柯浩成，牛最榮，，王啟優(yōu)

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州730070;2.甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州730000)

水資源作為戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源和基礎(chǔ)性的自然資源，是生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵控制要素，是生命賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。甘肅省地處我國(guó)西北內(nèi)陸，水資源量嚴(yán)重短缺，供需矛盾日益突出，大部分地區(qū)降水較少，降水時(shí)空分布嚴(yán)重失衡，地表徑流少，地下水日益匱乏，水資源儲(chǔ)量嚴(yán)重不足，同時(shí)受到國(guó)家黃河流域和黑河干流分水限制以及水資源開(kāi)發(fā)條件的制約，水資源短缺將成為制約我省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素?！陡拭C省最嚴(yán)格的水資源管理制度考核辦法》明確提出:“利用再生水、礦井排水、苦咸水和集蓄雨水等非常規(guī)水資源不受用水總量控制指標(biāo)限制”因此，合理開(kāi)發(fā)利用苦咸水非常規(guī)水資源，已經(jīng)成為解決甘肅省水資源短缺的必要途徑之一。

1 概況

甘肅省地處我國(guó)西北內(nèi)陸，位于青藏、蒙新、黃土三大高原的交匯處，土地面積42.58萬(wàn)km2，分?jǐn)?shù)黃河、內(nèi)陸河、長(zhǎng)江三大流域。且大部分地區(qū)常年干旱少雨，多年平均降水量?jī)H276.9 mm，而多年平均蒸發(fā)量達(dá)1 306.1 mm，蒸發(fā)量分布與降水分布成相反趨勢(shì)。

全省多年平均地表水資源量289.4億 m3，是我國(guó)水資源嚴(yán)重短缺的省份之一，地下水資源量124.56億 m3，與地表水不重復(fù)的地下水資源量7.30億m3。地表水資源量?jī)H占全國(guó)地表水資源量的1%，人均約1150 m3，僅為全國(guó)人均占有量的二分之一，居全國(guó)第22位，接近國(guó)際人均500～1 000 m3重度缺水界限，甘肅省大部分地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了人需飲水困難的水資源危機(jī)。

甘肅省苦咸水包括河流地表水苦咸水和淺層地下水苦咸水兩部分。共有苦咸水河流23條，地表水苦咸水主要集中在黃河流域。據(jù)調(diào)查評(píng)價(jià)，黃河流域地表水苦咸水量約為7.89億m3。河西內(nèi)陸河流域局部區(qū)域由于特殊的水文地質(zhì)條件，礦化度較高，也分布有少量的苦咸水，據(jù)初步估算，內(nèi)流河流域地表水苦咸水量約為1.97億 m3，全省地表水苦咸水量約為9.87億 m3。

地下水礦化度分布與河流地表水區(qū)域基本對(duì)應(yīng)，甘肅省地下咸水分布區(qū)域面積9.68萬(wàn) km2(含與地表水重疊部分)，占全省計(jì)算面積的22.7%;微咸水分布面積10.7萬(wàn)km2，占全省計(jì)算面積的25.2%。

2 苦咸水淡化利用現(xiàn)狀及開(kāi)發(fā)潛力

苦咸水是由于水體礦化度高而無(wú)法直接利用或利用價(jià)值較低的劣質(zhì)水資源［1］由于苦咸水資源數(shù)量較大，開(kāi)發(fā)利用程度較低。因此，合理開(kāi)發(fā)利用苦咸水水資源，成為緩解用水矛盾的有效途徑之一。

2.1 苦咸水淡化利用現(xiàn)狀

近年來(lái)，通過(guò)采用反滲透法、電滲析法、納濾膜技術(shù)［2～3］在重點(diǎn)缺水區(qū)域?qū)嵤┝丝嘞趟?、雨水集流飲水等非常?guī)水資源開(kāi)發(fā)工程，處理后水質(zhì)溶解性總固體為800－1 200 mm/L，總硬度323，硫酸鹽10～30 mm/L，基本符合國(guó)家三級(jí)飲用水標(biāo)準(zhǔn)。為解決人畜飲水安全，緩解水資源供需矛盾起到了很好的促進(jìn)作用。

1)環(huán)縣苦咸水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展試點(diǎn)情況。2013年，國(guó)家發(fā)展改革委將我省環(huán)縣列入國(guó)家首批苦咸水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展試點(diǎn)縣以來(lái)，省、市、縣各級(jí)高度重視，推進(jìn)完成相關(guān)工作。

2)瓜州、肅北、阿克塞三縣苦咸水淡化試點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我省先后在11處進(jìn)行苦咸水淡化試點(diǎn)工作，項(xiàng)目基本建設(shè)完成，建成年份在1994－2013年，日處理規(guī)模9.27萬(wàn) m3，年處理規(guī)模 3 381.87 萬(wàn) m3，供水貢獻(xiàn)率在33.0% ～59.9%，每立方米水投資約42.5元。

2.2 苦咸水開(kāi)發(fā)潛力

根據(jù)2012年《甘肅省水資源綜合規(guī)劃》，明確指出，水資源配置中要優(yōu)先考慮生活、工業(yè)用水;兼顧農(nóng)業(yè)用水;保障生態(tài)用水的基本原則。在水量配置中，要以緩解區(qū)域缺水程度為目標(biāo)，充分考慮中水回用及其他水源利用。

《甘肅省水資源綜合規(guī)劃》配置情況中，2020年、2030年配置水量分別為121.94億 m3、126.34億 m3，缺水量分別為11.0億 m3和13.8億 m3。實(shí)際上，國(guó)家下達(dá)2020年、2030年用水總量控制指標(biāo)［5］只有 114.15億 m3和 125.63億 m3，而近年來(lái)用水總量基本保持在122億 m3，也就是說(shuō)，2020年國(guó)家下達(dá)的用水控制指標(biāo)比現(xiàn)狀實(shí)際用水還要少8.0億 m3，用水指標(biāo)不足仍然是制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵因素。由于苦咸水河流所占比重較大，苦咸水資源數(shù)量巨大，通過(guò)合理開(kāi)發(fā)利用苦咸水非常規(guī)水資源，將成為解決水資源嚴(yán)重短缺的一種有效途徑，特別是馬蓮河流域、祖厲河流域等嚴(yán)重缺水區(qū)域尤為重要。如表1。

表1 甘肅省苦咸水河及苦咸水量統(tǒng)計(jì)表

3 自然冷凍淡化技術(shù)方法研究

祖厲河、馬蓮河是甘肅最大的兩條苦咸水河流，流域內(nèi)淡水資源十分緊缺，造成當(dāng)?shù)厝嗣裆?、生產(chǎn)用水十分困難。長(zhǎng)期以來(lái)，由于現(xiàn)有的苦咸水淡化技術(shù)受投資大、成本高、能耗大、出水量有限等因素的制約，難以得到廣泛的推廣和應(yīng)用。取祖厲河、馬蓮河兩條最大苦咸水河流為研究對(duì)象，采用自然冷凍提純法，該方法可以充分利用自然能，并附以一些工程設(shè)施和較為簡(jiǎn)單的設(shè)備(可以就地取材，不用依靠進(jìn)口)，進(jìn)行大量地咸水淡化處理，大大較少了苦咸水處理成本，為大量開(kāi)發(fā)利用苦咸水提供了可能。解決了人們的生活、生產(chǎn)用水需求，水處理工藝符合節(jié)能環(huán)保的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1給出了苦咸水自然冷凍淡化工藝流程的主要環(huán)節(jié)和思路:首先在選定的位置修建蓄水、沉淀、一級(jí)冷凍綜合池，然后在河流適當(dāng)位置選取取水口，通過(guò)渠道把原水輸入蓄水池中，當(dāng)一級(jí)冷凍池中的水結(jié)冰后，打開(kāi)底漏閥門(mén)，排出結(jié)冰后的余水，然后用機(jī)械動(dòng)力工具把冰塊破碎，轉(zhuǎn)入太陽(yáng)能溫室中進(jìn)行溶化，對(duì)溶化后的水質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)，如果已達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，則可以直接從池中取水使用，若還未達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，可將水引入二次冷凍池中進(jìn)行二次冷凍提純。

圖1 自然冷凍法苦咸水淡化工藝流程

若還達(dá)不到要求，再進(jìn)行第三次冷凍提純。但就甘肅實(shí)際情況而言，即使礦化度最高的河流，一般經(jīng)過(guò)兩次冷凍提純就可達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

整個(gè)冷凍淡化處理過(guò)程所需能源，基本采用自然能:如輸水方面，可以在修建冷凍池、太陽(yáng)能溶冰池時(shí)，充分考慮其與河流之間的落差關(guān)系，這樣就可以采用自流方式連通輸水;冷凍采用露天自然方式進(jìn)行;溶冰可修建太陽(yáng)能溫室。夏季可以通過(guò)能源的轉(zhuǎn)換，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為冷凍能，然后進(jìn)行冷凍淡化處理。

自然冷凍淡化法可根據(jù)實(shí)際情況采取分戶(hù)小規(guī)模處理，地窖儲(chǔ)存，作為家庭生活、生產(chǎn)飲用水源。也可修建大型冷凍淡化處理和儲(chǔ)水設(shè)施，與當(dāng)?shù)刈詠?lái)水管道連接，作為補(bǔ)充水源，與雨水集流、其它淡化方法結(jié)合調(diào)劑利用，解決苦咸水地區(qū)人民生活、生產(chǎn)用水問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，自然冷凍法對(duì)甘肅祖厲河、渭河等流域的苦咸水的淡化效果是非常明顯的，對(duì)總鹽量(無(wú)機(jī)鹽)的平均削減率達(dá)到50%以上，對(duì)其中主要離子的削減率也基本在40%以上。按照此削減率計(jì)算對(duì)礦化度小于4.0g/L的苦咸水來(lái)說(shuō)，通過(guò)一次冷凍即可使礦化度降到2.0g/L以下，基本能滿(mǎn)足一般生活飲用水的標(biāo)準(zhǔn);對(duì)礦化度在4.0g/L以上的苦咸水，經(jīng)過(guò)2－3次冷凍提純就可以滿(mǎn)足生活飲用水的要求和標(biāo)準(zhǔn)。

總體來(lái)看采用自然冷凍法進(jìn)行苦咸水的淡化處理，具有技術(shù)方法簡(jiǎn)單，工藝設(shè)備要求不高，成本低和環(huán)保的巨大優(yōu)勢(shì)，在整個(gè)流程中除碎冰和冰塊轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)以外，其它環(huán)節(jié)都可以充分利用自然能，達(dá)到節(jié)能的目的。為將來(lái)甘肅省進(jìn)行大規(guī)模的苦咸水淡化處理提供了廣闊的應(yīng)用前景。值得一提的是:該方法不產(chǎn)生任何新的污染，對(duì)提純后的高含鹽余水，可在一次循環(huán)過(guò)程結(jié)束后用河水沖洗排除，然后再進(jìn)行下一次過(guò)程。

［1］王旭虎，徐先英，柴成武，等.民勤綠洲苦咸水空間分布及成因分析［J］.干旱區(qū)研究.2014，(2).

［2］韓亮亮，王培婷.苦咸水淡化技術(shù)及其發(fā)展淺探［J］.建材發(fā)展導(dǎo)向(下).2014，12(7):390.

［3］趙玲，李繼峰，苗東華，等.淺談國(guó)內(nèi)外城市飲用水處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析［J］.商情.2013，(31):182.

［4］甘肅省水文水資源局.甘肅省地級(jí)行政區(qū)用水總量控制指標(biāo)研究.蘭州:甘肅人民出版社.2012.09.

［5］GB 5749－2006.生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)［S］.