北京冬奧會延慶賽區(qū)場館水資源利用方案比選

摘要：介紹了北京冬奧會延慶賽區(qū)水資源供需情況，并對水資源利用方案進(jìn)行比選。基于完整年尺度的水資源分析顯示，延慶賽區(qū)奧運(yùn)年需從外部調(diào)水57.09×104m3，其中地表水47.11×10⁴m³，自來水9.98×10⁴m³；非奧運(yùn)年需從外部調(diào)水16.35×10⁴m³，全部為自來水?；谥鹑辗治龅乃Y源利用方案顯示，非奧運(yùn)年再生水系統(tǒng)與融雪水、雨水系統(tǒng)分設(shè)方案再生水回用率僅為26.01%，遠(yuǎn)低于再生水、融雪水、雨水系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)蓄方案再生水回用率（56.85%），從水資源管控、景觀環(huán)境營造、場館運(yùn)營等方面進(jìn)行對比，再生水、融雪水、雨水系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)蓄方案對水資源的管理更為高效。

01 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目組成

北京2022年冬奧會和冬殘奧會是我國歷史上第一次舉辦冬季奧運(yùn)會，冬奧會共設(shè)置三大賽區(qū)：北京賽區(qū)、張家口賽區(qū)、延慶賽區(qū)。其中延慶賽區(qū)位于北京市延慶區(qū)西北部小海坨山區(qū)佛峪口流域，建設(shè)有兩個競賽場館和兩個非競賽場館：國家高山滑雪中心、國家雪車雪橇中心、奧運(yùn)村和山地新聞中心?？偨ㄖ娣e約23.08×10⁴m²，其中地上建筑19.6×10⁴m²，地下建筑3.5×10⁴m²。

1.2 供水水源

延慶賽區(qū)供水水源主要由佛峪口水庫、白河堡水庫和官廳水庫組成，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，自來水最終由佛峪口水廠供水，水源則來自現(xiàn)狀佛峪口水庫和白河堡水庫，白河堡凈水廠處理的自來水通過北山輸水管線輸水至佛峪口水廠；賽區(qū)造雪用水使用地表水，由白河堡水庫及佛峪口水庫聯(lián)合供水。官廳水庫規(guī)劃作為冬奧會賽后供水水源。

02 水資源供需情況

2.1 用水需求

延慶賽區(qū)用水量主要由場館生活用水和造雪制冰用水組成，具體如表1所示。其中：場館生活用水根據(jù)奧運(yùn)年和非奧運(yùn)年場館功能、使用時段、用水人數(shù)和定額進(jìn)行計(jì)算；造雪制冰用水，奧運(yùn)年主要用于國家高山滑雪中心，非奧運(yùn)年根據(jù)賽后運(yùn)營方案詳細(xì)計(jì)算。

在用水需求方面，造雪用水需求量最大，其中：賽時造雪用水量約為66.26×10⁴m³/a，賽后不同運(yùn)營方式對用水量的影響顯著，造雪用水量約為19.2×10⁴m³/a。

2.2 可用水資源

① 雨水徑流

延慶賽區(qū)分別建有海拔900m和1050m的塘壩兩座，庫容分別為8×10⁴m³和9.15×10⁴m³；海拔800m和1290m的調(diào)蓄水池兩座，容積均為1×10⁴m³。其中：900m塘壩位于佛峪口主溝上，匯水面積約1500hm²，年降水徑流量約109.7×10⁴m³。年降水徑流量遠(yuǎn)大于塘壩和調(diào)蓄水池的總?cè)莘e19.15×10⁴m³，因此采用興利庫容調(diào)節(jié)降雨徑流以節(jié)省造雪用地表水消耗。

 ② 融雪徑流

根據(jù)《國家高山滑雪中心水影響評價(jià)報(bào)告書》進(jìn)行融雪水水量預(yù)測，奧運(yùn)年融雪水退水各部分比例分布為：蒸發(fā)22.6%、入滲35%、自然損失20%，最終形成的徑流進(jìn)入賽區(qū)內(nèi)總?cè)莘e約19.15×10⁴m³的4座塘壩和調(diào)蓄水池；非奧運(yùn)年的融雪季節(jié)主要在3月—4月，蒸發(fā)損失約56.4mm，按造雪面積36.7hm²計(jì)算，則融雪水蒸發(fā)量約2.07×10⁴m³，入滲和自然損失系數(shù)與奧運(yùn)年相同。融雪徑流量見表2。

③再生水

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50015—2003）中第4.4.1條，“小區(qū)生活排水系統(tǒng)排水定額宜為其相應(yīng)的生活給水系統(tǒng)用水定額的85%～95%”，本項(xiàng)目排水量按生活用水量的90%計(jì)算，生活排水到再生水轉(zhuǎn)化率取75%，延慶賽區(qū)場館年排水量計(jì)算結(jié)果見表3。

2.3 水資源供需關(guān)系

①非常規(guī)水源供需關(guān)系

在未考慮雨水資源利用的情況下，可用水資源中再生水和融雪水作為非常規(guī)水源，可供造雪和沖廁、綠化澆灑等使用。生活排水處理的轉(zhuǎn)化率取75%，融雪水利用率取85%，兩項(xiàng)合計(jì)產(chǎn)生總量奧運(yùn)年為21.16×10⁴m³/a、非奧運(yùn)年為17.87×10⁴m³/a。

通過表1可以得出，奧運(yùn)年沖廁和綠化澆灑用水對再生水的需求量約為3.53×10⁴m³/a，非奧運(yùn)年沖廁和綠化澆灑用水對再生水的需求量為3.28×10⁴m³/a。基于完整年尺度的水資源分析顯示，再生水和融雪水合計(jì)提供的水量能夠滿足沖廁、綠化澆灑等需要，尚有剩余可用于造雪。

②常規(guī)水資源供需關(guān)系

通過表1可以看出，奧運(yùn)年造雪用水需求量為66.26×10⁴m³/a，自來水（不含沖廁）需求量為9.98×104m3/a；非奧運(yùn)年造雪用水需求量為19.2×10⁴m³/a，自來水（不含沖廁）需求量為16.35×10⁴m³/a。由于塘壩和調(diào)蓄水池儲水可提供造雪用水約19.15×10⁴m³/a，因此奧運(yùn)年還需外調(diào)地表水47.11×10⁴m³/a，自來水9.98×10⁴m³/a；非奧運(yùn)年基本不用外調(diào)地表水，僅需外調(diào)自來水16.35×10⁴m³/a。

③水資源整體供需情況

基于完整年尺度分析，延慶賽區(qū)水資源供需關(guān)系如圖1所示。奧運(yùn)年總需水量為79.77×10⁴m³/a，其中：造雪用水66.26×10⁴m³/a，生活用水9.98×10⁴m³/a，沖廁綠化用水3.53×104m3/a；奧運(yùn)年總需外部調(diào)水量為57.09×10⁴m³/a，其中：地表水47.11×10⁴m³/a，自來水9.98×10⁴m³/a；非奧運(yùn)年總需水量為38.83×10⁴m³/a，其中：造雪用水19.2×104m3/a，生活用水16.35×10⁴m³/a，沖廁綠化用水3.28×10⁴m³/a；非奧運(yùn)年總需外部調(diào)水量16.35×10⁴m³/a，全部為自來水。

03 水資源利用方案

3.1方案一：再生水和融雪水、雨水系統(tǒng)分設(shè)

再生水和融雪水、雨水系統(tǒng)分開設(shè)置，生活污（廢）水全部集中處理，形成達(dá)標(biāo)再生水后供場館沖廁和綠化澆灑等使用。再生水量供大于求時，多余部分在污水處理廠和再生水廠退水排放至佛峪口水庫下游；再生水量供小于求時，不足部分由自來水補(bǔ)充。融雪水和降雨徑流進(jìn)入塘壩和調(diào)蓄水池蓄存，供造雪使用，多余部分通過賽區(qū)管廊退水至佛峪口水庫下游。由于融雪徑流和雨水徑流產(chǎn)量、冬季場館全年用水量分布極度不均衡，需要進(jìn)行逐日分析計(jì)算不同計(jì)算年的再生水回用率。

①奧運(yùn)年再生水系統(tǒng)

根據(jù)奧運(yùn)年全年365d逐日的生活排水量W1i，以及沖廁Sti、綠化澆灑Sgi等用途的逐日用水量，按照下式計(jì)算再生水實(shí)際用水量S1i、再生水排放量W3i和自來水補(bǔ)水量S2i。

式中：S1i為某日再生水實(shí)際用水量，m³/d；W2i為某日再生水供水能力，m3/d，按W1i的75%計(jì)算；Sgi為某日綠化澆灑等用水量，m³/d；Sti為某日沖廁用水量，m³/d。

基于以上計(jì)算出的逐日數(shù)據(jù)，對奧運(yùn)年365d數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，得出：污水處理站總進(jìn)水量W1為114 078m3/a，再生水總供水能力W2為85558.5m³/a，再生水實(shí)際使用量S1為25585.6m3/a，再生水實(shí)際排放量W3為59972.9m3/a，全年自來水補(bǔ)水量為9714.4m3/a?；谥鹑辗治龅膴W運(yùn)年再生水系統(tǒng)，再生水回用率僅為29.90%，而排放占比高達(dá)70.10%。由于供需不平衡，在大量排放再生水的情況下，奧運(yùn)年還需補(bǔ)充自來水彌補(bǔ)再生水的不足，補(bǔ)充水量相當(dāng)于再生水實(shí)際使用量的37.97%。

② 奧運(yùn)年造雪水系統(tǒng)

融雪徑流和降雨徑流將進(jìn)入塘壩，蓄水用于造雪系統(tǒng)。根據(jù)奧運(yùn)年全年365d逐日的造雪用水量Rsi，水面蒸發(fā)量Rzi、融雪水徑流量Rmi和降雨徑流量Ri，按照下式計(jì)算塘壩蓄水量Vi、塘壩向造雪系統(tǒng)實(shí)際供水量Rvi和自來水補(bǔ)水量S2i：

式中：Vi為某日塘壩蓄水量，m3/d；Rsi為某日造雪用水量，m³/d；Rzi為某日水面蒸發(fā)量，m3/d；Rmi為某日融雪水徑流量，m3/d；Ri為某日降雨徑流量，m3/d。

全年造雪用水量662600m3，其中塘壩總供水量171500m3，不足部分由外部輸入地表水補(bǔ)充，全年補(bǔ)充量為491100m3。根據(jù)式（7）～（9），全年25.9%的造雪用水來自塘壩，其余74.1%需外部地表水補(bǔ)充。

③ 非奧運(yùn)年再生水系統(tǒng)

與奧運(yùn)年再生水系統(tǒng)計(jì)算原理相同，污水處理站總進(jìn)水量W1為164 634m3/a，再生水總供水能力W2為123475.5m3/a，再生水實(shí)際使用量S1為32118.2m3/a，再生水實(shí)際排放量W3為91357.3m3/a，全年自來水補(bǔ)水量為681.8m3?；谥鹑辗治龅膴W運(yùn)年再生水系統(tǒng)，再生水回用率僅為26.01%，而排放占比高達(dá)73.99%。由于再生水供需不平衡，在大量排放再生水的情況下，奧運(yùn)年還需補(bǔ)充自來水彌補(bǔ)再生水的不足，補(bǔ)充水量相當(dāng)于再生水實(shí)際使用量的2.12%。由于補(bǔ)充量并不大，可以輔以蓄水調(diào)節(jié)措施進(jìn)一步減少補(bǔ)水需求。

④ 非奧運(yùn)年造雪水系統(tǒng)

與奧運(yùn)年造雪水系統(tǒng)計(jì)算原理相同，賽區(qū)內(nèi)年融雪徑流總量65000m3，塘壩匯水面積內(nèi)的降雨徑流量1097000m3，造雪系統(tǒng)消耗192000m3，蒸發(fā)消耗28419.2m3。因此，非奧運(yùn)年造雪用水量基本可由塘壩供水，不需額外輸入地表水補(bǔ)充。

3.2 方案二：再生水、融雪水、雨水統(tǒng)一調(diào)蓄

再生水和融雪水、雨水等非傳統(tǒng)水源集中通過塘壩調(diào)蓄。生活污（廢）水集中全部處理，形成達(dá)標(biāo)再生水后供場館沖廁和綠化澆灑等使用。供需不平衡情況下，再生水多余部分進(jìn)入塘壩蓄存；供水不足時，由塘壩向場館供水補(bǔ)充。融雪水和降雨徑流進(jìn)入塘壩蓄存，與再生水混合供造雪使用，多余部分通過賽區(qū)管廊退水至佛峪口水庫下游。

該方案將各項(xiàng)用水合并通過塘壩調(diào)節(jié)，所以在計(jì)算中將逐日生活排水量W1i、沖廁用水Sti、綠化澆灑用水Sgi、造雪用水量Rsi、水面蒸發(fā)量Rzi、融雪水徑流量Rmi、降雨徑流量Ri一并作為已知條件，計(jì)算包括供水、塘壩向再生水系統(tǒng)補(bǔ)水，以及自來水向再生水系統(tǒng)補(bǔ)水；造雪水計(jì)算則包括塘壩向造雪水的供水和地表水補(bǔ)水需求等。通過各項(xiàng)進(jìn)水、用水的相互作用，還可計(jì)算通過塘壩再生水向造雪系統(tǒng)供水的總量，以及通過塘壩溢流排放等各項(xiàng)水量。

① 奧運(yùn)年系統(tǒng)供需關(guān)系

某日塘壩的蓄水量Vi計(jì)算如下：

② 非奧運(yùn)年系統(tǒng)供需關(guān)系

采用與奧運(yùn)年相同的計(jì)算方法，全年污水處理站進(jìn)水量W1為164634m3，再生水總供水能力W2為123475.5m3。全年沖廁、綠化等用水量32800m3，再生水直接用水32118.2m3，占比97.92%，其余再生水91357.3m3進(jìn)入塘壩調(diào)蓄，用于補(bǔ)充造雪系統(tǒng)。全年造雪用水量192000m3全部由塘壩蓄水提供，這其中包含再生水38081.1m3。綜上分析，非奧運(yùn)年包括沖廁、綠化和造雪在內(nèi)，全年再生水回用率為56.85%。

3.3 方案比選

① 水資源管控

根據(jù)“兼顧賽時、注重賽后”的原則，兩方案重點(diǎn)圍繞非奧運(yùn)年即賽后運(yùn)行階段進(jìn)行比選。由于使用不同的調(diào)蓄方式，再生水的使用情況差距較大，如表4所示。方案一：再生水全部供給沖廁和綠化澆灑等，多余部分通過退水排放，同時有少量不足采用自來水補(bǔ)充；方案二再生水除供應(yīng)方案一的相同途徑以外，還通過塘壩調(diào)蓄為造雪系統(tǒng)供水，故方案二相應(yīng)外排量減少，通過計(jì)算分析，方案一再生水回用率為26.01%，方案二再生水回用率為56.85%，更節(jié)約水資源。

② 景觀環(huán)境方面

方案一塘壩進(jìn)水為融雪水和雨水徑流，方案二在此基礎(chǔ)上增加了再生水。延慶賽區(qū)再生水處理要求達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)適用于集中式生活飲用水地表水源地二級保護(hù)區(qū)。此外，針對塘壩蓄水給冬奧賽區(qū)建設(shè)帶來的永久性改變，與方案一相比，方案二易于營造良好的景觀效果。

③ 場館運(yùn)營方面

a.兩個方案為場館水資源運(yùn)營提供了不同的條件。水是未來雪場運(yùn)營的核心，為實(shí)現(xiàn)賽區(qū)正常運(yùn)營，造雪需要從塘壩取水，故建設(shè)過程中塘壩需要采取防滲處理等保持水量的工程措施加以修整，還可能根據(jù)需要采取保持水質(zhì)的措施，運(yùn)營過程塘壩本體需要持續(xù)維護(hù)，周邊景觀需要營造，且為實(shí)現(xiàn)足量蓄水，塘壩間需要調(diào)配，即涉及動力費(fèi)用和設(shè)備養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，因此賽區(qū)內(nèi)的塘壩管理不同于天然河湖，而是與人工蓄水設(shè)施更加相近，故塘壩自身的運(yùn)營不可避免地成為整體運(yùn)營的一部分。

方案一中再生水和造雪水系統(tǒng)完全分設(shè)，污（廢）水處理與塘壩調(diào)蓄各自獨(dú)立，這意味著污水處理和再生水廠與塘壩系統(tǒng)具備分別獨(dú)立運(yùn)營的良好條件。方案二，塘壩作為各項(xiàng)蓄水供水的中轉(zhuǎn)站，切分運(yùn)營的條件不及方案一。

b.高水平的水資源管控需要以明確清晰的標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。水質(zhì)管理是水資源管控水平的重要組成部分，方案一中再生水和造雪水系統(tǒng)完全分設(shè)，再生水回用率為26.01%的情景下，污（廢）水處理的出水大部分排放，少部分回用，提高出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)就顯得必要性不大，徒增水處理成本。實(shí)際工程中的退水管道，方案一將允許兩種“污水”進(jìn)入，一是污水處理廠的正常出水，二是事故排水，兩種污水水質(zhì)差距很大又將進(jìn)入同一管道系統(tǒng)，一方面造成下游承接退水的系統(tǒng)只能按照不利情況作為條件，將退水全部視為未處理的污水制定處理方案，換言之，對于下游來說，接入未經(jīng)處理的污水屬于必然的情況，另一方面既然下游能夠承接全部未處理的污水，則賽區(qū)污水廠進(jìn)行污（廢）水處理的必要性又成了問題。上述分析表明，污水通過退水系統(tǒng)向賽區(qū)外排放的過程，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)管理將變得較為模糊，實(shí)際運(yùn)行中對污染物流出賽區(qū)的控制不利。

方案二，再生水和造雪水系統(tǒng)耦合，再生水回用率（56.85%）超過50%。由于排放方式是通過塘壩溢流，必須保持較高的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以滿足天然溝道水體的各項(xiàng)要求，出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)易于明確清晰。退水管道只需用于事故排水，對于下游，接入事故排水屬于偶然情況，同時退水水量也將顯著減少。實(shí)際運(yùn)行中，污染物流出賽區(qū)將得到更好的控制。因此，從場館運(yùn)營方面來看，方案二優(yōu)于方案一。

04 結(jié)論和建議

① 根據(jù)延慶賽區(qū)場館運(yùn)行情況，將水資源供需情況劃分為奧運(yùn)年和非奧運(yùn)年兩個場景分別進(jìn)行分析，基于完整年尺度的水資源分析顯示，延慶賽區(qū)奧運(yùn)年需從外部調(diào)水57.09×10⁴m³，其中地表水47.11×10⁴m³，自來水9.98×10⁴m³；非奧運(yùn)年需從外部調(diào)水16.35×10⁴m³，全部為自來水。

② 水資源利用方案比選提供了再生水系統(tǒng)與融雪水、雨水系統(tǒng)分設(shè)和再生水、融雪水、雨水系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)蓄兩種方案?；谥鹑辗治龅乃Y源利用方案顯示，非奧運(yùn)年再生水系統(tǒng)與融雪水、雨水系統(tǒng)分設(shè)方案的再生水回用率僅為26.01%，遠(yuǎn)低于再生水、融雪水、雨水系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)蓄方案的再生水回用率（56.85%）。

③ 從水資源管控、景觀環(huán)境營造、場館運(yùn)營等方面對主要水資源方案進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)方案二更能體現(xiàn)出冬奧項(xiàng)目建設(shè)方在水資源高效管理和利用方面的水平，因此建議采用方案二作為延慶賽區(qū)場館水資源利用的實(shí)施方案。根據(jù)水量供需分析，非奧運(yùn)年賽區(qū)運(yùn)營，只需要外調(diào)自來水供生活用水，造雪用水因使用融雪水、再生水、雨水而不再需要引入外部地表水水源，從而使造雪水消耗由賽區(qū)內(nèi)部供給，實(shí)現(xiàn)了水資源的內(nèi)部循環(huán)。最終延慶賽區(qū)給水、排水、塘壩系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程建設(shè)確定按照方案二推進(jìn)。