沿海地區非常規水資源開發利用方法與策略

王文+楊云+崔巍+張鷺

摘要：總結了幾種主要非常規水資源的開發利用方法及其特點，包括海水淡化、微咸水利用、雨水收集利用、污水回用等。在沿海開發過程中，要充分考慮常規水資源與非常規水資源的綜合利用規劃，以保障水資源的可持續開發利用，并避免后期基礎設施改造帶來的投資浪費。

關鍵詞：海水淡化;污水回用;微咸水利用;雨水利用;水資源;沿海

中圖分類號： F323.213 文獻標志碼： A

文章編號：1002TV213.9-1302（2015）04-0001-04

收稿日期：2014-06-09

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2012BAB03B03）。

作者簡介：王 文（1967—），男，江蘇泰州人，博士，教授，從事水文水資源及水文遙感研究。E-mail：w.wang@126.com。

水資源已經成為制約沿海地區經濟社會可持續發展的重要瓶頸。 與內陸地區相比，沿海地區水資源具有以下特點：（1）處于流域匯流區末端，徑流總量相對較大，但受上游污染影響，地表徑流水質通常較差，尤其是平原地區的中小河流水質問題較為突出;（2）地表水受海洋潮汐作用產生的咸潮影響，地下水含水層往往淡咸交錯，易受海水入侵影響;（3）地貌通常為河口三角洲平原或海積平原，地勢低平，地表蓄水條件差，但同時存在海灣、瀉湖等海洋環境的可蓄水地貌;（4）非常規水資源豐富，海水資源取之不竭，可通過海水淡化的形式轉化為淡水資源，同時地表、地下微咸水資源量巨大，進行低成本處理后可以直接加以利用。沿海地區水資源開發利用方法與其他地區相比有很多獨特之處。沿海地區非常規水資源開發利用方法主要包括海水淡化、微咸水利用、雨水收集利用以及污水回用等。本研究系統討論非常規水資源開發利用方法相關的管理措施及存在問題，以期為保障水資源的可持續開發利用提供參考。

1 海水淡化

海水淡化不受氣候變化的影響，可以作為沿海缺水地區穩定、可持續利用的水源。隨著海水淡化技術的發展，海水淡化成本降低，海水淡化對沿海地區水資源可持續利用的意義越來越重大。

1.1 海水淡化應用現狀

過去幾十年間，各國家的咸水（包括海水、微咸水）淡化設施數量迅速增加。截至2012年6月，全球安裝的咸水淡化設施總生產能力為7 480萬m3/d，2007年為4 760萬m3/d，1963年僅為1 000 m3/d。全世界有150個國家擁有咸水淡化企業，但咸水淡化產能的40%～50%分布在波斯灣周邊國家[1]，很多波斯灣國家的大城市飲用水完全來自海水淡化[2]。2010年以色列海水淡化量為3.07億m3，占全部供水量的20%;2020年該國海水淡化量將增加到8.09億m3，占全部供水量的46%[3]。目前新加坡的海水淡化量約占全部供水量的10%，2060年該比例將達到30%。

1.2 海水淡化技術與成本

目前最常用的海水淡化技術包括反滲透、低溫多效蒸餾2種。低溫多效蒸餾海水淡化技術具有水質好、可利用工廠余熱或低品位熱源等優點，但能耗高。反滲透技術采用足夠的壓力使咸水中的水分透過半透膜分離出來，其能源消耗大大低于蒸餾法。早期的大型咸水淡化廠主要采用蒸餾法進行海水淡化。過去20年中，除了海灣國家，其他地區的淡化工廠絕大多數采取反滲透技術[1]。目前我國反滲透海水淡化綜合產水成本為 5～6元/m3，蒸餾海水淡化綜合產水成本為 6～8 元/m3。國外部分地區反滲透海水淡化綜合產水成本約4～5元/m3，比如以色列平均成本為0.65美元/m3[4]。2012年，中國已建成海水淡化工程95個，日產淡化水總規模達77.4萬t。2015年，我國海水淡化產水將超過220萬m3/d，海水淡化對解決海島新增供水量的貢獻率達50%以上，對沿海缺水地區新增工業供水量的貢獻率達5%以上。

1.3 海水淡化存在的主要問題

海水淡化存在的主要問題之一是能耗較高。盡管過去20年間淡化能耗已經降低了一半以上，但降低能耗仍是海水淡化技術發展的重要目標[1]。同時，發展風能、太陽能、潮汐能、核能等能源形式與海水淡化相結合的工藝與技術也是發展方向。此外，海水淡化廠排放的高濃度海水可能會改變附近的海水鹽度，摧毀或損壞海洋生物棲息地[5-6]。因此，在海水淡化廠建設過程中需要注意對環境的影響，對濃排水進行適當處理并選擇正確的排放方式。

2 微咸水利用與海水直接利用

2.1 微咸水利用

微咸水沒有嚴格的定義，聯合國糧食及農業組織（FAO）將其定義為礦化度1.5～7.0 g/L的含鹽水[7]。沿海地區在地表與地下均有大量因海水入侵而形成的微咸水。沿海蓄淡水庫也常存在水質咸化現象（如浙江省胡陳港水庫），形成大量微咸水。微咸水可以作為低成本的咸水淡化水源[1]。一般采用反滲透技術淡化微咸水。與海水淡化反滲透技術相比，采用微咸水反滲透技術的反滲透膜受生物及懸浮物質的損害較小、能耗較低、不需要復雜的后處理、成本較低。但由于各含水層的水文化學特性不一致，微咸水本身水質不固定，會給淡化處理帶來一定困難，而且由于離海較遠，淡化后的廢水處理較為困難。在一定技術條件下，微咸水水資源也可以直接利用。很多國家都有在不同條件下使用微咸水進行農業灌溉的實例。美國德克薩斯州西部的Pecos河谷8.1萬hm2土地利用平均礦化度約2.5 g/L（最高達6 g/L以上）的地下水灌溉了數十年[8]。印度南部Haryana州9個地區廣泛使用平均礦化度5 g/L以上的微咸淺層地下水進行灌溉，包括咸水直接灌溉、咸水和淡水混灌、咸水和淡水輪灌等3種方式[9]。此外，微咸水灌溉還可被應用于耐鹽作物與不耐鹽作物輪作，用微咸水灌溉耐鹽作物（或其特定生長階段），用淡水灌溉不耐鹽作物[10]。研究發現，利用微咸水灌溉最有利的方式是滴灌[11]。微咸水在我國農業灌溉、水產養殖、冷卻用水以及咸水淡化等方面都有成功應用案例。研究者在黃淮海平原、西北地區等缺乏淡水資源的地區進行了多次微咸水灌溉試驗。1990—2001年天津市靜海縣累計微咸水灌溉面積達58 273 hm2，年最高灌溉面積達8 427 hm2[12]。 目前微咸水應用實踐研究重點在于利用微咸水灌溉的適宜作物、灌溉方式及其與產量之間的關系。

2.2 海水直接利用

海水可以直接應用于工業冷卻用水（包括直流冷卻與循環冷卻）和生活清潔用水。2011年，我國海水直接利用量為604.6億m3，主要作為火（核）電的冷卻用水。海水直接利用量較多的為廣東省、浙江省、山東省，分別為252.1億、182.3億、57.4億m3。我國香港地區于20世紀50年代末開始采用海水沖廁。海水直接利用成本很低，但存在供水設施海水腐蝕與生物附著問題，因此利用海水的同時要開發相關的耐腐蝕材料、防腐涂層、防生物附著等技術。

3 雨水利用

雨水具有無需繳納水資源費的優點，而且在海島上雨水可能是唯一的天然水源。與其他水源相比，雨水水質通常更好，無需進行復雜處理，利用雨水幾乎無任何不良環境影響。

3.1 雨水利用形式

農村與城市的雨水利用形式有很大不同。農村通常是集中收集雨水，用于生活、農業灌溉。農村雨水利用屬于微型水利工程，具有面廣量大、群眾性施工等特點。干旱地區農村傳統的雨水利用形式主要是水窖，濕潤半濕潤地區主要是溝塘。現在的農村雨水利用技術在原有基礎上，一方面采用新的集水技術，另一方面提高雨水的田間利用效率，比如通過地面覆膜、膜側種植等方法將雨水采集與作物種植相結合，實現雨水在田間的直接利用。2010年，我國頒布了國家標準《雨水集蓄利用工程技術規范》（GB/T 50596—2010），對農村地區雨水利用工程的設計、施工、驗收、管理、經濟評價進行了規范。城市雨水利用主要包括2個方面，一是雨水的生活利用，將雨水收集處理后作為非飲用水，用于洗衣、沖廁、家庭綠化、景觀等;二是通過減小不透水面積、地面鋪砌透水磚、增加坑塘濕地等方式增加雨水自然下滲。

3.2 雨水利用現狀

雨水的收集與利用在世界各國非常普遍，其中德國在雨水利用技術水平與普及程度方面最為突出。德國有專門的全國性非政府組織——雨水利用專業協會 （FBR），由地方政府部門、企業與個人共同組成，進行雨水利用技術的開發、推廣、宣傳。當前國外雨水利用技術的主要特征是設備集成化。雨水收集最適合的下墊面條件是各種屋頂（包括農用大棚頂以及城鎮建筑的屋頂）。根據屋頂材料的不同，其徑流徑數一般可達0.7～0.9[13]。很多廠商開發了從屋頂雨水收集、截污、輸送、儲存、過濾、滲透、抽水到控制的一系列產品、成套設備[14]。由于雨量年內分配均勻性差異、雨水水質差異等，國內外在雨水利用技術手段上（雨水儲存容器設計、雨水截污與過濾裝置、施工技術等）存在一定差異[15]。

3.3 國內外雨水利用管理

各國對雨水利用普遍采取各種鼓勵或刺激政策。在德國，很多城市征收雨水排水費。比如波恩對1 m2屋頂及周邊封閉區域每年征收約1.8美元的排水費，如果采取措施收集雨水或將其滲入地下，就可以減收雨水排水費[13]。德國很多城市還采用資助、補貼的形式鼓勵市民修建集雨箱、地下水入滲井。1994年，在德國Osnabruck每戶可以得到600～1 200美元的資助，用于修建集雨設施，如果將收集的雨水用于補給地下水，還有3美元/m2的進一步補貼[13]。英國、美國、澳大利亞、日本等許多國家的很多地區也采取了類似政策。澳大利亞悉尼市根據建筑面積大小，征收40.96～1 820.46澳元的雨洪服務費，對于有雨水收集設施的建筑，可以減收相關費用。美國西雅圖市、威斯康星州等地區對購買集雨桶的居民給予補貼[14]。有些國家、地區甚至將雨水收集設施的建設作為強制建筑標準。印度有20多個邦在2002年以后立法強制要求將雨水收集設施作為新建大型建筑的組成部分。也有相反的情況，美國有些州（科羅拉多州、猶他州及華盛頓州）規定雨水屬于州有財產，個人在未得到相應水權的情況下不得收集雨水，這種限制雨水收集的政策非常罕見。我國目前尚沒有全國層面的關于城市雨水資源化利用的強制性規定，盡管一些政策法規鼓勵、推廣雨水收集利用。但很多城市制定了地方性的強制性雨水利用規定。北京市《關于加強建設工程用地內雨水資源利用的暫行規定》規定：新建、改建、擴建工程（含各類建筑物、廣場、停車場、道路、橋梁和其他構筑物等建設工程設施等）均應進行雨水利用工程設計建設;2007年，江蘇省南京市頒布的《城市供水和節約用水管理條例》規定，規劃用地面積2萬m2以上的新建建設項目，應當配套建設雨水收集利用系統。

3.4 雨水利用的意義與存在問題

雨水收集利用不僅可以作為1種供水措施，解決部分生活用水和生態用水問題，還可以作為1種防洪措施，減輕暴雨對城市排水系統造成的壓力，降低城市洪水風險[16]。當地震等因素破壞公共集中供水設施時，收集的雨水可以作為分散的應急水源滿足應急用水需要[17]。雨水利用存在的問題包括以下幾方面：一是雨水往往具有季節性與隨機性，可靠性比較低;二是雨水存貯設施的容量通常很小，供水量有限;三是如果在人口稠密的城區將珍貴的土地用來儲存雨水，其成本非常高，如果要對已有建筑進行改造以適應大規模雨水收集要求，成本會更高[18]。因此，對于沿海新開發地區，比如新的灘涂圍墾區，應做好規劃，在建筑設計與市政規劃中，預先考慮雨水利用的建筑設計需要。

4 污水回用

污水回用是指城鎮污水經處理后形成再生水（別稱中水），回用于工農業生產或城鎮生活。污水回用來源穩定，既可以有效節約淡水資源，又可以減少污水或廢水排放量，減輕環境污染，還可以緩解城市排水管道負荷，具有明顯的社會效益、環境效益、經濟效益。因此，污水不是純粹的廢棄物。

4.1 國內外污水回用現狀

目前，全世界每天產生的生活污水量6.8億～9.6 億m3，僅約4%的污水經過了三級處理。2000年以來，經過二級以上處理可供回用的污水處理量平均每年增加 200萬m3/d[19]。全世界污水回用率較高的國家包括以色列、西班牙、新加坡、澳大利亞等國。作為1個位處干旱地區、水資源嚴重匱乏的沿海國家，以色列是全世界污水回用率最高的國家。以2010年為例，以色列生活污水總量為5.08億m3，處理回用 4.5億m3，回用率為88.6%[3]。新加坡污水回用起始于1974年，目前新加坡有4個用污水生產高品質清潔水的處理廠，總日產量約52萬 m3。新加坡為這種再生水專門創造了個名詞“NEWater”（新水），并將其作為解決新加坡水資源問題的“國家的四個水龍頭”之一，其他3個“水龍頭”分別為當地流域產水、外國輸入水、海水淡化水。“新水”目前能夠滿足新加坡約30%的用水需要，2060年可達全部用水的55%。據新加坡環境與水資源部統計，2012年新加坡污水處理率為91.6%，“新水”實際全年供應量為1.1億m3，占全部供水量的17.8%。澳大利亞的污水回用率在各國中也是較高的，2009—2010年回用總量約為2.8億m3/年，預期到2015年回用率能達到18.7%～20.3%[20]。美國污水回用率較低，城鎮人口每天產生污水1.21億m3，回用率7%～8%[19]。

截至2010年底，我國城鎮生活污水處理能力已達1.25億m3/d，城市污水處理率已達77.5%，再生水生產能力為1210萬m3/d，2010年全國廢水排放總量為617.3億m3，也就是說，全國再生水生產量約占污水排放總量的7%。根據國務院2012年發布《“十二五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》，2015年我國再生水利用率將達到15%，再生水規模由2010年的1 210萬m3/d提高到3 885萬m3/d。

4.2 污水回用的應用領域

過去幾十年間，污水回用領域在不斷擴展。目前污水回用的主要領域包括農業、城市景觀與綠化、生活雜用，以及少部分工業用水及地下水回灌。其中，農業灌溉用水是最主要的回用領域，以色列84%的再生水用于農業灌溉，美國29%的再生水用于農業灌溉[21]。2006年，世界衛生組織（WHO）專門出版了4卷本的《污水、排泄物與灰水的安全使用指南》，指導在農業和水產養殖中安全使用污水、排泄物、灰水。再生水的應用領域應包括價值更高的領域，如城市用水、工業用水、飲用水及景觀用水。新加坡的“新水”基本用于工業，少部分混入水庫中，成為飲用水源的一部分;在不缺水的歐洲北部國家，再生水主要用于城市、環境（包括地下水回灌）及工業[22]。地下水回灌也是一個重要的應用方向。2010—2012年，澳大利亞西澳州首府珀斯進行了為期3年的利用經過高級處理的污水回灌120～220 m深地下水試驗，結果表明，再生水可以作為珀斯供水系統的重要來源[23]。用再生水進行地下水回灌時的核心問題是水質。美國要求回灌到飲用水水源地的水質量必須達到飲用水標準[24]。

4.3 污水回用的相關政策與管理措施

美國環保署（EPA）于1980年發表了第1版《水回用指南》，此后在1992、2004、2012年做了3次更新，為美國各州的污水回用實踐提供參考[25]。在美國城鎮的“全面水管理”（total water management）體系中，污水回用已經成為組成部分之一[14]。在歐洲，沒有歐盟層次的規定或指南，有些國家或地區發布了自己的規定或標準[21]。我國對于污水回用沒有全國性的法規。北京市、天津市等10多個城市出臺了再生水利用、管理的地方性法規與規范性文件，如《天津市城市排水和再生水利用管理條例》（2003年）、《天津市住宅建設中水供水系統技術規定》（2003年）、《寧波市城市排水和再生水利用條例》（2008年）、《北京市排水和再生水管理辦法》（2010年）、《昆明市再生水管理辦法》（2010年）。北京市、天津市、山東省青島市等嚴重缺水的地區還把中水回用列入城市總體規劃中，2003年青島市制訂了我國首部城市污水處理回用規劃——《青島市中水利用規劃》，此后北京市等許多城市也編制了城市污水處理回用規劃。2012年國務院發布《“十二五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》之后，各地都加緊制定相關管理辦法與規劃。影響污水回用推廣程度的一個重要因素是經濟效益。目前我國再生水平均制水成本為1.5～3.5元/t。各地再生水價格不一。如北京市再生水價格為1元/t（居民自來水價為4元/t）;天津市居民生活用再生水價格為2.2元/t，發電企業用水為2.5元/t，其他用水（包括工業、行政事業、經營服務業、洗車、臨時用水等）為4元/t（居民自來水價格為4.9元/t）。再生水價格相當于居民生活用水價格的20%～40%，相當于工業用水價格的15%～20%。雖然表面上中水有價格優勢，但目前中水系統仍未接入市政管網，中水運輸成本為15～20元/t，遠高于民用自來水。北京市從2001年開始大力推廣中水進社區，但回收居民生活用水后再經中水設施進行凈化加工，因設備、人員、電力損耗等成本，中水水價比自來水還要高，而且水質沒保障。此外，目前再生水行業尚未享受相關稅收優惠政策，再生水的制水成本與銷售價格的差額完全由財政補貼。在財政實力較差的地區，存在財政補貼不穩定的情況，直接影響再生水企業生產積極性以及再生水的推廣應用。

4.4 污水回用的發展方向

現有技術已經可以把污水處理到所需要的水質標準。但是在再生水開發利用中，仍需要繼續開發低成本、低能耗的水處理技術，對污水回用的健康風險進行深入分析，并且根據污水回用領域不同，采用不同的處理方法。再生水供水設施與管網建設滯后，需要加大投入。一方面要建立有效的激勵機制，包括金融、財政、稅收優惠扶持政策及再生水定價機制，另一方面要完善相關政策、法規與技術標準體系，建立污水再生回用管理體系，并從長遠角度考慮將其納入水資源綜合管理體系。通過建立合理的價格機制，完善收費制度，補償再生水設施的投資、建設、運營支出，促進相關企業良性發展。

5 結語

在水資源越來越緊缺的今天，非常規水資源開發利用在水資源綜合管理體系中的地位越來越重要。我國已明確提出，將非常規水源開發利用納入水資源統一配置。在沿海地區，非常規水資源開發利用尤為重要。不同非常規水資源開發利用特點見表1。沿海地區水資源開發利用應在海岸帶綜合管理大框架下，從取水、蓄水、供水、用水、排水等環節進行全過程統籌規劃管理。在取水環節，要綜合運用常規水資源與非常規水資源，降低對常規水資源的依賴，實現各種水資源聯合運用;在蓄水環節，御咸與蓄淡兼顧，并將蓄水工程與防洪安全、應急保障等相結合;在供水環節，完善水質標準體系，加強供水計量管理，將集中供水與分散供水相結合，實現就近供水、分質供水;在用水環節，完善定價機制，根據用水者的用水需求及地理位置，開展水資源梯級利用、分質利用，提倡水重復利用，采取各種措施節約用水;在排水環節，加強污水排放監管力度，提高城市污水回用率。在全球氣候變化的背景下，非常規水資源開發利用不僅是重要的水資源保障措施，也是應對氣候變化的重要手段。

表1 沿海地區非常規水資源開發利用形式

開發利用形式 特點 存在問題

海水淡化

不受氣候變化影響，成本不斷降低，施工期較短，產水規模較具彈性 能耗、供水成本較高，供水范圍通常較小，且海水淡化廠建設對周邊海域環境造成一定影響

微咸水利用與海水直接利用 微咸水分布較廣，可以直接用于灌溉，淡化成本較海水低;海水直接利用成本低于其他利用方式 應用范圍有局限性

雨水利用

無水資源費，水質較好，工程規模小，既滿足生活生產用水，也有助于降低城市發生洪水的風險 來水可靠性比較低，供水量有限，在城區安裝改造雨水收集儲存設施成本較高

污水回用

污水來源穩定，污水回用具有綜合性社會效益、環境效益、經濟效益 需要繼續開發低成本、低能耗的污水處理技術，基礎設施配套建設有待加強，相關政策、法規、價格與技術標準體系有待完善

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