1、第四章 水资源利用,水是一切生命体不可缺少的基础物质。由于水资源的多种用途，同时水资源是有限的，这就使用水部门发生用水冲突。本章就针对水资源的利用途径进行介绍，分析用水部门之间的矛盾及协调的问题。,4.1水资源利用途径概述,4.1.1 水资源利用的概念及分类1）概念水资源利用（water resources utilization），是指通过水资源开发为各类用户提供符合质量要求的地表水和地下水可用水源以及各个用户使用水的过程。 2）分类按利用方式 水力发电渔业河道内用水 航运 水上娱乐生态用水农业用水河道外用水 工业用水城市生活用水植被生态用水,按用水消耗状况分消耗性用水非消耗性用水按用途分农
2、业工业生活水力发电航运生态,消耗性用水是指水的状态或水质方面发生的变化，水不能再被人们所使用,非消耗性用水是指其水性质的变化通常不致妨碍它以后被重新利用,4.1.2 中国水利事业取得的成就伴随着近世纪一批大型重点水利工程的建设，水利事业发展速度较快，投入在不断增加，立法也在不断完善，人们的水患意识也在不断加强。 为了解决缺水问题，实施了一系列供水工程，目前已经或即将发挥经济效益。,长江三峡工程、淮河治理工程、太湖治理工程等,山西万家寨引黄工程、甘肃引大（大通河）入秦（秦王川）工程、南水北调工程,为了解决洪涝灾害问题，投入大量物力、财力进行防洪建设，在一定程度上提高了主要江河的防洪标准，最大限度
3、地降低了洪涝灾害带来的损失。 为了综合开发和利用水资源，建立了一系列水利枢纽工程，推动了水利事业的发展，支持经济社会可持续发展。 我国用水结构发生了变化，用水效率明显提高，在节水方面也取得了一定的进展。,长江三峡水利枢纽、黄河小浪底水利枢纽,4.2 生活用水,4.2.1 生活用水的概念生活用水（domestic water use）是人类日常生活及其相关活动用水的总称。生活用水分为城镇生活用水和农村生活用水。生活用水的特征：一是优先性；二是对水质的要求较高。,居民住宅用水、市政公共用水、环境卫生用水等,农村居民用水、牲畜用水,生活用水保证率高，放在所有供水顺序的第一位,4.2.2 生活用水途径
4、,供水 水源,自来 水厂,配水 管网,居民 用户,取水,生产,输送,1）供水水源水源类型包括地表水（水库、河流、湖泊）、地下水、泉水等。在地表水已被污染或水质较差的情况下，可以考虑开采地下水；在浅层地下水水质较差或被污染的情况下，可以考虑开采深层承压水。人们可以直接从河流、水库、湖泊等地表水域取水。取水的方式或类型也多样，如自流取水、水泵直接抽水。,泵站抽取地表水示意图,抽取地下水示意图,2）自来水厂生活用水对水质要求较高，一般从水源地引来的水在生活饮用之前需要进行一定的处理。自来水厂的任务就是对从水源地引来的水进行供水前的处理。 如果从水源地引来的水的水质较好，一般只需简单的过滤或处理后就可
5、以为居民生活供水。如果引来的水的水质较差，则需要经过严格的处理后才能向生活供水。,黄河,邙山提水站,九五滩地下水 水源地,花园口 饮水闸,北郊地下水 水源地,水库,河流,柿园水厂,中法水厂,石佛水厂,东周水厂,城市生活用水,回归水,地下水,井水厂,郑州市生活用水供水系统示简图,3）居民自备用水设备自来水厂通过管网把自来水输送到千家万户，供人们饮用、做饭、洗菜、洗澡、洗衣、洗尘、冲厕所等。居民自备用水设备比较简单，常用的有水龙头、抽水马桶、洗澡喷头、洗衣机、饮水机等。,4.2.3 生活用水量的计算生活用水一般包括人类和牲畜的使用水量之和。其计算方法有：直接计算法和定额估算法。,直接根据生活用水量
6、统计计算得到，特别是城市生活用水一般是通过管道供应，可以直接统计用水量大小,根据当地统计资料，获得人均日生活用水量经验数据，再计算实际生活用水量,定额估算法的计算城镇生活用水主要受城镇生活用水受城镇规模、经济水平、气候条件、水资源条件、住房卫生设备、居民用水习惯和收费标准等影响，农村生活用水受农村工业、副业发展水平、经济收入、生活水平和生活习惯以及牲畜饲养量多少的影响。,人口总数,人均日生活用水量（L/(人d)）,年生活用水量,4.2.4 我国生活用水状况随着我国人口的不断增加，生活水平有所提高，供水设施建设，用水标准也在不断提高，生活用水量在不断增加。总体来说，我国生活饮用水形势十分严峻。用
7、水量短缺，但也存在着水资源浪费的现象，而且生活饮用水的水质较差，这给人民的生活带来了很大的困惑，威胁到人们的健康。,4.2.5 生活节水生活节水的主要途径有：一是减少用水过程之外的浪费，即避免用水器具的“跑、冒、滴、漏”和用水完毕及时关闭用水器具，可以大力推广节水型器具，发展再生水利用，减小输水损失；二是减少用水过程之中的浪费，即为一定的用水目的提供最适合的水量，尽可能减少用水过程中多余的水；三是改善用水方式，提高用水效率。同时强化人们的节水意识也是生活节水中非常重要的一个环节。,4.3农业用水,4.3.1农业用水的概念农业用水（agricultural water use）是农、林、牧、副、
8、渔业等各部门和乡镇、农场企事业单位以及农村居民生产用水的总称。在农业用水中，灌溉用水占主要地位。以合理的人工灌溉来满足农作物需水，是保障农业生产的重要措施。,4.3.2 农业用水途径主要以灌溉用水为例。灌溉用水的途径为:1）供水水源蓄水工程供水 从较丰富的湖泊、河流中饮水抽取地下水,供水水源,供水系统及 主要工程,田间灌溉,最常用的供水方式,最直接、古老的供水方式,干旱区常用的灌溉水源,2）供水工程及主要工程蓄水工程 可以有效地调控和利用水资源，起到“蓄丰补枯”调度作用。自流灌溉引水渠首工程 自流饮水可以减少抽水及运行的费用，适用于水源水位位于灌区高程的情况。提水灌溉工程 当水源水位低于灌区高
9、程时，需要采取这种灌溉方式。主要包括泵站、压力池、分水闸。灌溉渠系 是指在水源取水后，通过渠道及其附属建筑物向农田供水，并经田间工程进行农田灌溉的工程系统。,3）田间灌溉方式地面灌溉 就是把水引到田间，靠水的重力作用和毛细管作用湿润土壤，供植物吸收的灌溉方法。地面灌溉又称大水漫灌，具有操作简单、运行费用低、维护保养方便等优点，同时由于地面灌溉的用水量大，土壤含水量大，增加了土壤水的蒸发量，使得大量的水消耗于无效的株间蒸发，这样不仅浪费水资源，也提高了浇地成本。,喷灌 是利用专门的设备，把有压水流喷射到空中，并散成水滴，像天然降雨那样，洒落到地面上，湿润土壤，供植物吸收。,优点： 1）省水、增产
10、 2）便于实现机械化、节省劳动力 3）适应性强、提高土地利用率,缺点： 1）投资较大，且需要消耗动力，运行费用高 2）灌水质量易受风速和气候的影响 3）气候十分干燥时，蒸发损失增大，也会降低灌水效果,与地面漫灌相比较,滴灌 就是通过安装在低压管道系统上的滴头、孔口、滴灌带等灌水器，将水一滴一滴地、均匀而又缓慢地滴入植物根区附近土壤中，使植物主要根系分布区的土壤含水量经常保持在较优状态，而其他部位的土壤水分仍较少。,省水、省工、 省地、增产,投资大、 滴头易堵塞,优点,缺点,地下灌溉 就是利用埋在地下的管道，将灌溉水引至田间作物根系吸水层，主要靠毛细管作用湿润土壤，供植物吸收。,土壤湿润均匀、不
11、破坏土壤结构、无板结层、地面蒸发少、省水、灌溉效率较高，可同时进行其他作业,灌溉渗水管网孔口常被堵塞，导致灌水系统失效报废,优点,缺点,4.3.3 农业用水量的计算一般有两种方法：直接法和定额估算法。直接法就是根据资料直接将所有用水量加起来即总农业用水量。定额估算法（以灌溉用水为例）需要计算净灌溉定额、灌溉面积以及渠系利用系数，根据净灌溉定额乘以灌溉面积除以渠系利用系数得到农业用水量。,净灌水定额是指向农田某一次灌水的平均每亩田的灌水量（m3/亩），全年生育期历次净灌水定额之和即为净灌溉定额，即平均每亩田的年灌水总量（m3/亩）。渠系利用系数是指引至田间的水量与渠首引水总量之间的比值，对于固定
12、的渠系，可以根据渠首引水量与田间引水量来求得。,仅为0.45左右，远低于欧洲等发达国家0.8的水平,4.3.4我国农业用水状况农业用水所占比重虽然在不断下降，但仍然较高 农业灌溉水利用效率较低，浪费现象依然严重 节水意识不强，现代节水灌溉技术应用程度较低,1949年为95%，1980年为 86%，1997年为73%，到了2004年降至64.6%,以色列等国的现代灌溉技术应用面积占总灌溉面积的比例达61以上，而中国仅占1.5,4.3.5农业节水农业用水量中灌溉用水占主要地位，由于灌溉用水存在浪费，利用率不高的问题，因此农业节水有很大潜力。目前，农业节水主要途径有：开发高效低投入灌溉新技术（如喷灌
13、、滴灌技术的开发及示范）；开发提高农田水利用效率的新技术（如田间节水灌溉技术、灌溉系统配水技术、主要农作物灌溉制度的研究等）；加强农作物节水新产品的研究；研制开发灌溉节水新设备等。,工业生产过程中排放的水是否一定是工业废水？,4.4工业用水,4.4.1 工业用水的概念工业用水（industrial water use）是工矿企业用于制造、加工、冷却、空调、净化、洗涤等方面的水。工业生产过程中的用水一方面在利用过程中通过不同的途径消耗（蒸发、渗漏等），另一方面以废水的方式排入自然界中。其中，工业废水含有大量的化学污染物，对环境造成很大的污染，因此在排放前要对其进行处理。,4.4.2工业用水途径,
14、工业 供水,工业 供水 系统,工业 循环 水系 统,工业 废水 处理 系统, 工业供水由于工业用水对水质和来水保证率有较高的要求，因此一般选用来水比较可靠、水质满足要求的水源作为供水水源，如地表水、地下水、泉水等。根据厂址与水源的距离及当地的地势情况，可以采取不同的取水方式。同时由于工业用水对水质及保证率要求较高，且用水量较大，工业废水对环境有一定的影响，因此在工业规划建设之前必须对水资源利用途径、水量配置以及对水资源、环境等的影响进行论证。,工业供水系统工业循环水系统,取水工程,输水工程,水处理工程,配水工程,用户,供水系统,工业用水,利用,冷却、处理,工业废水处理系统工业废水一般包括工艺过
15、程用水、机器设备冷却水、烟气洗涤水、设备和场地清洗水等。根据废水中所含主要污染物的性质，工业废水可以划分为：有机废水、无机废水、兼含有机物和无机物的混合废水、重金属废水、含放射性物质的废水和仅受热污染的冷却水。根据工业废水的性质不同，其处理系统也是不相同的，需要根据具体的情况进行分析。,4.4.3工业用水量计算工业用水量计算方法有：直接计算法和定额估算法。直接计算法可以根据工业供水系统直接获得；定额估算法需要根据当地统计分析，获得万元工业增加值用水量经验数据，再由当年工业增加值乘以万元工业增加值用水量即可得到工业用水量。定额估算法的关键是要通过统计得到比较准确的“万元工业增加值用水量”经验数据
16、。由于生产水平、节水技术以及水资源状况的不同，万元工业增加值用水量数据在不同地区也有较大差异。,4.4.4我国工业用水状况随着社会经济的发展，全国工业用水量在不断增加，比例也在上涨。但是工业设施比较落后，工业用水的重复利用率不高，与发达国家相比还有很大差距。从这点可以看出，工业节水有很大潜力。与此同时，我国工业废水的处理率及程度较低，这就给环境带来很大的压力，污染了许多江河湖泊，甚至使地下水也受到了不同程度的污染。,4.4.5工业节水目前，我国工业生产工艺和技术还相对比较落后，用水效率总体水平较低，与世界先进水平相比差距悬殊，节水潜力较大。工业节水的方法有：一是加强企业对用水的管理；二是通过工
17、艺改革来节约生产过程中的用水；三是通过对冷却水的处理来节约用水；四是大力提倡一水多用或加强水的循环利用；五是推行节水设备，减少用水在传输过程中的浪费。,4.5水力发电,4.5.1水力发电的概念及基本原理概念水力发电（Hydroelectric Power）是利用河流中流动的水流所蕴藏的水能，生产电能，为人类用电服务。,河流从高处向低处流动，水流蕴藏着一定的势能和动能，即会产生一定能量,将具有一定水能的水流去冲击和转动水轮发动机组，在机组转动过程中，将水能转化为机械能，再转化为电能,基本原理如右图所示，河段首尾断面 分别为断面1-1和断面2-2，取 水平面0-0为基准面。设断面流 量为Q（m3/
18、s），T（s）时段 内流经断面的水体为W=QT（m3）,根据水力学中的能量方程，水体在断面1-1和断面2-2处的能量分别为：式中， 、 为断面的水面高程； 、 为断面的大气压强； 为水的容重； 、 为断面流速的不均匀系数； 、 为断面的平均流速。,水体在河段两断面的能量差为：在不太长的河段中，大气压强 和 近似相等，流速水头 和 也相差不大，则两断面的水流能量差近似为：式中， 为断面1-1和断面2-2之间的水头差（也称落差）；t为时间，单位为秒。,在电力系统中，能量单位习惯上采用kWh，取水的容重 为9807 N/m3，1 kWh=3.6106J，则在T小时内两断面的水流能量差为：此即为该河段
19、所蕴藏的水能资源。单位时间内的水能称为水流功率，在电力系统中，称为水流出力。水流出力计算式为：此式常被用来计算河流的水能资源蕴藏量。,水电站在发电过程中，利用能量转换装置，将水能转化为机械能，再转化为电能。在实现能量转化过程中，将有一部分能量损失，用 表示水电站的总效率系数。另外，水流在实际流动过程中，通过拦污栅、进水口、引水管道，并经尾水管排至下游河道，必定会产生一定的水头损失（设为 ），因此，实际发生作用的净水头差（ ）为 - 。,水电站出力计算式为：式中， 为落差损失； 为水电站效率系数； 为水电站出力系数，一般取6.58.5； 为水电站引用流量； 为水电站净水头差（或落差）。水电站出力
20、小于水流出力。,水电站在一段时间内生产的电能即为水电站发电量。如果水电站在 到 时段内的出力 已知，则该时段内的发电量为：如果已知不同时段内的平均出力 ，可以用下式计算发电量：式中， 为水电站在 到 时段内所产生的电能（kWh）； 为第 时段内的平均出力（kW）； 为计算时段长； 为时段数。,4.5.2河川水能资源蕴藏量估算及我国水能资源概况(1)河川水能资源蕴藏量估算由上面可知，构成水能资源的基本要素是流量和水头落差。由于单位长度河段的落差（即河流纵向比）和流量都是沿河流变化的，所以在实际估算河流水能资源蕴藏量时，常沿河长分段计算水流出力，然后再逐段累加以求得全河总水流出力。,式中， 为河流
21、分段数； 为河段 的落差； 为 河段首尾断面流量的平均值。根据多年平均流量 ，可以计算得到的水流出力 ，称为水能资源蕴藏量。 当一条河流各河段的落差和多年平均流量均为已知时，就可以估算该河流的水能资源蕴藏量。,（2）我国水能资源概况我国河流众多，径流丰沛，落差巨大，蕴藏着丰富的水能资源，居世界首位。据统计，我国河流水能资源蕴藏量为6.76亿kW，年发电量 59 222亿kWh；可能开发水能资源的装机容量 3.78亿kW，年发电量 19 200亿kWh。我国西南地区水能资源极其丰富，占全国水能资源的70%左右，但开发尚少，仍有很大开发潜力；而东部和中部地区水能资源较缺乏，但因人口集中、工农业生产
22、较为发达，水能资源开发较多。,4.5.3我国水力发电状况自1949年新中国成立以来，我国的水电事业有了长足的发展，取得了令人瞩目的成绩。到2004年年底，全国规模超过100万kW的大型水电站已有20多座。除了常规水电站以外，我国抽水蓄能电站的建设也取得了很大的成绩。抽水蓄能电站主要建于水力资源较少地区，以适应电力系统调峰的需要。我国水电站建设发展迅猛，工程规模不断扩大，在国民经济中发挥着越来越大的作用。,4.6生态用水*,4.6.1生态用水的概念广义上讲，生态用水是指“特定区域、特定时段、特定条件下生态系统总利用的水分”，它包括一部分水资源量和一部分常常不被水资源量计算包括在内的水分，如无效蒸
23、发量、植物截留量。狭义上讲，生态用水是指“特定区域、特定时段、特定条件下生态系统总利用的水资源总量”。根据狭义的定义，生态用水应该是水资源总量中的一部分，从便于水资源科学管理、合理配置与利用的角度，采用此定义比较有利。,生态用水问题属于生态学和水文学交叉的问题，虽作出大量工作，但是仍在生态用水基本概念上未统一，还需要进一步研究。与此同时，由于水资源有限，而用水量在不断增加，生态用水经常被挤兑，不能满足生态环境的用水，影响到生态环境。随着生态环境的不断恶化，给人们带来了很多问题，为解决这一问题，需要合理配置水资源，确保生态用水对生态系统的需要，促进经济的发展。,4.6.2生态系统与水资源的关系水
24、资源是生态系统存在的基础人类过度掠夺水资源，使生态系统遭受严重破坏 生态系统的恶化又会影响人类的生存和发展 对经济社会发展的宏观调控，是实现人与自然和谐共存的途径,4.6.3生态用水量计算河道外生态 针对不同的植被类型计算流域生态 用水量 其生态用水量 用水量河道内生态 从实现河流的功能以及用水量 考虑不同水体这两个角度出发,生态用水 量计算,河流、湖泊（水库）、湿地、城市等小尺度计算,完整生态系统区域尺度计算方法,补给功能分,4.7各用水部门间的矛盾与协调,4.7.1用水矛盾1）由于各用水部门对于水资源条件的要求不同、在使用功能上相互排斥，导致用水部门之间存在一定的矛盾。2）由于水资源量是有限的，而需水量是不断增加的，导致需水与供水之间存在一定的矛盾，不同部门之间、不同地区之间、上下游之间、人类生产生活用水与生态用水之间为争有限水资源产生的矛盾。,4.7.2用水矛盾的协调尽可能充分考虑经济社会发展、水资源充分利用、生态系统保护之间的协调；尽可能充分考虑人与自然的和谐发展；尽可能满足各方面的需求，以最小的投入获取最满意的社会效益、经济效益和环境效益。同时要坚持以下原则： 坚持依法治水的原则 坚持全局统筹、兼顾局部的原则 坚持系统分析与综合利用的原则 坚持人与人和谐、人与水和谐的原则,
