美国海水取水政策及其对我国海水淡化取水的借鉴

张拂坤,邹川玲,李　磊,刘淑静

(国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所,天津　300192)



美国海水取水政策及其对我国海水淡化取水的借鉴

张拂坤,邹川玲,李磊,刘淑静

(国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所,天津300192)

摘要：针对海水淡化工程大规模发展的海水取水问题,通过总结美国海水取水相关政策措施,结合我国海水淡化工程取水、用海等现状,从加强海水淡化工程取水口用海监管、研究出台针对海水淡化工程用海管理政策、出台有关海水淡化工程取水设施优化的技术导则等方面,提出我国海水淡化工程取水管理建议,为工程安全稳定运行与环境协调发展提供支撑。

关键词：海水淡化;海水取水;用海管理;美国

当前,随着全球范围内水资源短缺问题的加剧,海水淡化呈规模化发展趋势。作为保障海水淡化工程安全、稳定运行的重要环节,取水直接影响海水淡化装置的运行稳定性和出水水质,并可能对取水海域的海洋生态环境产生影响。美国对海水取水环境保护十分重视,在国家和州级管理文件中对取水流速、取水量、生物影响、减缓措施等做了明确的规定,笔者将通过分析借鉴美国海水取水政策,结合我国现状,提出海水淡化工程海水取水管理的对策建议。

1海水淡化工程取水方式及影响

海水淡化工程的取水方式主要包括表层取水、深层取水和海床下取水。表层取水是在水深较浅的位置设置取水设施,也称为浅海取水、开放式取水。这种取水方式取水量大,设备简单,但由于表层海水中生物数量较多,取水水质较差,并且对海洋生物有冲击、夹带的影响。深层取水即是在生物数量较少的深层海水设置取水设施,取得的海水水质较表层取水水质有明显改善,产生的生态影响也有所减少。海床下取水可分为井式和廊道式两种。最常见的海床下取水系统是海滩井取水,通过海床和泥沙过滤来避免对海洋生态的冲击和夹带等影响。但海床下取水也具有一定的局限性,在设计时应考虑到对附近地下淡水层的潜在影响。研究发现,当工厂容量超过2万t/d时[1],海滩井取水的优势会降低,并且由于井和水源的数量要求,实际受影响的陆地区域较大。

2美国海水取水管理政策

2.1清洁水法

美国环境保护局清洁水法联邦章程316(b)规定,电厂取水产生的影响相比未采取任何环境保护措施的直接取水方式，其冲击减少80%～95%,夹带减少60%～90%。能够满足冲击和夹带标准的技术被美国环境保护局定义为最佳可行技术(BTA)[2],并要求选址、设计、施工和冷却水取水量采取最佳技术,以减少环境影响。2001年,清洁水法颁布30年后,美国环保局颁布了贯彻316(b)的条例,允许考虑缓解冷却水取水结构的恢复措施。修复的方法是试图通过改善栖息地和培育新的海洋生物平衡冲击和夹带的影响。但是,这种方式不能按照清洁水法的要求在现场减少这些影响。2007年,在对该条例的第二轮审查时支持316(b)条款中要求采取适宜的技术而不能被修复措施所替代[3]。

2.2海水淡化与加利福尼亚海岸法

海水淡化与加利福尼亚海岸法提出,当地下取水不可行而需要采取开放式取水时,就需要对其进行评估,选择可以减少不利影响的方法。有3种方法可以用于减少冲击:①降低流速。冲击量与流速有关,当流速低于0.15 m/s时,可以防止吸入鱼类和其他生物,或者如果其被吸入,鱼类和其他生物也可以轻易游开逃避。该速度是依据清洁水法而规定的最佳技术值。②速度盖。鱼类对水平方向速度的变化比对垂直方向的速度变化更敏感。多数开放式取水装置是从上方取水,引起的速度变化不易被鱼类感知。速度盖通常为混凝土构造,其与进水之间的缝隙可以将水流从垂直方向改为水平方向。③过滤筛、移动筛以及鱼类洄游系统。过滤筛可以在保证有足够水的同时防止将鱼类带入；移动筛安装在进水管近岸处,通常为上水位,与鱼类洄游系统相结合,使鱼和部分进水回到水源水体。这些系统对减少冲击很有效,但需要不断维护和人工操作。

2.3加利福尼亚水代码

在加利福尼亚州,居于首位的水资源法律是波特-科隆水质控制法,1969年颁布并编入加利福尼亚水代码。加利福尼亚水代码13142.5(b)条款适用于工业设施的取水。虽然其保护海洋生物的一些语言和目的与清洁水法316(b)相同,但是13142.5(b)在一些重要环节涉及的领域更广、更清晰。13142.5(b)规定“对每个新建或扩建的沿海电厂或其他工业设施使用海水做冷却水、热源或者工业过程,应采取最佳的选址、设计、技术和减缓措施,减少取水影响和各类海洋生物的死亡。”与清洁水法相比,最主要的不同是13142.5(b)除了加热或冷却外,还涉及“工业装置”和“工业过程”,因此其中包含了海水淡化工程取水。加利福尼亚水代码也包括采取最佳的选址和设计,防止整个设施取水对海洋生物的影响,而清洁水法仅关注取水设施本身。可以说,13142.5(b)的范围更广。另一个与清洁水法的不同是13142.5(b)包括了减缓措施的条款,特别是要求“最佳的……减缓措施应能够将取水对海洋生物死亡的影响最小化”。但事后的补偿措施不能代替清洁水法中减少海洋生物死亡率的方法[3]。

2.4马里兰州冷却水取水规定

马里兰州建立了马里兰州管理代码(COMAR)26.08.03.05.D(1)和D(2),计算冲击死亡生物的价值,并要求核电站运营商采取措施减少冲击影响,设施成本不超过5年内生物体损失价值的总和[4]。该州政府认为采用连续的夹带影响评估是较好的方法,能够量化冷却水取水的影响(即评估夹带损失的生物数量),确定生物受到影响的风险(即代表性重要物种的选择),评估对目标实体产生逆向不利影响的重要性。冷却水取水设备操作者需要确定夹带损失是否会引起重要的环境不利影响。夹带评估模型已经在马里兰州评估中得到应用。此外,马里兰州还建立了水体的取水上限,规定对于非潮汐水体取水率不超过总量20%的情况下,取水总量应不超过1 000万加仑/d。

此外,在加利福尼亚州水资源再利用委员会发布的白皮书中[5],结合美国环保局、海军研究所的一些规定和研究结论,提出了海水取水的管理建议。①取水口应远离潮汐带。取水口位于潮汐带有可能增加冲击和夹带的影响。美国环境保护局认为在潮汐带以外125 m取水,可减少工程的冲击和夹带影响。根据海军研究所的研究,潮汐带是从岸线延伸183 m的范围。因此,取水口应设置在距离岸线335 m的位置,以减少对环境的影响。此外,取水口应设置在生物密度较低的位置(至少水下20 m),以减少取水操作中对环境的影响。②降低海水通过滤网的速度。夹带作用常发生在取水流速过大,生物不能游离滤网的情况下。美国环境保护局规定,如果进水流速小于或等于0.15 m/s,则认为取水设施符合冲击死亡率标准。因此,在取水设施设计时应控制在这一流速之内,可以最大限度减少冲击影响。③设置小尺寸栅栏式过滤口。使用拦截栅栏距离小于0.23 m的栅栏式过滤器,可以防止大型生物进入海水取水设施。④合适的细过滤网尺寸。在经过栅栏式过滤口后,海水需通过细过滤网防止碎片物质进入海水淡化系统。细过滤网的尺寸是一个非常重要的设计参数,应根据需要保护的幼虫尺寸进行选择。大多数的细过滤网尺寸小于或等于9.5 mm,因为大多数成年和幼鱼的头部尺寸大于10 mm。⑤改进进水摄入量。提高海水淡化系统回收率可以减少海水取入量,从而减少冲击和夹带。

综上所述,美国国家层面的海水取水政策是清洁水法,其从防止生态影响的角度出发,对减少海洋生物冲击和夹带率提出了明确的要求,并要求减少冲击和夹带的取水技术不能被修复措施所代替。而加利福尼亚州、马里兰州等在清洁水法的基础上,增加了关于取水影响减缓措施的条款,对海水取水的具体措施做了更加详细、具体的要求。一方面采取流速、流量及取水距离限制。美国环保局、《海水淡化与加利福尼亚海岸法》、马里兰州管理代码等提出了海水取水最大流速、流量,并根据取水可能的影响范围明确了取水口位置与岸线或潮汐带等敏感区域的距离。如:认为流速低于0.15 m/s时,冲击和夹带的影响较小;取水口应位于潮汐带125 m或离岸335 m以外,水深至少在20 m以下水生生物密度较低的位置。另一方面采取减少冲击和夹带的技术措施。如:安装控制流速流向的装置、鱼类洄游系统、设置适宜尺寸的过滤筛,从而防止将鱼类、水体中的碎片杂质等带入系统。此外,马里兰州还通过建立模型,计算冲击和夹带死亡生物的价值,评价海水取水的影响。在这些方面,美国关于海水取水的管理政策和措施对我国海水淡化工程取水管理具有指导意义。

3对我国海水淡化取水的借鉴

经过多年发展,我国海水淡化产业发展迅速,规模不断增长。截至2014年底,全国已建成海水淡化工程112个,工程总规模达到92.69万t/d。取水用海类型方面,在调查统计的30个海水淡化工程中,用海方式为取、排水口用海的20个,占67%;用海方式为蓄水池、沉淀池用海的4个,占13%;用海方式为建设填海造地的6个,占20%。取水方式方面,在调查统计的41个海水淡化工程中,采用岸边管道取水的27个,占66%；借用已有取水设施的7个,占17%；采用潮汐取水、海底管道取水等其他方式的7个,占17%。海水淡化取水口所在海洋功能区归属方面,在全国已调查统计的33个海水淡化工程中,13个位于港口航运区,占40%;5个位于工业与城镇用海区,占15%;4个位于特殊利用区,占12%;另外,还有一些海水淡化工程取水口分别位于农渔业区、旅游休闲娱乐区、海洋保护区、保留区等。我国海水淡化工程用海主要依据《海域使用权管理规定》、《关于加强海域使用金征收管理的通知》、《海域使用论证管理规定》和《海域使用论证技术导则》。

在取水管理政策方面,我国出台了针对流域取水的《取水许可和水资源费征收管理条例》、《取水许可管理办法》等管理规定,而海水取水主要遵守《海域使用论证管理规定》、《海域使用论证技术导则》、《海域使用权管理规定》、《关于加强海域使用金征收管理的通知》等海域论证、审批和海域使用金缴纳政策。在取水方式选择方面,国内也开展了一些研究[6-8],但这些研究多侧重于取水方式本身的技术分析及工程工艺要求方面,在结合海洋环境保护方面的研究和建议较少。

目前,我国海水淡化工程用海存在取水用海范围界定不清、与海洋功能区划不协调、没有具体明确的管理标准及缺乏有效的防护措施等问题。为保护海水淡化工程取水海域海洋环境,保障工程安全稳定运行,借鉴美国相关经验,提出以下建议:

a. 出台有关海水淡化工程取水设施优化的技术导则。在取水设施方面,鼓励海水淡化工程采取有效的措施减少取水过程中的冲击和夹带影响,如:使用过滤网、鱼类洄游系统、速度封闭盖等,防止吸入各类海洋生物,并研究确定取水口与潮汐带、岸线等的安全距离、取水水深等。在取水工艺设计方面,应避免冲击,控制取水的进水流速、设定拦截网尺寸、改进淡化工艺减少取水量等。同时,鼓励与电厂联建的海水淡化工程在确定电厂冷却水药剂不会对淡化工艺和产品水产生影响的情况下,使用电厂冷却水作为进水,减少冲击和夹带作用。

b. 针对海水淡化工程用海安全需求及其供水的社会公益性特点,依据现有海域使用管理法规,研究出台针对海水淡化工程用海管理政策,保障海水淡化工程用海安全。研究提出明确的海水取水用海管理要求,制定定量化标准规范;进一步明确海水淡化工程的海域使用范围划定和海域使用金测算方法;严格按照海洋功能区归属进行用海审批,海水淡化工程取水口选取时应对其取水流速、流量、位置及其影响进行充分的论证,取水口应位于生产力水平较低的区域,防止海水淡化工程取水口建在港口区、造船区、排污口、保护区、产卵区、养殖区等附近海域,保障取水水质安全和工程稳定运行。

c. 加强海水淡化工程取水口用海监管。针对海水淡化工程取水特点,切实增强取水口用海监管。工程建设前,要积极开展论证研究,对附近海洋生态敏感区的生物种类、数量进行较为全面的分析,保证海水淡化工程取水安全和工程可持续性。在工程投入运行后,定期对工程用海类型、用海面积、海域金缴纳等情况进行确认,对工程附近新建的排污设施进行调查,运用现场调查、模拟预测等多种手段,分析新建排污口的影响范围和程度;对海水淡化工程增减规模的情况,及时进行海域使用面积的调整,起到实时监管的作用。

参考文献：

[1] VOUTCHKOV N.Thorough study is key to large beach-well intakes[J].Desalination and Water Reuse Quarterly,2004,14:1-16.

[2] IAEA.Environmental impact assessment of nuclear desalination[R]. Vienna: International Atomic Energy Agency, 2010.

[3] ANGELA H K. A call for consistency: open seawater intakes, desalination, and the California Water Code[J]. Golden Gate University Environmental Law Journal,2011,4(2): 276-301.

[4] RICHARD M, WILLIAM A R, STEPHEN P S,et al. Maryland power plant cooling-water intake regulations and their application in evaluation of adverse environmental impact[J]. The Scientific World Journal,2002, 2(S1):1-11.

[5] Water Reuse Committee.Desalination plant intakes impingement and entrainment impacts and solutions white paper[R]. Alexandria: Water Reuse Committee, 2011.

[6] 王生辉, 潘献辉, 赵河立,等. 海水淡化的取水工程及设计要点[J]. 中国给水排水,2009, 25(6):98-101.

[7] 褚一威. 海水淡化工程取水方案选择[J].天津建设科技,2005(增刊):104-105.

[8] 孙波, 孙林云,于海淼. 天津北疆电厂海水资源开发利用及取水工程关键技术[J].海洋经济,2011,1(4):29-34.

Policies of seawater intaking in USA and their reference for seawater desalination in China/

ZHANG Fukun, ZOU Chuanling, LI Lei, LIU Shujing

(Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization, SOA (Tianjin), Tianjin 300192, China)

Abstract:Aiming at the seawater intaking problems in large-scale development of seawater desalination projects, combined with the policies of seawater intaking in USA and the current situations of seawater desalination intaking and sea use in China, some proposals about the seawater intaking management of desalination are put forward from strengthening the regulation of intakes and issuing the management policies of seawater desalination projects as well as introducing the technical guidelines for the optimization of seawater desalination projects China. These proposals will provide theoretical support for the stable operation and coordinated environmental development of seawater desalination projects.

Key words:seawater desalination; seawater intake; management about sea use; USA

(收稿日期：2015-08-18编辑：方宇彤)

中图分类号：TU991

文献标识码：A

文章编号：1003-9511(2016)02-0053-03

DOI：10.3880/j.issn.1003-9511.2016.02.012

作者简介：张拂坤(1981—),女,天津人,工程师,硕士,主要从事海水淡化工程取排水政策研究工作。E-mail:zfk1229zfk@163.com

基金项目：中央级公益性研究院所基本科研业务费专项资金(K-JBYWF-2013-T5)