目將向昌吉、阜康方向發展,并按低高程分布,以盡量接近新水源。

 

    2、南水北調西線工程

 

    為加快西部大開發戰略的實施,改善生態環境,應盡快建設南水北調的西線工程。西線南水北調工程是解決西北地區干旱缺水問題的根本措施之一,也是為黃河流域和華北等地經濟發展提供水源保證的有效途徑。西線的南水北調工程將從大渡河,通天河,雅礱江引水到黃河上游。工程將以穿山隧道的形式穿越巴彥喀拉山,向黃河引水195億立方米。其中大渡河需泵站提升,通天河到雅礱江可以自流。以上三項工程均需建設175300m的樞紐高壩和長度為40m300m的隧洞工程的砼土量約2500萬方,規模巨大。西線南水北調工程目前正處在前期準備階段。

 

    三、重要中心城市的引水工程

 

    除蘭州、銀川外,西北的其他省會城市如西安、西寧、呼和浩特都嚴重缺水,現對西安和西寧的引水情況簡介于后。

 

    1、西安市黑河引水工程

 

    黑河引水工程是以西安市城市供水為主要目標,兼顧農灌發電和防洪等綜合效益的大型引水工程,全部工程包括金盆水庫樞紐工程,城市供水工程和灌溉工程三大部分。金盆水庫座落在渭河支流黑河的峪口處,以130m高的粘土心墻礫石壩造成2億立方米的水庫庫容,每年供給西安城市用水3.05億立方米,城市供水工程包括引水渠道、曲江池水廠、南郊水廠和市區管網配套工程。引水渠總長118.6km,將田峪,石砭峪等水庫都作為調節水源。沿途各水庫水源加上石頭河來水,供水水量可達53.4萬立方米。黑河的凈水廠包括已建成的曲江池水廠和在建的南郊水廠其總規模為110萬立方米/日。

 

    2、西寧市黑泉水庫供水工程

 

    黑泉水庫工程在青海大通縣境內,距西寧75km,在湟水支流北川河上游建庫,總庫容1.7億立方米,是一個以城市供水和灌溉為主,兼顧防洪、發電的大型綜合水利工程。水庫樞紐為砂礫石鋼筋砼面板堆石壩。壩高101.4m,壩長450m,調節庫容1.32億立方米,樞紐靜態投資2.6億元,該工程在2010年前以調節流量為主,2010年向西寧市供水,供水量為37萬立方米/日,城市供水管道工程自大通峽門引水口至西寧第六水源地,線路總長8km,采用低壓雙排輸水管道,設計引水流量7.35立方米/s,最大引水量10億立方米/s,城市供水管道工程靜態總投資4086萬元。

 

    四、中小城鎮的給水工程問題

 

    西部大開發將以城市化和城市建設為重點向前推進。加快中小城市建設,推進城市化進程,是西部經濟發展的一個基本戰略。那么在中小城市蓬勃興起,鄉鎮建設迅速發展的西部開發格局,給水工程建設應當以一個什么面目出現呢?筆者認為:

 

    第一,要強化常規工藝的各個環節。

 

    實現工程建設節約資金和工程運行三降兩提高的發展目標。經過多年實踐,我國特別是我們西北的給排水工作者已經掌握了一套強化各凈化環節的先進技術。我們完全可以將這些先進技術有效地組合起來,因地制宜地用于各種不同水質類型的凈化工程。例如對常規的混合,我們可以用旋網管道混合器來強化宏觀傳遞,改善微觀傳質。高效能地完成混合過程。這不僅可以節省基建費用,還可以減少能耗,降低藥耗,實現混合過程的管道化。使混合工藝更加簡便、靈活。

 

    再例如反應,可以用網板反應器來強化反應過程,從而縮短反應時間,提高反應效能。網板反應技術是西北市政院在七十年代的一項發明,網板反應基于以下原理:

    ①水中與絮凝體處于同一數量級的微小渦旋運動是絮凝反應的推動力量;

    ②在反應池中設置網板,調整了反應池的流動狀態,改善反應池中的無規大渦湍流運動,形成較為有秩的網后水流流動場。在網后水流的湍流場中,湍流的渦旋尺度大大減小,微渦旋比例逐步提高,絮體顆粒的接觸碰撞大大增強;

    ③在網后流場中將出現各向同性湍流。各向同性湍流能對絮凝體產生各向均等的揉動作用力,把絮體制作得更加均勻密實,便于沉淀;

    ④對于不同水質和不同的反應階段,可以通過在過水斷面上科學地布設不同規格的網板來控制其湍流強度,以達到強化反應之目的。經過二十多年的實踐運用,證明網板反應技術原理科學,設備簡單,性能優異,能夠大大提高反應效率。許多水廠由于使用了網板反應技術,反應時間已從傳統的30分鐘縮短至510分鐘,降低了造價,降低了成本。

網板反應技術還可與旋網管道混合器配合,可以實現混合反應工藝的管道化。為混合反應工藝的工廠化生產提供了條件。

 

    其他如沉淀、過濾工藝都可以強化。近年來的高密斜管池,多層濾料濾池,都不同程度地提高了沉淀過濾效能,再如西北市政院與鐵院聯合研究的沸石過濾技術,還能有效地去除微污染。將這些強化工藝環節的各種技術,科學合理地組合起來,就能大大降低工程造價的運行費用。使西北中小城鎮的水廠建設能夠在資金不夠寬裕的條件下建得成、用得起,收到少花錢,多辦事的效果。

    第二,要以高效節能的專用凈化設備代替傳統的凈水廠,實現給水工程各工藝環節的工廠化、系列化生產。

 

    改變以往水廠建設搞現場施工,周期長、造價高,施工安裝質量難以保證的舊模式。在城市化發展進程中,水要先行,必然會遇到城鄉水廠建設量大、面廣的問題。由于城鎮水廠的供水規模都比較小,要保證每個小水廠的建設要都能做到水平高,質量好,必須走工廠化生產的路子,因為只有實現了水廠專用設備定型化的工廠生產,才能從產品設計、加工制造等各個環節實現質量的有效控制。也才能從規模效益中降低成本,保證水廠建設的物美價廉。我們希望行業的有識之士與我們共同合作,針對西北的不同水源條件,設計制造一批工藝流程多元化,產品規格系列化,專用設備定型化的成套凈化系統,發展我們西北的給水工業生產。

 

    第三,要以改善水質和擴大水資源的利用為前提,加大技術創新,研制和采用先進的凈水工藝。

 

    西北城鄉分布著大面積的微咸水,許多地表和地下水也都遭受到不同的污染,對這些潛在的給水資源,用常規的處理辦法往往難以奏效。我建議,大膽研制和使用膜法處理技術,讓膜技術參加到西部大開發的凈化隊伍中來。膜技術不僅可以擴大鄉鎮的給水資源,能夠就近取水,而且可使出水水質得到充分保證。近來膜技術發展很快,價格也大幅下降,在荷蘭,近五年來每平方米超濾膜價格已降至原來的1/5,預計很快將降至1/20,微濾和常規凈水工藝的成本已經很接近了。膜法的技術進步和價格下降的空間常規工藝和深度處理的余地更大。在規模上,原來認為用于日凈化水量5000立方米以內較為適宜,最近美國超濾水廠的在建規模已達到10萬立方米/日。世界上超濾水廠的能力超過100萬立方米/日。其中約2/398年和99年建成的,所以,以膜法代替常規處理,特別是在西北水資源短缺,微咸水分布廣泛的鄉鎮,建立膜凈化水廠是完全有可能的。當然,用于微咸水的處理要采用納濾(NF),個別水源也可能要用反滲透(RO)技術。投資上可能增加一些,但卻為就近取水創造了有利條件。膜法凈化技術是人類與干旱和污染斗爭的成果,最早的膜法用于海水淡化和苦咸水的除鹽,當1974年美國發現自來水中有66種致癌物質后,人們逐漸了解到水中的有機物已多達2200余種,其中飲用水中就有765種。包括嚴重危害人體健康的五毒:酚、氰、砷、鉻、汞和百余種致癌,致畸、致突變的三致物質。以后又發現了隱性孢子病源體。隱性孢子病原體能穿透濾層,既使將出水濁度降低到0.1NTU,也不能保證沒有隱性孢子蟲,而膜法卻能夠截留隱性孢子病原體。使用膜技術不僅能提供高質量的飲用水,而且就其發展而言,膜法的組合應用,還可以部分或全部取代混凝沉淀、過濾消毒這個應用了幾個世紀的常規處理技術??梢運的ぜ際醯姆⒄?,將引起水處理技術的重大變革。對膜技術的去除機理,目前有很多理論說法。比較有代表性的有篩網效應理論,氫鍵理論和優先吸附的毛細管流程理論等。按照篩網效應理論的觀點,膜技術實際上是一種在壓力差推動下的細微孔過濾。充滿了微細小孔的膜就象一個篩子,把大于和一些小于篩孔的物質截留下來,從而實現了雜質的分離。根據細微孔的大小,膜技術可以分為反滲透(OR)、納濾(NF)、超濾(UF)和微濾(MF)等許多種類。反滲透的細微孔在1nm以下,可以截留0.1nm以下的無機離子,小分子,病毒、細菌和隱性孢子蟲。納濾膜的細微孔在5nm以下,可截留部分無機離子以及病毒細菌和孢子,超濾膜的細微孔在5nm100nm這間,是一種典型的篩濾分離,能去除分子量為30030萬的大分子以及粒徑為數納米至數十納米的細菌,病毒和膠體微粒。微濾的膜孔徑在200nm1000nm10μ)之間,可去除20nm的細菌,粘土微粒和粒徑在20nm以上的雜質顆粒。應該指出:除篩濾作用外,納濾和反滲透還有滲濾作用,這是超濾和微濾所不具有的。隨著各種濾膜細微孔徑的減小,膜技術的操作壓力也隨之升高,如微濾的操作壓力為100kp,超濾的壓力則可上升到40kp,對反滲透而言,壓力則要上升到2MP5MP左右。反滲透的去除性能非常優異,但因操作壓力過高,限制了它的廣泛應用。比較起來,納濾則更適合于西北干旱地區。納濾的核心裝置是低壓反滲透膜。納濾的反滲透之所以可以在較低的壓力下進行,是因為在苦咸水溶液和多孔的納膜接觸時,膜界面上首先形成了由水分子構成的吸附層,這一吸附層厚度與苦咸水的含鹽量有關。如果膜的微孔孔徑小于或等于2倍的純水層厚度時,純水便可在壓力作用下不斷地通過膜孔流出而將鹽類截留在膜外,苦咸水也就完成了它的淡水過程。這就是優先吸附毛細管流程淡化理論。納濾用于苦咸水的淡化時,可將總含鹽量降低50%70%左右。對三價離子的去除率將高達95%,下列是納濾凈化前后的水質指標情況。

(表一原水水質及處理后水質對照表 

 

 

    由表可見,納濾不僅有良好的去除污染(如TOC)能力,而且在去除硬度和淡化方面也有明顯效果。和常規反滲透比較,納濾的操作壓力比較低。在一般情況下,納濾的操作壓力可降至0.5MP1MP,幾乎是反滲透的四分之一,因而其應用前景大大改善。

 

    納濾的濾膜孔徑較小,易于結垢阻塞。因此,在進行納膜處理之前應進行預處理,以改善進水水質,延長膜的使用壽命,確保淡水產量和脫鹽率的穩定。確保運行費用的降低。一般預處理由微濾和活性炭過濾等環節構成,而且在預處理中要采取措施,防止膜污染的發生。膜污染不僅會使產水率迅速下降。而且將對膜造成損害。正確的預處理設計,也是納濾工藝取得成功的重要環節,必須引起足夠重視。 

 

    總之,膜技術,特別是納濾技術正在完善之中,我希望省內行業同仁能積極參予這項技術的設計制造與生產應用工作。讓納濾技術能在西北給排水工程的試驗研究和應用實踐中逐步走向成熟。

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