美國海水取水政策及其對我國海水淡化取水的借鑒

張拂坤,鄒川玲,李　磊,劉淑靜

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所,天津　300192)

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美國海水取水政策及其對我國海水淡化取水的借鑒

張拂坤,鄒川玲,李磊,劉淑靜

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所,天津300192)

摘要：針對海水淡化工程大規模發展的海水取水問題,通過總結美國海水取水相關政策措施,結合我國海水淡化工程取水、用海等現狀,從加強海水淡化工程取水口用海監管、研究出臺針對海水淡化工程用海管理政策、出臺有關海水淡化工程取水設施優化的技術導則等方面,提出我國海水淡化工程取水管理建議,為工程安全穩定運行與環境協調發展提供支撐。

關鍵詞：海水淡化;海水取水;用海管理;美國

當前,隨著全球范圍內水資源短缺問題的加劇,海水淡化呈規?；l展趨勢。作為保障海水淡化工程安全、穩定運行的重要環節,取水直接影響海水淡化裝置的運行穩定性和出水水質,并可能對取水海域的海洋生態環境產生影響。美國對海水取水環境保護十分重視,在國家和州級管理文件中對取水流速、取水量、生物影響、減緩措施等做了明確的規定,筆者將通過分析借鑒美國海水取水政策,結合我國現狀,提出海水淡化工程海水取水管理的對策建議。

1海水淡化工程取水方式及影響

海水淡化工程的取水方式主要包括表層取水、深層取水和海床下取水。表層取水是在水深較淺的位置設置取水設施,也稱為淺海取水、開放式取水。這種取水方式取水量大,設備簡單,但由于表層海水中生物數量較多,取水水質較差,并且對海洋生物有沖擊、夾帶的影響。深層取水即是在生物數量較少的深層海水設置取水設施,取得的海水水質較表層取水水質有明顯改善,產生的生態影響也有所減少。海床下取水可分為井式和廊道式兩種。最常見的海床下取水系統是海灘井取水,通過海床和泥沙過濾來避免對海洋生態的沖擊和夾帶等影響。但海床下取水也具有一定的局限性,在設計時應考慮到對附近地下淡水層的潛在影響。研究發現,當工廠容量超過2萬t/d時[1],海灘井取水的優勢會降低,并且由于井和水源的數量要求,實際受影響的陸地區域較大。

2美國海水取水管理政策

2.1清潔水法

美國環境保護局清潔水法聯邦章程316(b)規定,電廠取水產生的影響相比未采取任何環境保護措施的直接取水方式，其沖擊減少80%～95%,夾帶減少60%～90%。能夠滿足沖擊和夾帶標準的技術被美國環境保護局定義為最佳可行技術(BTA)[2],并要求選址、設計、施工和冷卻水取水量采取最佳技術,以減少環境影響。2001年,清潔水法頒布30年后,美國環保局頒布了貫徹316(b)的條例,允許考慮緩解冷卻水取水結構的恢復措施。修復的方法是試圖通過改善棲息地和培育新的海洋生物平衡沖擊和夾帶的影響。但是,這種方式不能按照清潔水法的要求在現場減少這些影響。2007年,在對該條例的第二輪審查時支持316(b)條款中要求采取適宜的技術而不能被修復措施所替代[3]。

2.2海水淡化與加利福尼亞海岸法

海水淡化與加利福尼亞海岸法提出,當地下取水不可行而需要采取開放式取水時,就需要對其進行評估,選擇可以減少不利影響的方法。有3種方法可以用于減少沖擊:①降低流速。沖擊量與流速有關,當流速低于0.15 m/s時,可以防止吸入魚類和其他生物,或者如果其被吸入,魚類和其他生物也可以輕易游開逃避。該速度是依據清潔水法而規定的最佳技術值。②速度蓋。魚類對水平方向速度的變化比對垂直方向的速度變化更敏感。多數開放式取水裝置是從上方取水,引起的速度變化不易被魚類感知。速度蓋通常為混凝土構造,其與進水之間的縫隙可以將水流從垂直方向改為水平方向。③過濾篩、移動篩以及魚類洄游系統。過濾篩可以在保證有足夠水的同時防止將魚類帶入；移動篩安裝在進水管近岸處,通常為上水位,與魚類洄游系統相結合,使魚和部分進水回到水源水體。這些系統對減少沖擊很有效,但需要不斷維護和人工操作。

2.3加利福尼亞水代碼

在加利福尼亞州,居于首位的水資源法律是波特-科隆水質控制法,1969年頒布并編入加利福尼亞水代碼。加利福尼亞水代碼13142.5(b)條款適用于工業設施的取水。雖然其保護海洋生物的一些語言和目的與清潔水法316(b)相同,但是13142.5(b)在一些重要環節涉及的領域更廣、更清晰。13142.5(b)規定“對每個新建或擴建的沿海電廠或其他工業設施使用海水做冷卻水、熱源或者工業過程,應采取最佳的選址、設計、技術和減緩措施,減少取水影響和各類海洋生物的死亡。”與清潔水法相比,最主要的不同是13142.5(b)除了加熱或冷卻外,還涉及“工業裝置”和“工業過程”,因此其中包含了海水淡化工程取水。加利福尼亞水代碼也包括采取最佳的選址和設計,防止整個設施取水對海洋生物的影響,而清潔水法僅關注取水設施本身。可以說,13142.5(b)的范圍更廣。另一個與清潔水法的不同是13142.5(b)包括了減緩措施的條款,特別是要求“最佳的……減緩措施應能夠將取水對海洋生物死亡的影響最小化”。但事后的補償措施不能代替清潔水法中減少海洋生物死亡率的方法[3]。

2.4馬里蘭州冷卻水取水規定

馬里蘭州建立了馬里蘭州管理代碼(COMAR)26.08.03.05.D(1)和D(2),計算沖擊死亡生物的價值,并要求核電站運營商采取措施減少沖擊影響,設施成本不超過5年內生物體損失價值的總和[4]。該州政府認為采用連續的夾帶影響評估是較好的方法,能夠量化冷卻水取水的影響(即評估夾帶損失的生物數量),確定生物受到影響的風險(即代表性重要物種的選擇),評估對目標實體產生逆向不利影響的重要性。冷卻水取水設備操作者需要確定夾帶損失是否會引起重要的環境不利影響。夾帶評估模型已經在馬里蘭州評估中得到應用。此外,馬里蘭州還建立了水體的取水上限,規定對于非潮汐水體取水率不超過總量20%的情況下,取水總量應不超過1 000萬加侖/d。

此外,在加利福尼亞州水資源再利用委員會發布的白皮書中[5],結合美國環保局、海軍研究所的一些規定和研究結論,提出了海水取水的管理建議。①取水口應遠離潮汐帶。取水口位于潮汐帶有可能增加沖擊和夾帶的影響。美國環境保護局認為在潮汐帶以外125 m取水,可減少工程的沖擊和夾帶影響。根據海軍研究所的研究,潮汐帶是從岸線延伸183 m的范圍。因此,取水口應設置在距離岸線335 m的位置,以減少對環境的影響。此外,取水口應設置在生物密度較低的位置(至少水下20 m),以減少取水操作中對環境的影響。②降低海水通過濾網的速度。夾帶作用常發生在取水流速過大,生物不能游離濾網的情況下。美國環境保護局規定,如果進水流速小于或等于0.15 m/s,則認為取水設施符合沖擊死亡率標準。因此,在取水設施設計時應控制在這一流速之內,可以最大限度減少沖擊影響。③設置小尺寸柵欄式過濾口。使用攔截柵欄距離小于0.23 m的柵欄式過濾器,可以防止大型生物進入海水取水設施。④合適的細過濾網尺寸。在經過柵欄式過濾口后,海水需通過細過濾網防止碎片物質進入海水淡化系統。細過濾網的尺寸是一個非常重要的設計參數,應根據需要保護的幼蟲尺寸進行選擇。大多數的細過濾網尺寸小于或等于9.5 mm,因為大多數成年和幼魚的頭部尺寸大于10 mm。⑤改進進水攝入量。提高海水淡化系統回收率可以減少海水取入量,從而減少沖擊和夾帶。

綜上所述,美國國家層面的海水取水政策是清潔水法,其從防止生態影響的角度出發,對減少海洋生物沖擊和夾帶率提出了明確的要求,并要求減少沖擊和夾帶的取水技術不能被修復措施所代替。而加利福尼亞州、馬里蘭州等在清潔水法的基礎上,增加了關于取水影響減緩措施的條款,對海水取水的具體措施做了更加詳細、具體的要求。一方面采取流速、流量及取水距離限制。美國環保局、《海水淡化與加利福尼亞海岸法》、馬里蘭州管理代碼等提出了海水取水最大流速、流量,并根據取水可能的影響范圍明確了取水口位置與岸線或潮汐帶等敏感區域的距離。如:認為流速低于0.15 m/s時,沖擊和夾帶的影響較小;取水口應位于潮汐帶125 m或離岸335 m以外,水深至少在20 m以下水生生物密度較低的位置。另一方面采取減少沖擊和夾帶的技術措施。如:安裝控制流速流向的裝置、魚類洄游系統、設置適宜尺寸的過濾篩,從而防止將魚類、水體中的碎片雜質等帶入系統。此外,馬里蘭州還通過建立模型,計算沖擊和夾帶死亡生物的價值,評價海水取水的影響。在這些方面,美國關于海水取水的管理政策和措施對我國海水淡化工程取水管理具有指導意義。

3對我國海水淡化取水的借鑒

經過多年發展,我國海水淡化產業發展迅速,規模不斷增長。截至2014年底,全國已建成海水淡化工程112個,工程總規模達到92.69萬t/d。取水用海類型方面,在調查統計的30個海水淡化工程中,用海方式為取、排水口用海的20個,占67%;用海方式為蓄水池、沉淀池用海的4個,占13%;用海方式為建設填海造地的6個,占20%。取水方式方面,在調查統計的41個海水淡化工程中,采用岸邊管道取水的27個,占66%；借用已有取水設施的7個,占17%；采用潮汐取水、海底管道取水等其他方式的7個,占17%。海水淡化取水口所在海洋功能區歸屬方面,在全國已調查統計的33個海水淡化工程中,13個位于港口航運區,占40%;5個位于工業與城鎮用海區,占15%;4個位于特殊利用區,占12%;另外,還有一些海水淡化工程取水口分別位于農漁業區、旅游休閑娛樂區、海洋保護區、保留區等。我國海水淡化工程用海主要依據《海域使用權管理規定》、《關于加強海域使用金征收管理的通知》、《海域使用論證管理規定》和《海域使用論證技術導則》。

在取水管理政策方面,我國出臺了針對流域取水的《取水許可和水資源費征收管理條例》、《取水許可管理辦法》等管理規定,而海水取水主要遵守《海域使用論證管理規定》、《海域使用論證技術導則》、《海域使用權管理規定》、《關于加強海域使用金征收管理的通知》等海域論證、審批和海域使用金繳納政策。在取水方式選擇方面,國內也開展了一些研究[6-8],但這些研究多側重于取水方式本身的技術分析及工程工藝要求方面,在結合海洋環境保護方面的研究和建議較少。

目前,我國海水淡化工程用海存在取水用海范圍界定不清、與海洋功能區劃不協調、沒有具體明確的管理標準及缺乏有效的防護措施等問題。為保護海水淡化工程取水海域海洋環境,保障工程安全穩定運行,借鑒美國相關經驗,提出以下建議:

a. 出臺有關海水淡化工程取水設施優化的技術導則。在取水設施方面,鼓勵海水淡化工程采取有效的措施減少取水過程中的沖擊和夾帶影響,如:使用過濾網、魚類洄游系統、速度封閉蓋等,防止吸入各類海洋生物,并研究確定取水口與潮汐帶、岸線等的安全距離、取水水深等。在取水工藝設計方面,應避免沖擊,控制取水的進水流速、設定攔截網尺寸、改進淡化工藝減少取水量等。同時,鼓勵與電廠聯建的海水淡化工程在確定電廠冷卻水藥劑不會對淡化工藝和產品水產生影響的情況下,使用電廠冷卻水作為進水,減少沖擊和夾帶作用。

b. 針對海水淡化工程用海安全需求及其供水的社會公益性特點,依據現有海域使用管理法規,研究出臺針對海水淡化工程用海管理政策,保障海水淡化工程用海安全。研究提出明確的海水取水用海管理要求,制定定量化標準規范;進一步明確海水淡化工程的海域使用范圍劃定和海域使用金測算方法;嚴格按照海洋功能區歸屬進行用海審批,海水淡化工程取水口選取時應對其取水流速、流量、位置及其影響進行充分的論證,取水口應位于生產力水平較低的區域,防止海水淡化工程取水口建在港口區、造船區、排污口、保護區、產卵區、養殖區等附近海域,保障取水水質安全和工程穩定運行。

c. 加強海水淡化工程取水口用海監管。針對海水淡化工程取水特點,切實增強取水口用海監管。工程建設前,要積極開展論證研究,對附近海洋生態敏感區的生物種類、數量進行較為全面的分析,保證海水淡化工程取水安全和工程可持續性。在工程投入運行后,定期對工程用海類型、用海面積、海域金繳納等情況進行確認,對工程附近新建的排污設施進行調查,運用現場調查、模擬預測等多種手段,分析新建排污口的影響范圍和程度;對海水淡化工程增減規模的情況,及時進行海域使用面積的調整,起到實時監管的作用。

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Policies of seawater intaking in USA and their reference for seawater desalination in China/

ZHANG Fukun, ZOU Chuanling, LI Lei, LIU Shujing

(Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization, SOA (Tianjin), Tianjin 300192, China)

Abstract:Aiming at the seawater intaking problems in large-scale development of seawater desalination projects, combined with the policies of seawater intaking in USA and the current situations of seawater desalination intaking and sea use in China, some proposals about the seawater intaking management of desalination are put forward from strengthening the regulation of intakes and issuing the management policies of seawater desalination projects as well as introducing the technical guidelines for the optimization of seawater desalination projects China. These proposals will provide theoretical support for the stable operation and coordinated environmental development of seawater desalination projects.

Key words:seawater desalination; seawater intake; management about sea use; USA

(收稿日期：2015-08-18編輯：方宇彤)

中圖分類號：TU991

文獻標識碼：A

文章編號：1003-9511(2016)02-0053-03

DOI：10.3880/j.issn.1003-9511.2016.02.012

作者簡介：張拂坤(1981—),女,天津人,工程師,碩士,主要從事海水淡化工程取排水政策研究工作。E-mail:zfk1229zfk@163.com

基金項目：中央級公益性研究院所基本科研業務費專項資金(K-JBYWF-2013-T5)