京津冀沿海地区海水淡化取水适宜性分析

朱琴，左丽明，单科，马旺

(1.河北省地矿局水文工程地质勘查院 石家庄 050021;2.天津海水淡化与综合利用研究所 天津 300192)

京津冀沿海地区海水淡化取水适宜性分析

朱琴1，左丽明1，单科2，马旺1

(1.河北省地矿局水文工程地质勘查院 石家庄 050021;2.天津海水淡化与综合利用研究所 天津 300192)

为研究京津冀沿海地区海水淡化取水适宜性，于2016年对京津冀沿海地区的海水淡化项目和海洋地质环境进行详细调查，并对我国海洋取水现状进行综合研究。通过综合研究发现:从海洋自然属性角度出发，沧州和天津沿海地区属于淤泥质海滩，水浅坡缓、深水区离岸远、风浪作用下水体中泥沙含量高，适合开发大型(＞10万m3/d)海水淡化工程，取水方式适宜在海上建设沉淀池、采用潮汐式取水;唐山大清河口以西唐山沿海近岸海域属于淤泥质海滩，深水区离岸较远、水体中泥沙含量较高，适合开发大型(＞10万m3/d)海水淡化工程;大清河口以东唐山和秦皇岛近岸海域大部分属于砂质岸滩，深水区离岸较近、水质较好，适宜各种规模的淡化工程，且取水方式可采取开挖埋管道的形式采集深水区的海水;沿海海港码头工程岸段由于水深条件较好，适合建设各种规模的淡化项目。

京津冀;海水淡化;海水利用;海洋工程

1 引言

京津冀沿海地区属于重度缺水区，地表水和地下水资源均匮乏，但分布着我国的重要工业区，在我国经济发展中占有重要地位。随着“京津冀协同发展”的提出，京津冀沿海地区成为国家发展的重要战略区。经济的发展离不开水资源的保障，开发海水淡化项目是解决缺水问题的重要手段。本文综合分析京津冀沿海取水适宜性，为海水淡化取水适宜区的选择和工程开发利用提供技术参考。

2 海水淡化取水注意事项

海水淡化取水的位置和形式对于工程项目十分重要。取水位置应具有海床稳定、泥沙冲淤变化较小、取水口地段水质好、漂浮物和泥沙少、施工简单和运行管理方便等条件，一般应考虑的主要方面包括［1－2］:

(1)取水口位置应具有良好的地质、地形条件。取水构筑物应设在地质构造稳定、承载力大的地基上，不宜设在断层、滑坡、冲积层、风化严重和岩溶发育地段。在地震区，不宜将取水构筑物设在过陡的岸边或山脚下，也不宜设在宽广的海漫滩上;尤其是作为安全厂用水的建筑物，必须满足抗震Ⅰ类的地质条件，一般应建在基岩上。

(2)取水口位置应保证有足够的水深条件。一般需要满足低潮位时水深条件不小于2.0 m。

(3)取水口位置和形式应考虑波浪的影响，尤其是在一些基岩岸段和远海取水，取水构筑物易受波浪侵袭。因此，基岩海岸较为适于采用岸边式取水构筑物，或采用水泵吸水管直接深入海岸边取水，从而避免波浪对泵房的侵蚀。有些滨海核电厂采用建设防波堤和码头的方式，有些采用港池取水的方式，使取水口朝向避开最大波浪的方向［3］。

(4)取水口位置应选择在水质较好、水中漂浮物和泥沙较少的地段，也应避开潮流过急产生严重冲刷的地段，切忌在岸边缓流区、死水区及回流区内布置取水口［1，4］。

(5)北方地区应考虑冰凌的影响，在布置取水口时应重视海域冰凌特有的水文特征。

(6)选择取水构筑物位置时还应考虑施工条件，要求交通运输方便，尽量减少土石方和水下工程量。因在现有条件下水下施工不但施工困难、费用高，而且往往受施工单位条件资质的限制。

3 我国海水淡化取水存在的问题

根据我国现有的工程案例，海水淡化取水存在的主要问题是取水水体中含沙量太高，从而影响海水淡化。

如，秦山地区滨海核电厂厂址在杭州湾海域，杭州湾海域含沙量较大，一旦汽轮机停运、循环水泵停止，由于安全厂用水水量小，在取水和泵房管道系统会产生大量泥沙沉积，直接影响安全厂用水系统的正常运行。秦山核电厂一期工程投产运行后即发现2个问题:①运行1～2个月后，取水口有大量泥沙淤积，低潮位时无法进水，只能改建;将原取水口进水管渠延伸到海中，管渠断面2.8 m× 2.8 m，延长70 m，改建后才能保证取水。②由于循环水和安全厂用水为合并系统，当循环水泵停运后，安全厂用水系统泥沙淤积严重;为确保安全厂用水系统正常运行，只能将循环水系统间隔运行，循环水量不经汽机厂房，通过切换阀门从排水口排走。

又如，田湾核电厂一期工程取水区海域海岸为淤泥质沙滩，是沙质岩石和泥质海岸的交汇地带，处于冲淤平衡而局部略有冲刷趋势，泥沙运动主要靠风浪掀沙、潮流输沙。厂区设置的加氯系统投加氯到头部取水口，由于距离长(约3.0 km)导致加氯不均、效果较差，此外隧洞里附着很多海洋生物、清理困难。取水明渠和隧洞由于长时间小流量运行，致使取水明渠、取水构筑物和隧洞产生大量的泥沙淤积和生物附着，影响供水安全［1］。

4 京津冀沿海地区海水淡化现状

4.1 海水淡化分布

京津冀沿海地区海水淡化利用项目分布情况如图1所示。唐山、沧州和天津沿海有海水淡化厂，秦皇岛没有海水淡化利用项目。

图1 京津冀沿海地区海水利用项目分布

图1 中:1为河北国华沧东发电有限责任公司海水淡化项目;2为天津北疆电厂海水淡化项目;3为唐山曹妃甸阿科凌海水淡化项目;4为首钢京唐钢铁联合有限责任公司海水淡化项目;5为河北大唐国际发电有限责任公司海水淡化项目。

4.2 取水现状

河北省现有的海水淡化项目的取水位置均位于港池内，港池取水具有取水水深条件好、取水工程造价相对较低的特征。天津海水淡化取水位置在等深线约0 m的浅水区，取水方式采用建设引潮汐池、同时布置海上沉淀池的方式。

4.2.1 国华电厂海水淡化项目

国华电厂海水淡化项目取水地点为沧州黄骅港港池，取水方式为岸边式取水，取水地点为港池，利用港区的深水条件建设取水泵房，取水规模为8.13亿m3/a，其中海水淡化取水为0.63亿m3/a、海水直接利用取水为7.5亿m3/a，单日取水量为222万m3/d。取水水质符合3类海水水质标准，平均悬沙含量约为45 mg/L。海水淡化的淡化工艺为低温多效蒸馏，蓄水池容量为3 200 m3、吨水电耗为1.2 kW·h/t，日实际产水量1.5万 m3/d，产水率43%，用水类型为直接用于工业用水和生活用水。4.2.2 阿科凌海水淡化项目

阿科凌海水淡化项目的取水地点为曹妃甸1号港池，取水方式为引潮沟岸边式取水。淡化工艺为反渗透膜法，取水量为0.46亿m3/a，蓄水池容量为2 400 m3，能源类型为电力、吨水电耗为4.34 kW·h/t，日实际产水量1万 m3/d，产水率46%，浓盐水排放方式为排入化工厂制碱。这种小型引潮沟岸边式取水的水质和水量有保障，同时取水泵房布置在岸上，有效保护泵房免受波浪的侵蚀。

4.2.3 首钢京唐钢铁联合有限责任公司海水淡化项目

该项目的淡化工艺为低温多效蒸馏，取水地点为曹妃甸港池，取水量为120.27亿m3/a，蓄水池容量为12 000 m3，能源类型为电力和蒸汽、吨水电耗为0.9～1.2 kW·h/t，水源地单日取水量为329.5万m3/d。浓盐水约50%排入盐场制盐，其他排入邻近海域。

4.2.4 京唐港海水淡化项目

河北大唐国际王滩发电有限责任公司海水淡化项目的取水方式为岸边式取水，取水地点为京唐港3号港池，直接利用京唐港3号港池的部分岸段作为取水区。这种取水方式的水质和水量得到保证，同时取水工程建设费用相对较低。海水淡化工艺为低温多效蒸馏，取水量为0.06亿m3/a、日实际产水量7 200 m3/d、产水率45%，用水类型为直接用于工业用水。海水直接利用为直流冷却，取水量为12.61亿m3/a、单日取水量为347万m3/d。

4.2.5 天津北疆电厂海水淡化项目

天津北疆电厂位于滨海新区东北部原天津市汉沽区境内的渤海湾西北湾顶，取水工程的海水补充水量约为18 m3/s、155万m3/d。电厂取水安全关键技术包括保证流量和水质、取水工程防淤减淤措施。取水方式采用沉淀池方案(图2)，取水口位置在0.3 m等深线附近，离岸距离约3.5 km。沉淀池方案［5］即正常运行工况由一级沉淀调节池闸门涨潮自流进水，在连续低潮位时还可由泵提水;一级沉淀调节池有效容积约456×104m3、可连续供水约95 h，二级沉淀调节池有效容积约337×104m3、可连续供水约70 h。这种取水方案工程投资大，适合大型海水淡化取水工程。

图2 沉淀池方案

5 京津冀海水淡化取水适宜性

通过以上综合分析可知，保证海水淡化取水的水质和水量是取水口选址的关键。保证取水的水量需满足水深条件，一般水深位于2 m等深线以外时取水可保证大型取水水量要求;如果直接在海上建设引潮蓄水库，取水口水深应位于0 m等深线以外。

根据国内外取水现状，水质的含沙量是控制取水的关键。淤泥质海岸水体中含沙量偏高，需要对海水进行复杂的澄清处理;砂质和基岩质岸滩水体中含沙量偏低，采取简单处理或不处理就能直接淡化。

5.1 水深条件

京津冀沿海地区的海洋水深条件如图3所示。可以看出除港池以外，沧州、天津、大清河河口以西唐山海域的2 m等深线距离岸线非常远，其中沧州至唐山沙河河口之间海域的2 m等深线离岸约10 km，沙河河口至曹妃甸之间海域的2 m等深线离岸4～9 km，曹妃甸至大清河河口之间海域的2 m等深线离岸约9 km。在保证取水安全的条件下，采用引潮蓄水的取水工程须至少建设到离岸3 km外，而建设这种远距离取水工程的成本非常高，不适合小中型海水淡化项目。

大清河河口以东海域除滦河口海域2 m等深线离岸小于2 km，大部分海域离岸1 km范围内水深就可达2 m，且岸滩类型主要为砂质，建设取水工程的造价低，适合各种规模海水淡化项目的建设。

图3 京津冀海域2 m等深线分布位置

5.2 含沙量特征

京津冀海域水体含沙量为0.6～163.9 mg/L，大清河以东海域海水含沙量较低，唐山丰南至南堡海域最高，沧州海域次之。各站大、小潮期含沙量的差别较小，近岸含沙量小潮期高于大潮期、远岸含沙量小潮期低于大潮期。渤海湾顶含沙量较高，秦皇岛海域悬沙含量最低。水深较浅、底质中细颗粒较多的海域风浪扬沙作用非常明显，尤其是沧州、天津和大清河以西海域;风浪作用下淤泥中的细颗粒扬起，水体中泥沙含量非常高，尤其是沧州海域水体浊度较高。

2015年对沧州国华电厂进行调查发现，影响取水水质的主要指标是泥沙和悬浮物。由于沧州海域地处浅滩，滩面细颗粒粉沙质淤泥在风浪作用下极易被掀扬悬浮随涨潮进入港池;有较大风浪时海水的含沙量和悬浮物较高，历史上附近海域含沙量曾达到2～4 kg/m3、平日为0.2～0.4 kg/m3。因此，沧州国华电厂为保证取水水质，引进一套海水预处理设备，一期工程海水预处理选用混凝沉淀处理工艺方案，选择威立雅公司提供的一体化高效混凝沉淀设备，海水净化处理能力为10万m3/d，出口水质可满足海水淡化设备入口水质要求。河北国华沧东电厂海水淡化项目自工程投入营运到2012年12月底，未发生事故、障碍和操作失误等不安全现象;所有淡化设备基本处于满负荷营运状态，绝大多数机组处于满负荷营运状态;日产20万t的淡化设备同时运行，目前负载率在95%～100%，淡化水全部符合淡水质量要求。

大唐国际发电有限公司取水区位于唐山京唐港3号港池，由于周期性涨/退潮，海水中夹带大量泥沙，浊度变化较大，最高达90 NTU即含沙量约110 mg/L，浊度通常在10～15 NTU，但该区最大含沙量明显小于沧州海域。河北大唐王滩电厂海水淡化采用反渗透法，海水预处理工艺为自清洗过滤器+超滤(UF)。经过多年运行，整个水处理系统十分稳定，充分满足王滩电厂的生产要求。UF和SWRO系统清洗频率皆保持在一年一次，系统中所选用的SWRO和BWRO膜元件经过2年多运行，标准化脱盐率分别保持在99.4%和99.3%以上［6］。

6 海水淡化工艺适宜性

6.1 海水淡化进水要求

6.1.1 蒸馏法海水淡化

蒸馏法海水淡化主要包括多级闪蒸工艺和多效蒸馏技术，也是目前应用最广的蒸馏法海水淡化技术。

多级闪蒸工艺由于操作温度高，系统中结垢和腐蚀的风险较大，其预处理工艺一般采取加酸、脱气以降低风险;如，天津大港发电有限公司多级闪蒸淡化装置即直接取用含沙量很高的独流减河水，加酸、脱气后再进入多级闪蒸装置。根据《火力发电厂海水淡化设计规范》(GB/TDL 98—2010)，多级闪蒸蒸发器对进水水质无特殊要求。

多效蒸馏技术淡化工艺主要考虑悬浮物的影响，不同厂商的要求不尽相同。如，黄骅电厂海水淡化系统在设计时按照法国SIDEM公司基本设计的要求，进入多效蒸馏装置的海水含沙量和悬浮物不超过300 mg/L，建议最好小于50 mg/L;由于进口原海水的浑浊度有时高达2 000～4 000 mg/L，为保证淡化装置正常运行和建设设备清扫工作量，最后设置海水预处理系统。天津北疆电厂的海水淡化系统按照IDE公司要求，进入多效蒸馏装置的海水含沙量和悬浮物不超过25 mg/L，因此该厂也采用与黄骅电厂类似的预处理工艺。根据海洋行业标准《蒸馏法海水淡化工程设计规范》(HY/T 115—2008)的规定，进入蒸馏法海水淡化装置的海水悬浮物含量小于50 mg/L;对于悬浮物含量较低的海水一般不需要进行复杂的预处理，对于悬浮物含量较高的海水，如渤海湾等地区的海水悬浮物含量高且随季节变化大，需要进行预处理。

与低温多效相比，多级闪蒸工作温度高，需对海水进行加酸脱气等预处理，设备腐蚀及结垢较严重，费用相对较高;同时多级闪蒸设备的调试相对复杂，运行负荷调整范围小，设备腐蚀造成泄漏易造成产品水的污染。低温多效蒸馏技术的主要动力为低品质蒸汽，非常适合有低品质热源的地区。

6.1.2 反渗透法海水淡化

使用反渗透法海水淡化需要对海水进行预处理。因为海水中悬浮物、胶体物质和可溶性有机高分子聚集在膜表面会使膜受到污染，微生物和细菌会使膜受到侵袭，微生物和细菌的残体还会以固体形式析出使膜性能变坏，水的温度、pH值、余氯含量、压力等参数的劣化会引起膜水解、氯化，由溶质引起的膜结构变化还会导致膜的透水率下降。通过预处理去除海水中的悬浮物、有机物、胶体物质、微生物、细菌及某些有害物质(如铁、锰、钙等)，可以减缓膜污染，延长膜的寿命，保证反渗透系统长期稳定运行［7］。根据《火力发电厂海水淡化设计规范》(GB/TDL 98—2010)，反渗透海水淡化进水要求中规定pH值、浊度、污染指数、游离余氯、铁等。

反渗透法海水淡化在海水水质条件较好的地区比较适用。如，沧州海域冬季水温很低，水质较差，悬浮物、微生物及油污污染等不易控制，使用反渗透工艺会使海水预处理及水质管理的工作量增加;而热法海水淡化产品水水质较高，可节省大量的再次水处理的工作量，因此沧州地区适合采用热法海水淡化工艺。

通过以上综合分析可知，蒸馏法和反渗透法海水淡化各有优劣。蒸馏法海水淡化需要蒸汽，必须与电厂或钢厂配套建设，对水质要求较低;低温多效淡化技术对海水要求较高，需要对悬浮物含量进行适当处理;多级闪蒸技术对进水水质无特殊要求，但设备费用较高、淡化工艺复杂、淡化水安全性较低。反渗透法海水淡化对水质和水温均有要求，适合水质条件较好的区域。

6.2 京津冀沿海地区海水淡化工艺适宜性

根据京津冀海域的海洋环境地质条件，沧州、天津和曹妃甸以西唐山沿海地区和唐山曹妃甸以东至大清河口沿海地区(港池除外)适合建设大型淡化项目，淡化工艺适合低温多效蒸馏法淡化技术，海水取水工程适合采用引潮沟沉淀池法。引潮沟直接建设到0 m等深线以外，利用涨潮蓄水，并对潮沟内海水进行沉淀处理，可采用天津北疆电厂沉淀池方案。

唐山菩提岛和月岛在淡化用量不大的情况下可采用浅井式取水进行海水淡化，淡化工艺可采用反渗透法，占地面积小，不需要蒸汽;龙岛以南离岸较近分布有深水区，适合各种规模的海水淡化，适宜工艺反渗透法。

大清河以东至山海关沿海地区(港池和滦河口除外)2 m等深线离岸较近且水质条件较好、水体中含沙量较低，适合各种规模的海水淡化，淡化预处理可采用自清洗过滤器+超滤(UF)，适宜取水方式为挖槽埋管取水，泵房建设在岸上，采用引水管取水。

7 结论

通过以上综合分析可知，影响海水淡化取水的关键因素是水深和悬沙含量。在水深和悬沙条件均较差的情况下，如果必须建设海水淡化项目，因项目取水工程投资较大，适合建设大型海水淡化项目。从海洋自然属性角度出发，沧州和天津沿海地区、唐山大清河口以西唐山沿海(曹妃甸除外)属于淤泥质海滩，水浅坡缓、深水区离岸远、风浪作用下水体中泥沙含量高，适合开发大型(＞10万m3/d)海水淡化工程，取水方式适宜在海上建设沉淀池、采用潮汐式取水;大清河口以东近岸海域大部分属于砂质岸滩，深水区离岸较近、水质较好，适宜各种规模的淡化工程，取水方式可采取开挖埋管道的形式;沿海海港码头工程岸段由于水深条件较好，适合各种规模的淡化取水。

淡化工艺方面，蒸馏法海水淡化需要蒸汽，必须与电厂或钢厂联产;反渗透海水淡化对水质要求较高，在水质条件较差水域更适合使用蒸馏法海水淡化。因此，大清河以西京津冀海域(港池除外)适合蒸馏法海水淡化，大清河以东海域适合蒸馏法和反渗透法海水淡化。水体含沙量偏高的水域需采用复杂的预处理工艺，如沧州和天津沿海地区海水淡化可采用高效混凝沉淀设备，但要考虑占地面积;悬沙含量相对较低的海域，如唐山大清河口以东沿海地区海水淡化可采用自清洗过滤器+超滤，设备投资少、占地面积小。

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The Suitability of Desalinated Water Intake in Coastal Areas of Beijing，Tianjin＆Hebei

ZHU Qin1，ZUO Liming1，SHAN Ke2，MA Wang1

(1．Hebei Province Hydrogeology Survey Institute，Shijiazhuang 050021，China; 2．The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization，Tianjin 300192，China)

In order to study the suitability of desalinated water intake in coastal areas of Beijing，Tianjin＆Hebei region，detailed investigation was carried out on the desalination project and marine geological environment in coastal areas of Beijing，Tianjin＆Hebei，current situation of sea water utilization of our country was also comprehensive researched．The results showed that:from the perspective of marine natural property，coastal area in Cangzhou and Tianjin is muddy beach，the water is shallow and slope slow，deep waters are far offshore，the sediment concentration is high in the water body under the action of wind and waves，which is suitable for the development of large(＞100 000 m3/d)desalination project and construction of settling ponds，by the tidal water．Coastal inshore areas on the west of Daqing river estuary of Tangshan belong to the muddy beach，sediment in deep waters is far offshore，the water content is high-er，which is suitable for the development of large(＞100 000 m3/d)desalination project．Most of the nearshore on the east of Daqing river belong to sandy along seashores，deep waters are close to shore and the water quality is good，which is suitable for all sizes of desalination project，buried pipeline can be used to gather sea water from the deep sea．The sections of coastal port engineering is suitable for project construction of all sizes，due to the good deep water conditions．

Beijing，Tianjin＆ Hebei，Seawater desalination，Seawater utilization，Oceanographic engineering

P74

A

1005－9857(2017)02－0070－06

2016-10-20;

2016-12-19

河北省科技计划项目“河北省沿海海水淡化水源地选划关键技术研究”(16273102D).

朱琴，工程师，硕士，研究方向为海洋地质，电子信箱:zhuqin1005@126.com