第二章 水资源开发与利用

第一节 水资源开发利用形式

一、地面水资源开发利用形式

由于地面水资源的种类、性质和取水条件各不相同，因而地面水的开发利用形式也各不相同。按水源划分，有河流、湖泊、水库、海洋等水体取水。按取水构筑物的构造型式分，则有固定式（岸边式、河床式、斗槽式）和活动式（浮船式、缆车式）两种。在城市上游的河流取水，为了兼顾城市防洪和供水，通常是采用建造水库的方法来实现地面水资源的开发利用。总之，地面水资源的开发利用应根据当地需要和实际取水条件，设计选择适宜的取水形式。

（一）河流取水的工程形式

开发利用河水资源的工程形式很多，一般按取水构筑物的类型可分为固定式和活动式两类。在型式选择时，应根据取水量和水质要求，结合河床地形、地质、淤积、冲刷、水位变幅、冰冻和航运等情况以及施工条件，在保证取水安全可靠的前提下，通过技术经济比较后确定。

1.固定式取水构筑物

在河水资源的开发利用过程中，习惯上把不经过筑坝拦蓄河水，而在岸边或河中直接修建的固定的取水设施称为固定式取水构筑物，这是相对于移动式取水构筑物而言的。固定式取水构筑物与活动式取水构筑物相比具有取水可靠，维护管理简单，适应范围广等优点，但投资较大，水下工程量较大，施工期长。

固定式取水构筑物主要分为岸边式和河床式两种，另外还有斗槽式等。

（1）岸边式取水构筑物。

直接从江河岸边取水的构筑物叫岸边式取水构筑物，由集水井和泵站两部分组成。岸边式取水构筑物主要适用于河岸较陡，主流近岸，岸边有足够水深，水质和地质条件较好，水位变幅不大的河段。

按照集水井与泵站的相对位置，岸边式取水构筑物可分为合建式和分建式两种基本型式。

（2）河床式取水构筑物。

从河心进水孔取水的构筑物，称为河床式取水构筑物。当河岸较平坦、枯水期主流离岸较远、岸边水深不足或水质不好而河心有足够水深或较好水质时，宜采用这种型式。

河床式取水构筑物的特点是适应范围较广，集水井和泵房建在河岸上，可不受水流冲刷和冰凌碰击，也不影响河道水流。当河床变迁之后，进水管可相应地伸长或缩短，冬季保温、防冻条件比岸边式好。但取水头部和进水管经常淹没在水下，清洗和检修不方便。

（3）斗槽式取水构筑物。

斗槽式取水构筑物由进水斗槽和岸边式取水构筑物组成，即在岸边式取水构筑物取水处的河流岸边用堤坝围成斗槽，利用斗槽中流速较小、水中泥沙易于沉淀、潜冰易于上浮的特点，减少泥沙和冰凌从取水口的进入，从而进一步改善水质。当河流含沙量大、冰凌严重时，宜采用斗槽式取水构筑物。

2.移动式取水构筑物

在遇到下列情形时，一般应考虑使用移动式取水构筑物。

（1）当河水水位变幅较大而取水量又较小时。

（2）当供水要求紧迫、建设固定式取水构筑物赶不上需要时。

（3）当水文资料不全、河岸不稳定时。

（4）当设计临时性的供水水源时。

移动式取水构筑物主要有缆车式和浮船式两种，它们具有水下工程量少、施工方便、工程投资少、灵活机动等优点，但操作管理较复杂，需经常随河水水位的变化将缆车或浮船移位以及更换输水斜管的接头，运行不够安全，尤其是浮船式，供水可靠性较差，水位涨落时移位频繁，易受洪水和风浪的影响，且影响航运。因此，随着建设要求的提高，现在采用浮船式取水构筑物已有减少的趋势。

建设移动式取水构筑物要求河床比较稳定，岸坡有适宜的倾角，河流漂浮物少，无冰凌且取水构筑物不易受漂木、浮筏、船只撞击，河段顺直，靠近主流。

（二）湖泊、水库取水工程形式

我国湖泊、水库众多。而且近些年来水库的建设速度还在加快。为了满足生产和生活用水的需要，现在已有越来越多的湖泊、水库取水工程。湖泊、水库取水工程类型有：

（1）隧洞式取水和明渠取水。

（2）分层取水。

（3）岸边式或湖心式取水。

二、地下水资源开发利用形式

由于地下水的类型、埋藏条件、含水层性质等的不同，开发利用地下水的形式也各不相同。按水源地的供水特点分为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类型可分为管井、大口井、坎儿井、辐射井、截潜流工程、引泉工程等。总之，地下水资源的开发利用应根据水文地质条件并结合当地需要，选择适宜的开采方式。

用于集取地下水的工程建筑物称为集水建筑物。由于地下水埋藏条件、开采条件及当地经济技术条件与习惯的不同，集水建筑物的型式也就多种多样。总括起来不下数十种，综合归纳可概括为垂直系统、水平系统、联合系统和引泉工程四大类型。

1.垂直系统

因集取地下水的主要建筑物的延伸方向基本与地表面垂直，故称垂直系统。包括管井、筒井、大口井、轻型井等各种类型的水井，都属于此种系统。

垂直系统集水建筑物，可适用于各种条件，因而应用最为广泛。下面对几种常见的井型略加介绍。

（1）管井。

这是一种直径较小，深度较大，井壁用钢管、铸铁管、钢筋混凝土管或塑料管等各种管材加固的井型。因其通常采用水井钻机施工，水泵抽水，故群众习惯称之为机井。管井的直径在生产中多为200～300mm，超过300～500mm者比较少见。100～150mm的管井除临时性或勘探井外，一般较少采用。管井的深度，视当地水文地质条件而定。当前农用管井的深度多为50～100m，也有达200～300m者。随着生产发展的要求，钻井机具性能的提高，管井的深度也在逐渐增加。

（2）筒井与大口井。

习惯上，将人工开挖或半机械化施工、直径较大、形状似一圆筒的各种浅井统称为筒井。因筒井与管井在结构方面没有本质的区别，仅是深度和直径有所差异而已，故有些文献中已不再加区分，通称筒井。将直径超过1.5m以上者称为大口井。筒井的直径一般为1～1.5m。大口井的直径一般在3～5m，但也有达十余米至数十米的。筒井和大口井多开采地下水埋深较小的潜水（也有少数开采承压水的），深度较小，最浅者仅有几米，通常不大于50m。

（3）轻型井。

这种井直径小，深度不大，用塑料管等轻质材料加固井壁，用轻型小口径钻机施工的一种井型。直径最小者仅75mm，深度30～50m。适合在地下水埋深小（最好小于3m）的地区建造。

2.水平系统

集取地下水的主要建筑物的延伸方向，基本与地面相平行的，称为水平系统。常见的有截潜流工程、坎儿井、卧管井等。水平系统取水建筑物只有在特定条件下适用，因而应用不如垂直系统建筑物普遍。

（1）坎儿井。

坎儿井是干旱地区开发利用山前洪积扇地下潜水，用于农田灌溉和人畜饮用的一种古老的水平集水工程。这种工程在我国主要分布在新疆的吐鲁番、哈密盆地一带。

坎儿井的供水系统一般由竖井、廊道、明渠、涝坝（地面蓄水池塘）四大部分组成。坎儿井的主要特点是可以自流灌溉，不用动力提水，水量稳定、水质优良，能减少输水蒸发损失，能防风沙，施工设备简单，操作技术易为群众掌握。坎儿井使用寿命较长。但由于其施工工期长、易坍塌、渗漏损失大、维修管理不易等原因，目前新开挖者不多。

（2）截潜流工程。

在河床有大量冲积的卵石、砾石和砂等的山区间歇河流，或一些经常干涸断流，但却有较为丰富的潜流的河流中上游，山前洪积扇溢出带或平原古河床，由于水井施工难度大或出水量较小，这时可采用管道或截渗墙来截取潜流，这种截取潜流的建筑物，一般通称为截潜流工程，其结构如图2-1所示。截潜流工程应用较为普遍。

（3）卧管井。

管井是在平原地区，含水层薄而浅的条件下，采用的一种井型。它由水平的卧管和垂直的集水井组成。水平卧管为直径25～50mm的穿孔管，周围围填滤料，长度可达100～200m。在陡崖坡处，如有适宜的水文地质条件，可施工陡崖卧管井。这种卧管井可使用专用水平钻机钻孔，安装带有条孔的钢管、竹管等。管口常需装设闸阀，以供调节和保护地下水源。卧管井只适用于特定的水文地质条件，或有渠水及其他人工补给水源的地区。

3.联合系统

将垂直与水平系统结合在一起，或将同系统中的几种联合成一整体，便可称为联合系统。如联井（用水平管道将几个井连接起来）、辐射井（由垂直的集水井和沿集水井辐射状分布的水平管组成）、筒管井（为筒井与管井的联合。当含水层埋深大、井的深度大时，为节约管材而采取下小上大的一种变径措施）等。

4.引泉工程

根据泉水出露特点，予以扩充、收集、调节与保护的引泉水建筑物，通称引泉工程。引泉工程必须在具有特殊的地下水天然露头条件下采用。因而是与前三种系统不同的开采地下水的建筑物类型。

以上四种类型，均应根据当地具体条件，合理选用。

目前，水资源短缺和水污染严重已经成为制约我国经济可持续发展的重要因素。加强多种水资源的联合开发利用，是解决我国水资源短缺问题的有效途径。多种水资源的联合开发利用方式主要有地表、地下水联合运用；雨水、海水、中水等多种水源利用相结合等。

三、其他水资源的综合利用

1.雨水利用

从上世纪80年代开始，世界各国就开始探索雨水利用。德国是欧洲开展此项工程最好的国家之一。德国的城市雨水利用方式有三种：一是屋面雨水集蓄系统，集下来的雨水主要用于家庭、公共场所和企业的非饮用水。法兰克福一个苹果榨汁厂，更是把屋顶集下来的雨水作为工业冷却循环用水，成为工业项目雨水利用的典范。二是雨水截污与渗透系统，道路雨水通过下水道排入沿途大型蓄水池或通过渗透补充地下水。德国城市街道雨水管道口均设有截污挂篮，以拦截雨水径流携带的污染物。三是生态小区雨水利用系统，小区沿着排水道建有渗透浅沟，表面植有草皮，供雨水径流流过时下渗。超过渗透能力的雨水则进入雨水池或人工湿地，作为水景或继续下渗。

城市雨水利用的形式可以多种多样。一方面可通过城市建设格局的调控，采取低于硬化面一定高度、大面积均匀分布的城市绿地，在整个规划区范围内将各种硬化面的降雨径流分散接纳、渗入地下，减少或避免雨水径流外排，使雨水环境化。另一方面，可将屋顶、道路、庭院、广场的雨水径流用管道收集，经处理后储存到蓄水池，用于浇灌绿地、冲洗厕所、洗车、消防、市政杂用等。或者采用蓄滞和调控设施将雨水径流的洪峰流量削减后排入河道，减轻排水河道的行洪压力。

2.海水利用

海水利用包括海水直接利用、海水淡化和海水农业等。

（1）海水直接利用。

海水直接利用就是用海水代替淡水作为工业用水和生活用水。随着海洋生物污损防治技术的提高和耐腐蚀材料的进一步发展，沿海城市中海水在工业冷却用水中所占比例正逐步增加。而海水用于生活用水，目前主要是海水冲厕等。

（2）海水淡化。

海水淡化是海水利用的重点。目前海水淡化技术有两种，即蒸馏法和反渗透法。

蒸馏法制取淡水，是利用热能来实现的，在有核电站和热电厂的条件下采用这种技术，可以充分利用电厂余热，用蒸馏法制取淡水。

反渗透法是利用孔径比纳米还细小的半透膜滤去盐分来制取淡水。目前，尚未到生产阶段。

（3）海水农业。

目前，农业用水量大约占人类用水总量的70%左右，海水农业是当今研究和开发的热点之一。也许若干年后，随着我国基因工程技术的飞速发展，耐海水植物的基因被转接到水稻、蔬菜等作物上。到那时，人类可在海湾或海滩上种植各种农作物，并直接利用海水灌溉。海水农业将成为人类食品供给的重要组成部分。

3.中水回用

城市污水经处理设施深度净化处理后的水统称“中水”。其水质介于自来水（上水）与排入管道内污水（下水）之间，故名“中水”。

中水回用，一方面为城镇供水开辟了第二水源，可大幅度降低“上水”的消耗量，同时也在一定程度上缓解了“下水”对水源的污染问题。从而起到了保护水源，增加水量的作用。在美国、日本、以色列等国，厕所冲洗、园林和农田灌溉、道路保洁、洗车、城市喷泉、冷却设备补充用水等，都大量地使用中水。

总之，在水资源开发利用过程中必须始终贯彻全面考虑、统筹安排、综合利用的原则，正确处理各种用水的相互关系，尽量做到一水多用，分质供水。随着地表水与地下水联合运用、雨水资源、海水资源和污水资源利用水平的不断提高，加之各项节水措施的应用，我国水资源紧张的局面一定能够缓解，并最终彻底解决水资源不足的问题，实现水资源的可持续利用。