柯浩成，牛最荣，，王启优

(1.甘肃农业大学工学院，甘肃 兰州730070;2.甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州730000)

水资源作为战略性的经济资源和基础性的自然资源，是生态环境的关键控制要素，是生命赖以生存的物质基础。甘肃省地处我国西北内陆，水资源量严重短缺，供需矛盾日益突出，大部分地区降水较少，降水时空分布严重失衡，地表径流少，地下水日益匮乏，水资源储量严重不足，同时受到国家黄河流域和黑河干流分水限制以及水资源开发条件的制约，水资源短缺将成为制约我省经济发展的关键因素。《甘肃省最严格的水资源管理制度考核办法》明确提出:“利用再生水、矿井排水、苦咸水和集蓄雨水等非常规水资源不受用水总量控制指标限制”因此，合理开发利用苦咸水非常规水资源，已经成为解决甘肃省水资源短缺的必要途径之一。

1 概况

甘肃省地处我国西北内陆，位于青藏、蒙新、黄土三大高原的交汇处，土地面积42.58万km2，分数黄河、内陆河、长江三大流域。且大部分地区常年干旱少雨，多年平均降水量仅276.9 mm，而多年平均蒸发量达1 306.1 mm，蒸发量分布与降水分布成相反趋势。

全省多年平均地表水资源量289.4亿 m3，是我国水资源严重短缺的省份之一，地下水资源量124.56亿 m3，与地表水不重复的地下水资源量7.30亿m3。地表水资源量仅占全国地表水资源量的1%，人均约1150 m3，仅为全国人均占有量的二分之一，居全国第22位，接近国际人均500～1 000 m3重度缺水界限，甘肃省大部分地区已经出现了人需饮水困难的水资源危机。

甘肃省苦咸水包括河流地表水苦咸水和浅层地下水苦咸水两部分。共有苦咸水河流23条，地表水苦咸水主要集中在黄河流域。据调查评价，黄河流域地表水苦咸水量约为7.89亿m3。河西内陆河流域局部区域由于特殊的水文地质条件，矿化度较高，也分布有少量的苦咸水，据初步估算，内流河流域地表水苦咸水量约为1.97亿 m3，全省地表水苦咸水量约为9.87亿 m3。

地下水矿化度分布与河流地表水区域基本对应，甘肃省地下咸水分布区域面积9.68万 km2(含与地表水重叠部分)，占全省计算面积的22.7%;微咸水分布面积10.7万km2，占全省计算面积的25.2%。

2 苦咸水淡化利用现状及开发潜力

苦咸水是由于水体矿化度高而无法直接利用或利用价值较低的劣质水资源［1］由于苦咸水资源数量较大，开发利用程度较低。因此，合理开发利用苦咸水水资源，成为缓解用水矛盾的有效途径之一。

2.1 苦咸水淡化利用现状

近年来，通过采用反渗透法、电渗析法、纳滤膜技术［2～3］在重点缺水区域实施了苦咸水淡化、雨水集流饮水等非常规水资源开发工程，处理后水质溶解性总固体为800－1 200 mm/L，总硬度323，硫酸盐10～30 mm/L，基本符合国家三级饮用水标准。为解决人畜饮水安全，缓解水资源供需矛盾起到了很好的促进作用。

1)环县苦咸水淡化产业发展试点情况。2013年，国家发展改革委将我省环县列入国家首批苦咸水淡化产业发展试点县以来，省、市、县各级高度重视，推进完成相关工作。

2)瓜州、肃北、阿克塞三县苦咸水淡化试点项目建设。据不完全统计，我省先后在11处进行苦咸水淡化试点工作，项目基本建设完成，建成年份在1994－2013年，日处理规模9.27万 m3，年处理规模 3 381.87 万 m3，供水贡献率在33.0% ～59.9%，每立方米水投资约42.5元。

2.2 苦咸水开发潜力

根据2012年《甘肃省水资源综合规划》，明确指出，水资源配置中要优先考虑生活、工业用水;兼顾农业用水;保障生态用水的基本原则。在水量配置中，要以缓解区域缺水程度为目标，充分考虑中水回用及其他水源利用。

《甘肃省水资源综合规划》配置情况中，2020年、2030年配置水量分别为121.94亿 m3、126.34亿 m3，缺水量分别为11.0亿 m3和13.8亿 m3。实际上，国家下达2020年、2030年用水总量控制指标［5］只有 114.15亿 m3和 125.63亿 m3，而近年来用水总量基本保持在122亿 m3，也就是说，2020年国家下达的用水控制指标比现状实际用水还要少8.0亿 m3，用水指标不足仍然是制约经济社会发展的关键因素。由于苦咸水河流所占比重较大，苦咸水资源数量巨大，通过合理开发利用苦咸水非常规水资源，将成为解决水资源严重短缺的一种有效途径，特别是马莲河流域、祖厉河流域等严重缺水区域尤为重要。如表1。

表1 甘肃省苦咸水河及苦咸水量统计表

3 自然冷冻淡化技术方法研究

祖厉河、马莲河是甘肃最大的两条苦咸水河流，流域内淡水资源十分紧缺，造成当地人民生活、生产用水十分困难。长期以来，由于现有的苦咸水淡化技术受投资大、成本高、能耗大、出水量有限等因素的制约，难以得到广泛的推广和应用。取祖厉河、马莲河两条最大苦咸水河流为研究对象，采用自然冷冻提纯法，该方法可以充分利用自然能，并附以一些工程设施和较为简单的设备(可以就地取材，不用依靠进口)，进行大量地咸水淡化处理，大大较少了苦咸水处理成本，为大量开发利用苦咸水提供了可能。解决了人们的生活、生产用水需求，水处理工艺符合节能环保的要求，具有广阔的应用前景。

图1给出了苦咸水自然冷冻淡化工艺流程的主要环节和思路:首先在选定的位置修建蓄水、沉淀、一级冷冻综合池，然后在河流适当位置选取取水口，通过渠道把原水输入蓄水池中，当一级冷冻池中的水结冰后，打开底漏阀门，排出结冰后的余水，然后用机械动力工具把冰块破碎，转入太阳能温室中进行溶化，对溶化后的水质进行检验，如果已达到生活饮用水标准，则可以直接从池中取水使用，若还未达到使用标准，可将水引入二次冷冻池中进行二次冷冻提纯。

图1 自然冷冻法苦咸水淡化工艺流程

若还达不到要求，再进行第三次冷冻提纯。但就甘肃实际情况而言，即使矿化度最高的河流，一般经过两次冷冻提纯就可达到生活饮用水标准。

整个冷冻淡化处理过程所需能源，基本采用自然能:如输水方面，可以在修建冷冻池、太阳能溶冰池时，充分考虑其与河流之间的落差关系，这样就可以采用自流方式连通输水;冷冻采用露天自然方式进行;溶冰可修建太阳能温室。夏季可以通过能源的转换，把太阳能转换为冷冻能，然后进行冷冻淡化处理。

自然冷冻淡化法可根据实际情况采取分户小规模处理，地窖储存，作为家庭生活、生产饮用水源。也可修建大型冷冻淡化处理和储水设施，与当地自来水管道连接，作为补充水源，与雨水集流、其它淡化方法结合调剂利用，解决苦咸水地区人民生活、生产用水问题。

4 结语

从实验结果来看，自然冷冻法对甘肃祖厉河、渭河等流域的苦咸水的淡化效果是非常明显的，对总盐量(无机盐)的平均削减率达到50%以上，对其中主要离子的削减率也基本在40%以上。按照此削减率计算对矿化度小于4.0g/L的苦咸水来说，通过一次冷冻即可使矿化度降到2.0g/L以下，基本能满足一般生活饮用水的标准;对矿化度在4.0g/L以上的苦咸水，经过2－3次冷冻提纯就可以满足生活饮用水的要求和标准。

总体来看采用自然冷冻法进行苦咸水的淡化处理，具有技术方法简单，工艺设备要求不高，成本低和环保的巨大优势，在整个流程中除碎冰和冰块转移环节以外，其它环节都可以充分利用自然能，达到节能的目的。为将来甘肃省进行大规模的苦咸水淡化处理提供了广阔的应用前景。值得一提的是:该方法不产生任何新的污染，对提纯后的高含盐余水，可在一次循环过程结束后用河水冲洗排除，然后再进行下一次过程。

［1］王旭虎，徐先英，柴成武，等.民勤绿洲苦咸水空间分布及成因分析［J］.干旱区研究.2014，(2).

［2］韩亮亮，王培婷.苦咸水淡化技术及其发展浅探［J］.建材发展导向(下).2014，12(7):390.

［3］赵玲，李继峰，苗东华，等.浅谈国内外城市饮用水处理技术发展现状与趋势分析［J］.商情.2013，(31):182.

［4］甘肃省水文水资源局.甘肃省地级行政区用水总量控制指标研究.兰州:甘肃人民出版社.2012.09.

［5］GB 5749－2006.生活饮用水卫生标准［S］.