西部大开发与西北给水工程建设中的几个问题

    一、西北的水资源状况

    西北地处干旱、半干旱地区，降水量少，蒸发量大，水资源十分贫乏。水资源包括地表水资源和地下水资源两大部分。地表水资源以地表水体的形式存在，包括河流、湖泊、冰川和沼泽。地表水的资源量通常用地表水的动态水量，即河川径流量来表示。很明显，河川径流是按河流水系来划分的。根据我国河流水系的自然特点和水资源的管理分类，习惯上把全国划分为七大流域片。西北包括在黄河和西北内陆河流域片之内。对于地下水资源，由于它与地表水补给关系密切，也大致按河流水系的流域划分来进行评价计算。西北水资源有以下四个明显特点：

    1、一是资源总量少，时空分布不均

    根据多年统计资料，黄河平均天然年径流量为580亿立方米，仅占全国河川径流量的2%，为长江年径流量的二十分之一。按1990年的人口计算，流域内的人均水量为593立方米，是全国人均水量的四分之一。应该指出，我国水资源相当短缺，是世界上十三个贫水国家之一。我国的人均水资源占有量为2300立方米为世界平均水平的四分之一。如果按这个只有世界平均水平十六分之一的数字来进行评价，黄河流域水资源量的匮乏就可想而知了。黄河流域的地下水储量也很少，全流域可开采储量不到200亿立方米，主要分布在宁蒙平原，汾渭盆地和花园口以下的一些小流域。

    西北内陆诸河的年径流总量为1092亿立方米，平原区的地下水资源量为777亿立方米。由于区内人口稀少，平均人口密度不到9人/平方千米，其人均水量数字可观，为4833立方米，但按综合指数分析，资源量也十分短缺。时空分布不均在黄河流域表现得十分明显。河川径流和地下水资源多依赖于降水。暴雨季节，降水集中，江河横溢；干旱时期雨雪稀少，河干井枯。黄河流域年平均降水量466mm，降水在空间上的分布很不均匀。降水量最多的秦岭北坡，年降水可达800mm，防水较少的宁蒙河套平原，年降水量仅200～300mm，特别是杭锦后旗到临河一带，年降水量不足150mm。降水的年内分布更不均衡，7、8、9三个月雨水倾注而下，降水量可以达到全年的60%以上。不仅大量的水流挟带着滚滚泥砂白白流失，还造成了下游地区的无穷水患。

    西北内陆河地区降水稀少，也极不均匀。其地域分布是山区多于盆地，盆周多于中央。

    山区年降水量为200mm～700mm，盆地、走廊和高原的降水量仅为25mm～300mm。在年内分配上，夏季最高，占40～70%，冬季最少，仅为1～10%。

    防水和水资源在时间分布上的不均衡，加大了水资源利用方面的难度，水资源在地域分布上的差异，则给土地开发和城市发展增加了更多困难。

    2、第二特点是开发利用率较高

   以黄河为例，流域内已建成的各类水库有3000多座，总库容570亿立方米，与黄河的年径流量相当。黄河上的引水工程已达4500余处，提水工程2万余座，平均耗用水量达到303亿立方米，占黄河径流量的53%。流域内年开采地下水资源80～100亿立方米，在诸如西安、呼和浩特等城市，地下水已严重超采。地下水的长期严重超采，使西安深层地下水位下降了50多米，造成大面积的地面沉降和长达33km的地裂缝，形势相当严峻。

    3、第三个特点是西北的许多城市水资源紧张

    由于经济发展缓慢，西北的城市数量不多。到1993年底，仅有城市55座。这55座城市中，就有20座城市缺水。城市缺水按其缺水性质可分为资源性缺水，工程性缺水和水质性缺水三大类型。资源性缺水（一类缺水城市）主要是指当地水资源短缺，城市发展已超过当地水资源的承载能力，必须跨流域引水才能解决问题。西北地区的一类缺水城市有乌鲁木齐、西安、金昌、东胜等8座。工程性缺水（二类缺水）是指当地水资源尚能满足城市发展需要，但供水工程建设滞后，造成城市供水不足。二类缺水城市有哈密、酒泉、渭南等12座。第三类缺水城市，即水质性缺水主要是由城市供水水源的水质问题而影响正常供水，需要调整水源工程的。像西宁就是因为湟水水源污染严重，除了民和断面外，其他各断面均达不到一般工业用水的水质标准而影响供水。据统计自1984年以来，西宁城市供水因受水质影响，其第二水源被迫停止供水已达10次以上。

    城市缺水已经对区域经济发展带来了很多不利影响，随着西部大开发战略的实施，今后对水资源的需求将更加紧迫。据测算，2000年，西北缺水城市的需水量将达到50亿立方米，今后10年，按照不低于全国年递增率3.5%的增长数字计算，预计将达到60亿立方米～70亿立方米，缺水率将达到70%，而到2010年，我国将进入严重缺水时期。全国可供水总量为6670亿立方米，缺水达318亿立方米，因此对西北城市缺水率达到70%的数字决不能轻视，必须未雨稠缪，在资源利用和工程建设上采取一系列措施。

    4、第四个特点是污染威胁加大

    黄河流域污染严重，最近的污染调查表明，黄河干流的年纳污量达到98.5万t，其中COD91.5万t，氨氮6.02万t，挥发酚485t，石油类1663t，氰化物54.1t，总铅1373t，总汞2.97t。黄河全流域每年排入黄河的废、污水总量已达到41.7亿k立方米，比90年的32.6亿立方千米增加了30%，比80年代初增加了1倍以上，在实测污水中工业废水排放量占48.3%，生活污水占7%，混合污水占44.5%，废、污水主要来自西宁、兰州、银州、包头和西安、宝鸡等大中城市，根据近年来的水质监测评价资料，在黄河干、支流中，属Ⅰ、Ⅱ类水体的不到14%，Ⅲ类水体占17%，Ⅳ类占34%，Ⅴ类16%，劣于Ⅴ类的已达到18.7%。

    黄河干流水质每况愈下，兰州、包头两个污染河段水质污染加重。兰州段的石油类污染未能有效控制，水质长年处于Ⅳ类，包头段耗氧有机污染明显上升，枯水期已不能满足城市供水要求。原来水质较好的陕西潼关段，水质也明显下降，近10年来，潼关段的氨氮平均浓度增加3倍以上，水质常年处于Ⅳ类。

    支流污染更为严重，除大夏河、洮河、大通河水质尚好以外，其他支流都不同程度地受到污染。其中湟水西宁以下，渭河宝鸡以下，大黑河呼和浩特以下水质基本处于Ⅳ～Ⅴ类，部分河段已劣于Ⅴ类。一些小支流，如包头附近的昆都仑河等，已变成当地的排水沟了。支流的主要污染物是氨氮、酚和COD等。

    西北内陆河的55条河流、8个湖泊水库，属Ⅰ、Ⅱ类水质标准的占88%，Ⅳ、Ⅴ类水质标准的河长仅占10%，这说明西北内陆河地区水质基本良好。

    二、区域性大型引水工程

     从西北水资源的状况分析可知，西北地区的缺水状况，特别是区域性缺水形势还相当严峻。为解决区域性缺水问题，目前正在建设或规划建设一批大型引水工程，现简要介绍如下：

     1、新疆引额供水工程

    这是一个外流域的引水工程，主要解决以乌鲁木齐为中心的天山北坡经济开发带，北疆油田等地域的城市供水问题。天山北坡经济开发带处在准葛尔盆地边缘，属大陆高寒干旱地区，水资源贫乏。该区66.3亿立方米的水资源量不能满足当地经济发展需要，需要从流向西北的额尔齐斯河引水。引额供水工程将在额尔齐斯河干流上修建635水利枢纽和喀腊塑克水利枢纽，以调控中游以上33.8亿立方米的年径流，实现近期引水6亿立方米，2020年引水18亿立方米的目标。引额供水一期工程包括三个部分。一是水源工程63.5综合枢纽。枢纽的正常高水位为640m，库容1.86亿立方米，坝高55m，水电装机3.2万KW，引水总干进水闸设计流量90立方米/s。二是635枢纽至乌鲁木齐猛进水库的输水工程，输水设计流量40立方米/s，一期10立方米/s，加大流量15立方米/s，三是乌鲁木齐的终点调节水库。已建的猛进水库为尾端水库，新建水红沟水库、500水库为配换水的龙头水库，引水工程完成后，将为北疆的经济发展提供可靠的水资源保证，意义重大，引水工程还将引导地区的工程建设布局，因乌市原市区的用水点高程高于引额供水终点高程。2000年以后，新建项目将向昌吉、阜康方向发展，并按低高程分布，以尽量接近新水源。

    2、南水北调西线工程

    为加快西部大开发战略的实施，改善生态环境，应尽快建设南水北调的西线工程。西线南水北调工程是解决西北地区干旱缺水问题的根本措施之一，也是为黄河流域和华北等地经济发展提供水源保证的有效途径。西线的南水北调工程将从大渡河，通天河，雅砻江引水到黄河上游。工程将以穿山隧道的形式穿越巴彦喀拉山，向黄河引水195亿立方米。其中大渡河需泵站提升，通天河到雅砻江可以自流。以上三项工程均需建设175～300m的枢纽高坝和长度为40m～300m的隧洞工程的砼土量约2500万方，规模巨大。西线南水北调工程目前正处在前期准备阶段。

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    三、重要中心城市的引水工程

     除兰州、银川外，西北的其他省会城市如西安、西宁、呼和浩特都严重缺水，现对西安和西宁的引水情况简介于后。

    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为主要目标，兼顾农灌发电和防洪等综合效益的大型引水工程，全部工程包括金盆水库枢纽工程，城市供水工程和灌溉工程三大部分。金盆水库座落在渭河支流黑河的峪口处，以130m高的粘土心墙砾石坝造成2亿立方米的水库库容，每年供给西安城市用水3.05亿立方米，城市供水工程包括引水渠道、曲江池水厂、南郊水厂和市区管网配套工程。引水渠总长118.6km，将田峪，石砭峪等水库都作为调节水源。沿途各水库水源加上石头河来水，供水水量可达53.4万立方米。黑河的净水厂包括已建成的曲江池水厂和在建的南郊水厂其总规模为110万立方米/日。

    2、西宁市黑泉水库供水工程

    黑泉水库工程在青海大通县境内，距西宁75km，在湟水支流北川河上游建库，总库容1.7亿立方米，是一个以城市供水和灌溉为主，兼顾防洪、发电的大型综合水利工程。水库枢纽为砂砾石钢筋砼面板堆石坝。坝高101.4m，坝长450m，调节库容1.32亿立方米，枢纽静态投资2.6亿元，该工程在2010年前以调节流量为主，2010年向西宁市供水，供水量为37万立方米/日，城市供水管道工程自大通峡门引水口至西宁第六水源地，线路总长8km，采用低压双排输水管道，设计引水流量7.35立方米/s，最大引水量10亿立方米/s，城市供水管道工程静态总投资4086万元。

    四、中小城镇的给水工程问题

    西部大开发将以城市化和城市建设为重点向前推进。加快中小城市建设，推进城市化进程，是西部经济发展的一个基本战略。那么在中小城市蓬勃兴起，乡镇建设迅速发展的西部开发格局，给水工程建设应当以一个什么面目出现呢？笔者认为：

    第一，要强化常规工艺的各个环节。

    实现工程建设节约资金和工程运行‘三降两提高’的发展目标。经过多年实践，我国特别是我们西北的给排水工作者已经掌握了一套强化各净化环节的先进技术。我们完全可以将这些先进技术有效地组合起来，因地制宜地用于各种不同水质类型的净化工程。例如对常规的混合，我们可以用‘旋网’管道混合器来强化宏观传递，改善微观传质。高效能地完成混合过程。这不仅可以节省基建费用，还可以减少能耗，降低药耗，实现混合过程的管道化。使混合工艺更加简便、灵活。

    再例如反应，可以用网板反应器来强化反应过程，从而缩短反应时间，提高反应效能。网板反应技术是西北市政院在七十年代的一项发明，网板反应基于以下原理：

    ①水中与絮凝体处于同一数量级的微小涡旋运动是絮凝反应的推动力量；

    ②在反应池中设置网板，调整了反应池的流动状态，改善反应池中的无规大涡湍流运动，形成较为有秩的网后水流流动场。在网后水流的湍流场中，湍流的涡旋尺度大大减小，微涡旋比例逐步提高，絮体颗粒的接触碰撞大大增强；

    ③在网后流场中将出现各向同性湍流。各向同性湍流能对絮凝体产生各向均等的揉动作用力，把絮体制作得更加均匀密实，便于沉淀；

    ④对于不同水质和不同的反应阶段，可以通过在过水断面上科学地布设不同规格的网板来控制其湍流强度，以达到强化反应之目的。经过二十多年的实践运用，证明网板反应技术原理科学，设备简单，性能优异，能够大大提高反应效率。许多水厂由于使用了网板反应技术，反应时间已从传统的30分钟缩短至5～10分钟，降低了造价，降低了成本。

网板反应技术还可与旋网管道混合器配合，可以实现混合反应工艺的管道化。为混合反应工艺的工厂化生产提供了条件。

    其他如沉淀、过滤工艺都可以强化。近年来的高密斜管池，多层滤料滤池，都不同程度地提高了沉淀过滤效能，再如西北市政院与铁院联合研究的沸石过滤技术，还能有效地去除微污染。将这些强化工艺环节的各种技术，科学合理地组合起来，就能大大降低工程造价的运行费用。使西北中小城镇的水厂建设能够在资金不够宽裕的条件下建得成、用得起，收到少花钱，多办事的效果。

    第二，要以高效节能的专用净化设备代替传统的净水厂，实现给水工程各工艺环节的工厂化、系列化生产。

    改变以往水厂建设搞现场施工，周期长、造价高，施工安装质量难以保证的旧模式。在城市化发展进程中，水要先行，必然会遇到城乡水厂建设“量大、面广”的问题。由于城镇水厂的供水规模都比较小，要保证每个小水厂的建设要都能做到水平高，质量好，必须走工厂化生产的路子，因为只有实现了水厂专用设备定型化的工厂生产，才能从产品设计、加工制造等各个环节实现质量的有效控制。也才能从规模效益中降低成本，保证水厂建设的物美价廉。我们希望行业的有识之士与我们共同合作，针对西北的不同水源条件，设计制造一批工艺流程多元化，产品规格系列化，专用设备定型化的成套净化系统，发展我们西北的给水工业生产。

    第三，要以改善水质和扩大水资源的利用为前提，加大技术创新，研制和采用先进的净水工艺。

    西北城乡分布着大面积的微咸水，许多地表和地下水也都遭受到不同的污染，对这些潜在的给水资源，用常规的处理办法往往难以奏效。我建议，大胆研制和使用膜法处理技术，让膜技术参加到西部大开发的净化队伍中来。膜技术不仅可以扩大乡镇的给水资源，能够就近取水，而且可使出水水质得到充分保证。近来膜技术发展很快，价格也大幅下降，在荷兰，近五年来每平方米超滤膜价格已降至原来的1/5，预计很快将降至1/20，微滤和常规净水工艺的成本已经很接近了。膜法的技术进步和价格下降的空间常规工艺和深度处理的余地更大。在规模上，原来认为用于日净化水量5000立方米以内较为适宜，最近美国超滤水厂的在建规模已达到10万立方米/日。世界上超滤水厂的能力超过100万立方米/日。其中约2/3是98年和99年建成的，所以，以膜法代替常规处理，特别是在西北水资源短缺，微咸水分布广泛的乡镇，建立膜净化水厂是完全有可能的。当然，用于微咸水的处理要采用纳滤（NF），个别水源也可能要用反渗透（RO）技术。投资上可能增加一些，但却为就近取水创造了有利条件。膜法净化技术是人类与干旱和污染斗争的成果，最早的膜法用于海水淡化和苦咸水的除盐，当1974年美国发现自来水中有66种致癌物质后，人们逐渐了解到水中的有机物已多达2200余种，其中饮用水中就有765种。包括严重危害人体健康的五毒：酚、氰、砷、铬、汞和百余种致癌，致畸、致突变的三致物质。以后又发现了隐性孢子病源体。隐性孢子病原体能穿透滤层，既使将出水浊度降低到0.1NTU，也不能保证没有隐性孢子虫，而膜法却能够截留隐性孢子病原体。使用膜技术不仅能提供高质量的饮用水，而且就其发展而言，膜法的组合应用，还可以部分或全部取代混凝沉淀、过滤消毒这个应用了几个世纪的常规处理技术。可以说膜技术的发展，将引起水处理技术的重大变革。对膜技术的去除机理，目前有很多理论说法。比较有代表性的有筛网效应理论，氢键理论和优先吸附的毛细管流程理论等。按照筛网效应理论的观点，膜技术实际上是一种在压力差推动下的细微孔过滤。充满了微细小孔的膜就象一个筛子，把大于和一些小于筛孔的物质截留下来，从而实现了杂质的分离。根据细微孔的大小，膜技术可以分为反渗透（OR）、纳滤（NF）、超滤（UF）和微滤（MF）等许多种类。反渗透的细微孔在1nm以下，可以截留0.1nm以下的无机离子，小分子，病毒、细菌和隐性孢子虫。纳滤膜的细微孔在5nm以下，可截留部分无机离子以及病毒细菌和孢子，超滤膜的细微孔在5nm至100nm这间，是一种典型的筛滤分离，能去除分子量为300到30万的大分子以及粒径为数纳米至数十纳米的细菌，病毒和胶体微粒。微滤的膜孔径在200nm至1000nm（10μ）之间，可去除20nm的细菌，粘土微粒和粒径在20nm以上的杂质颗粒。应该指出：除筛滤作用外，纳滤和反渗透还有渗滤作用，这是超滤和微滤所不具有的。随着各种滤膜细微孔径的减小，膜技术的操作压力也随之升高，如微滤的操作压力为100kp，超滤的压力则可上升到40kp，对反渗透而言，压力则要上升到2MP至5MP左右。反渗透的去除性能非常优异，但因操作压力过高，限制了它的广泛应用。比较起来，纳滤则更适合于西北干旱地区。纳滤的核心装置是低压反渗透膜。纳滤的反渗透之所以可以在较低的压力下进行，是因为在苦咸水溶液和多孔的纳膜接触时，膜界面上首先形成了由水分子构成的吸附层，这一吸附层厚度与苦咸水的含盐量有关。如果膜的微孔孔径小于或等于2倍的纯水层厚度时，纯水便可在压力作用下不断地通过膜孔流出而将盐类截留在膜外，苦咸水也就完成了它的淡水过程。这就是优先吸附毛细管流程淡化理论。纳滤用于苦咸水的淡化时，可将总含盐量降低50%～70%左右。对三价离子的去除率将高达95%，下列是纳滤净化前后的水质指标情况。

    由表可见，纳滤不仅有良好的去除污染（如TOC）能力，而且在去除硬度和淡化方面也有明显效果。和常规反渗透比较，纳滤的操作压力比较低。在一般情况下，纳滤的操作压力可降至0.5MP～1MP，几乎是反渗透的四分之一，因而其应用前景大大改善。

    纳滤的滤膜孔径较小，易于结垢阻塞。因此，在进行纳膜处理之前应进行预处理，以改善进水水质，延长膜的使用寿命，确保淡水产量和脱盐率的稳定。确保运行费用的降低。一般预处理由微滤和活性炭过滤等环节构成，而且在预处理中要采取措施，防止膜污染的发生。膜污染不仅会使产水率迅速下降。而且将对膜造成损害。正确的预处理设计，也是纳滤工艺取得成功的重要环节，必须引起足够重视。

    总之，膜技术，特别是纳滤技术正在完善之中，我希望省内行业同仁能积极参予这项技术的设计制造与生产应用工作。让纳滤技术能在西北给排水工程的试验研究和应用实践中逐步走向成熟。