西北典型缺水地区非常规水源综合利用与统一配置——以鄂尔多斯市为例

刘争胜,彭少明,崔长勇,郑小康

(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)

·简讯·

西北典型缺水地区非常规水源综合利用与统一配置
——以鄂尔多斯市为例

刘争胜,彭少明,崔长勇,郑小康

(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)

以鄂尔多斯市为典型地区,针对区域矿产资源丰富、水资源贫乏、生态环境脆弱、水资源供需矛盾突出的问题,在各种非常规水资源可利用量分析的基础上,研究非常规水源利用技术,提出多种水源统一配置、联合调度的方案。结果表明,鄂尔多斯市常规水资源(地表水及地下水)有限,通过实施污水处理再生水、利用煤炭矿井水、淡化处理微咸水(矿化度2～5g/L)、开采岩溶水、潜流以及雨水利用等各种非常规水源的综合利用,2020年各种非常规水源利用量可达到3.310亿m3,可有效增加区域可供水量,缓解区域供需矛盾,支撑经济社会持续发展。研究提出的非常规水源利用策略对于我国西北缺水地区具有借鉴意义。

缺水地区;非常规水源;统一配置;调剂;鄂尔多斯市

鄂尔多斯市能源矿产资源十分丰富,拥有各类矿藏50多种,含煤面积约占全市面积的70%,目前煤炭已探明储量1496亿t,约占全国的1/6,是中国产煤第一地级市。天然气探明储量约占全国的1/3。丰富的煤炭、天然气等资源为鄂尔多斯市发展能源和化工产业开辟了广阔的资源空间,依托丰富的能源矿产资源,鄂尔多斯市成为内蒙古自治区乃至我国西部经济最为活跃的地区。然而鄂尔多斯市气候干旱,年均降水量仅265mm,多年平均地表水资源量11.80亿m3,水资源总量为28.47亿m3,水资源贫乏,单位面积地表水资源量不足全国平均水平的1/15,为黄河流域平均水平的1/5。伴随着区域经济快速发展以及工业化、城镇化进程加快,经济社会发展与水资源利用及保护之间出现了严重的不协调,并成为制约经济社会发展的关键瓶颈要素。

长期以来,鄂尔多斯市水资源开发一直是以地表水和地下水等常规的水源为主,非常规水源利用量极为有限。2010年鄂尔多斯市供水总量19.46亿m3,其中地表水供水量7.85亿m3,占总供水量的40.3%;地下水供水量10.87亿m3,占总供水量的55.9%;非常规水源供水量0.74亿m3,仅占3.8%。在国家能源需求的拉动下,未来区域需水量快速增长,预测到2030年鄂尔多斯市需水量将达到28.09亿m3,水资源供水矛盾十分突出。鄂尔多斯市近30年各种供水量见表1。

表1 鄂尔多斯市近30年各种水源供水量 亿m3

1 非常规水资源评价

鄂尔多斯市境内主要的非常规水资源包括:再生水、煤炭矿井水、矿化度2～5 g/L的微咸水、岩溶水、潜流以及雨水等。这些非常规水源的特点是经过开采、处理后可以利用,在一定程度上替代常规水资源[1]。经评价,鄂尔多斯市非常规水资源可利用总量3.50亿m3,合理高效利用对于缓解区域水资源短缺具有十分重要的意义。

1.1 再生水

城镇污水深度处理除去悬浮物、有机物、氮、磷、微生物等,深度处理可采用活性炭吸附、臭氧活性炭、生物脱氮、离子交换、生物过滤、膜分离等技术。城镇污水再利用系统的构成包括:水源收集与输送、处理消毒、再生水输配、再生水利用等环节[2]。针对鄂尔多斯市城镇废污水情况,采用膜分离技术,工艺流程见图1。

图1 膜分离工艺再生水生产工艺流程

预测2020年鄂尔多斯市污水产生量1.64亿m3,通过完善污水管网建设,通过加强回收处理再利用,实现污水处理回用率达到58%,再生水利用量0.88亿m3;2030年城镇再生水利用量达到1.12亿m3。根据工业项目、生态环境对水量、水质需求以及范围要求,落实再生水的数量和用途,考虑对污水处理再利用需要新建的供水管路和管网设施实行分质供水,以满足特殊用户对水质的目标要求。

1.2 矿井疏干水

鄂尔多斯市煤炭资源丰富,煤炭开采产生的矿井水经混凝沉淀后,浊度、色度、氟化物、硬度大大降低,另外Pe、Mn、SO42-矿化度也得到部分去除,可满足洗选煤用水、工业冷却水和城市绿化等用水要求。

鄂尔多斯市境内当前的产煤区包括东胜、准格尔、桌子山和上海庙四大煤田,主要形成于石炭三叠纪和侏罗纪双纪复合煤田,石炭二叠纪煤系主要分布于东部准格尔旗—乌兰格尔、西部棋盘井一带。煤田构造简单,煤层赋存稳定,地层倾角2°～5°,很少有断层、褶曲,瓦斯含量少,水文地质条件简单。据统计,鄂尔多斯市2010年煤炭产量3.8亿t,煤炭开采产生的矿井水量3 970.5万m3,矿井水就近利用量1638万m3,利用率41%。根据《鄂尔多斯市煤炭产业总体规划》,预测鄂尔多斯市2020年和2030年煤炭开采量将分别达到7.0亿t和8.0亿t,采用富水系数法计算矿井出水量将分别达到0.93亿m3和1.06亿m3。对煤炭矿井水利用采取统一研究、统一分配、统一管理的策略,提高煤炭矿井水的处理和利用率,到2020年鄂尔多斯市矿井水利用量可达到0.49亿m3,2030年达到0.71亿m3,煤炭矿井水利用率达到67%。

1.3 微咸水

微咸水指矿化度为2～5 g/L的浅层地下水以及盐湖地表水。微咸水经脱卤去盐后可用于工业项目发展,淡化处理是微咸水资源化利用的重要途径,国内常用的技术有蒸馏法、电渗析法、反渗透法、冷冻法、超滤法等。随着微咸水淡化技术的成熟和淡化成本的降低,微咸水的利用空间将更加广阔,微咸水淡化技术已经成为微咸水分布区解决居民生活用水和工业用水的新途径。

据《鄂尔多斯市水资源评价报告》评价,鄂尔多斯市多年平均可以更新的地下水微咸水(矿化度2～5 g/L)资源量为0.60亿m3,主要分布在杭锦旗、达拉特旗和鄂托克旗。地表微咸水主要分布在鄂尔多斯市杭锦旗的盐海子以及乌审旗的浩通查干淖尔均为地表咸水湖。考虑微咸水的采补平衡,2020年和2030年微咸水利用量为0.45亿m3,其中地下微咸水利用达到0.36亿m3。

1.4 岩溶水

岩溶水是指赋存于可溶性岩层的溶蚀裂隙和洞穴中的水,主要分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水、层状基岩裂隙水和基岩裂隙水及岩溶水,其中松散岩类孔隙水又分为冲洪积潜水及承压水和冲湖积潜水,其分布一般很不均匀。岩溶水历来是岩溶地区的主要供水水源。岩溶水的富水性是由地质构造、裂隙及岩溶发育程度决定。

据《鄂尔多斯市地下水资源评价报告》,鄂尔多斯市岩溶水主要分布于准格尔旗东部以及鄂托克旗的桌子山两大含水系统,评价1956—2009年系列岩溶水资源量1.52亿m3。通过典型地段的水文地质勘探表明,在鄂尔多斯市的鄂托克旗桌子山棋盘井一带赋存质优量大的深埋隐伏岩溶水,准格尔旗东部黄河沿岸岩溶水丰富,水质好,便于集中开采,已建成唐公塔、陈家沟门、苏计沟等供水水源地,可开采量为0.75亿m3,为减少对地表水和地下水的影响,2020年和2030年利用0.45亿m3,主要满足城镇生活用水。

1.5 雨水

雨水利用是指在一定范围内,有目的地采用各种措施对雨水资源进行收集、净化和利用。雨水利用工程包括农村雨水利用工程(指农村水窖、雨水调蓄池、湿地等)和城镇雨水利用工程(主要是指建立包括屋面雨水集蓄系统、雨水截污与渗透系统、生态小区雨水利用系统等)。

现状鄂尔多斯市农村雨水利用工程相对分散,主要用水对象是农业灌溉和牲畜饮用,雨水收集利用量约30万m3。城镇雨水利用是综合考虑雨水径流污染控制、城镇防洪以及生态环境的改善等要求,收集雨水可用作喷洒路面、灌溉绿地、蓄水冲厕等城市杂用水。鄂尔多斯市多年平均降水量为265mm,但空间分布不均,东部地区降水量在300mm以上的区域降水量相对集中,具备雨水利用的条件,研究水平年将在准格尔旗、伊金霍洛旗和乌审旗实施雨水利用0.03亿m3。

2 多水源的利用策略

2.1 多水源利用的策略构建

鄂尔多斯市境内地表供水严重不足、地下水利用占主导地位、非常规水源利用潜力较大,水资源合理利用应处理好取用黄河水、当地地表水、地下水和非常规水源供水之间的关系,在稳定外来水源供水的基础上,充分利用当地水源供水,积极利用污水处理再利用等非常规水源。

研究水平年鄂尔多斯市供水源包括地表水、地下水、非常规水源(包括再生水、微咸水、岩溶水、雨水、矿井水)等7种水源以及深层地下水作为应急水源,供水方案包括对工程的挖潜配套、在建和研究的水源工程、污水处理再利用、其他非常规水源利用工程等。供水对象包括城镇生活、农村生活、农业、一般工业、能源化工工业、建筑业和第三产业以及生态环境等7项用水。水源调配是一个非常复杂的系统工程,水源合理调配可提高供水效率、有效缓解水资源供需矛盾。根据研究水平年各种可能水源的特征和各项需水性质,提出鄂尔多斯市水资源调配的关系网络(图2)。

图2 鄂尔多斯市水资源调配关系

鄂尔多斯市水资源调配网络构建围绕:生活用水对水质要求较高,以地下水为主水源,岩溶水利用和黄河引水为辅助水源;工业用水以黄河水源为主,再生水、微咸水、矿井水等非常规水源利用为辅助水源;农业用水以地下水为主水源,引黄灌区逐步转向地下水灌溉;生态环境用水以地下水、再生水为主水源;深层地下水主要作为应急供水水源。

2.2 多水源的供水规则

按照多水源联合调配,地表水、地下水、非常规水源的利用相互补偿的原则,在水源调配中,根据各种水源特点拟定各种水源的运行秩序:

a.非常规水源优先。鄂尔多斯市可利用的非常规水源包括:再生水、矿井水、微咸水、岩溶水、雨水等。研究水平年鄂尔多斯市应优先利用非常规水源,作为工业发展的水源,非常规水源利用中宜根据各地区的非常规水资源分布情况,将再生水、矿井水和微咸水利用放在优先利用地位,既可增加经济发展的可供水量,又可缓解环境压力。

b.地表水利用中以黄河干流取水优先。黄河干流流经鄂尔多斯市的多年平均过境径流量达300亿m3,保证率相对较高,可作为工业发展的稳定水源,合理取用黄河水可调节鄂尔多斯市水资源的空间分布。境内黄河支流地表水利用应以水库蓄水优先,通过增加支流调蓄工程建设,增加支流地表水供水量。合理利用内流区水系地表径流。内流区河流主要受基流补给,径流相对稳定,可用作工业水源,而且内流区地表水得不到有效利用也将被蒸发损耗,研究水平年在保障区域生态环境用水需求的前提下,合理利用内流区河流的地表径流。

c.可开采的地下水利用优先。鄂尔多斯市境内的浅层地下水水质相对较好,是生活用水、农业灌溉的良好水源,可作为调节水源,除满足生活需水外,地下水开采量可根据来水频率对农业灌溉水进行调节。

d.特殊情况下采取应急供水。当黄河流域或鄂尔多斯市出现特殊干旱时期,在系统的缺水量达到较大程度的情况下,符合启动应急水资源条件时,启用应急供水预案,允许部分区域超采部分浅层地下水、少量开采深层地下水并动用区内蓄水水库死水位以下的可利用水量等作为紧急备用水量,保障区域国计民生供水。

3 多水源的优化配置

3.1 优化配置目标

鄂尔多斯市未来水资源需求主要为满足新增的工业生活用水需求,因此多水源优化配置的目标既要满足净效益的最大化,也要满足一定的保证率要求。

a.综合净收益最大化,保证水资源的高效利用,即开发水源增加的供水收益与水源的总成本之差最大:

式中:TB(Q(i,j,k))、TC(Q(i,j,k))分别为水源i= 1,2,…,7增加Q供水量的总收益和总成本;j=1, 2,…,J指供水地区数;k=1,2,…,K指配水的部门。

b.调水保证率尽可能高,优化各种水源实现时空对接、达到用水保证率要求,保障水资源系统稳定:

式中:Pr为供水量满足用水需求保证率的概率,P (Q≤Q0)为供水量Q低于需水量Q0的概率。

3.2 约束条件

在多水源供水系统的优化配置研究中,将主要断面的生态环境需水量、维持地下水合理水位以及控制污染物入河水平作为多水源供水系统优化配置模型的约束条件,各类水源的取水量应控制不超过最大可取水能力[3]。

a.可利用量约束:河流下泄水量满足断面生态环境需求,维持河流的生态功能。

式中:Qin(t)、Qec(t)、Qmin(t)分别为河道内流量、河流生态环境需求的流量和低限生态环境流量。

b.地下水控制:保持地下水均衡、稳定,满足植被要求。

式中:ELgr(t)、ELec(t)、ELmin(t)分别为地下水水位、地下水适宜的水位和地下水地下水位。

c.环境承载约束:控制主要污染物入河量低于河段纳污能力。

式中:CODin(t)、CODec(t)分别为河段主要污染物入河量和水功能区能力。

d.供水能力约束:各类水的供水量低于时段的供水能力。

式中:Qs(t)、Qmax(t)分别为实际供水量和供水能力。

3.3 多水源优化调配

通过各种水源和多用户之间的优化,提高水资源配置水平、稳定生活用水和工业用水的供水量,满足高保证率用水量的需求,形成有利于水循环多源互补、丰枯调剂的良性格局,提升区域供水保障能力,支撑经济发展[4]。通过合理调配水源显著提升供水能力,2020年供水量增加到21.78亿m3,2030年达到22.87亿m3。研究水平年多水源供水量见表2。

从供水结构分析,研究水平年非常规水源利用量从现状的0.74亿m3增长到2030年的3.31亿m3,是供水增长的主体,占总供水量的比例从现状的3.8%提高到14.5%;地表水供水量从现状7.85亿m3增加到9.02亿m3,基本达到地表水资源可利用量的上限,所占比例从现状的40.5%增加到39.4%;地下水开采量有所减少,从现状的10.87亿m3减少到2020水平年的10.55亿m3,但占总供水量比例从现状的55.4%降低到48.0%。

3.4 水资源配置的效果

3.4.1 生活得到优质稳定水源保障

在人口增长和生活水平提高等因素推动下,鄂尔多斯市城镇生活和农村生活的需水量不断增长,生活需水从现状的0.42亿m3增长到2030年的1.23亿m3。生活供水水源以优质的地下水、岩溶水为主,局部不具备水源条件的区域采用地表水满足,保障生活用水,对于支撑地区城镇化建设具有重要意义。

3.4.2 形成工业水源网络

优化地表水源的调配。推进东胜、康巴什中心区和重要工业园区双水源和多水源建设,积极安排与建设应急储备水源。以黄河主要取水工程为龙头,着手构建磴口引水、画匠营子引黄和大草湾引水线路“纵贯南北”;以万家寨引水、小南河、碱柜和上海庙形成地表水、地下水与矿井水、微咸水、再生水等非常规水源的“多源互补”;加强地下水合理开采和有效保护,形成“丰枯调剂”;加强水源地之间和供水系统之间的联合调配,形成“供应保障、结构合理,稳定可靠、配置高效”,覆盖城乡的区域供水保障体系。提高各区域特别是城镇和工业园区用水保证率,为特殊干旱年份的提供稳定水源,实现从“基本保障”向“安全保证”过渡。

3.4.3 形成多源供水格局

通过多水源的联合利用、优化调配形成区域供水的保障体系,改变区域供水过度依赖地表水、地下水等常规水源的局面。通过加大污水处理力度、提高污水处理回用量可有效降低排入河湖的污染物量,逐步恢复河湖水体功能,改善河湖生态环境;对地下水开采实行了严格的控制,实现地下水的采补平衡;加大煤炭疏干水的收集利用率,有利于减少工业用水成本;实施雨水资源化利用,有利于发展庭院经济。

表2 研究水平年鄂尔多斯市多水源供水量 亿m3

4 结 语

鄂尔多斯市水资源贫乏,科学评价、合理调配、高效利用非常规水源对于缓解水资源供需矛盾,提升水资源承载水平具有重要意义。通过对区域水文、地质、经济社会发展的综合分析,提出2020年及2030年非常规水资源合理利用量分别达到2.26亿m3和3.31亿 m3,供水比例从现状的 3.8% 提高到14.5%,改善了区域供水格局,为水资源可持续利用指明了方向。

[1]曲炜.我国非常规水源开发利用存在的问题及对策[J].水利经济,2011,29(3):60-63,78.

[2]吴季松.用循环经济理念创新水污染防治对策[J].中国水利,2003(5):14-16.

[3]刘伟.非常规水资源利用基本问题的研究[D].天津:天津大学,2004.

[4]王建华,王浩.社会水循环原理与调控[M].北京:科学出版社,2014.

TV213.9

A

1003 -9511(2015)04 -0057 -05

2015 04 -16 编辑:陈玉国)

10.3880/j.issn.1003 -9511.2015.04.015

国家“十二五”科技支撑计划(2013BAC10B02);国家国际科技合作项目(2013DFG70990)

刘争胜(1962—)男,河北磁县人,高级工程师,主要从事水资源综合规划研究。E-mail:liuzhengsheng2004@126.com