（水利工程专业论文）非常规水资源利用基本问题的研究.pdf

摘要 二十一世纪人口的快速增长和城市化进程的加快将带来许多世界范围水 危机问题，如：洪水、水资源短缺和水污染等。毫不夸张的说水资源的可持 续战略将是全球城市环境战略的最关键的问题。天津市是一个严重缺水的城 市，仅为全国人均水资源占有量的1 1 5 。解决水资源短缺问题的传统方法已 经达到极限，新型水资源的开发与利用将成为水利工作的主题。除了对传统 的水资源进行开源、节流外，开发利用非常规水资源无疑是一个解决水资源 危机的重要途径。 本文介绍了国内外非常规水利用的进展和趋势，特别是些发达国家在 非常规水源利用上起步较早，所积累的许多成功经验。并对三种非常规水源： 雨水、再生水、海水进行了研究，分析了各种非常规水利用的必要性、意义 和效益，论述了非常规水源在可持续发展中的重要作用。针对非常规水开发 利用的途径、技术、工艺、设备及水质情况，分别提出了开发利用非常规水 资源的可行性和具体措施。 论文的重点为雨水利用的试验研究方面，目的在于通过试验手段论证雨 水利用的可行性和雨量收集的效果。因此，以某单位大厦屋顶和地面集雨系 统为例，对其雨水利用试验方案、工艺流程、雨量收集及雨水水质等方面的 内容进行了介绍，分析了雨水利用的可能性。并应用了目前比较流行的人工 神经网络方法对雨水收集量进行了预测，这是人工神经网络在雨水利用问题 的新尝试，并取得了较好的效果。 本文同时根据可持续发展的思路，着重论述了再生水的利用途径、水质 保证等方面的内容，并介绍了具体再生水用于农业的方法和人工湿地研究的 进展情况。 关键词：非常规水资源雨水利用再生水利用人工神经网络 a b s t r a c t i nt h e2 1 s tc e n t u r y ，i ti sf e a r e dt h a ta c c e l e r a t e dp o p u l a t i o ng r o w t ha n d r a p i du r b a n i z a t i o nw i l lc a u s ev a r i o u sw a t e rc r i s e s ，s u c ha sf l o o d i n ga n dw a t e r s h o r t a g e ，a sw e l la sd r i n k i n gw a t e rc o n t a m i n a t i o na l la r o u n dt h ew o r l d i ti s n oe x a g g e r a t i o nt os a yt h a ts u s t a i n a b l ew a t e rs t r a t e g i e si nu r b a na r e a sw i l l b et h eu t m o s ti m p o r t a n tk e y st ot h eg l o b a lc i t y se n v i r o n m e n t a ls t r a t e g i e s t i a n j i ni sas e r i o u sw a t e rs c a r c i t yc i t y ，w h i c hist h e1 1 5o ft h eq u a n t i t yp e r c a p i t ai nc h i n a t r a d i t i o n a lm e t h o dt os o l v ew a t e rs u p p l ys h o r t a g eh a sr e a c h e d t h e1 i m i t a t i o n s t h ee x p l o i t a t i o na n du s eo fn e ww a t e rr e s o u r c ew i l lb e c o m et h e t h e m eo fw a t e rc o n s e r v a n c y b e s i d e st h ee x p l o i t a t i o no i lt r a d i t i o n a lw a t e r r e s o u r c e s ，t h eu s i n go fu n c o n v e n t i o n a lw a t e rr e s o u r c e si su n d o u b t e d l yo n eg o o d w a yt os o l v et h ec r i s i so fw a t e rr e s o u r c e t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dt r e n di nc h i n aa n do t h e r c o u n t r i e s t h eu n c o n v e n t i o n a lw a t e rr e s o u r c e sh a sb e e ne x p l o i t e da n du s e df o r al o n gt i m ei ns o m ed e v e l o p e dc o u n t r i e st h a th a v ea c c u m u l a t e dah u g em o u n to f e x p e r i e n c e st h a td e s e r v e ss t u d y i n g t h i st h e s i si sa i m e da ts t u d y i n gt h r e ek i n d s o fu n c o n v e n t i o n a lw a t e rr e s o u r c e s ：r a i n w a t e r ，r e j u v e n a t e dw a t e ra n ds e a w a t e r a sw e l1a sa n a l y z e st h es i g n i f i c a n c ea n db e n e f i to ft h e s ew a t e rr e s o u r c e sa n d i t si m p o r t a n c ei ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt ot h em e t h o d ，t e c h n i q u e ， e q u i p m e n ta n dw a t e rq u a i t y ，b r i n g sf o r w a r dt h ep o s s i b i l i t ya n d m e a s u r eo f u n c o n v e n t i o n a lw a t e rr e s o u r c e se x p l o i t a t i o na n du s eo fu n c o n v e n t i o n a lw a t e r r e s o u r c e s t h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h et h e s isisa b o u ts t u d y i n go r lt h eu s eo f r a i n w a t e r w h i c hi sc o n c e n t r a t e do nd e m o n s t r a t i n gt h ef e a s i b i l i t ya n dt h er e s u l t o fr a i n w a t e rc o l l e c t i n g t h et h e s i si n t r o d u c e sab u i l d i n g sr o o fa n dg r o u n d r a i n w a t e rc o l l e c t i n gs y s t e mp r o j e c t ，t e c h n i q u ef l o w ，r a i n w a t e rc o l l e c t i n ga n d w a t e rq u a 】i t y t h i st h e s i sf o r e c a s t st h ea m o u n to fr a i n w a t e rc o l l e c t i n gw i t h t h ep o p u l a rm a t h e m a t i c sm e t h o d ：a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，w h i c hi san e w e x p e r i e n c eo fu s i n go fh r t i f i e i a ln e u r a ln e t w o r ki nw a t e rr e s o u r c ep r o b l e m sa n d h a sag o o dr e s u l t t h ist h e s i sa l s od i s c u s s e st h em e t h o da n dw a t e rq u a l i t ya c c o r d i n gt ot h e s u s t a i n a b l e d e v e o p m e n ts t r a t e g y i ta l s oi n t r o d u c e st h eu s i n gm e t h o do f r e j u v e n a t e dw a t e ro na g r i c u l t u r ea n dt h et r e n di nt h ea r t i f i c i a le v e r g l a d ea s w e l l k e y w o r d s ： u n c o n v e n t i o n a lw a t e rr e s o u r c er a i n w a t e r r e j u v e n a t e d w a t e r a r t j f jc i a ln e u r a ln e t w o r k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之外，论文中不包含其他入已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨垄盘鲎或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：刍i j 踢签字日期：2 。吁年9 月，z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意 学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：杏l 话 签字日期：知。年年亨月i 善日 翩躲饧耷 签字日期：舢年月如日 第一章概述 第一章概述 1 1 研究背景 天津市全市人均水资源占有量为1 6 0 立方米，仅为全国人均水资源占有 量的1 1 5 ，是全国人均水资源占有量最少的省市。由于上游用水量增加，入 境水量逐年减少。加尉了天津市水资源短缺的困境。 随着我国经济社会发展和水资源供求状况的变化，水资源短缺日益成为 经济发展中的严重制约因素，水资源可持续利用成为我国经济社会发展的战 略问题。近二十年，经济社会迅速发展的同时也产生了很多生态环境的的问 题如：水资源开发利用率过高，地下水严重超采，大量使用水质不合格的污 水灌溉等均造成不同程度的环境影响。现状大部分平原河道干涸，地下水位 大幅下降，天然湖泊湿地基本消失，河口淤积，大部分河流和部分地表水源 地受到污染，地下水污染趋于严重，地区间、城乡间、行业间争水现象和水 污染矛盾不断出现。 如何解决缺水问题，人类经历了从无意识的开发利用阶段到合理开发利 用阶段，在此过程中，人类不断的寻求解决水资源不足和水污染问题。 在现阶段解决天津市缺水问题采取的主要措施和手段有坚持开源、节流 方针，深化节水措施，加强水资源统一管理和水资源保护，合理开发利用地 表水资源，增加有效供水量，合理配置水资源，调整地下水开采布局，压缩 深层地下水开采，合理利用地下水资源，解决农村人畜饮水困难，实施南水 北调工程建设。 除利用常规水资源外，开发利用非常规水资源无疑也是一个解决水资源 危机的重要途径。但是，非常规水资源尚存在许多技术、经济、社会等方面 的问题需要解决。 1 。2 非常规水资源的概念及分类 非常规水资源也可以称为非传统水源，边缘水等。 非常规水是指区别于一般意义上的地表水、地下水的水源，包括污水处 理回用水、海水、微咸水、雨洪水等。非常规水利用量的多少是一个城市水 第一章概述 资源开发利用先进水平的重要标志，充分利用非常规水是解决城市缺水问题 的必要手段。 目前，按照非常规水资源的收集途经，可将其分为如下几类。 ( 1 ) 雨水 主要是指城市雨洪的利用。我国在这一方面的研究和实践基本上是一 个空白点。城市的道路、建筑物、屋顶、公园、绿化地等都是截留雨水的好 场所。降雨形成的大量径流一般都是汇集到排污管道或沟道。白白流走。 在城市中汇集的雨洪一般有毒物质含量较低，经过简单沉淀处理即可用于灌 溉、消防、冲厕、冲洗汽车、喷洒马路等。m 1 。随着城市绿化覆盖率日益增加， 灌溉、洗车及其他清洁用水量将大大增加。因此，必须重视城市雨水的利用 i s o ( 2 ) 劣质水 劣质水包括含有一定盐分的地下水( 即微咸水) 、经处理的城市生活污 水和某些工业废水( 即再生水) ，可以用作灌溉或供给灌溉、工业、生活、 环境之用”。我国在劣质水应用方面已做了些研究工作并有一定的实践经 验，但至今没有大量利用。2 0 0 0 年全国的污水和微咸水供水量达6 亿m 3 ，占 总水量的3 0 。 ( 3 ) 海水 海水利用包括直接利用海水和海水淡化。总的来说，海水淡化的成本仍 较高。随着科学技术的发展，其成本必然会进一步降低。不久的将来淡化海 水将成为沿海地区的一种有实用价值的水资源。 ( 4 ) 回归水 国际上对灌溉回归水的利用十分重视，早在1 9 7 7 年美国就主持召开了灌 溉回归水质管理会议总结了各地利用回归水的经验，研究回归水中氮的含 量，回归水的管理以及灌溉回归水模型等。我国灌区的回归水量大，特别是 南方水稻种植地区，回归水的含盐量很小，可以汇集后再次利用。但在这方 面的研究不多。 ( 5 ) 土壤水 从某种意义上讲，土壤有如一个天然的蓄水库，可存蓄雨水和灌溉水。 通过改进耕作和种植制度，采取覆盖措施、添加保水剂和抑制蒸发药物等， 可增加土壤蓄水、保墒能力，达到节约灌溉用水的目的。我国在这方面已有 不少经验，如在覆盖条件下进行灌溉和保墒技术、土壤墒情监测和预报新技 第一章概述 术等。 ( 6 ) 雾水和露水 在特殊的耳境条件下，可从雾水和露水中取得定的水量，以供生活、 畜牧用水，植树或供作物生长之用。除植物直接利用以外，可以用人工表面 或简单的装置使雾和露凝固成水。在智利、秘鲁以及沿海岛屿都有利用。 1 3 国内外研究现状 1 3 ，1 国内外雨水利用现状 为了缓解水资源短缺问题，国内外开始把目光投向雨水资源的开发与利 用方面。在国外，雨水资源化和雨水收集利用已有几十年的历史“1 。 德国长期致力于雨水利用技术研究与开发，目前已成为世界上的先进国 家，从规划、设计到应用，不但形成了完善技术体系，而且制定了配套的法 规和管理规定。在德国，建有雨水管道，用来传输雨水和暂存雨水以缓解洪 峰。 日本政府近年来积极推行积蓄雨水、利用雨水的节水政策。上世纪9 0 年代日本就有1 0 多个城市推广雨水综合利用系统，建成专门的雨水库以供利 用。1 9 9 2 年日本政府颁布了“第二代城市下水总体规划”，正式将雨水渗沟、 渗塘及透水地面作为城市总体规划的组成部分，要求新建的改建的大型公共 建筑群必须设置雨水就地下渗设施。日本东京有8 3 的人行道采用透水性柏 油路面，使雨水入渗到地下，汇集后利用。 美国的许多城市建立了屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水地面组成 的地表回灌系统。如；0 m k l l 富雷斯诺市修建的地下回灌系统年回灌量占该市年 用水量的2 0 。 许多国家把雨水资源化作为城市生态系统的一部分嘲鼬。以色列降永资源 利用率达9 8 。泰国在8 0 年代建造了1 2 0 0 多万个2 m 。的家庭集雨水缸，解 决了3 0 0 多万农村人口的吃水问题。澳大利亚、加拿大、瑞典、印度、巴西、 和墨西哥等国家采取修建小型水池、水仓、塘坝等工程措施，拦蓄雨水进行 灌溉，都取得了良好的效果。澳大利亚在城市内设有两套集水系统，一套是 生活污水集水系统，另一套是雨衣汇集系统，污水处理的成本高，而集蓄的 雨水经简单处理后即可利用。 我国城市雨水利用的研究与应用始于上世纪8 0 年代。9 0 年代以后，特 大城市的许多建筑物已建有较完善的雨水收集系统“3 。例如上海浦东国际 第一章概述 术等。 ( 6 ) 雾水和露水 在特殊的环境条件下，可从雾水和露水中取得定的水量，以供生活、 畜牧用水，植树或供作物生长之用。除植物直接利用以外，可以用人工表面 或简单的装置使雾和露凝固成水。在智利、秘鲁以及沿海岛屿都有利用。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内外雨水利用现状 为了缓解水资源短缺问题，国内外开始把目光投向雨水资源的开发与利 用方面。在国外，雨水资源化和雨水收集利用已有几十年的历史”1 。 德国长期致力于雨水利用技术研究与开发，目前己成为世界上的先进国 家，从规划、设计到应用，不但形成了完善技术体系，而且制定了配套的法 规和管理规定。在德国，建有雨水管道，用来传输雨水和暂存雨水以缓解洪 峰。 日本政府近年来积极推行积蓄雨水、利用雨水的节水政策一 ：世纪9 0 年代日本就有l o 多个城市推广雨水综合利用系统，建成专门的雨水库以供利 用。1 9 9 2 年日本政府颁布了“第二代城市下水总体规划”，正式将雨水渗沟、 渗塘及透水地面作为城市总体规划的组成部分，要求新建的改建的大型公共 建筑群必须设置雨水就地下渗设施。日本东京有8 3 的人行道采用透水性柏 油路面，使雨水入渗到地下，汇集后利用。 美国的许多城市建立了屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水地面组成 的地表回灌系统。如加州富雷斯诺市修建的地下回灌系统年回灌量占该市年 用水量的2 0 。 许多国家把雨水资源化作为城市生态系统的一部分“”。以色列降水资源 利用率达9 8 。泰国在8 0 年代建造了1 2 0 0 多万个2 m 3 的家庭集雨水缸，解 决了3 0 0 多万农村人口的吃水问题。澳大利亚、加拿大、瑞典、印度、巴西、 和墨西哥等国家采取修建小型水池、水仓、塘坝等工程措施，拦蓄雨水进行 灌溉，都取得了良好的效果。澳大利亚在城市内设有两套集水系统，一套是 生活污水集水系统，另一套是雨水汇集系统，污水处理的成本高，而集雷的 雨水经简单处理后即可利用。 我国城市雨水利用的研究与应用始于上世纪8 0 年代。9 0 年代以后，特 大城市的许多建筑物已建有较完善的陌水收集系统“：。例如上海浦东国际 大城市的许多建筑物已建有较完善的雨水收集系统“。例如上海浦东国际 第一章概述 机场航站楼已经建有完善的雨水收集系统。大连是典型的严重缺水型城市， 在雨水集蓄利用方面取得了很好的成绩。 为了解决西北干旱缺水地区的用水问题，上世纪8 0 年代开始实施了许多 雨水利用工程“，如：甘肃省的“1 2 1 ”工程和集雨节灌工程、宁夏的水窖节 灌工程等，使雨水集蓄利用形成了规模化。 1 3 2 国内外再生水利用现状 实行污水资源化是提高水资源持续和循环利用的主要途经之一。随着城 市化的迅速发展，城市生活用水量日益增加，国外已十分重视对城市生活污 水的处理和再利用，积极开发污水资源，并以农业灌溉为主“。 日本从1 9 7 7 年开始实行农村污水处理计划，以改善农村生活环境和水源 水质。目前，其城市污水回用量达到6 3 0 0 万m 3 d ，其污水处理后的水质稳定， 多是引入农田灌溉水稻和果园。以色列的城市再生水回用率达到9 0 以上， 其中4 2 用于农灌，3 0 用于地下水回灌，其余用于工业和市政。美国的再 生水回用量达2 6 0 万m 3 d ，其中6 2 用于农业灌溉，3 0 用于工业，其余用 于市政和地下水回灌。国外发达国家再生水利用时间较早，已经有了比较成 熟的经验和规范。以色列在劣质水利用方面已取得很大成绩，建立了许多大 型污水处理厂。经处理后的污水清洁度很高，几乎可以达到饮用水标准，但 仍主要用于灌溉。 近几年，国内有了一些再生水深化处理工程，主要用于工业、市政用水。 但是，城市回用再生水要求水质标准高，深度处理成本高，限制了大规模的 利用3 。 天津市在梅江生态居住区利用纪庄子污水处理厂的中水作为冲厕用水 t 6 3 1 3 3 国内外海水利用现状 世界海水淡化水日产量已达3 2 5 0 万立方米，其中中东地区约占5 0 、 美国约占1 7 、欧洲约占1 2 在，亚洲约占1 0 ，解决了l 亿多人口的供 水问题。淡化售水价格低于0 7 美元，接近或低于国际上一些城市的自来水 价格。我国是世界少数几个掌握海水淡化技术的国家，2 0 0 2 年海水淡化规模 达到3 万m 3 日。 海水冷却主要应用于发电厂、炼油厂、化工厂、钢铁厂等耗水大户，并 以海水直流冷却方式为主。世界上，海水冷却水用量累计已达7 0 0 0 亿立方米， 其中美国1 0 0 0 亿立方米，日本3 0 0 0 亿立方米，欧洲3 0 0 0 亿立方米。我国海 4 第一章概述 水冷却主要以直流冷却为主，主要应用于沿海大城市的电力、石化、钢铁、 化工等行业，与发达国家尚有较大差距“”。 海水冲厕技术2 0 世纪5 0 年代末期始于我国香港地区，形成了一套完整 的处理系统和管理体系“。目前香港地区8 0 人口使用海水冲厕。国内已对 海水冲厕的后处理技术进行了研究，解决了关键技术问题。已具备大规模应 用的基础条件。目前，8 0 万平米住宅小区示范工程正在青岛建设之中“”。 以色列的海水淡化，现在是采用反渗透法为主”，在埃拉特的海水淡化 厂日产量为1 3 5 万立方米。海水淡化的成本约为1 0 美元m 3 。在埃及，海 水淡化成本为1 0 美元m 3 ，主要用于沿海夏季避暑地区。埃及有一个国家提 供资金的计划，鼓励用污水、咸水和海水。西班牙淡化海水的成本为0 6 1 4 美元m 3 ，澳大利亚也是1 0 美元m 3 。 天津市海水利用具有一定基础”，目前淡化水量为6 0 0 0 立方米日，海 水直接利用量约为】4 亿立方米年，替代淡水量为0 3 亿立方米。 天津大港电厂在1 9 8 9 年建立了我国第一座海水淡化设施，利用发电后的 余热淡化海水，日产能力6 0 0 0 立方米。天津碱厂直接提取海水用于工业冷却 和化盐，日节约淡水1 7 0 0 立方米。 1 4 本文的主要研究内容 本文分析了天津市水资源的现状和水资源的开发利用情况，对2 0 1 0 年天 津市南水北调工程通水前的需水和缺水进行了预测。针对缺水的现状提出 了非常规水资源利用的可能性，并对几种非常规水源如：城市雨水利用、再生 水利用、海水利用做了论述。 本文重点在第四章和第五章。第四章介绍了某单位大厦屋顶和地面集雨 系统的试验情况，并根据试验数据和历史水文数据，应用b p 神经网络模型对 大厦的可收集水量进行了预测。第五章着重论述了再生水的利用途径、水质 等方面的内容，并介绍了具体再生水用于农业的方法和人工潜流湿地污水处 理系统的基本应用。 第二章天津市水资源状况分析 第二章天津市水资源现状分析 2 1 天津市水姿源情况 2 1 1 水资源量情况 天津市全市多年平均降水量为5 8 5 6 毫米。天津市全市地表水资源多年 平均值l o 5 5 亿立方米，地下水资源量8 3 2 亿立方米，扣除重复计算量0 7 1 亿立方米，全市水资源总量为1 8 1 6 亿立方米1 。 建国后，海河流域进行了大规模的治理，上游兴建了大、中、小型水库 1 9 0 0 多座，总库容达2 6 5 亿立方米，下游开挖了独流减河、永定新河、子牙 新河、漳卫新河等多条直接入海通道，使河流的水文特性和入境水量发生了 很大改变。采用1 9 7 0 1 9 9 8 年汛期( 7 9 月) 水文系列分析，天津市多年 平均入境水量为1 9 3 6 亿立方米。 入海水量：经我市入海的主要河流有蓟运河、潮自新河、永定河、独流 减河( 含大清河) 以及海河干流等。1 9 7 0 1 9 9 8 年全市多年平均入海水量2 6 2 亿立方米。 天津市中南部平原地区有广泛分布的浅层地下咸水层，其中，矿化度3 5 克升的咸水可开采量为1 2 6 亿立方米，矿化度大于5 克升的可开采量为 1 ，6 6 亿立方米，憩 给量为3 o o 亿立方米。 2 1 2 水资源特性及入境水量变化趋势 2 1 2 1 水资源特性 ( 1 ) 年内分配不均 本市当地地表水资源量受降水年内分配及产汇流条件影响，年内分配极 不均匀，当地产东多集中在汛期( 6 9 月) ，约占全年的7 0 - 8 0 ，非汛期只 有少量基流。 ( 2 ) 年际变化大 全市当地地表径流量最大发生在1 9 7 8 年，为2 3 7 6 亿立方米，最小发生 在1 9 9 7 年，仅2 7 9 亿立方米，前者是后者的8 5 倍。 ( 3 ) 地区分配不均 水资源按地区分布北部较多，南部较少。北部蓟运河山区、海河北系平 原面积占全市总面积5 6 9 ，水资源量占全市水资源量的6 8 6 ；南部淀东清 南平原面积占全市面积的4 3 1 ，而水资源量只占全市水资源量的3 1 4 。 ( 4 ) 丰枯交替、连续干旱经常出现 6 第二章天津市水资源状况分析 干旱年经常连续发生，仅从1 9 5 6 年以来，就出现了1 9 5 7 1 9 5 8 年、 1 9 6 0 1 9 6 3 年、1 9 6 5 1 9 6 8 年、1 9 7 1 1 9 7 2 年、1 9 7 4 1 9 7 6 年、1 9 8 0 1 9 8 4 年、1 9 9 2 t 9 9 3 年、1 9 9 7 2 0 0 3 年八个连续干旱的时段，连续干旱时间最长 达7 年之久。 2 1 2 2 入境水量变化趋势 根据1 9 6 0 1 9 9 8 年实测入境水量统计分析，1 9 6 0 1 9 6 9 年天津市年平均 入境水量为8 0 1 2 亿立方米，1 9 7 0 1 9 7 9 年年平均为3 5 8 8 亿立方米，1 9 8 0 1 9 8 9 年年平均为7 3 5 亿立方米，1 9 9 0 1 9 9 8 年年平均为1 9 7 5 亿立方米。 ， i 日 谢i 滁一一a d 。觚。 囊一一1 i 9 6 0 】9 8 2l9 6 410 6jp 0 0l 7 0 t 2l9 t4i9 t 6l9 7 0i9 8 01 9 8 2i9 日i18 8 61 9 bi p d1 9 9 z1 9 9 1 9 9 lg 目5 图3 一l 天津市历年入境水量变化趋势图 2 ，1 2 3 水环境现状 从天津市近年来各河总体情况看，除引滦入滓沿线的水环境和水质较好， 供水水质基本达到地面水类标准外，其它河道的水环境和水质较差大部 分河流经常常年干枯，河流水质及入境水体的水质劣于地面水v 类标准。 ( 2 ) 城市供水水源水质状况 引滦入滓工程为天津城市供永水源。自工程投入运行以来水质基本稳定， 到达宜兴埠泵站的水质可达到i 类水标准。但近年来于桥水库以上黎河、沙 河的监测断面高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮等项目均有劣于类水体水 质标准的记录，随之影响到于桥水库近年来p h 值、高锰酸盐指数、生化需氧 量、非离子氨、总磷等项目也出现超标现象，于桥水库已呈富营养化状态。 ( 3 ) 地下水水质状况 北部山区地下水水质较好，除局部地区硝酸盐氮略超过生活饮用水标准 外，基本符合生活饮用水标准。咸水分布区的浅层地下水几乎均不适宜饮用。 第二章天津市水资源状况分析 2 2 水资源开发利用情况 2 2 1 地表水蓄水工程 截止2 0 0 0 年底，天津蓄水工程总蓄水能力1 9 0 2 亿立方米。全市己建成 大型水库3 座，蓄水能力9 1 5 亿立方米：中型水库l l 座，蓄水能力2 4 0 亿立方米：小型水库9 4 座，蓄水能力1 2 3 亿立方米；塘坝1 9 8 座，蓄水能 力o 0 8 亿立方米；一级河道蓄水能力4 11 亿立方米：二级河道蓄水能力0 5 5 亿立方米；深渠蓄水能力1 5 0 亿立方米。 2 2 2 引水工程 引滦入津工程，1 9 8 3 年建成通水，主要向城市供水。入市区净水量，保 证率7 5 、9 5 时分别为7 5 0 、4 9 5 亿立方米。从1 9 8 3 年开始，截止2 0 0 3 年，已向天津市输水1 7 0 亿立方米。 2 2 3 调水工程 调水工程l 项，引黄济津工程。引黄工程分配给河北、天滓水量共2 0 亿立方米，黄河水沿途经山东、河北两省，扣除沿途损失及天津市内输水和 调蓄水库蒸发、渗漏损失，实际利用净水量约4 0 亿立方米。 2 2 4 地下水供水基础设施 全市现有生产井共计2 7 1 万眼，其中浅层地下永生产井0 8 9 万眼，深 层承压水生产井1 8 2 万眼。地下水设簏供水能力9 6 5 亿立方米。 2 2 5 其他水源供水基础设施 海水利用工程：海水直接利用工程2 项，北大港电厂直流冷却利用，年 用水量1 4 0 0 亿立方米，可替代淡水0 3 0 亿立方米；塘沽1 万吨日海水净 水厂出水用于天津碱厂溶碱，年替代淡水o 0 4 亿立方米。海水淡化工程1 项，北大港电厂日产7 2 0 0 吨淡水闪蒸海水淡化装置，年产淡水0 0 2 亿立方 米。 集雨工程：主要分布在蓟县山区，集雨水窖共1 5 0 0 处，年利用量4 5 万立方米。 2 3 水资源供需现状及预测分析 2 3 1 现状供、用水情况 2 0 0 0 年全市现有供水设施的实际供水量为2 2 6 6 亿立方米。其中地表水 1 3 4 8 亿立方米( 含引滦水量4 8 8 亿立方米) 、地下水8 2 2 亿立方米、跨流 域调水( 引黄) 0 9 4 亿立方米、海水淡化及集雨工程供水0 0 2 亿立方米， 第二章天津市水资源状况分析 分别占总供水量的5 9 4 9 、3 6 2 7 、4 1 5 、0 0 9 。另有污水直接利用 量为6 4 2 亿立方米。海水直接利用量1 4 0 4 亿立方米，可替代淡水0 3 4 亿 立方米，海水淡化量0 0 2 亿立方米。 2 0 0 0 年全市总用水量2 9 4 2 亿立方米( 含污水直接利用量6 4 2 亿立方 米及海水利用替代淡水量0 3 4 亿立方米) ，其中生活用水3 3 2 亿立方米，生 产用水2 5 6 0 亿立方米，生态用水o 5 0 亿立方米，分别占总用水量的1 2 6 4 、8 5 6 6 、1 7 0 。 2 3 2 供、需水分析预测 在进行供需水预测时，采用2 0 1 0 年作为规划水平年。在南水北调工程通 水之前，全市年均可供水量为3 1 9 1 亿立方米，和预测的需水量5 4 5 2 亿立 方米比较，2 0 1 0 年全市缺水量为2 2 6 1 亿立方米。详见表2 1 。 表2 12 0 1 0 年预测供需水平衡表 项目可供水量( 亿0 ) 需水量( 亿t i l 3 )缺水量( 亿m 城市生活 2 3 5 84 9 01 8 6 8 农村生活 5 9 4o 9 54 9 9 第一产业 1 5 1 33 1 6 51 6 5 2 第二、三产业及城市 1 8 6 71 7 4 81 1 9 河湖环境 全市合计 3 1 9 l 5 4 5 2 2 2 6 1 2 4 水资源开发利用存在的问题 分析天津市水资源状况，天津市在水资源开发和利用上存在很多问题亟 待解决。 ( 1 ) 水资源严重短缺。由于上游用水量增加，入境水量逐年减少，水资 源极度短缺，2 0 0 0 年缺水6 7 6 亿立方米，预测2 0 1 0 年缺水为2 2 6 1 亿立方 米，即使南水北调工程建设通水后，缺水的局面仍难彻底改观。 ( 2 ) 水资源按地区分布不均匀。北部水资源相对多于南部，而蓄水工程 的布局则是北小南大，致使南部地区的一些蓄水工程一般年份无水可蓄，而 北部地区入海水量较多。 第二章天津市水资源状况分析 ( 3 ) 城市供水水源单一，供水保证率不能满足城市安全用水要求，供水 范围受限制。我市除于桥水库通过引滦工程可提供城市用水外，其它供水工 程由于水源没保证且水质差，只能作为农业水源。城市用水量已超过引滦水 量。 ( 4 ) 深层地下水严重超采，造成地面沉降。特别是天津市南部的地下浅 层咸水区，由于地表水资源缺乏，当地人民生活和工业及一部分农业不得不 多年超量开采深层地下水，导使地下水位持续下降和严重的地面沉降问题。 虽然自引滦入滓以后，市区和塘沽区地下水使用量减少，减缓了地面沉降速 度，但由于工业布局、结构调整，城郊地区和海河下游工业区等引滦工程供 水范围以外地区，尚无替代水源，仍不得不继续超采地下水，地面沉降仍然 十分严重。 ( 5 ) 水环境恶化和水污染加剧。由于点污染和面污染加剧，及各河水量 逐年减少，水体自净能力降低，各河水体污染严重，水质恶化。经对全市1 9 条河流水质进行评价，其中绝大部分为v 类水质或劣于v 类水质标准，只有 北部地区局部河段能达到类水质标准。由于长期使用污水灌溉，农田土壤 中重金属含量逐年增高，呈累积状态，而且新灌区土壤中重金属的累积速度 远远大于老灌区。 ( 6 ) 非常规水源开发力度不够。天津市微咸水利用刚开始起步，没有纳 入水资源利用范畴。污水资源化工程建设滞后污水处理工程建设，由于再生 水回用工程不配套，造成二次污染，不能成为可利用的水资源。近年，海水 利用技术飞速发展，目前海水淡化，成本为4 6 元立方米，已具有利用的 条件，应加强开发利用。对海水资源开发利用的重大意义认识不足，对海水 淡化成本高一直存在认识上的误区。随着海水利用闭环产业链的形成，海承 利用技术已经处于实际应用阶段，因此需对海水利用加以鼓励和扶植。另外， 示范环节的投入相对薄弱，关键设备仍依靠进口，国产设备使用率不高等因 素，也制约了产业发展，并在一定程度上影响了技术的进一步提高。 ( 7 ) 水管理体制不合理，使有限的水资源不能充分有效的利用和保护， 难以实现水资源的合理开发利用和优化配置。 ( 8 ) 水价比价不合理，地表水、地下水资源费与非常规水水价比价失调， 不利于节水工作的深入推广和水资源的优化配置。 ( 9 ) 生态环境恢复用水量难以保证。现状水资源条件，尚不能满足天津 市城镇、农村的用水需要，为了克服严重的缺水局面，天津市现状不得不依 0 第二章天津市水资源状况分析 靠超采地下水和利用未经处理的污水以及挤占农业用水来支持经济发展“”。 生态环境用水只包括中心城区河湖水环境所需最小量值。因此，天津市的社 会经济发展是依靠牺牲环境和农业作代价获得的，致使生态环境恢复用水缺 乏水源保证。 2 5 本章结论 针对天津市水资源开发利用方面存在的诸多问题，应从开源和节流和水 源调配等方面多做文章。 依托南水北调工程，变城市供水单一水源为双水源，提高城市供水保证 率，充分挖掘多种水源潜力，最大限度增加可供水量，将雨水、微咸水、再 生水、海水作为解决水资源短缺的重要途径。 从水资源和水环境承载能力出发，按照以供定需和水资源总量控制的原 则，采取工程、经济、技术、行政等综合节水措施，调整经济结构，最大限 度减少水资源开发利用各个环节的损失和浪费，实施工业、农业和生活全方 位节水，有效遏制需求，以节水求发展。从这一点看，我们在下文论述的非 常规水源的开发利用也是节水的有效措施，有利于提高水资源和水环境承载 能力。 第三章非常规水资源利用的基本途径 第三章非常规水资源利用的基本途径 本章我们着重论述非常规水资源中利用中的城市雨水利用、再生水的利 用和海水利用。因为这三种水资源在国内外利用的较为广泛且技术较为成熟， 开发、研究和利用方面有十分重要的意义。 3 1 雨水利用研究 我国城市传统的雨水处理方式大多为直接通过市政管网排入河或入海， 大部分城市存在雨水河污水混流的局面。一方面是城市闹水荒，另一方面却 是使用庞大的雨水排放系统将日益增长的雨水径流排出城市，大量的雨水径 流白自流失，既污染了环境，又浪费了水资源。天津城区以年平均降雨量 5 8 6 8 l i l i n 计算，多年平均年雨水资源流失量为1 6 5 亿m 3 。 近年来我国城市建设飞速发展，大量建筑物和道路等建设使城市不透水 地面面积快速增长。由于不透水面积比例不断增加，致使径流系数增大，相 同降雨情况下径流量增加，城市排水量显著增大，加之城市集蓄、利用设施 缺乏，加大了城区河道行洪的压力，产生较长时间的大面积积水，造成交通中 断、生产停滞，影响居民正常工作与生活，从而带来巨大经济损失。 如果城市规划中广泛采用雨水利用系统，合理集蓄雨水资源，地面覆盖 上考虑雨水渗透1 ，充分地利用雨水补充地下水源，那么既能缓和城市水资 源危机，又能增加土壤中的含水量，调节气候，从而改善城市的生态环境， 还能减少所需雨水管系容量，既减轻雨水管系的投资和运行费用，又减轻地 区水涝危害和水体污染。州删。 3 1 1 雨水的用途和效益。1 3 1 1 1 雨水的主要用途 ( 1 ) 冲洗厕所、冲洗公共场所地面、冲洗汽车、洗衣物、消防用水； ( 2 ) 工业冷却水； ( 3 ) 河、湖泊生态景观用水； ( 4 ) 城市绿化用水。 3 1 1 2 雨水利用的效益 雨水利用可以有效改善区域生态环境。”。将雨水就地收集、就地利用或 第三章非常规水资源利用的基本途径 回补地下水，可以提高水资源利用效率；减轻城市河湖的防洪压力，防止城 市排涝设施不足导致的城市雨水排泄不畅和洪涝灾害的发生；消减雨季洪峰 流量，维持河川水量，增加水分蒸发，改善生态环境：减少或避免马路及庭 院积水，改善小区水环境，提高居民生活质量：涵养地下水o “。 建造雨水蓄水设施，汇集贮存雨水用作城市非饮用水的直接水源，或用 作建筑物内外的冲洗用水、绿化用水，在一定程度上可以缓解城市供水的压 力。 3 。1 2 雨水利用技术 雨水收集系统一般包括屋面及地面雨水收集两部分”“。按室外雨水设 计规范安装雨水斗及落水管，雨水经屋面雨水斗进入落水管，再经汇合后由 雨水管送至集水池。初期雨水由于合有较多的污染物故应予以排放，排除量 要根据当地的大气质量、道路情况等因素，通过采样试验而定。地面雨水收 集又可分为绿地多余水收集及道路雨水收集。降雨后雨水径流进入绿地，经 蓄渗、补充消耗水分后，多余的雨水流入集水池。雨水利用系统如图3 1 所示。 图3 1 雨水利用系统示意图 3 1 3 雨水水质保护和改善 经对雨水径流水质的分析，初期径流污染物浓度很高，是需要重点控制 的对象“。路面和屋面初期径流c o d 通常达数千m g l ；c o d 、s s 、合成洗涤 剂、酚、石油类和重金属铅，路面和屋面径流都超出地下水人工回灌水质标 第三章非常规水资源利用的基本途径 准，如果直接回灌地下或排入水体将造成污染，必须采取有效的初期雨水控 制措施。 实验研究表明，屋面雨水的可生化性较差，一般b o d 5 c o d 为0 o o 。2 ， 因此，一般对于屋面雨水宜采用物化处理。经初期弃流的屋面径流雨水，在 最佳投药条件下经接触过滤，c o d 一般可去除6 5 左右，s s 可去除9 0 以上， 色度可去除5 5 左右，出水水质可满足生活杂用水标准。 3 。2 再生水利用研究 城市污水处理与回用的可行性主要表现在：城市污水量大并集中，水量 水质相对较稳定，且不受季节、雨旱季、洪水枯水等影响，是水量水质变化 幅度小，可以恒量供水的水源。；城市污水处理厂一般建造在城市附近，与 境外调水、远距离输水相比，大大减少了输水管线，降低了取水构筑物、输 水管线的投资和运行费用；城市污水处理回用减少了污水排放量，不仅减少 了对水体的污染，并能使部分被污染的水体逐渐更新、改善，而且还减少了 治理环境污染的投资：在用水水质要求上，城市污水经污水处理厂二级处理 的出水，再加适当的补充措施是完全能达到回用水质要求的，在技术上是可 行的3 ”。 再生水可回用于工业冷却水、景观水体、生活杂用水和农业，应用范围 比较广，应用前景较为乐观。 3 3 其它非常规水利利用前景分析 3 3 1 海水利用 海水利用是今后沿海城市缓解淡水资源短缺的重要途径。在电力、化工 等行业将海水用于冷却，在工业生产中还有许多行业的较多领域可以利用海 水替代淡水。在城市生活用水方面，如消防、公园的人工喷泉、洗刷，以及 居民家庭用水量较大的卫生间冲厕等都可以利用海水。随着海水利用技术的 不断进步和海水淡化成本的降低，海水利用将有广阔的前景。 3 ，3 1 1 海水淡化利用 海水淡化技术是解决水资源短缺问题的重要手段，经过近半个世纪的发 展，已比较成熟。目前主要的海水淡化方法有反渗透( s w r o ) 、多级闪蒸( m s f ) 、 多效蒸发( m e d ) 和压汽蒸馏( v c ) 等。膜技术于2 0 世纪5 0 年代初，因海水淡 化而被优先提出来。经过4 0 多年的发展，取得了很大的进展，在海水淡化等 4 第三章非常规水资源利用的基本途径 相关海洋产业中发挥了重大作用。 3 3 1 2 海水直接利用 海水既可以淡化使用，也可以盔接利用。海水直接利用要比淡化使用的 水量更大，成