京津冀沿海地區海水淡化取水適宜性分析

朱琴，左麗明，單科，馬旺

(1.河北省地礦局水文工程地質勘查院 石家莊 050021;2.天津海水淡化與綜合利用研究所 天津 300192)

京津冀沿海地區海水淡化取水適宜性分析

朱琴1，左麗明1，單科2，馬旺1

(1.河北省地礦局水文工程地質勘查院 石家莊 050021;2.天津海水淡化與綜合利用研究所 天津 300192)

為研究京津冀沿海地區海水淡化取水適宜性，于2016年對京津冀沿海地區的海水淡化項目和海洋地質環境進行詳細調查，并對我國海洋取水現狀進行綜合研究。通過綜合研究發現:從海洋自然屬性角度出發，滄州和天津沿海地區屬于淤泥質海灘，水淺坡緩、深水區離岸遠、風浪作用下水體中泥沙含量高，適合開發大型(＞10萬m3/d)海水淡化工程，取水方式適宜在海上建設沉淀池、采用潮汐式取水;唐山大清河口以西唐山沿海近岸海域屬于淤泥質海灘，深水區離岸較遠、水體中泥沙含量較高，適合開發大型(＞10萬m3/d)海水淡化工程;大清河口以東唐山和秦皇島近岸海域大部分屬于砂質岸灘，深水區離岸較近、水質較好，適宜各種規模的淡化工程，且取水方式可采取開挖埋管道的形式采集深水區的海水;沿海海港碼頭工程岸段由于水深條件較好，適合建設各種規模的淡化項目。

京津冀;海水淡化;海水利用;海洋工程

1 引言

京津冀沿海地區屬于重度缺水區，地表水和地下水資源均匱乏，但分布著我國的重要工業區，在我國經濟發展中占有重要地位。隨著“京津冀協同發展”的提出，京津冀沿海地區成為國家發展的重要戰略區。經濟的發展離不開水資源的保障，開發海水淡化項目是解決缺水問題的重要手段。本文綜合分析京津冀沿海取水適宜性，為海水淡化取水適宜區的選擇和工程開發利用提供技術參考。

2 海水淡化取水注意事項

海水淡化取水的位置和形式對于工程項目十分重要。取水位置應具有海床穩定、泥沙沖淤變化較小、取水口地段水質好、漂浮物和泥沙少、施工簡單和運行管理方便等條件，一般應考慮的主要方面包括［1－2］:

(1)取水口位置應具有良好的地質、地形條件。取水構筑物應設在地質構造穩定、承載力大的地基上，不宜設在斷層、滑坡、沖積層、風化嚴重和巖溶發育地段。在地震區，不宜將取水構筑物設在過陡的岸邊或山腳下，也不宜設在寬廣的海漫灘上;尤其是作為安全廠用水的建筑物，必須滿足抗震Ⅰ類的地質條件，一般應建在基巖上。

(2)取水口位置應保證有足夠的水深條件。一般需要滿足低潮位時水深條件不小于2.0 m。

(3)取水口位置和形式應考慮波浪的影響，尤其是在一些基巖岸段和遠海取水，取水構筑物易受波浪侵襲。因此，基巖海岸較為適于采用岸邊式取水構筑物，或采用水泵吸水管直接深入海岸邊取水，從而避免波浪對泵房的侵蝕。有些濱海核電廠采用建設防波堤和碼頭的方式，有些采用港池取水的方式，使取水口朝向避開最大波浪的方向［3］。

(4)取水口位置應選擇在水質較好、水中漂浮物和泥沙較少的地段，也應避開潮流過急產生嚴重沖刷的地段，切忌在岸邊緩流區、死水區及回流區內布置取水口［1，4］。

(5)北方地區應考慮冰凌的影響，在布置取水口時應重視海域冰凌特有的水文特征。

(6)選擇取水構筑物位置時還應考慮施工條件，要求交通運輸方便，盡量減少土石方和水下工程量。因在現有條件下水下施工不但施工困難、費用高，而且往往受施工單位條件資質的限制。

3 我國海水淡化取水存在的問題

根據我國現有的工程案例，海水淡化取水存在的主要問題是取水水體中含沙量太高，從而影響海水淡化。

如，秦山地區濱海核電廠廠址在杭州灣海域，杭州灣海域含沙量較大，一旦汽輪機停運、循環水泵停止，由于安全廠用水水量小，在取水和泵房管道系統會產生大量泥沙沉積，直接影響安全廠用水系統的正常運行。秦山核電廠一期工程投產運行后即發現2個問題:①運行1～2個月后，取水口有大量泥沙淤積，低潮位時無法進水，只能改建;將原取水口進水管渠延伸到海中，管渠斷面2.8 m× 2.8 m，延長70 m，改建后才能保證取水。②由于循環水和安全廠用水為合并系統，當循環水泵停運后，安全廠用水系統泥沙淤積嚴重;為確保安全廠用水系統正常運行，只能將循環水系統間隔運行，循環水量不經汽機廠房，通過切換閥門從排水口排走。

又如，田灣核電廠一期工程取水區海域海岸為淤泥質沙灘，是沙質巖石和泥質海岸的交匯地帶，處于沖淤平衡而局部略有沖刷趨勢，泥沙運動主要靠風浪掀沙、潮流輸沙。廠區設置的加氯系統投加氯到頭部取水口，由于距離長(約3.0 km)導致加氯不均、效果較差，此外隧洞里附著很多海洋生物、清理困難。取水明渠和隧洞由于長時間小流量運行，致使取水明渠、取水構筑物和隧洞產生大量的泥沙淤積和生物附著，影響供水安全［1］。

4 京津冀沿海地區海水淡化現狀

4.1 海水淡化分布

京津冀沿海地區海水淡化利用項目分布情況如圖1所示。唐山、滄州和天津沿海有海水淡化廠，秦皇島沒有海水淡化利用項目。

圖1 京津冀沿海地區海水利用項目分布

圖1 中:1為河北國華滄東發電有限責任公司海水淡化項目;2為天津北疆電廠海水淡化項目;3為唐山曹妃甸阿科凌海水淡化項目;4為首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司海水淡化項目;5為河北大唐國際發電有限責任公司海水淡化項目。

4.2 取水現狀

河北省現有的海水淡化項目的取水位置均位于港池內，港池取水具有取水水深條件好、取水工程造價相對較低的特征。天津海水淡化取水位置在等深線約0 m的淺水區，取水方式采用建設引潮汐池、同時布置海上沉淀池的方式。

4.2.1 國華電廠海水淡化項目

國華電廠海水淡化項目取水地點為滄州黃驊港港池，取水方式為岸邊式取水，取水地點為港池，利用港區的深水條件建設取水泵房，取水規模為8.13億m3/a，其中海水淡化取水為0.63億m3/a、海水直接利用取水為7.5億m3/a，單日取水量為222萬m3/d。取水水質符合3類海水水質標準，平均懸沙含量約為45 mg/L。海水淡化的淡化工藝為低溫多效蒸餾，蓄水池容量為3 200 m3、噸水電耗為1.2 kW·h/t，日實際產水量1.5萬 m3/d，產水率43%，用水類型為直接用于工業用水和生活用水。4.2.2 阿科凌海水淡化項目

阿科凌海水淡化項目的取水地點為曹妃甸1號港池，取水方式為引潮溝岸邊式取水。淡化工藝為反滲透膜法，取水量為0.46億m3/a，蓄水池容量為2 400 m3，能源類型為電力、噸水電耗為4.34 kW·h/t，日實際產水量1萬 m3/d，產水率46%，濃鹽水排放方式為排入化工廠制堿。這種小型引潮溝岸邊式取水的水質和水量有保障，同時取水泵房布置在岸上，有效保護泵房免受波浪的侵蝕。

4.2.3 首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司海水淡化項目

該項目的淡化工藝為低溫多效蒸餾，取水地點為曹妃甸港池，取水量為120.27億m3/a，蓄水池容量為12 000 m3，能源類型為電力和蒸汽、噸水電耗為0.9～1.2 kW·h/t，水源地單日取水量為329.5萬m3/d。濃鹽水約50%排入鹽場制鹽，其他排入鄰近海域。

4.2.4 京唐港海水淡化項目

河北大唐國際王灘發電有限責任公司海水淡化項目的取水方式為岸邊式取水，取水地點為京唐港3號港池，直接利用京唐港3號港池的部分岸段作為取水區。這種取水方式的水質和水量得到保證，同時取水工程建設費用相對較低。海水淡化工藝為低溫多效蒸餾，取水量為0.06億m3/a、日實際產水量7 200 m3/d、產水率45%，用水類型為直接用于工業用水。海水直接利用為直流冷卻，取水量為12.61億m3/a、單日取水量為347萬m3/d。

4.2.5 天津北疆電廠海水淡化項目

天津北疆電廠位于濱海新區東北部原天津市漢沽區境內的渤海灣西北灣頂，取水工程的海水補充水量約為18 m3/s、155萬m3/d。電廠取水安全關鍵技術包括保證流量和水質、取水工程防淤減淤措施。取水方式采用沉淀池方案(圖2)，取水口位置在0.3 m等深線附近，離岸距離約3.5 km。沉淀池方案［5］即正常運行工況由一級沉淀調節池閘門漲潮自流進水，在連續低潮位時還可由泵提水;一級沉淀調節池有效容積約456×104m3、可連續供水約95 h，二級沉淀調節池有效容積約337×104m3、可連續供水約70 h。這種取水方案工程投資大，適合大型海水淡化取水工程。

圖2 沉淀池方案

5 京津冀海水淡化取水適宜性

通過以上綜合分析可知，保證海水淡化取水的水質和水量是取水口選址的關鍵。保證取水的水量需滿足水深條件，一般水深位于2 m等深線以外時取水可保證大型取水水量要求;如果直接在海上建設引潮蓄水庫，取水口水深應位于0 m等深線以外。

根據國內外取水現狀，水質的含沙量是控制取水的關鍵。淤泥質海岸水體中含沙量偏高，需要對海水進行復雜的澄清處理;砂質和基巖質岸灘水體中含沙量偏低，采取簡單處理或不處理就能直接淡化。

5.1 水深條件

京津冀沿海地區的海洋水深條件如圖3所示。可以看出除港池以外，滄州、天津、大清河河口以西唐山海域的2 m等深線距離岸線非常遠，其中滄州至唐山沙河河口之間海域的2 m等深線離岸約10 km，沙河河口至曹妃甸之間海域的2 m等深線離岸4～9 km，曹妃甸至大清河河口之間海域的2 m等深線離岸約9 km。在保證取水安全的條件下，采用引潮蓄水的取水工程須至少建設到離岸3 km外，而建設這種遠距離取水工程的成本非常高，不適合小中型海水淡化項目。

大清河河口以東海域除灤河口海域2 m等深線離岸小于2 km，大部分海域離岸1 km范圍內水深就可達2 m，且岸灘類型主要為砂質，建設取水工程的造價低，適合各種規模海水淡化項目的建設。

圖3 京津冀海域2 m等深線分布位置

5.2 含沙量特征

京津冀海域水體含沙量為0.6～163.9 mg/L，大清河以東海域海水含沙量較低，唐山豐南至南堡海域最高，滄州海域次之。各站大、小潮期含沙量的差別較小，近岸含沙量小潮期高于大潮期、遠岸含沙量小潮期低于大潮期。渤海灣頂含沙量較高，秦皇島海域懸沙含量最低。水深較淺、底質中細顆粒較多的海域風浪揚沙作用非常明顯，尤其是滄州、天津和大清河以西海域;風浪作用下淤泥中的細顆粒揚起，水體中泥沙含量非常高，尤其是滄州海域水體濁度較高。

2015年對滄州國華電廠進行調查發現，影響取水水質的主要指標是泥沙和懸浮物。由于滄州海域地處淺灘，灘面細顆粒粉沙質淤泥在風浪作用下極易被掀揚懸浮隨漲潮進入港池;有較大風浪時海水的含沙量和懸浮物較高，歷史上附近海域含沙量曾達到2～4 kg/m3、平日為0.2～0.4 kg/m3。因此，滄州國華電廠為保證取水水質，引進一套海水預處理設備，一期工程海水預處理選用混凝沉淀處理工藝方案，選擇威立雅公司提供的一體化高效混凝沉淀設備，海水凈化處理能力為10萬m3/d，出口水質可滿足海水淡化設備入口水質要求。河北國華滄東電廠海水淡化項目自工程投入營運到2012年12月底，未發生事故、障礙和操作失誤等不安全現象;所有淡化設備基本處于滿負荷營運狀態，絕大多數機組處于滿負荷營運狀態;日產20萬t的淡化設備同時運行，目前負載率在95%～100%，淡化水全部符合淡水質量要求。

大唐國際發電有限公司取水區位于唐山京唐港3號港池，由于周期性漲/退潮，海水中夾帶大量泥沙，濁度變化較大，最高達90 NTU即含沙量約110 mg/L，濁度通常在10～15 NTU，但該區最大含沙量明顯小于滄州海域。河北大唐王灘電廠海水淡化采用反滲透法，海水預處理工藝為自清洗過濾器+超濾(UF)。經過多年運行，整個水處理系統十分穩定，充分滿足王灘電廠的生產要求。UF和SWRO系統清洗頻率皆保持在一年一次，系統中所選用的SWRO和BWRO膜元件經過2年多運行，標準化脫鹽率分別保持在99.4%和99.3%以上［6］。

6 海水淡化工藝適宜性

6.1 海水淡化進水要求

6.1.1 蒸餾法海水淡化

蒸餾法海水淡化主要包括多級閃蒸工藝和多效蒸餾技術，也是目前應用最廣的蒸餾法海水淡化技術。

多級閃蒸工藝由于操作溫度高，系統中結垢和腐蝕的風險較大，其預處理工藝一般采取加酸、脫氣以降低風險;如，天津大港發電有限公司多級閃蒸淡化裝置即直接取用含沙量很高的獨流減河水，加酸、脫氣后再進入多級閃蒸裝置。根據《火力發電廠海水淡化設計規范》(GB/TDL 98—2010)，多級閃蒸蒸發器對進水水質無特殊要求。

多效蒸餾技術淡化工藝主要考慮懸浮物的影響，不同廠商的要求不盡相同。如，黃驊電廠海水淡化系統在設計時按照法國SIDEM公司基本設計的要求，進入多效蒸餾裝置的海水含沙量和懸浮物不超過300 mg/L，建議最好小于50 mg/L;由于進口原海水的渾濁度有時高達2 000～4 000 mg/L，為保證淡化裝置正常運行和建設設備清掃工作量，最后設置海水預處理系統。天津北疆電廠的海水淡化系統按照IDE公司要求，進入多效蒸餾裝置的海水含沙量和懸浮物不超過25 mg/L，因此該廠也采用與黃驊電廠類似的預處理工藝。根據海洋行業標準《蒸餾法海水淡化工程設計規范》(HY/T 115—2008)的規定，進入蒸餾法海水淡化裝置的海水懸浮物含量小于50 mg/L;對于懸浮物含量較低的海水一般不需要進行復雜的預處理，對于懸浮物含量較高的海水，如渤海灣等地區的海水懸浮物含量高且隨季節變化大，需要進行預處理。

與低溫多效相比，多級閃蒸工作溫度高，需對海水進行加酸脫氣等預處理，設備腐蝕及結垢較嚴重，費用相對較高;同時多級閃蒸設備的調試相對復雜，運行負荷調整范圍小，設備腐蝕造成泄漏易造成產品水的污染。低溫多效蒸餾技術的主要動力為低品質蒸汽，非常適合有低品質熱源的地區。

6.1.2 反滲透法海水淡化

使用反滲透法海水淡化需要對海水進行預處理。因為海水中懸浮物、膠體物質和可溶性有機高分子聚集在膜表面會使膜受到污染，微生物和細菌會使膜受到侵襲，微生物和細菌的殘體還會以固體形式析出使膜性能變壞，水的溫度、pH值、余氯含量、壓力等參數的劣化會引起膜水解、氯化，由溶質引起的膜結構變化還會導致膜的透水率下降。通過預處理去除海水中的懸浮物、有機物、膠體物質、微生物、細菌及某些有害物質(如鐵、錳、鈣等)，可以減緩膜污染，延長膜的壽命，保證反滲透系統長期穩定運行［7］。根據《火力發電廠海水淡化設計規范》(GB/TDL 98—2010)，反滲透海水淡化進水要求中規定pH值、濁度、污染指數、游離余氯、鐵等。

反滲透法海水淡化在海水水質條件較好的地區比較適用。如，滄州海域冬季水溫很低，水質較差，懸浮物、微生物及油污污染等不易控制，使用反滲透工藝會使海水預處理及水質管理的工作量增加;而熱法海水淡化產品水水質較高，可節省大量的再次水處理的工作量，因此滄州地區適合采用熱法海水淡化工藝。

通過以上綜合分析可知，蒸餾法和反滲透法海水淡化各有優劣。蒸餾法海水淡化需要蒸汽，必須與電廠或鋼廠配套建設，對水質要求較低;低溫多效淡化技術對海水要求較高，需要對懸浮物含量進行適當處理;多級閃蒸技術對進水水質無特殊要求，但設備費用較高、淡化工藝復雜、淡化水安全性較低。反滲透法海水淡化對水質和水溫均有要求，適合水質條件較好的區域。

6.2 京津冀沿海地區海水淡化工藝適宜性

根據京津冀海域的海洋環境地質條件，滄州、天津和曹妃甸以西唐山沿海地區和唐山曹妃甸以東至大清河口沿海地區(港池除外)適合建設大型淡化項目，淡化工藝適合低溫多效蒸餾法淡化技術，海水取水工程適合采用引潮溝沉淀池法。引潮溝直接建設到0 m等深線以外，利用漲潮蓄水，并對潮溝內海水進行沉淀處理，可采用天津北疆電廠沉淀池方案。

唐山菩提島和月島在淡化用量不大的情況下可采用淺井式取水進行海水淡化，淡化工藝可采用反滲透法，占地面積小，不需要蒸汽;龍島以南離岸較近分布有深水區，適合各種規模的海水淡化，適宜工藝反滲透法。

大清河以東至山海關沿海地區(港池和灤河口除外)2 m等深線離岸較近且水質條件較好、水體中含沙量較低，適合各種規模的海水淡化，淡化預處理可采用自清洗過濾器+超濾(UF)，適宜取水方式為挖槽埋管取水，泵房建設在岸上，采用引水管取水。

7 結論

通過以上綜合分析可知，影響海水淡化取水的關鍵因素是水深和懸沙含量。在水深和懸沙條件均較差的情況下，如果必須建設海水淡化項目，因項目取水工程投資較大，適合建設大型海水淡化項目。從海洋自然屬性角度出發，滄州和天津沿海地區、唐山大清河口以西唐山沿海(曹妃甸除外)屬于淤泥質海灘，水淺坡緩、深水區離岸遠、風浪作用下水體中泥沙含量高，適合開發大型(＞10萬m3/d)海水淡化工程，取水方式適宜在海上建設沉淀池、采用潮汐式取水;大清河口以東近岸海域大部分屬于砂質岸灘，深水區離岸較近、水質較好，適宜各種規模的淡化工程，取水方式可采取開挖埋管道的形式;沿海海港碼頭工程岸段由于水深條件較好，適合各種規模的淡化取水。

淡化工藝方面，蒸餾法海水淡化需要蒸汽，必須與電廠或鋼廠聯產;反滲透海水淡化對水質要求較高，在水質條件較差水域更適合使用蒸餾法海水淡化。因此，大清河以西京津冀海域(港池除外)適合蒸餾法海水淡化，大清河以東海域適合蒸餾法和反滲透法海水淡化。水體含沙量偏高的水域需采用復雜的預處理工藝，如滄州和天津沿海地區海水淡化可采用高效混凝沉淀設備，但要考慮占地面積;懸沙含量相對較低的海域，如唐山大清河口以東沿海地區海水淡化可采用自清洗過濾器+超濾，設備投資少、占地面積小。

［1］周金全．濱海核電廠取、排水口平面布置工程實例分析［J］．華電技術，2011，33(2):8－14．

［2］王印忠，丁建波，李雪，等．不同海岸類型中海水取水構筑物適用型式探討［J］．中國給水排水，2015，31(20):30－34．

［3］周金全，陳玉峰．濱海核電站海洋水文水工試驗與設計［M］．北京:原子能出版社，1995．

［4］侯文萍．某電廠取水口淤積原因分析及防治［J］．電力勘測設計，2003(1):41－43．

［5］孫波，孫林云，于海淼，等．天津北疆電廠海水資源開發利用及取水工程關鍵技術［J］．海洋經濟，2011，1(4):29－34．

［6］初慶偉，李思吉，陶禎燕，等．大唐王灘電廠海水淡化系統兩年運行經驗．2008亞洲海水淡化與水再利用會議論文集［C］．杭州:水處理技術出版社，2008．

［7］鐘素紅，衣守志，李超．海水淡化預處理技術的現狀及發展［J］．海湖鹽與化工，2005，35(1):27－30．

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

河北省科技計劃項目“河北省沿海海水淡化水源地選劃關鍵技術研究”(16273102D).

朱琴，工程師，碩士，研究方向為海洋地質，電子信箱:zhuqin1005@126.com