1、概述： 　　可持續(xù)發(fā)展理論已成為世界各國(guó)制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的行動(dòng)綱領(lǐng)和理論基礎(chǔ)，其目標(biāo)任務(wù)主要強(qiáng)調(diào)“人類對(duì)自然資源的利用及損毀速度小于其再生速度（可再生資源）；人類的消費(fèi)需求及其變換過程中都要努力減少對(duì)能源和物質(zhì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)消耗；”要努力維護(hù)人類生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)久活力，保持其良性的循環(huán)。而水資源和能源是一種寶貴的自然資源，是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是可持續(xù)發(fā)展的重要保障。隨著我國(guó)人口急劇增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展以及消費(fèi)水平的提高，人們對(duì)水資源和能源的需求量大幅度的增加，而盲目的追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式造成了嚴(yán)重的水環(huán)境污染和能源的浪費(fèi)。再加上我國(guó)能源利用率十分低，更加劇了這種供需矛盾。目前資源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化已成為世界各國(guó)共同面臨的問題。在世界能源危機(jī)和環(huán)境污染的雙重壓力下，世界各國(guó)人們都開始從生態(tài)系統(tǒng)的源頭考慮人類與環(huán)境的關(guān)系，積極修復(fù)與補(bǔ)償被破損的生態(tài)環(huán)境，尋找清潔、高效、可替代的新能源（如：太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能）來改善能源結(jié)構(gòu)，減少一次能源的消耗與污染排放。據(jù)資料表明，在新能源家族中地?zé)崮苁切履茉醇易逯凶顬楝F(xiàn)實(shí)的能源，在整個(gè)能源系統(tǒng)中的地位與日俱增。其中利用地下水作為中低溫地?zé)嵩磥聿膳椭评涞龋壳霸诿绹?guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展十分迅速，我國(guó)發(fā)展還比較緩慢。 　　　然而，城市地下水參與水環(huán)境系統(tǒng)的循環(huán)，在自然循環(huán)系統(tǒng)中水體通過蒸發(fā)，將雨水和地面徑流與大氣聯(lián)系起來；另外，城市運(yùn)行中，除了有部分水量消耗外，主要發(fā)生的是水質(zhì)變化，水體與地下水通過土壤滲透和地下水補(bǔ)給運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來。城市水資源利用的人工循環(huán)系統(tǒng)由城市給水、排水和處理系統(tǒng)組成。城市水環(huán)境系統(tǒng)又是整個(gè)流域水文的一部分，參與整體的水文循環(huán)過程。因此，在合理開發(fā)利用新能源，對(duì)地下水進(jìn)行利用的過程中，必須考慮水系循環(huán)的各個(gè)生態(tài)鏈，防止因?yàn)椴贿m當(dāng)利用導(dǎo)致系統(tǒng)環(huán)節(jié)發(fā)生問題，引起城市水文生態(tài)系統(tǒng)的失調(diào)，帶來人為的災(zāi)害。 　　總之，維持良好的生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，是我們面臨的全新課題。本文以某礦山井下水優(yōu)化設(shè)計(jì)為例進(jìn)行了初步的嘗試和研究。 2、將傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝與生態(tài)設(shè)計(jì)相結(jié)合，合理開發(fā)利用井下水的低位能源　 　　我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富，礦山企業(yè)較多，在膠東半島尤為突出。在礦山的生產(chǎn)過程中，為了采掘作業(yè)的順利進(jìn)行，不可避免的要進(jìn)行多項(xiàng)安全保衛(wèi)措施，其中排除與隔絕地下水就是必須采取的措施之一，原有的排水系統(tǒng)只是將井下水提升到沉淀池，經(jīng)沉淀池沉淀后直接排入大海。造成寶貴的淡水資源嚴(yán)重浪費(fèi)，并且地下水中蘊(yùn)含有豐富的低品位熱源沒有被開發(fā)利用。更為嚴(yán)重的是:地下水不斷的開采和排放，又不能及時(shí)地給以補(bǔ)充，加上城市（地表硬質(zhì)）化導(dǎo)致雨水下滲量的大大減少，致使區(qū)域性地下水位逐年下降并有擴(kuò)張的趨勢(shì)。隨之而來的是海水入侵和地面沉降，給生態(tài)環(huán)境造成很大的破壞。針對(duì)這種情況，我們對(duì)礦山井下水傳統(tǒng)排水工藝進(jìn)行分析和研究，為了充分利用地下水所蘊(yùn)含的寶貴能量，改善生態(tài)環(huán)境，結(jié)合企業(yè)的實(shí)際情況，采用了生態(tài)工藝設(shè)計(jì)原理。將生產(chǎn)中排出的廢水作為低溫?zé)嵩磥聿膳c制冷，并循環(huán)使用井下水。該原理是一種嶄新的生態(tài)經(jīng)濟(jì)觀念，是運(yùn)用生態(tài)學(xué)中物質(zhì)循環(huán)再生原理和系統(tǒng)工程的優(yōu)化方法，來設(shè)計(jì)對(duì)物質(zhì)能源的多層分級(jí)利用的工程體系。即，用生態(tài)工藝?yán)砟顏泶鎸?duì)自然資源掠奪式開采和無節(jié)制排放污染的傳統(tǒng)工藝，進(jìn)行無廢料生產(chǎn)；以閉合循環(huán)和綜合生產(chǎn)的形式，把生產(chǎn)全過程納入生物圈的物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)和能量的多層分級(jí)利用，無污染排放和維護(hù)水文生態(tài)系統(tǒng)等多功能利用的完全代謝系統(tǒng)[1]。本研究礦山井下水的新工藝流程如圖1所示。 Fig. 1. New design flowchart 2.1 工程應(yīng)用情況 　　該礦山井下每日排水量為3000～4000m3/d，即為125～166m3/h。井深約600米，常年水溫10～12℃左右，水量較大且蘊(yùn)含著豐富的低品位熱源。水質(zhì)報(bào)告如下： 　　CL-=5901.18mg/L,Ca2+=1515.20mg/L,Mg2+=85.08 mg/L, Fe3+=1.12 mg/L,PH=7.1,總礦化度= 11694.5mg/L,懸浮物為35.60 mg/L。而精煉廠廠房平時(shí)工作溫度為30～40℃，面積約2000平方米。為了改善工作環(huán)境，要求將室內(nèi)溫度降至26～28℃，要求冷量329KW。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用全循環(huán)多層分級(jí)利用的方案，從上圖中可以看出：由礦井水泵從蓄水池中抽水（10℃），輸送到除砂器（兼作儲(chǔ)水池），經(jīng)除砂后利用地?zé)釤岜眉夹g(shù)直接將低品位熱源轉(zhuǎn)換為高品位熱源來制冷，換熱后供選冶車間洗礦用水，用后廢水經(jīng)處理后回灌地下，如此循環(huán)往復(fù)。其中主要參數(shù)的確定和設(shè)備選型如下： 冷卻水量： Vw=3600×Q /[1000×0.7×Cw（T2-T1）] =3600×329/[1000×0.7×4.19×（16～10）] =67.3m3/h<125m3/h 其中： Q—需冷量，329KW Cw—水的比熱，4.19KJ/Kg·℃ 0.7—熱效率（三個(gè)循環(huán)系統(tǒng)） 制冷系數(shù)計(jì)算： 壓縮機(jī)輸入功率：W=√3UICOSФ=76.7KW 其中：U—電壓（V），I—電流（A）， COSФ—功率因子，0.8 供冷量:Q=1000CpVΔT/3600（KW） =4.19×50×（12-6）/3.6 =349.2KW 其中：Cp—定壓比熱,4.19KJ/Kg·℃， V—室內(nèi)循環(huán)流量（50m3/h） ΔT——-蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差（12/6℃） 3）制冷系數(shù):COP=Q/W W=76.7KW, Q=349.2KW, COP=4.55 　　通過計(jì)算選用DZ-LC-160型地?zé)釤岜?臺(tái)，單臺(tái)制冷量為167.5kw,輸入功率為45kw?？照{(diào)循環(huán)水泵兩臺(tái)（一用一備），以及其他配套設(shè)施。經(jīng)過幾個(gè)月的試運(yùn)行，精煉廠房?jī)?nèi)的工作溫度由以往的30～40℃降低到28℃以下，大大改善了工作環(huán)境，提高了工作效率。 2.2熱泵技術(shù)的原理和特點(diǎn) 　　熱泵技術(shù)是一種能將熱能從低溫轉(zhuǎn)換為高溫?zé)嵩?，也可將高溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)換為低溫?zé)嵩吹募夹g(shù)。地?zé)釤岜眉夹g(shù)則是利用井中的地下水或直接利用與土壤耦合垂直的熱交換器進(jìn)行熱交換[2]。本文研究的對(duì)象是直接利用地下水的低溫?zé)嶙鳛闊嵩催M(jìn)行熱交換。冬天室內(nèi)需要供暖，利用熱泵封閉系統(tǒng)中運(yùn)轉(zhuǎn)的低沸點(diǎn)液體在蒸發(fā)器中氣化吸熱的功能，從井下水中吸取大量低溫位熱對(duì)室內(nèi)供暖。在夏天，則依靠熱泵設(shè)備內(nèi)熱量，依靠電力驅(qū)動(dòng)，把吸收的低溫?zé)徂D(zhuǎn)化為高冷媒的反向流動(dòng)，使原來的吸熱與放熱功能轉(zhuǎn)換，把廠房?jī)?nèi)多余的熱量轉(zhuǎn)移到井下水中，利用地下水的冷熱源，進(jìn)行熱交換；從而達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。地?zé)崂眯蜔岜眉夹g(shù)與我們普遍采用的普通空調(diào)器相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)： 　?。?）環(huán)保性：普通空調(diào)器是采用一種被稱為空氣源的熱泵技術(shù)，天冷時(shí)它可以把室外空氣中的熱量轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，而天熱時(shí)則把室內(nèi)空氣中的廢熱全部轉(zhuǎn)移到了室外，對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生熱污染。這種現(xiàn)象在大城市中更為嚴(yán)重。因?yàn)槌鞘兄屑辛舜罅康慕ㄖ?、綠地面積減少，大量建筑物、道路的混凝土表面的熱輻射比郊區(qū)大得多，加上城市中大量消耗的能量一部分成為廢熱排向大氣。在大氣中的塵埃形成的擋波層及大氣逆溫層的作用下，形成了城市中心的“熱島”現(xiàn)象。而城市中大量空調(diào)的使用更加劇了“熱島”現(xiàn)象的形成。而地?zé)崂眯蜔岜眉夹g(shù)則是將全部的廢熱轉(zhuǎn)移到井下水中，在使用過程中不產(chǎn)生任何有害的物質(zhì)，對(duì)生態(tài)環(huán)境取很好的保護(hù)作用。 　　（2）經(jīng)濟(jì)性：由于利用了井下水中的廢熱，節(jié)約了電能，其運(yùn)行成本比普通空調(diào)的成本要低，且初始投資是溴化鋰機(jī)組和其他中央空調(diào)的2/3～4/5。以該工程熱泵機(jī)組制冷時(shí)的運(yùn)行狀況進(jìn)行驗(yàn)算：總輸入功率為80KW，若電價(jià)按0.6元/度計(jì)算，空調(diào)時(shí)間100天，每天按12小時(shí)計(jì)算，則年空調(diào)費(fèi)用：0.7×0.6×80×100×12×0.8=3.23萬元,平均16.2元/m2.a。普通空調(diào)是其5.8倍。該工程節(jié)約投資約15.6萬元/年。 　?。?）安全性：使用方便,安全可靠、不存在任何爆炸、燃燒的安全隱患。而且熱泵技術(shù)能實(shí)現(xiàn)很高的自動(dòng)化管理，維護(hù)、維修工作量很小。（4）節(jié)能性：普通空調(diào)所需要的能量全部要靠電能來轉(zhuǎn)換。目前南方城市最大的能量消耗是夏季空調(diào)，隨著人們生活水平的提高，人均擁有空調(diào)機(jī)臺(tái)數(shù)會(huì)大幅度增加，它將加劇城市用電高峰的緊張局面。如今年夏天，全國(guó)許多城市出現(xiàn)了五十年一遇的高溫天氣，使能量的消耗量急劇上升，曾多次出現(xiàn)停水停電等現(xiàn)象，給人們的生產(chǎn)、生活帶來極大的不便。而熱泵系統(tǒng)還可以采用地下蓄熱（冷）槽方式，利用晚上供電低谷時(shí)段的低價(jià)電能，把提升后的高品 。 Fig. 2.Storage heat pump system in Japan 　　位熱量?jī)?chǔ)蓄起來，解決白天熱（冷、暖）負(fù)荷高峰時(shí)段的供給不足問題；達(dá)到對(duì)城市用電的調(diào)峰、節(jié)能作用；同時(shí)也獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。這在日本“光之丘”社區(qū)的集中供冷暖系統(tǒng)中取得了很好的效果（見圖2 所示：利用當(dāng)?shù)乩贌S的發(fā)電冷卻水與高壓電纜線的冷卻水等低位熱能，由熱泵蓄熱系統(tǒng)利用半夜低價(jià)電蓄熱供暖[3]）。本研究把井下水作為低溫?zé)嵩吹臒岜孟到y(tǒng)充分利用了地下水中豐富的能量，其能量輸入與輸出之比：供熱狀態(tài)約1:4.2,制冷狀態(tài)約1:5.8，比普通空調(diào)節(jié)約能源約4～5倍。而且，地?zé)崂眯蜔岜眉夹g(shù)的潛在用途比單純用于房屋空調(diào)要廣泛的多。在北方或較寒冷地區(qū)，可利用蓄熱式熱泵系統(tǒng)，把數(shù)個(gè)熱泵串聯(lián)起來，或利用熱泵總站與分站的組合方式，產(chǎn)生一種階梯式的增溫效果，克服單個(gè)熱泵供熱量的不足；同時(shí)也可納入?yún)^(qū)域集中供暖系統(tǒng)中去。這也是本課題今后的研究目標(biāo)。 　　通過利用低溫地?zé)?，?jié)約大量的一次能源，以減少大氣污染，也緩解了城市能源不足的緊張局面。 3、回灌補(bǔ)充地下水，健全水文生態(tài)系統(tǒng) 　　水資源是生態(tài)環(huán)境的基本要素，是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的組成部分。水以其存在形態(tài)與系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間發(fā)生著有機(jī)的聯(lián)系，構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)，并作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量傳遞的載體，構(gòu)成系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)[4]。水在生態(tài)系統(tǒng)中永無休止的運(yùn)動(dòng)，必然產(chǎn)生系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的物質(zhì)循環(huán)和能量的轉(zhuǎn)換，因而形成系統(tǒng)功能。水在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能中的地位與作用是其他任何物質(zhì)無法取代的。因此水資源的合理開發(fā)和利用與生態(tài)環(huán)境的保護(hù)密切相關(guān)。近年來，由于地表水污染嚴(yán)重，人們大量開采地下水，使地下水量急劇減少，地下水位逐年降低；特別是隨著城市化進(jìn)程的加快，大量城市建筑物及道路構(gòu)筑了大量的不透水表面，改變了水的自然循環(huán)方式[5]，絕大部分雨水以徑流的形式排入到附近的水體中。徑流量大大增加，下滲量卻大大減少，地下水不能及時(shí)得到補(bǔ)充從而導(dǎo)致地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化，地基承載力減弱，出現(xiàn)了地面裂縫、沉降等現(xiàn)象。例如，浙江省嘉興市40年來，地面沉降累計(jì)達(dá)81.4厘米，其周圍城鎮(zhèn)如海寧、桐鄉(xiāng)、海鹽、嘉善等縣城地面沉降也均超過50厘米，沉降總面積達(dá)2000平方公里，與蘇、錫、常、滬形成了一個(gè)沉降區(qū)。北京自1996年以來，地面正以10-20mm/a的速度下沉。在膠東半島尤為突出，曾多次出現(xiàn)整體房物倒塌，省級(jí)公路塌陷，給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成很大的威脅。這與采礦過程中大量的地下水直接排放，沒有采取任何回灌的措施，有很大的關(guān)系。于是，本工程不僅利用地下水所蘊(yùn)含的熱能來制冷、供暖，更重要的是從生態(tài)學(xué)的角度、從水的自然循環(huán)特性出發(fā)，將井下水經(jīng)過低溫?zé)崂煤蟮南吹V廢水再處理，重新回灌地下。既避免了對(duì)環(huán)境的污染，又及時(shí)補(bǔ)充地下水，健全了水文生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水的全循環(huán)過程。地下水回灌方式很多，有多孔管滲透，滲井、滲渠等。我們結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況和生產(chǎn)工藝，將廢水與井下充填材料混合進(jìn)行充填，剩下的廢水80m3/h采用滲井與多孔管相結(jié)合的回灌方式，其示意圖如下： Fig. 3. Method of water infiltration 　　該礦區(qū)地面標(biāo)高為33～44米，地下水位25～30米，滲透系數(shù)為16m/d。設(shè)計(jì)下滲水量是80m3/h，滲井直徑為5米、高6米；采用12根Φ159×4.5的無縫鋼管，每根長(zhǎng)度為40米，孔口出口平均流速為0.01m/s；經(jīng)計(jì)算每根開孔數(shù)是2614個(gè)，管上開三排孔，孔眼錯(cuò)開，孔直徑d=3cm，孔間距為6cm，完成滿足設(shè)計(jì)要求。 4　可持續(xù)發(fā)展的思考 　　從這個(gè)工程實(shí)例可以看出，采用生態(tài)學(xué)的物質(zhì)循環(huán)原理和生態(tài)經(jīng)濟(jì)觀念，利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和人為的基礎(chǔ)設(shè)施將生產(chǎn)中出現(xiàn)的廢棄物以再循環(huán)、再利用的方式可以化廢（如低品位能源）為利、化廢為寶。開發(fā)城市能量的“永恒利用”系統(tǒng)，使物質(zhì)能量在城市內(nèi)部循環(huán)或綜合利用。通過綜合利用，不僅可以達(dá)到節(jié)約能源的目的，而且可以最大限度地減少污染物質(zhì)的排放。更為重要的是，利用地下水的回灌，使日益匱乏的地下水資源得到了補(bǔ)充，提高了地下水位，阻止或緩解地面下沉，變惡性循環(huán)為良性循環(huán)，使生態(tài)環(huán)境大為改善。以達(dá)到保證人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的目的。因此，人們?cè)谶M(jìn)行各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)必須遵循生態(tài)規(guī)律和經(jīng)濟(jì)規(guī)律，將社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方向和規(guī)模，控制在區(qū)域資源承載力和環(huán)境容量?jī)?nèi)，真正實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。 參考文獻(xiàn)（References）： 1 周鴻.生態(tài)學(xué)的歸宿—人類生態(tài)學(xué).安徽科技出版社.1989 Zhou-hong. Direction of Ecology—Human Ecology anthropoecology.[M]. Anhui：Science&Technology Publishing House Anhui.1989.（in Chinese） 2 孫占學(xué).神奇的地?zé)?清華大學(xué)出版社.2001.1 Sun-Zhanxue. Wonderful Ground-heat Source. [M].Beijing：Tsinghua University Press. 2001.1.（in Chinese） 3 王紫雯.城市環(huán)境與設(shè)備導(dǎo)論.浙江大學(xué)出版社.1997.10 Wang-Ziwen Statement on Urban environment and facility.[M].Hangzhou: Zhejiang University Press. 1997.10.（in Chinese） 4 馮尚友.水資源持續(xù)利用與管理導(dǎo)論.科學(xué)出版社，2000.7 Feng-Shangyou. Water Resource sustainable Utilization and Management.[M].Beijing：Science Publishing House.2000.7.（in Chinese） 5 李懷正，白月華.雨水回灌地下的必要性和可行性.中國(guó)給水排水.2002.Vol.18（4）29-30 Li-Huaizheng, Bai-Yuehua. Need and Feasibility of Rainwater Infiltration Underground. [J].China Water&Wasterwater 2002. Vol.18（4） 29-30 作者簡(jiǎn)介： 譚忠山: 男 1971.4生 ;漢，湖南人,在冶金部第23建設(shè)工程公司 從事冶金礦山開發(fā)建設(shè)多年,目前主要從事城市景點(diǎn)、生態(tài)環(huán)境規(guī)劃開發(fā)Email: tdu19991006@126.com