第二章 水資源開發與利用

第一節 水資源開發利用形式

一、地面水資源開發利用形式

由于地面水資源的種類、性質和取水條件各不相同，因而地面水的開發利用形式也各不相同。按水源劃分，有河流、湖泊、水庫、海洋等水體取水。按取水構筑物的構造型式分，則有固定式（岸邊式、河床式、斗槽式）和活動式（浮船式、纜車式）兩種。在城市上游的河流取水，為了兼顧城市防洪和供水，通常是采用建造水庫的方法來實現地面水資源的開發利用?？傊?，地面水資源的開發利用應根據當地需要和實際取水條件，設計選擇適宜的取水形式。

（一）河流取水的工程形式

開發利用河水資源的工程形式很多，一般按取水構筑物的類型可分為固定式和活動式兩類。在型式選擇時，應根據取水量和水質要求，結合河床地形、地質、淤積、沖刷、水位變幅、冰凍和航運等情況以及施工條件，在保證取水安全可靠的前提下，通過技術經濟比較后確定。

1.固定式取水構筑物

在河水資源的開發利用過程中，習慣上把不經過筑壩攔蓄河水，而在岸邊或河中直接修建的固定的取水設施稱為固定式取水構筑物，這是相對于移動式取水構筑物而言的。固定式取水構筑物與活動式取水構筑物相比具有取水可靠，維護管理簡單，適應范圍廣等優點，但投資較大，水下工程量較大，施工期長。

固定式取水構筑物主要分為岸邊式和河床式兩種，另外還有斗槽式等。

（1）岸邊式取水構筑物。

直接從江河岸邊取水的構筑物叫岸邊式取水構筑物，由集水井和泵站兩部分組成。岸邊式取水構筑物主要適用于河岸較陡，主流近岸，岸邊有足夠水深，水質和地質條件較好，水位變幅不大的河段。

按照集水井與泵站的相對位置，岸邊式取水構筑物可分為合建式和分建式兩種基本型式。

（2）河床式取水構筑物。

從河心進水孔取水的構筑物，稱為河床式取水構筑物。當河岸較平坦、枯水期主流離岸較遠、岸邊水深不足或水質不好而河心有足夠水深或較好水質時，宜采用這種型式。

河床式取水構筑物的特點是適應范圍較廣，集水井和泵房建在河岸上，可不受水流沖刷和冰凌碰擊，也不影響河道水流。當河床變遷之后，進水管可相應地伸長或縮短，冬季保溫、防凍條件比岸邊式好。但取水頭部和進水管經常淹沒在水下，清洗和檢修不方便。

（3）斗槽式取水構筑物。

斗槽式取水構筑物由進水斗槽和岸邊式取水構筑物組成，即在岸邊式取水構筑物取水處的河流岸邊用堤壩圍成斗槽，利用斗槽中流速較小、水中泥沙易于沉淀、潛冰易于上浮的特點，減少泥沙和冰凌從取水口的進入，從而進一步改善水質。當河流含沙量大、冰凌嚴重時，宜采用斗槽式取水構筑物。

2.移動式取水構筑物

在遇到下列情形時，一般應考慮使用移動式取水構筑物。

（1）當河水水位變幅較大而取水量又較小時。

（2）當供水要求緊迫、建設固定式取水構筑物趕不上需要時。

（3）當水文資料不全、河岸不穩定時。

（4）當設計臨時性的供水水源時。

移動式取水構筑物主要有纜車式和浮船式兩種，它們具有水下工程量少、施工方便、工程投資少、靈活機動等優點，但操作管理較復雜，需經常隨河水水位的變化將纜車或浮船移位以及更換輸水斜管的接頭，運行不夠安全，尤其是浮船式，供水可靠性較差，水位漲落時移位頻繁，易受洪水和風浪的影響，且影響航運。因此，隨著建設要求的提高，現在采用浮船式取水構筑物已有減少的趨勢。

建設移動式取水構筑物要求河床比較穩定，岸坡有適宜的傾角，河流漂浮物少，無冰凌且取水構筑物不易受漂木、浮筏、船只撞擊，河段順直，靠近主流。

（二）湖泊、水庫取水工程形式

我國湖泊、水庫眾多。而且近些年來水庫的建設速度還在加快。為了滿足生產和生活用水的需要，現在已有越來越多的湖泊、水庫取水工程。湖泊、水庫取水工程類型有：

（1）隧洞式取水和明渠取水。

（2）分層取水。

（3）岸邊式或湖心式取水。

二、地下水資源開發利用形式

由于地下水的類型、埋藏條件、含水層性質等的不同，開發利用地下水的形式也各不相同。按水源地的供水特點分為集中式水源地和分散式水源地；按照汲取地下水的集水建筑物類型可分為管井、大口井、坎兒井、輻射井、截潛流工程、引泉工程等?？傊?，地下水資源的開發利用應根據水文地質條件并結合當地需要，選擇適宜的開采方式。

用于集取地下水的工程建筑物稱為集水建筑物。由于地下水埋藏條件、開采條件及當地經濟技術條件與習慣的不同，集水建筑物的型式也就多種多樣。總括起來不下數十種，綜合歸納可概括為垂直系統、水平系統、聯合系統和引泉工程四大類型。

1.垂直系統

因集取地下水的主要建筑物的延伸方向基本與地表面垂直，故稱垂直系統。包括管井、筒井、大口井、輕型井等各種類型的水井，都屬于此種系統。

垂直系統集水建筑物，可適用于各種條件，因而應用最為廣泛。下面對幾種常見的井型略加介紹。

（1）管井。

這是一種直徑較小，深度較大，井壁用鋼管、鑄鐵管、鋼筋混凝土管或塑料管等各種管材加固的井型。因其通常采用水井鉆機施工，水泵抽水，故群眾習慣稱之為機井。管井的直徑在生產中多為200～300mm，超過300～500mm者比較少見。100～150mm的管井除臨時性或勘探井外，一般較少采用。管井的深度，視當地水文地質條件而定。當前農用管井的深度多為50～100m，也有達200～300m者。隨著生產發展的要求，鉆井機具性能的提高，管井的深度也在逐漸增加。

（2）筒井與大口井。

習慣上，將人工開挖或半機械化施工、直徑較大、形狀似一圓筒的各種淺井統稱為筒井。因筒井與管井在結構方面沒有本質的區別，僅是深度和直徑有所差異而已，故有些文獻中已不再加區分，通稱筒井。將直徑超過1.5m以上者稱為大口井。筒井的直徑一般為1～1.5m。大口井的直徑一般在3～5m，但也有達十余米至數十米的。筒井和大口井多開采地下水埋深較小的潛水（也有少數開采承壓水的），深度較小，最淺者僅有幾米，通常不大于50m。

（3）輕型井。

這種井直徑小，深度不大，用塑料管等輕質材料加固井壁，用輕型小口徑鉆機施工的一種井型。直徑最小者僅75mm，深度30～50m。適合在地下水埋深小（最好小于3m）的地區建造。

2.水平系統

集取地下水的主要建筑物的延伸方向，基本與地面相平行的，稱為水平系統。常見的有截潛流工程、坎兒井、臥管井等。水平系統取水建筑物只有在特定條件下適用，因而應用不如垂直系統建筑物普遍。

（1）坎兒井。

坎兒井是干旱地區開發利用山前洪積扇地下潛水，用于農田灌溉和人畜飲用的一種古老的水平集水工程。這種工程在我國主要分布在新疆的吐魯番、哈密盆地一帶。

坎兒井的供水系統一般由豎井、廊道、明渠、澇壩（地面蓄水池塘）四大部分組成?？矁壕闹饕攸c是可以自流灌溉，不用動力提水，水量穩定、水質優良，能減少輸水蒸發損失，能防風沙，施工設備簡單，操作技術易為群眾掌握。坎兒井使用壽命較長。但由于其施工工期長、易坍塌、滲漏損失大、維修管理不易等原因，目前新開挖者不多。

（2）截潛流工程。

在河床有大量沖積的卵石、礫石和砂等的山區間歇河流，或一些經常干涸斷流，但卻有較為豐富的潛流的河流中上游，山前洪積扇溢出帶或平原古河床，由于水井施工難度大或出水量較小，這時可采用管道或截滲墻來截取潛流，這種截取潛流的建筑物，一般通稱為截潛流工程，其結構如圖2-1所示。截潛流工程應用較為普遍。

（3）臥管井。

管井是在平原地區，含水層薄而淺的條件下，采用的一種井型。它由水平的臥管和垂直的集水井組成。水平臥管為直徑25～50mm的穿孔管，周圍圍填濾料，長度可達100～200m。在陡崖坡處，如有適宜的水文地質條件，可施工陡崖臥管井。這種臥管井可使用專用水平鉆機鉆孔，安裝帶有條孔的鋼管、竹管等。管口常需裝設閘閥，以供調節和保護地下水源。臥管井只適用于特定的水文地質條件，或有渠水及其他人工補給水源的地區。

3.聯合系統

將垂直與水平系統結合在一起，或將同系統中的幾種聯合成一整體，便可稱為聯合系統。如聯井（用水平管道將幾個井連接起來）、輻射井（由垂直的集水井和沿集水井輻射狀分布的水平管組成）、筒管井（為筒井與管井的聯合。當含水層埋深大、井的深度大時，為節約管材而采取下小上大的一種變徑措施）等。

4.引泉工程

根據泉水出露特點，予以擴充、收集、調節與保護的引泉水建筑物，通稱引泉工程。引泉工程必須在具有特殊的地下水天然露頭條件下采用。因而是與前三種系統不同的開采地下水的建筑物類型。

以上四種類型，均應根據當地具體條件，合理選用。

目前，水資源短缺和水污染嚴重已經成為制約我國經濟可持續發展的重要因素。加強多種水資源的聯合開發利用，是解決我國水資源短缺問題的有效途徑。多種水資源的聯合開發利用方式主要有地表、地下水聯合運用；雨水、海水、中水等多種水源利用相結合等。

三、其他水資源的綜合利用

1.雨水利用

從上世紀80年代開始，世界各國就開始探索雨水利用。德國是歐洲開展此項工程最好的國家之一。德國的城市雨水利用方式有三種：一是屋面雨水集蓄系統，集下來的雨水主要用于家庭、公共場所和企業的非飲用水。法蘭克福一個蘋果榨汁廠，更是把屋頂集下來的雨水作為工業冷卻循環用水，成為工業項目雨水利用的典范。二是雨水截污與滲透系統，道路雨水通過下水道排入沿途大型蓄水池或通過滲透補充地下水。德國城市街道雨水管道口均設有截污掛籃，以攔截雨水徑流攜帶的污染物。三是生態小區雨水利用系統，小區沿著排水道建有滲透淺溝，表面植有草皮，供雨水徑流流過時下滲。超過滲透能力的雨水則進入雨水池或人工濕地，作為水景或繼續下滲。

城市雨水利用的形式可以多種多樣。一方面可通過城市建設格局的調控，采取低于硬化面一定高度、大面積均勻分布的城市綠地，在整個規劃區范圍內將各種硬化面的降雨徑流分散接納、滲入地下，減少或避免雨水徑流外排，使雨水環境化。另一方面，可將屋頂、道路、庭院、廣場的雨水徑流用管道收集，經處理后儲存到蓄水池，用于澆灌綠地、沖洗廁所、洗車、消防、市政雜用等?；蛘卟捎眯顪驼{控設施將雨水徑流的洪峰流量削減后排入河道，減輕排水河道的行洪壓力。

2.海水利用

海水利用包括海水直接利用、海水淡化和海水農業等。

（1）海水直接利用。

海水直接利用就是用海水代替淡水作為工業用水和生活用水。隨著海洋生物污損防治技術的提高和耐腐蝕材料的進一步發展，沿海城市中海水在工業冷卻用水中所占比例正逐步增加。而海水用于生活用水，目前主要是海水沖廁等。

（2）海水淡化。

海水淡化是海水利用的重點。目前海水淡化技術有兩種，即蒸餾法和反滲透法。

蒸餾法制取淡水，是利用熱能來實現的，在有核電站和熱電廠的條件下采用這種技術，可以充分利用電廠余熱，用蒸餾法制取淡水。

反滲透法是利用孔徑比納米還細小的半透膜濾去鹽分來制取淡水。目前，尚未到生產階段。

（3）海水農業。

目前，農業用水量大約占人類用水總量的70%左右，海水農業是當今研究和開發的熱點之一。也許若干年后，隨著我國基因工程技術的飛速發展，耐海水植物的基因被轉接到水稻、蔬菜等作物上。到那時，人類可在海灣或海灘上種植各種農作物，并直接利用海水灌溉。海水農業將成為人類食品供給的重要組成部分。

3.中水回用

城市污水經處理設施深度凈化處理后的水統稱“中水”。其水質介于自來水（上水）與排入管道內污水（下水）之間，故名“中水”。

中水回用，一方面為城鎮供水開辟了第二水源，可大幅度降低“上水”的消耗量，同時也在一定程度上緩解了“下水”對水源的污染問題。從而起到了保護水源，增加水量的作用。在美國、日本、以色列等國，廁所沖洗、園林和農田灌溉、道路保潔、洗車、城市噴泉、冷卻設備補充用水等，都大量地使用中水。

總之，在水資源開發利用過程中必須始終貫徹全面考慮、統籌安排、綜合利用的原則，正確處理各種用水的相互關系，盡量做到一水多用，分質供水。隨著地表水與地下水聯合運用、雨水資源、海水資源和污水資源利用水平的不斷提高，加之各項節水措施的應用，我國水資源緊張的局面一定能夠緩解，并最終徹底解決水資源不足的問題，實現水資源的可持續利用。