八水潤(rùn)西安工程中再生水利用探究

張高鋒，莫淑紅，沈 冰，肖孫田

(1.西安市水資源利用技術(shù)服務(wù)中心，西安 710054；2.西安曲江臨潼國(guó)家旅游休閑度假區(qū)管理委員會(huì),西安 710600；3.西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地(西安理工大學(xué)),西安 710048；4.西安市水務(wù)局，西安 710007)

八水潤(rùn)西安工程中再生水利用探究

張高鋒1,2，莫淑紅3,*，沈 冰3，肖孫田4

(1.西安市水資源利用技術(shù)服務(wù)中心，西安 710054；2.西安曲江臨潼國(guó)家旅游休閑度假區(qū)管理委員會(huì),西安 710600；3.西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地(西安理工大學(xué)),西安 710048；4.西安市水務(wù)局，西安 710007)

分析計(jì)算了“八水潤(rùn)西安”工程中再生水需水量，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合西安市“十二五”再生水處理設(shè)施運(yùn)行能力與再生水管網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃，對(duì)“八水潤(rùn)西安”工程中湖池系統(tǒng)再生水需水量進(jìn)行了分析計(jì)算。結(jié)果表明，湖池系統(tǒng)需水量由原來(lái)的6 261.58×104m3/a減少到了4 512.58×104m3/a，同時(shí)分析了加大再生水利用可產(chǎn)生1.65億元/a的經(jīng)濟(jì)效益。

再生水；八水潤(rùn)西安；湖池需水量

0 引 言

人類傍河而居，伴水而生。水孕育了生命，產(chǎn)生了文明?？v觀人類的發(fā)展史無(wú)不與水有著密切的聯(lián)系。塞納河滋養(yǎng)了聞名于世的巴黎，黃浦江培育了充滿活力的上海，泰晤士河孕育了繁榮昌盛的倫敦，哈德遜河哺育了國(guó)際一流的紐約。西安歷史上也曾以水資源豐沛而聞名，“八水繞長(zhǎng)安”奠定了西安歷史的輝煌。進(jìn)入近代以來(lái)，由于氣候的變化，植被的破壞、人口的增加以及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的快速發(fā)展，昔日的“長(zhǎng)安八水”逐漸干涸，水質(zhì)急劇惡化，河流失去了原有的生機(jī)與活力，在一定程度上制約了西安國(guó)際化大都市建設(shè)的步伐[1]。為了實(shí)現(xiàn)西安經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，2012年西安市委、市政府提出了“八水潤(rùn)西安”的宏偉目標(biāo)，計(jì)劃用5～10 a，把西安建成“城在水中、水在城中、水韻長(zhǎng)安的現(xiàn)代化生態(tài)型大都市”，然而先天的資源型缺水成為實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)的最大障礙。

污水再生回用已被認(rèn)為是開源節(jié)流、減輕水體污染、改善生態(tài)環(huán)境、解決城市缺水問(wèn)題的有效途徑之一[2-3]。自1932年世界上第一個(gè)污水處理廠建立以來(lái)，世界各國(guó)均加快了污水再生回用，1961 年美國(guó)率先將城市污水再生回用于限制性?shī)蕵?lè)用水[4-5]，日本在1951年也建立了國(guó)內(nèi)最早的污水再生回用示范項(xiàng)目，1968年南非建成了世界第一座飲用水的回用水廠。國(guó)內(nèi)再生水回用起步較晚，20世紀(jì)70年代開始探索污水回用處理技術(shù)，1985年在北京環(huán)保所建成了國(guó)內(nèi)早期的再生水回用工程，隨后大連市、大慶市先后將再生水用于工業(yè)冷卻和油田回注，城市污水作為一種水質(zhì)、水量穩(wěn)定、且供給可靠的潛在水資源日益受到人們的關(guān)注。

本文從加大再生水利用角度出發(fā)，在分析計(jì)算“八水潤(rùn)西安”工程(以下簡(jiǎn)稱“八水工程”)中再生水潛在用戶及其需水量基礎(chǔ)上，探討了“八水工程”中湖池系統(tǒng)的再生水需求量，以期為提高“八水潤(rùn)西安”工程的水資源保障能力提供參考。

1 “八水工程”概況

2012年7月，為進(jìn)一步貫徹落實(shí)“關(guān)—天經(jīng)濟(jì)區(qū)”發(fā)展規(guī)劃和省委、省政府關(guān)于建設(shè)“美麗陜西”的決策部署，西安市委、市政府從經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的全局高度出發(fā)，提出了加快實(shí)施“八水潤(rùn)西安”工程?！鞍怂疂?rùn)西安”工程即“571028”工程，指利用5～10 a，到2020年前后建成、修復(fù)、提升灞(浐)河引水、荊峪溝引水、大峪水庫(kù)引水、皂河引水、灃河引水等5條生態(tài)引水；灞河灞橋濕地、灞渭濕地、涇渭濕地、灃渭濕地、黑渭濕地、澇渭濕地、皂渭人工濕地等7片濕地；浐河、灞河、涇河、渭河、灃河、澇河、潏河、滈河、黑河水系、引漢濟(jì)渭水系等10條水系；漢城湖、護(hù)城河、未央湖、豐慶湖、雁鳴湖、廣運(yùn)潭、曲江南湖、芙蓉湖、興慶湖、大明宮太液池、美陂湖、西安湖、阿房湖、昆明池、漢護(hù)城河、儀祉湖、堰頭湖、滄池、航天湖、天橋湖、太平湖、鳳凰池、常寧湖、樊川湖、杜陵湖、高新湖、幸福河、南三環(huán)河等28湖池[6]。

2 “八水工程”再生水潛在用戶及其需水量分析

2.1 再生水潛在用戶

按照優(yōu)先使用再生水的原則，河道內(nèi)濕地、湖池用水量主要依靠河道來(lái)水，河道外湖池、濕地用水量以再生水為主，綜合考慮西安市“十二五”再生水處理設(shè)施運(yùn)行能力與再生水管網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃等因素后，對(duì)八水潤(rùn)西安中可能使用再生水的項(xiàng)目進(jìn)行了逐一分析，最終篩選出八水工程中可能使用再生水的湖池主要為太液池、豐慶湖、未央湖、阿房湖、滄池、漢城湖、高新湖、護(hù)城河、曲江南湖、芙蓉湖、漢護(hù)城河、航天湖等12個(gè)湖池，其余用水對(duì)象由于受再生水處理設(shè)施能力及再生水管網(wǎng)建設(shè)等限制，用水由其他途徑解決。

2.2 湖池需水量[7-13]

根據(jù)水量平衡原理，湖池需水量為湖池收入水量與支出水量之差。湖池支出水量包括蒸發(fā)量、滲漏量、循環(huán)更新水量(含綠地澆灌水量和退水量)，湖泊一次性補(bǔ)水在此不考慮，收入水量主要為降水補(bǔ)充，各相關(guān)指標(biāo)計(jì)算如下：

1)蒸發(fā)量計(jì)算：Q蒸發(fā)=AE/1 000

式中A為湖池水面面積，m2；E為多年平均年蒸發(fā)量，根據(jù)西安市氣象資料，平原地區(qū)取898.9 mm。

各湖池年蒸發(fā)量計(jì)算結(jié)果見表1。

2)降水量計(jì)算：Q降水=AP/1 000

式中A為湖池水面面積，m2；P為多年平均降雨量，根據(jù)西安市氣象資料，平原地區(qū)取637.5 mm。

各湖池年降水量計(jì)算結(jié)果見表1。

3)滲漏量計(jì)算：Q滲漏=AKD

式中A為湖池水面面積，m2；K為下滲系數(shù)，由于各湖池的防滲措施不完全一致，為了便于計(jì)算以漢城湖、護(hù)城河等體積較大的水體采取的黏土防滲作為計(jì)算依據(jù)，取滲透系數(shù)1.0×10-8m/s；D為計(jì)算天數(shù)，取365 d。

各湖池年滲漏量計(jì)算結(jié)果見表1。

4)循環(huán)更新水量計(jì)算：各湖池的循環(huán)更新水量按照11、12、1、2月?lián)Q水1次/60 d；3、4、10月?lián)Q水1次/30 d；5、6、7、8、9月?lián)Q水1次/15 d，每次更換全部水量的1/2。

W×5×2×1/2=7.5W

式中W為湖池蓄水量，104m3。

由于航天湖、曲江南湖、芙蓉湖、護(hù)城河及漢城湖為串聯(lián)式供水，即前一個(gè)湖池的退水為下一個(gè)湖池的進(jìn)水，考慮到護(hù)城河和漢城湖位于系統(tǒng)末端，且面積較大，為保證湖池水質(zhì)，護(hù)城河和漢城湖每年4、10月也換水1次/15 d，每次更換1/2半水量，水量分別由第二污水廠和第一污水處理廠再生水解決。

各湖池年循環(huán)更新水量計(jì)算結(jié)果見表1。

5)綠化用水量計(jì)算：Q綠化=365A1q

式中A1為綠地面積，根據(jù)各湖池具體情況取湖池總占地面積扣除水面后剩余部分的0.7～0.9；q為綠化用水定額，根據(jù)現(xiàn)行的陜西省行業(yè)用水定額取2 L/m2·次，平均每天灌溉一次。

各湖池年綠化用水量計(jì)算結(jié)果見表1。

6)退水量計(jì)算：為了提高再生水的利用率，綠化用水量全部使用湖池循環(huán)更新水量，即湖池循環(huán)更新水量一部分作為綠化用水，剩余部分為湖池退水，Q退水=Q更新-Q綠化，當(dāng)Q綠化>Q更新時(shí)，Q退水=0，即循環(huán)更新水全部用于園區(qū)綠化。

各湖池年退水量計(jì)算結(jié)果見表1。

7)需水量計(jì)算：Q=Q蒸發(fā)+Q滲漏+Q更新-Q降水

當(dāng)Q更新

各湖池需水量計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 各湖池需水量計(jì)算成果表

注：①*表示實(shí)際綠化面積;②(4)欄～(11)欄單位為104m3。

3 西安市污水處理及再生水利用現(xiàn)狀

目前，西安市已投入運(yùn)行的污水處理廠有14座，污水處理總能力達(dá)到121.6×104m3/d，其中主城區(qū)污水處理能力為110×104m3/d，各區(qū)縣污水處理能力為11.6×104m3/d；建成第一、第二、第三及第七污水處理廠等再生水處理設(shè)施4座，再生水處理設(shè)施規(guī)模18×104m3/d，現(xiàn)狀已運(yùn)行的主要有第二和第三污水處理廠再生水處理設(shè)施，日供水能力2.1×104m3/d，第一污水處理廠再生水處理設(shè)施因暫無(wú)用戶未運(yùn)行，第七污水處理廠再生水處理設(shè)施因管網(wǎng)未連通也未正常運(yùn)行。從再生水用途來(lái)看，96%的再生水主要用于熱電廠及工業(yè)企業(yè)冷卻用水，小區(qū)綠化、建筑用水、市政雜用及景觀水體補(bǔ)水等利用量較小，僅占4%[14-16]。已建成再生水設(shè)施見表2。

表2 已建成的再生水處理設(shè)施

根據(jù)《西安市再生水利用“十二五”規(guī)劃》到2020年各再生水廠出水水質(zhì)將達(dá)到文獻(xiàn)[17]中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，各湖泊景觀用水執(zhí)行文獻(xiàn)[18]中觀賞性湖泊水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。再生水一級(jí)A水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與觀賞性湖泊水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比見表3。由表3可見，一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)中BOD5略高于觀賞性湖泊用水標(biāo)準(zhǔn)，可在湖池中根據(jù)情況修建噴泉、假山等景觀工程加強(qiáng)曝氣加以改善，其余指標(biāo)均能滿足景觀用水需要，因此用再生水作為景觀用水的水源是可行的。

表3 再生水一級(jí)A水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與觀賞性湖泊水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表

Table 3 Water quality standard of the A in first grade discharge standard and the recreational environment

基本控制項(xiàng)目一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)觀賞性湖泊化學(xué)需氧量(COD)/mg·L-150-生化需氧量(BOD5)/mg·L-110≤6懸浮物(SS)/mg·L-110≤10動(dòng)植物油/mg·L-11-石油類/mg·L-11≤1.0陰離子表面活性劑/mg·L-10.5≤0.5總氮(以N計(jì))/mg·L-115≤15氨氮(以N計(jì))/mg·L-15(8)≤5總磷(以P計(jì))/mg·L-10.5≤0.5色度(稀釋倍數(shù))30≤30pH值6-96-9糞大腸菌群數(shù)/個(gè)·L-11000≤10000溶解氧/mg·L-1-≥1.5余氯/mg·L-1-≥0.05

注：-表示此項(xiàng)無(wú)要求；括號(hào)外數(shù)值為水溫>12 ℃時(shí)的控制指標(biāo)，括號(hào)內(nèi)數(shù)值為水溫≤12 ℃時(shí)的控制指標(biāo)，西安市城市污水水溫除極個(gè)別極端天氣外，一般水溫>12 ℃。

4 “八水工程”湖池系統(tǒng)再生水需求及效益分析

依據(jù)西安市已經(jīng)建成或即將建設(shè)的相關(guān)湖池連通工程，將前一個(gè)湖池的退水作為下一個(gè)湖池的水源并保障水系連通工程中最大湖池的用水量，同時(shí)為了提高水的重復(fù)利用率，減少湖池需水量，加快水體循環(huán)，延緩富營(yíng)養(yǎng)化速度，遵循綠化用水全部來(lái)源于湖池循環(huán)更新水量的原則，當(dāng)綠化用水量大于湖池循環(huán)更新水量時(shí)，以綠化用水量來(lái)控制湖池循環(huán)更新水量。按照以上思路與原則，結(jié)合相關(guān)再生水廠的規(guī)模，對(duì)“八水工程”湖池系統(tǒng)的再生水需求量進(jìn)行了分析計(jì)算，各再生水廠供水量及湖池系統(tǒng)再生水需求量見表4和圖1。

表4 各再生水廠供水量

Table 4 Water supply quantity of each reclaimed water treatment plant

再生水水源建設(shè)規(guī)模/104m3·a-1直接供水湖池供水量備注太液池204.02一污2190滄池1368.00漢城湖449.55阿房湖124.54二污4745豐慶湖39.58護(hù)城河442.37七污1460高新湖924.45九污1825航天湖461.61十污1825未央湖498.46合計(jì)4512.58其余湖池用水量由直接供水湖池串聯(lián)供給。

由表4和圖1可見，湖池系統(tǒng)的年需水量由原來(lái)的6 261.58×104m3減少到了4 512.58×104m3，減少了1 749×104m3，降幅達(dá)28%?？梢姴捎谩伴L(zhǎng)藤結(jié)瓜”的方式將航天湖、曲江南湖、芙蓉湖、護(hù)城河、漢城湖等湖池串聯(lián)起來(lái)作為一個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一考慮是非常必要的，同時(shí)隨著串聯(lián)湖池?cái)?shù)量的增加這一效果將更加明顯。

圖1 湖池系統(tǒng)再生水需求量配置圖(104 m3/a)Fig.1 Requirement of reclaimed water on cascade lakes

加大再生水利用可帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益，目前西安市非居民用水價(jià)格4.9元/m3，而西安市第二污水廠再生水價(jià)格僅為1.25元/m3，比自來(lái)水便宜3.65元/m3，以八水潤(rùn)西安年再生水需水量4 512.58×104m3計(jì)算，年可獲得1.65億元的直接經(jīng)濟(jì)效益，高于西安市目前全年水資源費(fèi)征收總量1.36億元[19]，節(jié)約的水資源量相當(dāng)于又修建了一座庫(kù)容達(dá)4 600×104m3的中型水庫(kù)，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。此外，從社會(huì)效益來(lái)看，在水資源日益緊缺的今天，加大再生水利用不僅減少了新鮮水的需求量，彌補(bǔ)了“八水潤(rùn)西安”水資源緊缺的短板，為“八水潤(rùn)西安”工程提供了第二大水源，同時(shí)也保證了下游河道生態(tài)流量，減少了城市污水排放量，對(duì)于保護(hù)環(huán)境，建設(shè)生態(tài)文明城市具有重要意義。

5 結(jié)論與建議

本文研究結(jié)果表明，西安市再生水除BOD5指標(biāo)略微超標(biāo)需簡(jiǎn)單處理外，其余指標(biāo)均能滿足景觀用水需要，可作為觀賞性湖泊用水的水源?！鞍怂こ獭敝刑撼亍⒇S慶湖、未央湖等12個(gè)湖池作為再生水潛在用戶，經(jīng)計(jì)算湖池總的年需水量為6 261.58×104m3，但經(jīng)相互串聯(lián)統(tǒng)一配置后，年需水量可減少到4 512.58×104m3。西安市再生水設(shè)施建設(shè)能力可以滿足12個(gè)河湖的生態(tài)需水，可作為“八水工程”的第二大水源，且經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。為延緩水體富營(yíng)養(yǎng)化，建議在有條件的湖池增加噴泉、跌水等揚(yáng)水曝氣設(shè)施，滿足景觀需要的同時(shí)改善水體水質(zhì)并盡快按照相關(guān)規(guī)劃加快再生水處理設(shè)施及管網(wǎng)建設(shè)，為湖池用水奠定基礎(chǔ)。

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[17]GB 18918-2002，城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[18]GB 18921-2002，城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)[S].

[19]西安市水務(wù)局.西安市水資源公報(bào)[R].西安：西安市水務(wù)局，2013.

Reclaimed water reuse for the project of eight rivers moisten Xi’an

ZHANG Gao-Feng1,2，MO Shu-Hong3，*，SHEN Bing3，XIAO Sun-Tian4

(1.Xi’an Water Resource Utilization Technology Advisory Center，Xi’an 710054, China；2.Administration Committee of Qujiang Lintong National Travel and Leisure Holiday Resort，Xi’an 710600, China；3.State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area，Xi’an 710048,China；4.Xi’an Water Affairs Bureau，Xi’an 710007， China)

The water requirement in the engineering of eight rivers moisten Xi’an was analyzed and calculated.On the basis of the treatments capacity and the pipe networks planning during the periods of “The 12th Five-Year Plan”，the water requirement on cascade lakes was recalculated.The results showed that the requirement decreased from 6 261.58×104m3to 4 512.58×104m3every year and there also have an economic benefit of 1.65 billions Yuan every year.

reclaimed water；eight rivers moisten Xi’an；the water requirement of each lake

10.13524/j.2095-008x.2015.03.040

2014-11-27;

2014-12-23

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20150626.0911.001.html

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51209169)；陜西省教育廳省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(12JS067)

張高鋒(1982-)，男，陜西戶縣人，工程師，碩士，研究方向：水資源規(guī)劃與管理，E-mail：84485270@qq.com;*通訊作者：莫淑紅(1972-)，女，寧夏中衛(wèi)人，副教授，博士，研究方向：旱區(qū)水文水資源，E-mail：moshuhong@xaut.edu.cn。

TV213.9

A

2095-008X(2015)03-0023-05