城市水系统健康循环理论与方略

2010-03-14张杰，李冬，2

哈尔滨工业大学学报 2010年6期

张杰，李冬，2

(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨150090;

2.北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复重点实验室，北京100124，lidong2006@bjut.edu.cn)

目前全球一半左右的河流流量大幅减少或遭严重的污染，世界上80个国家占全球40%的人口严重缺水，如果这一趋势得不到遏制，今后30年内全球55%以上的人口将面临水荒［1］.中国水资源总量28 000亿m3/a，平均2 200 m3/(a·人)，到2030年将降为1 700 m3/(a·人)，我国是水资源紧缺的国家.与此同时全国江河除源头外，都受到不同程度的污染，绝大多数城市下游段沦为Ⅴ类或劣Ⅴ类水体.全国660多座城市有400多座缺水，水危机已突现在面前［2］.

面对水污染、水短缺的严峻危机，反思人类社会水事活动，寻求水危机的根源，探索水环境恢复与水资源可持续利用之道路，正是迫切的任务.

人类生存于自然界之中，自然是地球生态系统中的一环.自18世纪产业革命以来，人类一直认为自己是主宰世界，征服自然的主人.为了经济利益，尽最大努力去开采资源，无度消费，大量排放废弃物，致使地球的资源与环境遭到了严重破坏，人类社会也陷入了资源与环境的危机之中.自然界水与其他资源都是有限的，并处于不断的物质循环之中.人类的社会活动，生活与生产活动都要服从于物质自然循环的规律，与其相协调.人类社会水与物质的循环必须纳入自然循环运动之中，人类社会方可持续发展［3］.

1 水及植物的营养素循环规律

1.1 水循环

在太阳能的驱动下，水在海洋、天空和大陆之间进行着循环不已的运动.其循环总量就是地球降水总量或者是蒸发总量，平均每年为57.7× 104km3.大陆降水量大于蒸发量，而海洋的降水量小于蒸发量.由于大陆与海洋这种降水与蒸发量上的差异，水由大陆流向大海，形成了川流不息的江河、湖泊、地下潜流，滋润着地球万物的生长，这也是人类社会不可替代的自然基础资源［1］.水的自然循环如图1所示.

图1 水的自然循环

大陆年径流总量为大陆年降水总量与年蒸发总量之差，或海洋年蒸发总量与年降水总量之差:

大陆年降水总量-大陆年蒸发总量=11.9× 104km3/a-7.2×104km3/a=4.7×104km3/a.

海洋年蒸发总量-海洋年降水总量=50.5× 104km3/a-45.8×104km3/a=4.7×104km3/a.

大陆径流量为4.7×104km3/a.

人类社会在自然径流中取水来从事生产生活活动，用过的水又排回自然水体，就建立了社会用水循环，它和自然水文循环一起组成了地球复合水循环系统，如图2所示.社会用水循环是自然水文循环的一个子系统，它依附于自然水文循环系统.在人类几百万年的历程中，人类社会的水循环基本上与自然水循环相协调.只是近百年来人类大肆进行水事活动，才给与了母系统强烈的影响和冲击.

图2 地球复合水循环系统

1.2 植物的营养素循环

地球上已知的生物物种大概有150万种，其中20%是水生生物.每种生物都不是独立生存的，都是在生产者、消费者、分解者的营养素循环中与其他物种相依存而生育、生息不止的.图3是植物的营养素在自然中的循环.从图3中可见，在太阳光能量的补给下，绿色植物吸收土壤中N、P、K等营养成分，利用CO2和水来合成有机物质，增长繁育自身，为草食动物生产食料，组成了草食动物、肉食动物的食物链.枯萎的植物和动物的排泄物及其死亡后的肢体又被微生物所分解，重新产出植物的营养素N、P、K等营养成分，供给绿色植物利用.明示了在太阳光的照射下植物的营养素在绿色植物(生产者)、动物(消费者)、微生物(分解者)，再到绿色植物的反复不断地循环.

图3 自然界植物的营养素循环

在人类产生后的几百万年间，人类是食物链的最终端，但是古代人类基本没有破坏植物的营养素的自然循环，其循环途径可见图4.

图4 人类与植物的营养素循环

自从18世纪人类社会生产力发达以来，尤其是19世纪水冲厕所普及以后，城市另僻了植物的营养素开路循环，如图5所示.由于人口剧增，人类社会大力发展农业、畜牧业，将农作物、家畜、野生动植物都作为食物，消耗数量巨大，而其排泄物又通过下水道、垃圾处理系统排放于河流、填埋于地下或者进行焚烧，污染自然水系和大气环境，却不能通过分解者回到农田作肥料，铸成了大地植物的营养素的流失和水环境污染.农田土壤营养的贫乏不得不大量使用无机肥料(化肥).由于化肥便捷、肥效快，作物高产，造成了农民对化肥的依赖.然而化肥污染环境，随农田径流流入水系的化肥质量占施肥量的70%，是闭锁型水体富营养化的元凶.依靠化肥的农业是不可持续的，虽然氮肥可以从空气中取得原料，但是磷肥的原料只能依靠磷矿石.世界上磷矿石的资源也是极其有限的，矿物学家估计照如此速度消耗磷矿石，世界磷矿资源最多还能开采30 a.另外施用化肥也使农田土壤渐渐板结贫瘠，导致农业的潜在危机，因此应从生态学的视点认真研究农业肥料的循环［4］.

图5 现代社会植物的营养素的开路循环

1.3 人类社会水危机的根源

1.3.1 二元论的自然观是水危机的社会思想根源

历史上，自然往往视为被征服的对象.“驾驭自然，做自然的主人”曾被绝大多数人视为人类行动的指南.这种将人与自然割裂，忽视人类是地球生态系统的有机组成的二元论自然观是水危机的社会思想根源.

1.3.2 人口过度增长是水危机的必要条件

人类诞生以来，人口相对稀少，直到1850年世界人口为10亿人.这个过程经历了数百万年，相当人类历史的99%.而第二个10亿仅用了80年，约在1930年世界人口达20亿人.45年后，1975年地球人口增至40亿，24年后，1999年达到60亿，现正以每年7 700万的速度增长.

人口问题虽然不是环境问题的唯一原因和必然原因，但人口过度增长却是人类生存发展的灾难性危机和世界性水危机的必要条件.控制人口增长，就是控制人口总量不超出社会经济、科技发展与地球生态系统的承载能力，这必然是解决环境问题的重要措施.

1.3.3 水危机的直接原因

在“二元论”自然观的引导下，18世纪产业革命之后，尤其是近半个世纪以来人类社会采用的是无度消费，大量废弃的生活、生产方式，最大限度开发自然资源，最大限度创造社会财富，最大限度摄取利润，致使本来人口剧增带来的环境压力更加突出.在水资源利用方面大量采用、大量排放、肆意污染水体，致使人类社会用水的循环对自然水文循环的干扰越来越大.因此“高投入、高消耗、高排放、高污染”粗放式的生产、生活方式是水危机的直接原因.

1964年竣工的阿斯旺大坝，一度成为埃及的骄傲，它结束了尼罗河连年泛滥的历史，生产了廉价的电力，还灌溉了农田.然而近年人们发现它破坏了尼罗河流域的生态平衡，引发了一系列的灾难:如两岸土壤盐渍化，河口三角洲收缩.血吸虫病流行等等［5］.

咸海是界上最大的内陆咸水湖，是阿姆河和锡尔河的归宿.上世纪50年代，由于在阿姆河和锡尔河上游兴建水库，开挖运河，扩大灌溉面积，使两河入海水量由58.8×108m3/a减少至30×108m3/a，到1980年9月咸海水位下降7 m，水面缩小1.5× 104km2，含盐量由原来的10%增至1980年的16%，渔产量大幅下降，生态环境严重破坏［6-7］.

在中国，社会水循环对水系水质的破坏事例比比皆是.一座工厂或一座城市污染整个流域的事屡见不鲜，生态系统遭到毒害，威胁着人们的健康和生计.目前世界上许多国家和地区已经不同程度地出现了水危机，水污染与水短缺已成为当今世界许多国家社会发展的制约因素.人类社会的水循环给自然水循环强烈的冲击，是造成当前水危机的直接原因.但是如在水的社会循环中，注意遵循水的自然循环规律，与自然水文循环相协调，就不致破坏水的自然循环，从而使自然界有限的淡水资源能够为人们循环而持续地利用.

2 城市水系统健康循环理论框架

2.1 传统城市水系统的缺憾

18世纪末发明的水冲厕所，在19世纪中期开始发达起来.污水道和水冲厕所改善了城市居民的卫生条件，城市用水量迅速增加.但是城市居民的舒适生活条件是以牺牲河流水质为代价的.莱茵河曾一度成为欧洲最大的下水道.到20世纪20年代由于河流的普遍污染，水环境恶化，伤寒等疾病又流行于人间.人们开始建立城市污水处理工程，一百多年来污水处理技术不断发展，世界各大都市都普及了城市排水系统.虽然一些河流水质得到了改善，但是世界性的水环境污染，水体富营养化并未得到根本解决.近年来我国城市污水处理普及率增长迅速，但是水污染并未得到遏制［8］.

城市的水资源流与物质流是密不可分的，表现在人居的排泄物和物资消费的剩余大都是通过排水系统进入污水处理厂或放流水体.水环境污染就是因为城市排放水中混杂的有机物，N、P等物质进入水系而引起的.现代传统城市排水系统认为污水和水中的杂质都是污秽的废物，采取治理和及时排放水体的政策.其弊端是:1)形成了单向流开放式的城市水系统.采取大量取水，粗犷利用，大量排放的模式.为了满足城市用水的无度需求，不惜百里千里到上流甚至外流域调水，然后污染本市流域的下游水体.2)将生活，生产污水看作是废水，污秽之水，把水中有机物，N，P及其他人工合成化学品统统看作废物和污染物，经过污水厂末端处理，消除一定危害之后，尽快排除市区之外，进入下游水体，以此完成了水污染防治的任务.然而，水域污染并未得到遏制，反到越演越烈.3)传统城市水系统，只是注意满足单个城市用水和排水之需.城市居民在享受舒适便捷的现代卫生设备的同时，却污染了下游水体.因此，在耗费大量能源的同时却仍然达不到健康水循环的要求，这正是水短缺、水污染和植物的营养素循环紊乱的直接原因.

2.2 城市排水系统功能的变革

历来排水系统均把含有污染物的污水作为有害的废水进行处理和排除，为此进行了艰苦不懈的努力.把污水中的N、P、有机物及各种杂质看成宝贵资源，进行回收或源头分离，把污水看成宝贵淡水资源进行再生、再利用、再循环，那么城市排水系统就成为了物质回收、污水再生，资源再利用再循环的城市循环经济的基础设施，而不是只担任收集、末端处理和排放污水的任务.它的功能应升华为:污水再生、再利用与再循环;城区雨水贮存、渗透、利用与排除;植物的营养素循环利用;能源与物资的回收［8］.

2.3 城市水资源的变革

往昔作为城市水资源的只有地表、地下天然径流，本地区水资源不够应用或受到了污染就向流域上游取水，甚至到外流域调水.上、下游和流域间争夺水资源的纠纷是屡见不鲜的.如果把城市放到流域和城市群来研究，就应当充分利用本地水资源来满足生活，生产之需，包括天然径流和非自然水资源.而不去争夺他乡水源，影响全流域和其他流域的生态环境.就做到了上下游共享流域水资源.可作为城市水源的水资源［9］如下:

1)流域内自然径流水资源.流域水资源是流域内的人类社会与生态系统所共有的.人类社会取用水资源必须有节制，应以生态平衡和水资源可持续利用为原则.超过了这条底线就产生了水危机.如果社会用水达到了健康循环，每座城市都可就近取用天然径流，不必用科技力量长距离去源头取水，更不必跨流域去掠夺他流域水资源.长距离跨流域调水，将强烈改变自然水文循环规律，会带来意想不到的生态平衡和环境问题.

2)城市污水再生资源.将城市污水厂变为再生水厂，就可以生产再生水，建立城市再生水供应系统，可代替自来水用于工业，景观和非生活用水.城市污水的产生量约为用水量的70% ～80%，而城市用水量之中，为人们直接饮用和与身体密切接触的水量仅占全部用水量的30%.其余的均可为再生水所替代.那么城市需求的自然径流水资源就可减少50%以上.所以城市污水是城市稳定的重要水源.

3)节水资源.提高用水户的用水效率，减少水量消耗和改变用水方式来降低城市用水需求，也可视为一种水资源.虽然节省下来的水资源是虚拟的，但确实减少了城市对自然水资源需求的压力，应视为城市不可忽视的水源.此外城市雨水和沿海城市的海水都可以作为城市的水资源.

2.4 循环型城市水系统的模式

在人类经历数千年漫长游牧、农耕时代和现代的快速发展之后，人们越来越认识到，解决资源短缺和可持续发展问题的唯一出路是建立循环型社会，其中水的循环利用是基础［10］.循环型城市水系统模式如图6所示.

图6 循环型城市水系统水资源流与物质流循环

在循环型城市水系统中不但要有安全可靠的供水系统，还要有完善的污水再生系统.自然水在从采取到排放到下游水体之前，已被高效利用了多次，排放的也是高质量的排放水，并通过高质量再生水回用将社会用水循环与自然水文循环和谐地联系起来.在一个流域内，上、下游城市共享流域水资源，兼顾人类和河流生态用水，充分体现着流域水资源利用的公平性、共享性和人与自然的和谐.保障着河流生命和富有活力的生态系统.

从图6还可以看到，循环型城市水系统除了有一个水资源健康循环系统之外，还有一个物质(植物的营养素)健康循环系统，收集人居屎尿、有机垃圾，经发酵分解生产有机肥料回归农田.水资源和植物的营养素的健康循环，构成了循环型城市的基础.这样的城市将在流域城市群中和其他城市一起重复和循环利用同一条江河的水，共享流域资源，而不污染下游城市.形成了如图7所示的以流域为地理单元的水资源共享模式.

图7 流域社会用水健康循环模式

2.5 城市水系统健康循环的内涵

城市水系统的健康循环要求城市用水和食物资源消耗流同时实现健康循环.

城市用水的健康循环就是在水的社会循环中遵循水文循环的规律，节制社会循环流量，控制源头污染，同时将用过的污水进行再生净化，实现再利用再循环，使得上游地区的用水循环不影响下游水域的水体功能;水的社会循环不损害水自然循环的规律，从而维系或恢复城市以及流域健康水环境，实现水资源的可持续利用.

城市食物资源流的循环主要是食物中富含的N、P、K等营养物质的循环，是自然界植物的营养素循环中的分支，城市食物资源流的健康循环就是不切断不损害植物的营养素的自然循环，不产生营养素的流失，不积累于自然水系而恶化水环境.

从古至今长期以来食物资源流的循环都是健康的，人们把人畜排泄物、有机垃圾、作物秸秆等都用作农家堆肥的原料，回归到农田，这和自然界植物营养素从生产者—消费者—分解者又回到生产者的循环规律是吻合的.只有到了现代城市和现代农业的时代才出现了偏差.一方面城市向水系流失氮、磷等营养素，集中污染水环境，另一方面农业大量使用化学肥料，消耗磷矿资源，同时产生强劲的面源污染.这种状态必须将其纠正过来，达到食物资源流的健康循环，使其再融入自然植物的营养素循环之中［11］.

社会水资源流和食物资源流的健康循环正是循环经济的基础，是减量化、再利用、再循环3R原则的典范.

3 城市水系统健康循环实施方略

3.1 节制用水

在水资源的开发利用中，不仅要节省、节约用水，还要据地域的水资源状况，制定、调整产业布局，促进工艺改革，提倡节水产业和清洁生产，通过法律、行政、经济与技术手段，在宏观上控制社会水循环的流量，节制自然取水量，减轻社会循环对自然循环的干扰，实行节制用水.节约用水是广大用水户珍惜水资源的自觉行动，而节制用水是政府水主管部门和整个社会强制性的行为.

3.2 城市污水的再生、再利用与再循环

城市污水是宝贵的淡水资源.应突破污水处理系统“达标”排放就安全无事的想法，而应建立社会用水健康循还的理念.建设包括污水处理、深度净化、管道输送系统在内的，以城市污水为源水的城市再生水供水系统，实现城市污水的再生、再利用和再循环，从而将城市污水变成城市稳定的第二水源.此举既可以减少城市污水排水量，最大限度地减少流域点污染负荷，还可以开发第二水资源，解决缺水地区水资源短缺问题.再生水售水所得还可以补贴污水处理维护费用，减轻财政负担.当前我国每天产生超过108m3的城市污水，如果能利用其20%～30%，就可以解决10～20年水资源不足的问题.在某些地区就可以推迟或者取消远距离跨流域调水工程计划，免除难以预料的生态后果和巨额建设、运行费用.

污水再生水除作为本城市的主要水资源之外，污水经深度净化后高质量的再生水还可以排入水体，作为下游城市生态水资源的一部分［12］.

以流域为地理单位，在流域城市群中规划各个城市污水再生系统并与流域水系功能相结合，实现流域内城市群间水资源的重复与循环使用，就会获得整个流域最佳的水资源生态效益、经济效益和社会效益.

3.3 污水厂污泥回归农田作农业肥料

自然界中存在着氮、磷、钾的循环，一般是从生产者到消费者到分解者再到生产者，污泥中富含植物的营养素，回归农田是其正当归宿，是由自然界物质循环规律所决定的.

3.4 修复城市雨水水文循环的途径

天然降水是维持整个陆地生态系统的基础，是地表、地下径流的来源.传统城市规划及建筑小区设计习惯于将雨水当做“洪水猛兽”，都是以“将地面降水尽快排入城市雨水管网，尽快入河入海“为首要原则，贯彻的是使雨水尽快远离城市这一防水思路.违反了或者忽略了雨水蓄存、调节、涵养地下水、补充地表枯水流量的水文循环规律.随着城市化进程的不断深入，市区原有的自然环境如森林、农田、牧场等被建筑物、构筑物及硬化地面所取代.在现代城市中，除了散布于市区的公园绿地及天然水体之外，整个市区几乎被一张不透水的铜墙铁壁覆盖，阻隔了雨水向市区地面下土壤的渗透，截断了地下水径流，严重影响了城区雨水的水文循环.由此造成雨季市区内涝，枯水期小河干涸的局面.所以，在城市总体规划中，应该充分考虑雨水的土壤渗透、调节和蓄存，应充分利用天然降水补充城市地下水，以恢复城市雨水自然循环的途径.

3.5 污染负荷源头分离

水域水质污染是由于入流城市排水中混合各种污染物质造成的，从源头来分离污染负荷显然是减轻水域污染的最简单最经济的方法.以往提倡工业企业清洁生产，废弃物的再生、再利用，当然非常重要.居民生活污水中的污染负荷源头分离也很重要，千家万户积少成多，构成了城市污水中COD、TP、TN的主要来源.

人居尿屎和生活有机垃圾，如果能通过微生物分解，产生营养素N、P、K等成分，再供生产者农作物生产食物，供人们消费……，这样人们的食物消费就可以闭合循环了.人类就又回到了自然生态的系统之中.人类社会就有了持续发展的前提.能够完成这一任务的人居卫生系统，可称为人居生态卫生系统.它是一个可持续的闭合循环系统.是将人居排泄物视为宝贵资源而不是废物，使水资源和植物的营养素在人类社会以闭合的回路进行循环，使有限的水资源和营养物质可持续为人类服务的生态卫生系统.人类是地球上自然生态系中的一员，居于生态食物链之终点，有把握和利用自然规律的能力，但却不可违反生态规律，涸湖而渔.与此相反，应自觉地服从自然规律，维护生态系平衡.人类的生产与生活活动只能限定于自然生态平衡之中［14］.

3.6 流域水环境综合管理

水循环、水资源、水环境是密不可分的，是地球上水运动的3个方面，他们相互依存、相互制约，并且存在着因果关系.所以水环境不是某个城市或某个地区的，而是流域的.因此管理水环境的基本地理单元就是流域.在明确的流域、地域内建立跨部门跨行政地区的权力管理机构，贯彻《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国水法》和《中华人民共和国水污染防治法》综合管理水质水量.适度开发且有效保护水土、生物资源，维护与恢复水环境和水生态系统，确保江河湖泊流域水环境的健康［13］.这种流域综合管理正是2002年《中华人民共和国水法》规定的“我国对水资源实行流域管理与行政区管理相结合制度”的最好形式.流域综合管理机构由中央有关部委、地方政府和相关水事部门的代表共同组成，是国务院和住房与城市建设部、水利部、环保部授予其相关行政执法权力的机构.他的职能是:1)建立符合流域特点的水环境法规体系;2)编制流域水环境恢复规划;3)水功能区划管理;4)重大水事项目的审批;5)监督城市污水再生水厂和再生水供应系统的建设;6)建立有效的信息共享机制;7)加强流域健康状况诊断和评估;8)建立公众参与机制;9)在流域综合管理机构统筹领导下，流域内各城市、各部门各负其责，共同维系流域的健康水环境.