取水工程概论-给排水管道工程技术成果

1.5.1.1　水资源概述及取水工程任务

1.水资源概念及我国水资源概况

水是人类赖以生存和从事生产不可缺少的资源。随着人口增长、经济发展及人类生活水平的提高，人类对水的需求日益增长。水资源又是一种有限的，而且是不可替代的宝贵资源。迄今为止，有不少国家和地区的水资源问题已成为国民经济发展的制约因素。因此，对水资源的合理开发利用，受到普遍关注和重视。

由于人们对水资源研究和开发利用角度不同，对水资源概念的理解也不同。关于水资源概念，基本上可归纳为：

（1）广义概念。水资源指包括海洋、地下水、冰川、湖泊、土壤水、河川径流、大气水等在内的各种水体。

（2）狭义概念。水资源指上述广义水资源范围内逐年可以得到恢复更新的那一部分淡水。

（3）工程概念。水资源仅指上述狭义水资源范围内可以恢复更新的淡水量中，在一定技术经济条件下，可以为人们所用的那一部分水以及少量被用于冷却的海水。

上述概念是人们从不同角度对水资源含义的理解，如广义概念主要是从地学、水文学、气象学角度出发；狭义概念主要从生态环境与水资源综合开发利用角度考虑；工程概念主要从城市和工业给水及农田水利工程角度考虑。

应当指出，当涉及水资源概念时，应注意区分它的含义以及在不同场合下水资源概念的转化。例如，当提到某区域水资源问题时，往往指的是第2种含义；但当提到水资源数量不足时，往往指的是第3种含义，即“可以被人们取用的那一部分水”。

就城市水资源而言，它的含义又有一定区别。如城市与工业水源供不应求，为扩大水源满足社会生活、生产需要，城市水资源不仅仅局限于淡水，还包括海水利用，废水回用等。

全球广义水资源总量约为140亿亿m3；其中除去海水、冰川、深层高矿化地下水外，可开发利用的且逐年更新的淡水（即狭义的水资源），其总量为47万亿m3，仅占水资源总量的0.03‰，而在一定技术经济条件下可以为人们取用的水量则更少。因此、联合国报告预测，21世纪淡水将成为全世界最紧缺的自然资源。1997年12月，国际人口研究组织发表研究报告认为，在未来50年里，全世界至少有1/4人口将会面临水资源短缺。

我国水资源总量约2.8万亿m3，位居世界前几位。其中地表水资源约占94%，地下水资源仅占6%左右。虽然我国水资源总量并不少，但人均水资源量仅2400m3左右，只相当于世界人均占有量1/4还不到，居世界第110位，被列入13个贫水国家名单之内。据分析，由于受技术经济条件限制，我国即使了采用相当的工程措施，截止到2000年，对应于75%保证率的河川年径流总量中的可用水量，也只有7000亿m3左右。值得注意的是，我国河川径流量还具有时空分布极不均匀的特点。

从地区分布而言，我国地表水资源是东南多，西北少，由东南沿海向西北内陆递减。表1.5.1为我国径流地带区划及降水、径流分区情况。年地表水资源量可近似以年径流量表示，而年径流量是由年降水量决定的。干旱与否，一般以年降水深400mm为分界线。我国约有45%国土处于400mm以下，属干旱少水地区。我国沿海地区与内蒙古、宁夏等地区相比，年降水量相差达8倍以上，年径流深相差达90倍之多。可见，我国地表水资源在地区分布上是极其不均衡的。为从根本上改变我国北方水资源紧缺状况，现已采取跨流域调水等措施，以实现水资源在地区上的再分配，但任务将是艰巨的。

从时程分布而言，我同地表水资源的时程分布也极不均匀。地表水资源的时程分布主要是由降水季度（月份）决定的。在我国的东北、华北、西北和西南地区，降水量一般集中在每年的6—9月，正常年份其降水量约占年降水量的70%～80%；而12月至次年2月，降水量却极少，气候干旱。

表1.5.1　我国径流地带区划及降水、径流分区情况

我国地表水资源在时程上这种分布极不均匀性，不仅会造成频繁的水灾、旱灾，而且对地表水资源的开发利用也是十分不利的。同时还会加剧缺水地区的用水困难。

我国在水资源开发利用方面也存在不少问题。例如，一个地区或一个流域的工业、农业及城市生活用水分配，地表水和地下水的开采利用，当地经济发展结构与水资源的协调等，往往缺乏全面规划，统筹安排。此外，与发达国家相比，我国水的有效利用程度较低，往往以浪费水资源为代价取得粗放型经济增长。目前，我国工业每万元产值平均取水量约200m3，而有的经济发达国家仅20～30m3/万元，相差近10倍。我国工业用水的重复利用率目前只有50%～60%，经济发达国家在70%以上，其中钢铁、化工和造纸业中水的重复利用率竟分别高达98%、92%和85%。

我国不仅人均水资源量很少，而且水资源污染相当严重。据统计，2005年全国城市污水排放总量为524.5亿t，其中工业废水243.1亿t，生活污水281.4亿t，处理率为52%左右，全国还有278个城市没有建成污水处理厂；有30多个城市约50多座污水处理厂运行负荷率不足30%，或者根本没有运行；污水处理厂污泥和垃圾普遍存在二次污染隐患；污水再生利用水平有待提高；一些企业超标排污，严重影响污水处理厂安全运行。截至2009年年底，我国约80%水域，90%地下水受到污染，90%以上的城市水源受到污染，其中以有机污染物为主（以COD量计，年排放量约760万t），其次是一些重金属离子等，突出的污染水域有“三河”（淮河、海河、辽河）和“三湖”（太湖、巢湖、滇池），已作为国家环境治理重点。

综上所述，我国水资源是相当紧缺的。所谓水资源缺乏，应包括3种情况：一是资源型缺水，如我国北方一些地区水量很少；二是污染型缺水，如我国南方一些地区虽水源丰富但污染严重而不能利用；三是管理型缺水，包括不合理开发利用和水的浪费等。据统计，截至2005年下半年，全国城市缺水总量达60亿m3，全国660多个城市中有400多个城市存在不同程度的缺水问题，其中有136个城市缺水情况严重。城市和工业缺水，一方面影响人民生活，另一方面制约了国民经济持续发展。因此，保护水源、治理污染、合理开发利用水资源、节约用水[包括提高水的重复利用率，废（污）水回用及改革生产设备和工艺以降低单位产品用水量]等，是实现我国社会经济可持续发展的重要条件。

2.取水工程任务

取水工程是给水工程的重要组成部分之一。它的任务是从水源取水，并送至水厂或用户。由于水源不同，使取水工程设施对整个给水系统的组成、布局、投资及维护运行等的经济性和安全可靠性产生重大影响。因此，给水水源的选择和取水工程的建设是给水系统建设的重要项目，也是城市和工业建设的一项重要课题。

取水工程通常从给水水源和取水构筑物两方面进行研究。属于给水水源方面需要研究的问题有：各种天然水体存在形式，运动变化规律，作为给水水源的可能性，以及作为供水目的而进行的水源勘察、规划、调节治理与卫生防护等问题。属于取水构筑物方面需要研究的有：各种水源的选择和利用，从各种水源取水的方法，各种取水构筑物的构造形式，设计计算、施工方法和运行管理等。

1.5.1.2　给水水源

1.给水水源分类及其特点

给水水源可分为两大类：地下水源和地表水源。地下水源包括潜水（无压地下水）、自流水（承压地下水）和泉水：地表水源包括江河、湖泊、水库和海水。

大部分地区的地下水由于受形成、埋藏和补给等条件的影响，具有水质澄清、水温稳定、分布面广等特点。尤其是承压地下水（层间地下水），其上覆盖不透水层，可防止来自地表的渗透污染，具有较好的卫生条件。但地下水径流量较小，有的溶解性总固体和硬度较高，部分地区可能出现溶解性总固体很高或其他物质，如铁、锰、氟、氯化物、硫酸盐、各种重金属或硫化氢的含量较高的情况。

大部分地区的地表水源流量较大，由于受地面各种因素的影响，通常表现出与地下水相反的特点。例如，河水浑浊度较高（特别是汛期），水温变化幅度大，有机物和细菌含量高，有时还有较高的色度。地表水易受到污染。但是地表水一般具有径流最大，溶解性总固体和硬度低，含铁锰量等较低的优点。地表水的水质水量有明显的季节性。此外，采用地表水源时，在地形、地质、水文、卫生防护等方面均较复杂。

一般情况下，采用地下水源具有下列优点：

（1）取水条件及取水构筑物构造简单，便于施工和运行管理。

（2）通常地下水无须澄清处理。当水质不符合要求时，水处理工艺比地表水简单，故处理构筑物投资和运行费用也较省。

（3）便于靠近用户建立水源，从而降低给水系统（特别是输水管和管网）的投资，节省了输水运行费用，同时也提高给水系统的安全可靠性。

（4）便于分期修建。

（5）便于建立卫生防护区。

但是，开发地下水源的勘察工作量较大。对于规模较大的地下取水工程需要较长的时间进行水文地质勘察。

地表水源水量充沛，常能满足大量用水的需要。因此，城市、工业企业常利用地表水作为给水水源，尤其是我国华东、中南、西南地区，河网发达，以地表水作为给水水源的城市、村镇、工业企业更为普遍。

2.给水水源选择及水源的合理利用(www.xing528.com)

水源选择要密切结合城市远近期规划和工业总体布局要求，从整个给水系统（取水、输水、水处理设施）的安全和经济来考虑。

选择水源时应考虑与取水工程有关的其他各种条件，如当地的水文、水文地质、工程地质、地形、卫生、施工等方面的条件。

正确地选择给水水源，必须根据供水对象对水质、水位的要求，对所在地区的水资源状况进行认真的勘察、研究。选择给水水源的一般原则有以下几方面：

首先，所选水源应当水质良好，水量充沛，便于防护。对于水源水质而言，应根据《地面水环境质量标准》（GB3838—2002）判别水源水质优劣及是否符合要求。作为生活饮用水水源，其水质要符合《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006）中关于水源水质的若干规定；工业企业生产用水的水源水质则根据各种生产要求而定。水源水质不仅要考虑现状，还要考虑远期变化趋势。对于水量而言，除保证当前生活、生产需水量外，也要满足远期发展所必需的水量。地下水源的取水量应不大于开采储量；天然河流（无坝取水）的取水量应不大于该河流枯水期的可取水量。

在此说明：当无坝取水时，河流枯水期可取水量的大小，应根据河流的水深、宽度、流速、流向和河床地形等因素，并结合取水构筑物的形式来确定。一般情况下，可取水量占枯水流量15%～25%左右，当取水量占枯水流量的百分比较大时，则应对可取水量做充分论证，必要时需要通过水力模型试验确定。

符合卫生要求的地下水，应优先作为饮用水水源。按照开采和卫生条件，选择地下水源时，通常按泉水、承压水（或层间水）、潜水的顺序。对于工业企业生产用水水源而言，如取水量不大或不影响当地饮用需要，也可采用地下水源，否则，应取用地表水。采用地表水源时，须先考虑自天然河道中取水的可能性，而后考虑需调节径流的河流。地下水径流量有限，一般不适于用水量很大的情况。有时即使地下水储量丰富，也应做具体技术经济分析。例如，由于大量开采地下水，引起取水构筑物过多，过于分散，取水构筑物的单位水量造价相对上升及运行管理复杂等问题。有时，地下水埋深过大，将增加抽水能耗，提高水的成本。水的成本中，电费占很大比例，节能是降低水价的有效途径。

合理开采和利用水源至关重要。选择水源时，必须配合经济计划部门制定水资源开发利用规划，全面考虑统筹安排，正确处理与给水工程有关部门，如农业、水力发电、航运、木材流送、水产、旅游及排水等方面的关系，以求合理地综合利用和开发水资源。特别是对于水资源比较贫乏的地区，合理开发利用水资源，对于所在地区的全面发展具有决定性的意义。例如，利用经处理后的污水灌溉农田，在工业给水系统中采用循环和复用给水，提高水的重复利用率，减少水源取水量，以解决城市或工业大量用水与农业灌溉用水的矛盾；我国沿海某些地区，河流和地下水受海水影响，淡水缺乏，此种情况下应尽可能利用海水作为某些工业给水水源；沿海地区地下水的开采与可能产生的污染（与水质不良含水层发生水力联系），地面沉降和塌陷及海水入侵等问题，应予以充分注意。此外，随着我国建设事业的发展，水资源进一步开发利用，将有越来越多的河流实现径流调节，因此，水库水源的综合利用也是水源选择中一个重要课题。

某些沿海城市的潮汐河流，往往受到海水入侵，有时氯化物含量很高。为了取集淡水，可采用“蓄淡避咸”措施，即当河水含盐量高时，取集水库水；含盐量低时，直接取用河水。蓄淡避咸水库容量应根据取水量和“连续不可取水天数”（即连续咸水期）决定。例如，上海宝山钢铁公司和上海自来水公司，即在长江出口南支建有蓄淡避咸水库。采用蓄淡避咸方式，必须对海水入侵规律和含盐量进行充分调查研究，精确计算出在一定水文条件下河水含盐量超过标准而造成连续不可取水的天数，方可正确判断蓄淡避咸方案的可行性和确定水库容量。“蓄淡避咸”也是沿海城市潮汐河流水资源开采利用的一种措施。

在一个地区或城市，两种水源的开采和利用有时是相辅相成的。对于用水量大、工业用水量占一定比例、自然条件复杂以及水资源不丰富地区或城市尤需重视。例如，在城市边远地区、地势较高地段、对水质有特殊要求的用水户以及远期发展的地段等，可考虑采用地下水。又如，工业用水一般采用地表水源，饮用水采用地下水源。地下水源与地表水源相结合、集中与分散相结合的多水源供水以及分质供水不仅能够发挥各类水源的优点，而且对于降低给水系统投资、提高给水系统工作可靠性有重大作用。

人工回灌地下水是合理开采和利用地下水源的措施之一。有的城市因长期过量开采地下水，往往造成地下水静水位大幅度下降，单井出水量大幅度下降，甚至水井报废。更有甚者，过量开采地下水还会引起地面沉陷。为保持开采量与补给量平衡，可进行人工回灌，即以地表水补充地下水，以丰水年补充缺水年，以用水少的冬季补充用水多的夏季等。此外，某些工业用水需要水温稳定或以地下水作为冷源，也可采用回灌方法以保持地下水储量。北京、上海、天津、郑州等城市为了不同用途均采用地下水人工回灌。回灌水的水质应以不污染地下水，不使井管发生腐蚀、不使地层发生堵塞为原则，通常采用自来水回灌。回灌法有真空回灌和压力回灌。作为回灌井，井口上必须装设一些管件和闸阀以控制回灌。

3.给水水源保护

选择城镇或工业企业给水水源时，通常都经过详细勘察和技术经济论证，保证水源在水量和水质方面都能满足用户的要求。然而，由于水源污染，水土流失，对水的长期超量开采等，常使水源出现水量降低和水质恶化的现象。水源一旦出现水量衰减和水质恶化现象后，就很难在短期内恢复。因此，须事先采取保护水源、防止水源枯竭和被污染的措施。应该指出，只有采取预防性的措施，才是保护给水水源的有效和经济的措施。

（1）保护给水水源的一般措施。保护给水水源有以下几方面的措施：

1）配合经济计划部门制定水资源开发利用规划是保护给水水源的重要措施，这方面内容上文已经叙述。

2）加强水源管理。对于地表水源要进行水文观测和预报。对于地下水源要进行区域地下水动态观测，尤应注意开采漏斗区的观测，以便对超量开采及时采取有效的措施，如开展人工补给地下水、限制开采量等。

3）进行流域面积内的水土保持工作。水土流失不仅使农业遭受直接损失，而且还加速河流淤积，减少地下径流，导致洪水流量增加和常水流量降低，不利于水量的常年利用。为此，要加强流域面积上的造林和林业管理，在河流上游和河源区要防止滥伐森林。

防止水源水质污染有以下几方面措施：

a.合理规划城市居住区和工业区，减轻对水源的污染。容易造成污染的工厂，如化工、石油加工、电镀、冶炼、造纸厂等应尽量布置在城市及水源地的下游。

b.加强水源水质监督管理，制定污水排放标准并切实贯彻实施。

c.勘察新水源时，应从防止污染角度，提出水源合理规划布局的意见，提出卫生防护条件与防护措施。

d.对于滨海及其他水质较差的地区，要注意由于开采地下水引起的水质恶化问题，如咸水入侵，与水质不良含水层发生水力联系等问题。

e.进行水体污染调查研究，建立水体污染监测网。水体污染调查要查明污染来源、污染途径、有害物质成分、污染范围、污染程度、危害情况与发展趋势。地下水源要结合地下水动态观测网点进行水质变化观测。地表水源要在影响其水质范围内建立一定数量的监测网点。建立水体监测网点的目的是及时掌握水体污染状况和各种有害物质的分布动态，便于及时采取措施，防止对水源的污染。

（2）给水水源卫生防护。自来水厂的水源必须设置卫生防护地带。卫生防护地带的范围和防护措施，应按我国《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006）的规定，符合下列要求：

1）地表水源卫生防护。

a.取水点周围半径100m的水域内严禁捕捞、停靠船只、游泳和从事可能污染水源的任何活动，并应设有明显的范围标志和严禁事项的告示牌。

b.河流取水点上游1000m至下游100m的水域内，不得排入工业废水和生活污水；其沿岸防护范围内不得堆放废渣、不得设立有害化学物品的仓库、堆栈或装卸垃圾、粪便和有毒物品的码头；不得使用工业废水或生活污水灌溉以及施用有持久性毒性或剧毒的农药，并不得从事放牧等有可能污染该段水域水质的活动。

供饮用水水源的水库和湖泊，应根据不同情况将取水点周围部分水域或整个水域及其沿岸列入此范围，并按上述要求执行。

受潮汐影响的河流取水点上、下游的防护范围，由水厂会同当地卫生防疫站环境卫生监测站根据具体情况研究确定。

c.水厂生产区范围应明确划定并设立明显标志，在生产区外围不小于10m的范围内，不得设置生活居住区和修建禽畜饲养场、渗水厕所、渗水坑；不得堆放垃圾、粪便、废渣或铺设污水渠道；应保持良好的卫生状况和绿化。单独设立的泵站、沉淀池和清水池的外围不小于10m的区域内，其卫生要求与水厂生产区相同。

2）地下水源卫生防护。

a.取水构筑物的防护范围应根据水文地质条件、取水构筑物形式和附近地区的卫生状况进行确定，其防护措施应按地面水水厂生产区要求执行。

b.在单井或井群影响半径范围内，不得使用工业废水或生活污水灌溉和施用有持久性毒性或剧毒的农药，不得修建渗水厕所、渗水坑、堆放废渣或铺设污水渠道，并不得从事破坏深层土层的活动。如取水层在水井影响半径内不露出地面或取水层与地面水没有互相补充关系时，可根据具体情况设置较小的防护范围。

c.在地下水水厂生产区范围内，应按地面水水厂生产区要求执行。

（3）卫生防护的建立与监督。水源和水厂卫生防护地带具体范围、要求、措施应由水厂提出具体意见，然后取得当地卫生部门和水厂的主管部门同意后报请当地人民政府批准公布。水厂要积极组织实施，在实施中要主动取得当地卫生、公安、水上交通、环保、农业与规划、建设部门的确认与支持。卫生防护地带建立以后要作经常性检查，发现问题要及时解决。

为确保生活饮用水水质安全，除必须满足上述水源卫生防护各项要求外，还必须遵照《中华人民共和国水污染防治法》（2008年修订）的规定，才能有效防止水源污染。