国外再生水资源在农业灌溉中的应用及启示

2024-03-27黄本胜洪昌红邱颂曦

广东水利水电 2024年3期

林慧，刘达，黄本胜，洪昌红，邱静，邱颂曦，王珍

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510635；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州 510635)

1 概述

水资源短缺是影响全球经济发展和人类生活品质的重大问题之一[1]，世界各国都面临着水资源短缺和淡水需求量日益增加的压力，尤其是人口增长率高、城市化和工业化程度高的干旱气候地区，地表水资源的开发已经达到最大限度。由于现阶段高效用水的迫切需要，许多国家和地区把再生水视作一种“二次水源”，以缓解水资源供需矛盾。我国作为农业大国，探索和研究再生水用于灌溉，对保障农业生产、实现灌溉农业的可持续性发展意义重大[1]。

目前，再生水农业灌溉已在美国、以色列、日本等国家得到广泛实践和推广，比较而言，我国再生水灌溉技术研究及应用开始较晚[2]。再生水具有总量大、水质稳定、受季节和气候变化影响小的优点，但处理后的再生水可能残留一定量的重金属及污染物[1]，故科学高效地利用再生水资源，保障再生水水质安全，值得深入的研究和思考[3]。

基于此，本文选取再生水灌溉实践经验较为丰富的美国、以色列和日本等国家，对这些国家的再生水利用政策及标准进行了比较分析，同时讨论了再生水灌溉的潜在生态风险，并提出再生水在农业灌溉中安全高效利用的建议。

2 国外再生水利用标准与典型应用案例分析

2.1 国外再生水农业回用标准比较

国外各典型国家(组织)再生水农业回用的标准见表1所示[2]，从表1中可以看出，各国对农业用水的分类不尽相同。美国和欧盟在主要控制指标上规定较多，基本指标有5个：pH值、BOD、TSS/SS、余氯及微生物，除表格数据外，欧盟还在COD、DO、UV254、EC、氮磷指标、阴阳离子等方面有限值要求。美国和欧盟在pH值规定上标准大致相同，在6.0～9.5之间；在食用作物标准分类上，美国的要求相比欧盟更加严格，例如BOD指标，美国要求小于等于10 mg/L，欧盟则要求10～20 mg/L；美国要求粪大肠杆菌不得检出，欧盟则要求总细菌数小于10 000 cfu/mL即可。另外，WHO主要对微生物指标规定了限值；澳大利亚标准分类更加细致全面，对pH值和微生物指标有相应的限值要求；在其他指标上，WHO和澳大利亚均没有详细的标准限定。

表1 国外农业用水回用标准比较(mg/L，pH除外)

2.2 国外再生水灌溉典型应用

本文以美国、以色列和日本为例，总结了这些国家再生水灌溉应用现状及经验，以期为我国农业领域再生水的高效利用提供借鉴。

1) 美国

美国人均水资源量接近12 000 m3，但某些地区仍然存在水资源短缺、地下水超采严重等问题[4]，故一些地区较早开展了再生水利用的实践和探索。如佛罗里达州在2001年开始实施“水保护计划”，并成立了污水回用工作组，以保障水资源供应。

2019年，美国联邦政府开始实施国家水回用行动计划，该计划包含六大方向的污水收集、再生与回用[5]。目前，美国每天约有25.36亿升的再生废水用于农业灌溉，典型代表如亚利桑那州；加州的再生水利用率也较高，据统计，加州70%左右的再生水用于农业和城市绿地灌溉[6]。

对比我国，水资源短缺加上农业用水粗放一直是制约我国农业发展的一大因素，美国在再生水利用方面的经验启示我们可以通过系统谋划，整体布局，全面推进污水再生利用，以破解水资源紧缺瓶颈[5]。

2) 以色列

以色列水资源极度匮乏且降水分布十分不均，超过一半的国土面积是沙漠，在这种恶劣的自然条件下，以色列通过修建完善的国家调水工程和输水管网、建立严格的水管理法规、实行严密的水资源统一监管、设立专门的水事纠纷处理机构等一系列措施[7]，充分利用再生水资源，成功解决了缺水、地少和土壤盐碱化等难题[1]，成为公认的“农业强国”。

目前，以色列拥有67家大型污水处理厂，针对污水处理、输运、储存的技术及设施已相当完备，污水再生利用水平达到90%。在灌溉技术及水质安全方面，以色列超过80%的灌溉面积采用高效滴灌技术，充分做到“节流”，形成了农业用水量稳定的水资源高效利用格局。

回看我国北方许多城市，年降水量、人均水资源量也很低，这些地区应学习融合以色列先进的农业节水技术和污水处理技术，积极开发利用再生水等非常规水资源[8]，力争技术用水、开源节流。

3) 日本

日本水资源总体较为丰富，但由于地形、气候、自然灾害频发等原因，日本关东沿海和北九州等地区存在缺水的问题[9]。初期日本的再生水回用以冲厕和景观利用等为主；随着城市化导致市区河流水量急剧减少，再生水成为日本城市河道的重要补给，东京是日本第一个使用再生水补充干流和恢复河流水环境的城市；后来，再生水的利用逐步拓展至工业生产和农业灌溉。以熊本市为例，污水处理厂将再生水排放到附近农业用水渠或农用运河，也有农民自行到污水处理厂取运再生水，用于种植蔬菜和水果等。

此外，日本在不同地点，根据不同情况，采用不同的再生水利用模式，我国应充分吸取日本等国家的经验，分类施策、因地制宜，努力构建完备的再生水回用基础设施体系和健全的管理体系。

3 再生水灌溉的生态风险

再生水回用于农业虽然可以缓解用水压力，但有可能带来一定的生态环境风险。本文从土壤孔隙率及结构、重金属污染、新型污染物含量变化等方面分析了再生水灌溉的影响，并对应提出保障灌溉用水安全的对策。

3.1 土壤孔隙率及结构

李晓娜等[10]研究发现，当再生水盐度较高时，采用再生水灌溉会增加土壤容重，降低土壤孔隙度；长期灌溉方式下土壤孔隙率和镁含量均发生明显变化[11]。

再生水中有机物比较丰富时，分解产生的腐殖质导致土壤形成团聚体结构[12]，长期再生水灌溉会导致土壤有机碳在耕层显著增加[13]；当再生水的盐度较高时，长时间采用再生水灌溉易造成土壤板结[10]。因此，再生水灌溉农田时需要合理控制灌溉的周期和次数。

3.2 土壤重金属污染

目前大多研究表明再生水短期灌溉基本不会对土壤及农作物带来安全隐患[14]，但当其他来源的重金属负荷较高时，要注意定期开展土壤污染物检测和风险评估工作，以降低重金属累积风险[14]。

此外，对比滴灌法和犁沟灌溉法两种不同灌溉方式，可以发现滴灌法不仅节省灌溉用水量，还有效减少了土壤中重金属含量[15]。研究证明[16]再生水滴灌方式下土壤重金属镉含量符合标准限值。可见，选择合适的灌溉方式具有重要意义。

3.3 新型污染物

近年来，新型环境污染物备受关注[17]。王燕[18]研究发现工业源再生水和生活源再生水灌溉土壤中5种邻苯二甲酸酯(PAEs)的总平均浓度分别是地下水灌溉土壤的2.40倍和3.48倍；但也有研究数据表明，再生水灌溉并不会造成新型污染物的传播风险[19]。目前来看，由于新型污染物具有来源广泛、风险隐蔽、环境持久的特点，其迁移转化规律认知还比较浅显，再生水灌溉过程中需加强新型污染物种类及含量的监测，并制定相应的风险管控方案。

4 我国再生水灌溉发展的启示和建议

在用水总量与强度双控的背景下，近年来政府陆续出台一系列法律法规推动再生水利用持续发展，再生水在城市中的应用领域不断扩大[20]。对此，针对再生水农业灌溉的健康发展，本文提出以下3个方面的建议：

一是在再生水利用政策及标准方面，需要多部门协同配合、明确责任，制定完善的再生水运行管理机制。伴随当前城市的快速发展及人们对食品健康的高度关注，现有规定中的水质参数约束存在滞后性，再生水的分类应更详细、水质参数限制更严格。像新加坡NEWater直接处理再生水超过世卫组织饮用水标准水平[21]，虽然这对绝大多数只需要满足一般灌溉和娱乐活动的国家及地区来说较难实现，但反映出新加坡在再生水水质上的高标准和高要求。

二是在再生水农业灌溉配套设施及工艺方面，应积极提升再生水灌溉设备的节水率。不断优化现有再生水灌溉工艺，降低再生水灌溉可能的生态风险，提升灌溉产业技术水平，积极推进满足再生水长时间储存及远距离输送等需求的设施建设，聚力精准灌溉、智慧灌溉[22]。

三是在再生水灌溉生态环境风险防控方面，要结合再生水水质和土壤类型开展深入分析，对可能引起土壤性质变化的关键因子开展定期检测和污染评价。考虑到水体中新型污染物在传统处理工艺下无法有效去除，应积极开发稳定高效的水处理技术，并通过综合手段对再生水灌溉区的土壤等进行长期的监测和风险预判。