水資源概述

我國(guó)水資源簡(jiǎn)要概述水是生命之源，是人類生存必需和無法取代的物質(zhì)。人類社會(huì)的歷史，可以說是人依靠水而繁衍生長(zhǎng)、生存和發(fā)展的歷史。水的重要性在于：水是不可替代的，不像能源那樣，煤用完了用石油替代，石油用完了用核能，核能用完了用太陽能。世界上還沒有制造H2O的工廠。水資源的緊缺性和重要性越來越引起世界各國(guó)的關(guān)注和重視。我國(guó)水資源貧乏、緊缺，水污染嚴(yán)重，已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)、社會(huì)高速持續(xù)發(fā)展的制約瓶頸。因此以科學(xué)發(fā)展觀分析水問題，合理科學(xué)地利用水資源，維護(hù)生態(tài)環(huán)境，人與自然和諧相處，水與經(jīng)濟(jì)和社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展，節(jié)約用水、循環(huán)用水、一水多用，已成為緩解水資源、解決水危機(jī)、平衡供需矛盾的重要措施。我國(guó)水資源量我國(guó)年平均降水量為648mm，總降水量約6萬億m3，而淡水貯量即水資源平均年總量每年為218124萬億m3，排在印度尼西亞之后，占世界第6位。因此從總量上說，我國(guó)水資源量不算少，但按人均數(shù)計(jì)算，世界人均數(shù)為12200m3人·a，我國(guó)2002年統(tǒng)計(jì)為2200m3人·a，僅占世界人均數(shù)的1515。在世界各國(guó)中，排在88位之后。因此按人均計(jì)，我國(guó)的水資源是貧乏的、緊缺的，存在著供需矛盾和水危機(jī)。我國(guó)28124億m3淡水水資源總量中，除冰川、高山積雪、深山溪流、深層地下水等，可供用的淡水總量約11000億m3a，而按我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，實(shí)際可供取的水量?jī)H為7000億m3。目前我國(guó)排入水體的污、廢水量約365億m3a，從1200條河流的監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)來看，受到不同程度污染、水質(zhì)差于Ⅳ類含Ⅳ類的有850多條河流，而且大多數(shù)是城市附近的水體，污染了可供用水資源量達(dá)2500多億m3。這樣，符合供水水源水質(zhì)要求的實(shí)際可供用的水資源量，每年僅為4500億m3。據(jù)2002年粗略統(tǒng)計(jì)，我國(guó)城市供水和工業(yè)用水約3185億m3d，全年供水量為102518億m3，其中生產(chǎn)用水量占81%，生活用水量19%，城市供水人口普及率達(dá)96%。我國(guó)農(nóng)業(yè)用水近4000億m3a，加上城市供水和工業(yè)用水量全年共為502518億m3。占我國(guó)水資源總量28124億m3的17、87%；占可供用淡水總量11000億m3的45、7%；占實(shí)際可供取用水量7000億m3的71、8%；占符合供水水源水質(zhì)要求的實(shí)際可供水資源量4500億m3的117%。就是說每年有500多億m3的水取自被污染了的水源水，而實(shí)際遠(yuǎn)超過此數(shù)。為保證自來水廠出水水質(zhì)，達(dá)到建設(shè)部頒布的《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》CJT206—2005和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749—2006的要求，不少水廠在常規(guī)處理工藝之前設(shè)置生物預(yù)處理，之后設(shè)置了活性炭等吸附過濾深度處理，增加了占地面積，提高了制水成本。水資源與供水量供不應(yīng)求的現(xiàn)狀，造成我國(guó)60%～70%的城市不同程度缺水，其中水資源緊缺地區(qū)有近50個(gè)城市嚴(yán)重缺水，200多個(gè)城市已出現(xiàn)或面臨著水危機(jī)，因缺水我國(guó)每年造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)幾千億元。2002年之后，如果城市供水年平均增長(zhǎng)率按3、5%計(jì)，則2010年缺水量為1350、8億m3，2015年為1604、3億m3。到那時(shí)水資源緊缺矛盾會(huì)進(jìn)一步突出，因此節(jié)約用水、循環(huán)用水、開辟第二水源污廢水回用勢(shì)在必行，是解決水危機(jī)、緩解水資源緊缺的重要途徑。我國(guó)水資源特點(diǎn)1、地區(qū)分布很不均衡從總體上來說，南方水資源豐富，北方水資源短缺，特別是三北東北、西北、華北地區(qū)水資源矛盾更為突出。南方4個(gè)流域長(zhǎng)江流域、華南諸河、東南諸河、西南諸河水資源總量占全國(guó)總量的81%，耕地面積僅占全國(guó)的35、9%；北方4個(gè)流域東北諸河、海灤河流域、淮河和半島、黃河流域水資源總量只占全國(guó)總量的14、4%，而耕地面積占全國(guó)的58、3%。可見，從地理分布來看，我國(guó)水資源分布是極不平衡的，這個(gè)不均衡影響著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展。從人均占有的水資源量來計(jì)，北方4區(qū)人均水資源量?jī)H為938m3人·a，遠(yuǎn)低于國(guó)際規(guī)定的臨界值1700m3人·a。其中海灤河流域只有430m3人·a；南方4區(qū)人均水資源量為4170m3人·a，其中西南諸河地區(qū)高達(dá)38431m3人·a，南方人均占有水量是北方的4、4倍；西南諸河地區(qū)與海灤河地區(qū)相比，前者人均水量為后者的89倍。2、降水與徑流量年內(nèi)、年間變化大我國(guó)位于世界著名的東亞季風(fēng)區(qū)，降水和徑流年內(nèi)分配很不均勻，徑流量主要集中在夏季，大多數(shù)地區(qū)6～9月的徑流量占年徑流量的70%，80%。同時(shí)降水和徑流量年間變化也很大，少水年與多水年持續(xù)出現(xiàn)。如京津魯?shù)貐^(qū)1980年至1982年和90年代末至21世紀(jì)初連續(xù)出現(xiàn)枯水年，而長(zhǎng)江流域和淮河流域又連續(xù)出現(xiàn)洪水期。2006年下半年至2007年初，水量充沛的四川、重慶卻出現(xiàn)干旱年。長(zhǎng)江、嘉陵江重慶段達(dá)到歷史最低枯水位，航運(yùn)停業(yè)、水庫(kù)枯干。年內(nèi)、年間降水和徑流量的大幅度變化，使地面水資源的控制和利用造成很大困難，使實(shí)際可利用的天然水量比水資源總量少得多。同時(shí)江河洪、枯水位的大幅度變化，使城市取水帶來很大困難，造成取水構(gòu)筑物的復(fù)雜性。3、水土流失嚴(yán)重，許多河流含砂量大，使取水困難因自然條件限制和人類長(zhǎng)期活動(dòng)的結(jié)果，使我國(guó)森林覆蓋率很低只有12%，居世界120位，造成水土流失嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水土流失面積約150萬km2，占全國(guó)土地面積的16左右，每年流失泥砂約50億t。全國(guó)年輸砂模數(shù)大于1000tkm2面積的達(dá)60萬km2，黃河是世界罕見的多泥砂河流，年輸砂模數(shù)大于5000tkm2面積的有1413萬km2，造成黃河年徑流量變化大、含砂量高、淺灘多。類似這樣的河段，使取水困難，取水構(gòu)筑物既要適合水位的變化，又要防止被泥砂的沖刷或被淤積堵塞，還要建造大規(guī)模的蓄水池和泥砂預(yù)沉池，使造價(jià)和制水成本大幅度上升。我國(guó)的水危機(jī)我國(guó)面臨水資源危機(jī)的標(biāo)志是：1、一次供水量大于天然補(bǔ)給可供用水資源量；2、地下水水位形成區(qū)域性大面積連續(xù)下降，降落漏斗不斷擴(kuò)大；3、水源大面積受到污染，而且污染控制速度低于或慢于污染增長(zhǎng)速度；4、出現(xiàn)水荒的自然變化間隔年份逐漸縮短，豐水區(qū)也出現(xiàn)水荒，一般性豐水年逐漸下降，枯水期時(shí)間增長(zhǎng)；5、調(diào)節(jié)水量、水質(zhì)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、材料、管理對(duì)策和措施缺乏保障。經(jīng)綜合研究分析，我國(guó)水資源危機(jī)出現(xiàn)的情況為：京、津等地區(qū)20世紀(jì)70年代末進(jìn)入水源危機(jī)階段；三北地區(qū)20世紀(jì)90年代進(jìn)入水源危機(jī)階段；長(zhǎng)江沿北及南方部分地區(qū)21世紀(jì)初進(jìn)入水源危機(jī)階段；專家預(yù)測(cè)，全球?qū)⒃?030年左右進(jìn)入水源危機(jī)階段。水資源問題的形成和發(fā)展是復(fù)雜的，在開發(fā)、利用、排污、控制、保護(hù)、管理過程中，受到來自自然與社會(huì)兩大方面因素的相互影響，有許多因素是隨機(jī)性干擾的。從綜合分析來說，我國(guó)水資源存在著三個(gè)矛盾、三種形式和經(jīng)歷了三個(gè)階段，組成了9類不同的水資源問題。三個(gè)矛盾為：水量供需矛盾；水質(zhì)污染凈化矛盾；治理費(fèi)用與效益矛盾。三種形式為：水量型缺水；水質(zhì)型缺水；綜合型即缺水又污染缺水。三個(gè)階段為：供大于求的初期階段；供求動(dòng)態(tài)平衡階段；供小于求的水源危機(jī)階段又可分為前、中、后三期。上述9種不同水資源問題，三北地區(qū)出現(xiàn)早而嚴(yán)重，南方特別是沿海地區(qū)同樣存在。我國(guó)水危機(jī)的出現(xiàn)，使全國(guó)300多個(gè)城市存在不同原因的缺水，城市公共供水設(shè)施能力不足而造成缺水的有200多個(gè)城市。水危機(jī)、水矛盾如不解決好，必將影響我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，開發(fā)西部崛起中部也難實(shí)現(xiàn)。解決水資源緊缺的途徑與方法緩解與解決水資源緊缺矛盾的方法和途徑是多樣的，如在農(nóng)業(yè)用水方面改漫灌為噴灌、滴灌，防止渠道滲漏；在工業(yè)用水方面一水多用，順序用水，循環(huán)用水；在生活用水方面一戶一表，節(jié)約用水；在城市市政用水方面中水回用等。但首先要做好水資源的利用規(guī)劃。循環(huán)冷卻水是指用水來冷卻生產(chǎn)設(shè)備、、制冷機(jī)等，水自身的溫度升高了，通過冷卻設(shè)備把水溫降低下來，再去冷卻生產(chǎn)設(shè)備或，這樣往復(fù)循環(huán)使用，僅補(bǔ)充少量在循環(huán)過程中損失的水量。冷卻水是用水大戶，這樣就大幅度地節(jié)省了用水量。同時(shí)冷卻水的水質(zhì)要求不高，污廢水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后再經(jīng)過濾等深度處理后就可用于循環(huán)冷卻水，是開辟第二水源，進(jìn)行中水回用的重點(diǎn)用戶。這樣，既不用水質(zhì)好的水資源水，也不使用自來水，對(duì)緩解水資源緊缺、解決供需矛盾起到保證作用。

冷卻塔熱力計(jì)算焓差物理意義

1、水面飽和層的飽和焓曲線圖6-3中，以t為橫坐標(biāo)，i為縱坐標(biāo)，在橫坐標(biāo)上標(biāo)出進(jìn)塔水溫t1、出塔水溫t2、空氣濕球溫度τ及tm。因水面有一層很薄的飽和氣層，這層的相對(duì)濕度=1即=1不變，而水的溫度從t1降低到t2，那么在焓濕圖中按=1不變，而t從t1到t2可以找到i″1到i″2及與變化的tx有相應(yīng)的i″x，把找到的i″1→i″2各點(diǎn)的i″x繪到圖6-3上去，得到一條B′—A′曲線，B′—A′曲線稱為水面飽和氣層的飽和曲線，通常稱為空氣飽和焓曲線。按橫坐標(biāo)上的t1、t2、平均溫度tm作垂線，交于B′—A′曲線上的B1即圖中A′點(diǎn)、B2、Bm，則達(dá)到相應(yīng)的飽和焓i″1、i″2及i″m。B′—A′曲線上的B′點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的焓i1，相當(dāng)于空氣濕球溫度τ時(shí)的焓值i1，i1是進(jìn)塔濕空氣原有的焓值進(jìn)塔空氣的焓值。2、空氣操作線A—B1以B′點(diǎn)向右邊引水平線與水溫t2的垂線交于A點(diǎn)，A點(diǎn)把塔底出水溫度t2與進(jìn)入塔底的空氣焓值i1聯(lián)系起來，反映了塔底的熱交換關(guān)系。從上述單元層中水減少的熱量=空氣的吸收熱量，氣、水交換平衡方程Gdi=QdtK中，可得didt=1K·QG，令GQ=λ氣水比，得：則按斜率1K·λ過A點(diǎn)作斜線交于t1A垂線上于B1點(diǎn)，AB1為空氣操作線，是一條直線，過B1點(diǎn)向左作水平線得i2值，i2為出塔塔頂空氣焓。這樣，B1點(diǎn)把塔頂?shù)倪M(jìn)水溫度t1與出塔空氣焓i2聯(lián)系起來了。由于AB1直線反映了塔內(nèi)空氣焓與水溫變化的關(guān)系，因此把AB1直線稱為空氣操作線或叫工作線，該線上的任一點(diǎn)坐標(biāo)反應(yīng)了各單元層中水溫和空氣焓的數(shù)值。i2與空氣飽和焓曲線B′A′上交于C點(diǎn)。其所對(duì)應(yīng)的溫度為t′2，這t′2相當(dāng)于空氣排出冷卻塔的溫度，也就是焓熱量為i2時(shí)的濕球溫度。3、焓差的物理意義從圖6-3可見，在AB1直線上，任一個(gè)水溫tx所得到的ix就是該水溫下空氣的焓。在A′B′曲線上任一點(diǎn)相應(yīng)于水溫tx得到的該點(diǎn)，水、氣交界面上飽和層的焓i″x，因此兩條線之間的垂直距離Δix=i″x-ix就是熱交換的推動(dòng)力，稱為焓差推動(dòng)力，水與空氣的熱交換就靠此推動(dòng)力進(jìn)行的。Δix越大，推動(dòng)力越大，熱交換效果越好。圖6-3中，平均水溫為tm，相應(yīng)得到空氣焓為im和水面飽和氣層焓i″m，得平均焓差值為：Δim=i″m-im，此Δim就是水溫從t1→t2之間的平均焓差值。把圖6-3與式6-24結(jié)合起來，對(duì)圖6-3中兩條線的相對(duì)位置進(jìn)行分析，可得如下三點(diǎn)物理意義：1A′B′曲線與AB1直線離開得越大，則Δix=i″x-ix值越大，推動(dòng)力也越大。那么式6-24右邊分母中i″-i越大，右邊的值越小，式子的左右兩邊是相等的，則左邊值也相應(yīng)減小，左式中Q是不變的，那么填料體積V減小，冷卻塔體積也可減小了，Δix越大，Δt=t1-t2值也就越大，冷卻效果好。2如果把AB1空氣操作線的終點(diǎn)A向左邊移，就是說縮小冷幅高Δt′=t2-τ值，由于飽和焓曲線的斜率是先小后大即坡度先平緩后陡，Δt′縮小，飽和焓與操作線之間的焓縮小，那么以焓差為冷卻推動(dòng)力也小了，水的冷卻就困難。這與前面討論的τ為冷卻的理論極限的意義相符合，即t2越接近τ，冷卻越困難，填料的體積越大，越不經(jīng)濟(jì)，故定為Δt′=t2-τ=3～5℃。3空氣操作線AB1是根據(jù)斜率tg=1K·λ作出的，λ=GQ，那么不同的氣、水比λ，就有不同的斜率tg，就會(huì)得到不同的空氣操作線。當(dāng)K值一定時(shí)，λ值越大，則1Kλ值越小，那么AB1線的坡度越小斜率小，操作線平緩tg小，那么Δix=i″x-ix值越大，冷卻的推動(dòng)越大，冷卻越容易冷卻好。但λ越大，則風(fēng)量G大，電耗增大，風(fēng)速大，風(fēng)的阻力也大。故設(shè)計(jì)時(shí)λ值不能無限增大。應(yīng)作全面考慮，一般情況下，λ值在0、6～1、5之間。冷卻塔麥克爾焓差方程在總散熱量討論中，已得到用容積法計(jì)算總散熱量公式為麥克爾在此式中引進(jìn)了路易斯Lewis數(shù)和焓的概念，有效地簡(jiǎn)化了冷卻塔的熱力計(jì)算。路易斯經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和研究，提出了在前面提到的α與β之間的近似比例關(guān)系為αβx=αvβxv=Csh=0、25kcalkg·℃，稱路易斯數(shù)。而麥克爾從實(shí)驗(yàn)獲得的αβx并不嚴(yán)格的等于0、25kcalkg·℃，但麥克爾仍認(rèn)為αβx=Csh是對(duì)的，而Csh=0、25kcalkg·℃，這說明麥克爾方程是近似的，這個(gè)近似指的是αβx≈0、25kcalkg·℃，故稱麥克爾焓差法近似計(jì)算法。空氣溫度為θ時(shí)濕空氣的焓為：水面飽和氣層的溫度為tf等于水溫t時(shí)，其含濕量為X″，則焓為：為求出Csh、i、i″三個(gè)參數(shù)，把式6-20總散熱計(jì)算公式作適當(dāng)變換，得水面飽和層向空氣散發(fā)的總熱量為：式6-22就是麥克爾焓差計(jì)算方程式。簡(jiǎn)略地說，由于蒸發(fā)散熱和傳導(dǎo)散熱，冷卻塔內(nèi)任何部位產(chǎn)生的總散熱量與塔內(nèi)該點(diǎn)的飽和空氣焓i″和塔內(nèi)該點(diǎn)的空氣焓i之差成正比。逆流式冷卻塔熱力平衡方程1、逆流式冷卻塔水冷卻的熱力過程圖6-1為逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，Z為淋水裝置高，A為斷面積，F(xiàn)為水與空氣的總接觸面積，冷卻水量為Qkgh，進(jìn)塔水溫為t1，冷卻到出塔水溫為t2，與水流相反方向進(jìn)塔空氣量為Gkgh或m3h，空氣的參數(shù)由進(jìn)塔處的θ1、1、X1、P1，變化到出口處的θ2、2、X2、P2，空氣的焓由底部進(jìn)口的i1，到頂部出口增加到i2。研究逆流式冷卻塔內(nèi)水與空氣之間熱量交換變化的目的，是為了計(jì)算水因降溫及蒸發(fā)所失去的水量。2、逆流冷卻塔中熱力平衡方程已得知：水的總散熱量=水的熱量減少，水的熱量減少為：Q×C×dtQ為總水量，C為水的比熱，dt為溫度。從麥克爾焓差計(jì)算方程得總散熱量為dH=βxvi″-idV，則兩者相等得：式6-23就是按熱力平衡求解的最早使用的焓差法熱力學(xué)基本方程，稱麥克爾方程。此式的缺陷是水的熱量減少中，沒有考慮到因蒸發(fā)等原因造成的水量損失Qu，即Q沒有變。3、麥克爾方程的修正別爾曼бepμaH對(duì)麥克爾方程進(jìn)行了修正，引入了考慮因蒸發(fā)水量而帶走熱量的系數(shù)1K，把式6-23修正為式6-24：按圖6-1，以dz單元層厚度來研究水散發(fā)的熱量。進(jìn)入dz層的水量為Q、水溫為t、進(jìn)dz層的熱量為Q×C×t。在dz層中蒸發(fā)掉的水量為dQ，水溫降低為dt，則出dz層水中的熱量為Q-dQ）·C·t-dt。在dz中水減少的熱量用dHs表示，則上述兩部分之差為：同時(shí)，空氣流過dz層時(shí)，其含熱量也提高了，設(shè)提高值為di，空氣流量為Gkgh，在dz層內(nèi)空氣吸收的總熱量用dHk表示，則得dHk=Gdi。因熱交換是穩(wěn)定的，在dz層中水溫散失的熱量dHs應(yīng)等于空氣所吸收的熱量dHk，則得：令：K=1-tdQGdi，得：Gdi=QdtK。此式是根據(jù)水、氣熱交換平衡所得的結(jié)果，稱水、氣熱交換平衡方程。K值稱為蒸發(fā)水量帶走的熱量系數(shù)，單位為℃·kgkcal。在冷卻塔的dz層中，水的總散熱量dH應(yīng)近似地等于空氣吸收的熱量dHk，則為dH=dHk，dH=βxvi″-idV，dHk=Gdi=QdtK，得：這里的βxv為平均值，此式就是別爾曼對(duì)麥克爾公式修正后的熱力學(xué)基本方程，引進(jìn)了蒸發(fā)水量帶走的熱量系數(shù)K，是建立在麥克爾的i″-i焓差為推動(dòng)力的基礎(chǔ)上。4、對(duì)Gdi=QdtK方程的討論1此水氣熱交換平衡方程是根據(jù)dz層中水量減少的熱量等于空氣吸收的熱量dHK得到的，現(xiàn)對(duì)此方程積分：從式6-27、6-28可見，在已知K、λ、t1、t2情況下，知道i1，則可求得i2，反之，知道i2，可求得i1。2蒸發(fā)水量帶走的熱量系數(shù)K值的計(jì)算在Gdi=Qdt1-tdQGdi中，K=1-tdQGdi，從理論上來說，K值應(yīng)按此式進(jìn)行積分求得，但在水的冷卻中，一般是取淋水裝置全過程來推導(dǎo)的，就是說，K值是隨水溫t1～t2而變化的，從Gi2-i1=1KQt1-t2得：水在冷卻塔內(nèi)的冷卻全過程中，其蒸發(fā)水量為Qu，水在淋水裝置中散失的熱量應(yīng)是進(jìn)、出熱量之差，即得：左右兩邊的C均可去除，從平衡關(guān)系得知：水減少的熱量=空氣吸收的熱量=總散熱量，而空氣吸收的熱量為Gi2-i1，則從上式得：Qt1-t2+Qut2=Gi2-i1，左右兩邊除Gi2-i1得：把式6-30移項(xiàng)，并結(jié)合式6-29得：