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仇保兴:我国城市水安全现状与对策
时间:2014-02-19 11:18来源:《给水排水》

近日,国务院连续颁布出台了《城镇排水与污水处理条例》、《国务院关于加强城市基础设施建设的意见》、《国务院办公厅关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》等法规、政策,涉及到城市排水防涝、城市安全供水、城市污水处理及中水回用,为今后10年这方面的工作奠定了良好基础,预计将带来数万亿的投资需求。本文从三个方面简要介绍当前城市水资源的现状和问题,明确未来我国城市水污染治理与水安全的正确思路,研究如何提高城市用水效率。

城市水资源现状如何

水资源量不足、时空分布不均

我国是一个缺水国家。随着人口的增长和全球气侯变化,两方面因素的叠加会造成更为严重的水资源短缺问题。根据《中国水资源公报》,2011年我国水资源总量为2.3万亿m3,人均水资源量仅1 700 m3/a,按照联合国定义属于水资源紧张国家;同时,我国水资源时空分布不均现象也很突出,南多北少,西多东少,夏多冬少;富水的地方(如西南的河区和西北的河区)往往是人口稀少、经济薄弱的区域,缺水的地方(如海河、黄河、淮河区域)往往是人口稠密、经济发达区域,水资源和用水矛盾更加突出(见图1)。

图1 全国主要流域人均水资源量占有量

从表1来看,上海、天津、北京、宁夏、河北、山西、河南、山东等省(市、区)都是严重缺水的地区。但是《中国水资源公报》中的水资源量,是指当地降水形成的地表和地下产水总量,即地表产流量与降水入渗补给地下水量之和,没有体现客水的利用情况。例如宁夏,从降雨指标上看是严重缺水的省份,但实际上黄河流经当地带来了丰富水资源,宁夏的年总用水量达到40亿m3,由于当地降雨量年均只有200 mm,而蒸发量高达2 000 mm 以上,其中仅120万亩(1亩≈666.67m2)的水稻田就消耗了26亿m3的水;单位面积的用水量几乎比旱地农作物高出1倍,由此可见其节水潜力之巨大。因此,真正缺水的实际上是没有客水流经、客水缺乏或者客水被严重污染的地区

城市用水量趋于稳定

从我国水资源的构成来看,农业用水占61%,工业用水占24%,城市居民生活用水虽然只占了13%,但却对保障我国经济健康增长、民生改善以及可持续发展至关重要。

十年来,我国城市用水规律已发生显著变化。随着经济和城镇化发展,人们节水意识普遍提升,节水技术与器具的普及推广,以及水资源价格的回归,已经实现了城市用水量稳步下降,促进了城市合理用水新平衡点的形成。本世纪以来,我国城镇化率提高了10个百分点,城市的GDP增加了2.7倍、用水人口增长了53.8%;而城市的年用水总量只增加了11.5%,城市的年供水量多年基本稳定在500亿m2左右(见图2);城市居民人均日生活用水量从220 L降低到172 L,基本与国际发达国家保持一致(见图3)。从国际经验看,我国今后再出现大幅度的城市用水上升的可能性不大,并且与节水水平较高的国家相比还有很大的节水潜力。

图2 2000-2012年城市用水总量和用水人口变化情况


图3 2000-2012年我国城市人均生活用水量变化

外调水的模式已陷入困境

上世纪末到本世纪初,我国的城市建设高速发展曾一度带来用水量突增、城市水资源紧张等问题,我国许多地方都采取了外部调水的办法来解决缺水问题,如引黄济青、南水北调、引汉济渭、大连碧流河引水、沈阳大伙房引水、滇中引水等。随着调水规模越来越大、距离越来越长,带来了调水越来越困难、调出地水生态破坏越来越严重等诸多问题;同时,外调水工程量大、投资和运行成本高,调来水与当地水出现“水土不服”的情况越来越多,一些地方出现了调来水与当地水成分差异导致自来水管道内的水垢溶解析出,形成了新的污染,且相当难以治理。所以,以长距离调水解决水资源短缺的模式在一定程度上已经陷入困境。

国外也有不当调水引发的生态教训。如前苏联时期的咸海即是其中一个著名的例子。咸海曾经是全球第四大内陆湖,位于干旱的中亚地区哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦两国之间,其水源主要来自帕米尔高原的阿姆河与西天山的锡尔河。

20世纪60年代到70年代,前苏联将这汇入咸海的两条河水截留用于棉花、水稻等农耕项目以及中亚的工业发展。1960年到2000年,从阿姆河和锡尔河抽出用于灌溉的水量增加一倍,棉花产量也增加了一倍。咸海的补充水量长期少于蒸发量,加上70年代以来气候持续干旱,导致咸海的面积在20世纪后期快速萎缩。根据测绘,相比多年前基本稳定的常态水量,咸海水量如今已“缩水”90%。事实上,前苏联及后来相关的独联体国家,看到负面影响后,曾计划修建引水渠把相对邻近的西伯利亚水系的水引进咸海。结果这个工程太过浩大,资金难筹集而不了了之。 

现在干涸的咸海成了一个大盐库。中亚的大风把这些盐粉吹到毗邻地区,严重污染农田。而且高含盐量的空气也对周围居民健康产生灾难性影响,很多人因此患了各种癌症和肺病。咸海渔业消失而导致超过十万人失业。还有研究认为,水面积的缩小已经严重改变当地的气候,让当地的夏天更干热,冬季更长更冷。哈萨克斯坦政府已经开始采取行动,致力于拯救分隔为两部分的咸海之北咸海。哈国政府重修了锡尔河的水渠,以减少水流的浪费。2003年,该国政府又修建了大坝,它阻断了咸海两部分的流通,以保护北咸海。阿姆河、锡尔河引水项目与咸海的遭遇,说明的是,未经深思熟虑的引水,只能导致短期的受益而产生长期甚至半永久或永久的生态灾难。

从国外发达国家的经验来看,国外普遍对长距离调水加以限制,尤其是对跨流域的调水。澳大利亚在30年前实施了南澳墨累河调水工程(见图4),导致整个南澳三角洲出现了水生态植被退化、湿地破坏、土地盐碱化和物种消失等生态问题,所造成的损失已经远超调水所得利益。为此,澳大利亚进行深刻反思,不能再以“只利当代、不利长远”,“上游受益、下游受损”的方式实施调水,并对调水方案重新进行调整,努力恢复该区域的水和土地生态,但环境的恢复需要相当长的时间。

图4 澳大利亚墨累河调水工程

另一个成功的解决案例是美国纽约市,20世纪60年代,该市水资源严重短缺,最初提出的解决方案是从新泽西调水,工程预算超过100亿美元,由于工程投资巨大,且新泽西州民众也不同意调水给纽约市,调水工程没法实施。在纽约陷入困境之时,城市给排水方面的专家提了一个建议,将纽约市的旧抽水马桶全部改为一次冲洗水量6 L的节水马桶,市政府给每个马桶补贴更换费用的1/5。纽约市采用了这一方案(见图5),经过11年、累计投入不到3亿美元对全部马桶进行改造后,人均日用水量下降14%,水危机问题得到解决,起到了100亿美元调水工程都达不到的效果。

图5 美国纽约调水方案与节水方案比较

从国外发达国家经验来看,在城市化的进程达到中期以后,城市生活用水量已经不太可能再出现大幅度的增加;从我国城市近年来发展规律来看,我国城市用水量近年来已经趋向稳定,并呈现不断的下降趋势,与国际经验的规律一致,水量型缺水的水危机已经显著缓解。与此同时,我国普遍采取的长距离调水带来的成本过高、对调出地水生态带来负面影响等多种弊端正在日益呈现;国外发达国家的经验表明,有很多更经济且对生态环境影响更小的解决方案可以替代长距离调水。

水污染治理与城市水安全

水污染导致的水质型缺水是威胁城市水安全的主要因素

据《中国环境公报》数据显示,我国河湖水系中,近年来ⅠⅢ类水体比例在增加,劣Ⅴ类水体比例在减少(见图6),但实际上水生态恶化的趋势尚未得到扭转。据住房和城乡建设部连续8年对35个大中城市的自来水厂约12 000个取水口水源水样检测结果表明,达到Ⅱ类水体标准的水样数量比例由2002年的24.8%下降到2009年的8.6%(见图7)。一些位于降水量充沛或水系发达地区的城市,周边水源污染严重,由于“水质型缺水”引发了水危机;此外,由于水生态治理是长期而艰巨的任务,一旦放松管制或治理力度降低,水环境的状况就可能出现反复。

图6 我国河流断面水环境质量达标比例

图7 达到II类水体标准的水源地比例

由此可见,水质型的缺水已经取代水量型的缺水,成为我国城市水安全的最主要挑战,是我国面临城市水危机的主因。

农业面源污染将会成为水质型缺水的主因

我国农业面源污染对河流和湖泊富营养化的贡献达60%~80%。近年来,随着城市生活废水和工业废水达标处理率的快速上升,农业面源污染状况呈相对加重趋势,主要表现在养殖集约化程度越来越高,污染物排放量大;农业生产对化肥农药的依存度高,氮磷污染物排放占比大;农村垃圾污水随意排放,环境状况日益严峻。2007年全国农业源排放的化学需氧量(COD)、总氮、总磷分别为1 320万t、270万t和28万t,2010年全国农业源排放的化学需氧量(COD)、总氮、总磷已分别增加到1 760万t、285万t和32万t。淮河、巢湖和太湖等流域,农业面源污染更为严峻,已成为导致水环境污染的主因,水体氨氮、化学需氧量超标,逐步丧失了作为饮用水水源的功能。因此,应重视农业面源污染控制与治理,加快流域农业产业结构调整。对于畜牧养殖业产生的污染,应就地生态利用;对于集约化程度过高、无法就地生态利用的养殖业,可发挥市场经济机制作用,实施畜牧养殖粪便的工业性有机肥生产,采取流域外农牧业生态利用的措施;对于农村农田污染及农村垃圾等问题,应按照因地制宜、分散就地、资源回收的原则,实现水资源和污水、垃圾中营养物质的生态利用,构建生态农田、美丽乡村。

国际经验:城镇化率50%之后是水污染事件高发期

2011年,我国城镇化率首次超过50%达到了51.3%(见图8)。也正是这一时期,各地连续出现多次水污染的事件。如2006年湖南的岳阳水污染事件、河北的白洋淀死鱼事件,2007年的太湖蓝藻事件,2010年福建的紫金矿业污染事件,2011年的渤海渗油事件,2012年的龙江镉污染事件,2013年的黄埔江死猪事件等。这种污染事件频繁、连续发生并不是偶然现象。从国外发达国家的发展规律来看,当城市化率达到50%以后一段时期,往往就会出现水资源、水安全的转折点,从水量型危机转向水质型危机,水污染事件进入高发期。

图8 部分国家城镇化率变化

英国是全球最早城镇化的国家,城镇化从开始到结束经历了约200年,1851年左右城镇化率达到50%(见图8),中间约50年都是城镇化的中期。1878年“爱丽丝公子号”在泰晤士河上沉没,造成了640人死亡,事后的调查发现,大多数人是因为高污染的河水中毒死亡。

德国在1892年的时候城镇化率达到50%(见图8),但整条莱茵河却因为严重污染变成了泡沫河,此后德国花大力气治理了70年,才使得莱茵河恢复清澈(见图9)。

图9 德国莱茵河治理前后对比

日本1953年的城镇化率达到50%(见图8),这一时期日本出现了两个特有的病,一个是骨痛病,是由于工厂的镉污染饮水造成的,使人们第一次认识到重金属等污染物会对人造成永久性的伤害;另一个是水俣病,由于工厂排出的汞污染了水体,并通过食物链在人体中富集,导致人体畸形、脑力痴呆,甚至影响到子孙后代。据不完全统计,到2001年,因水俣病死亡的人数就超过了1 700人,到现在可能要超过2 000 人,对下一代的影响更是几倍数量。

韩国在1977年城镇化率达到50%之后(见图8),也出现了大面积的水污染事件,1991年3月16号斗山集团管网发生苯酚泄漏,民众反应强烈,斗山集团为此给当时的总统送去了10亿韩元贡献金表示道歉,这一内幕被揭发以后险些造成政府垮台。这些案例表明,水污染事件在特定时期会演变成社会危机,必须引起足够重视。

国外成功经验的启示

我国城镇化率突破50%以后,也到了历史关键期。只有正确认识城市水安全最大的威胁来源才能对症下药。历史的规律和现实的情况都表明,水污染是水安全最大的敌人。这一方面,国外的成功经验对我国有着重要的启示和借鉴意义.

以色列人均水资源占有量只有320 m3/a,仅我国人均水平的1/6,世界平均水平的1/33,并且缺少过境客水;同时以色列的水资源分布又严重不均,50%的农田都需要灌溉(灌溉率仅次于中国),水的供需矛盾特别突出。该国通过科学立法,正确的技术路线,提高污水再生利用率,加强微咸水和雨水利用,实施海水淡化,节约农业用水(我国的滴灌技术绝大部分来自于以色列的创新发明)等手段,用水效率成倍提高,同时加上完善的水价体系,发挥行政手段、技术手段和市场手段,成功地解决了水资源短缺问题.

新加坡的人均水资源量只有210 m3/a,比以色列更低,50%的水需从马来西亚进口。为此新加坡开源节流,通过大幅度提高用水效率,逐渐解决了新加坡的水资源短缺问题,逐渐摆脱了对马来西亚水源的依赖。现在新加坡污水的再生利用率超过90%,其中有30%的再生水经过水库进一步的自然净化后可作为饮用水水源;雨水的收集利用率达到90%;海水淡化可满足至少10%的用水需求。新加坡不仅独立解决了城市用水问题,甚至可以把马来西亚供应的水做成饮用水、瓶装水返销到东南亚。

上述案例说明,调水本质上是“拆东墙补西墙”,缺多少调多少,是水资源不同地域间做加法;而水资源的重复利用,是循环利用,是水资源做乘法,通过多次循环利用完全可以替代长距离调水;如再加上海水淡化、雨水收集等非传统水资源利用,我国绝大多数城市有能力解决自身水资源短缺问题。 

城镇化率达到50%之后,是国际公认的水污染危机的高发期,同时也是修复水生态的关键期,一旦错过这个机会,将会付出极为高昂的治理代价。通过调水解决城市水危机,常会引发难以预计的新的水生态问题,且难以持续。

提高城市用水效率的措施

树立以生态修复、循环利用为核心的科学治水理念

解决城市水安全,主要应从水生态修复入手,进而全面地提高水的使用效率。
 从发展理念上,首先,要整合先进适用技术,将城市安全用水、污水处理与再生利用、能源回收与利用、雨水收集利用等措施综合利用起来;其次,要从传统的大引大排转向生态修复,从调水冲污、释污转向恢复当地水体的自净功能,恢复水生态;再次,要从过去以需定供的不科学用水模式转到以供定需的节约用水模式;最后,要从涸泽而渔的粗放式发展,转向水资源多次利用的健康循环。

从市场机制上,要进一步完善水价机制,从计划的定额管理,转向超定额加价、阶梯水价调节,充分调动企业单位、市民群众行为节水的积极性。

从技术措施上,要加强开源节流,大力开展城市节水,加强建筑节水和雨水、海水等非传统水资源的利用,广泛采用新技术、新办法,尝试新思路,开展新实践。

从法制角度上,要加强立法,提高全社会的节水意识和行为,提倡节水“三同时”。

节流开源,提高水资源利用效率

建筑节水为先。城市节水是继水污染防治之后缓解水资源短缺的最重要的手段,而建筑是组成城市空间结构的基础性单元,是能将各种污水处理组合到一个物件中的一个特殊单元,城市节水必然要从建筑抓起。从我国城市居民家庭生活用水的类别比例来看(见图10),污染程度较重的厕所粪便污水、厨房含油废水等“黑水”,两者占了近一半,其中仅冲厕用水就占了1/3;污染程度较轻,可经简单处理后就地回用的废水如洗衣、淋浴和生活杂用废水等“灰水”,共占约40%。如果能“黑灰分离”,将“灰水”收集起来,经简单处理后回用于冲厕,就可节约近30%的家庭用水。以北京为例,假如1/3的建筑能做到这一条,再加上雨水收集利用,就可以取代近3 500亿元投资的南水北调工程。

图10 我国居民家庭生活用水构成比例

城市污水再生利用是稳定可靠的“第二水源”。建筑灰水冲厕形成的黑水进入市政管网,再进入污水处理厂达标处理,可以实现建筑内用水“小循环”与城市用水“大循环”的有机结合。我国每年处理的城市生活污水近400亿m3,通过污水处理再生利用于工业、市政杂用、景观、生态补水和灌溉用水,可以节约大量新鲜水的取用;城市污水再生利用率每提高10个百分点,就相当于增加水源地供水量8%,效益十分可观(见图11)。

图11 城镇污水再生利用的主要途径

低冲击开发,雨水利用一举多得。借鉴发达国家理念,我国应在城镇大力推行低冲击开发(LID)的模式,把建筑的雨水收集与小区的雨水收集、基础设施的节水和城市的雨洪利用紧密结合到一起,把水生态、水景观、水资源的节约、水循环利用紧密地结合到一起,起到相互促进的作用。其一,建立雨水的收集系统,主要在公共广场、建筑的地下室广泛装备雨水收集器具,可以使水资源使用量提高30%以上。其二,从建筑、广场、公园等城市空间收集雨水,减少雨水的产流、汇流水量,可以大大地减缓城市排水系统的压力,缓解城市内涝的程度。其三,可以解决初期雨水面源污染问题。以北京为例,年降雨量约600 mm,如果能够收集其中20%加以利用,市域内1 800 km2建成区就可以形成2.2 亿m3的水资源,相当于北京市供水总量的14%,可以解决北京市用水缺口的1/3~1/2。

海水淡化前景乐观。沿海严重缺水地区、海岛等,通过膜技术等进行海水淡化,可有效解决沿海地区补充水源的问题,既可以供应市政用水,也可以用于工业用水,特别是用于水质要求很高的电子工业效益很好。但相对于污水再生利用而言,海水淡化的缺陷也是明显的,一是适用范围比较窄,二是建设运行投资成本仍然要高出污水再生利用一倍多,三是应用区域受限,只适合在沿海地区,而污水再生利用基本不受地域限制。

工业节水仍有潜力。国外发达国家的工业用水普遍进行了重复利用,有的行业甚至可以重复利用多次(见图12)。我国纺织、造纸、钢铁等高耗水行业的用水量,占工业用水量的60%。据《中国城市建设统计年鉴》统计,虽然城市工业用水重复利用率总体已经达到了88%,但许多行业用水效率仍然偏低,与国外发达国家差距更大。我国工业节水还有很大的提升空间。

图12 工业节水技术

新理念、新思路经济占优、效益显著

节流开源是缓解城市水危机的有效手段,从经济性上看,这些措施也是更具优势的。

从表2可以看出,不同的水资源利用方式,投资建设成本差别很大。建筑雨水收集利用,模块化装置的投资约2 000元/m3,运行成本不到1元/m3;城市污水再生利用的投资约2 500元/m3,运行成本只有1~2元/m3;海水淡化设施投资不到1万元/m3,大规模淡化海水的成本约4元/m3,而且随着新材料、新工艺的不断发展,建设运行成本还将显著降低。而万家寨调水工程,在20世纪90年代其投资就已高达3 000 元/m3,运行成本更是达到8元/m3;南水北调中线的实际运行成本已经达到8~10元/m3,而且还不包括调水工程带来的生态和社会成本。

从城市节水潜力提升来看(见表3),假如工商业用水效率提高10%,市政用水效率提高10%,居民生活中水回用节水30%,其他用水提高10个百分点,公共供水管网漏损率降低1个百分点,就可以增加水资源的潜力达17%,此数据只是初步可达的,若辅以更加严格的相关政策措施,城市节水潜力还可进一步挖掘。

从非传统水资源的利用看(见表4),城市污水的再生利用率再提高10%可替代8%的水资源;雨水利用至少可替代5%的城市供水,海水淡化可替代5%的城市供水,上述措施至少可替代18%的城市水资源,而且实施起来也较为容易。

通过城市节水、提高工业用水的重复利用率、降低管网漏损等手段,可至少提高城市水资源潜力15%以上;通过城市的污水处理与就地回用、雨水的收集利用、海水淡化等措施,可至少增加城市的供水量15%以上。若占全国水资源量61%的农业用水也大力推行节约措施则潜力更大;我国农灌有效利用系数仅0.51,而发达国家已达到0.7~0.8,假如农业节水10%,城市水资源紧缺状况就可以得到大大缓解。

我国城镇化率已经达到50%,今后一段时期是城市水污染事件高发期、水安全的高风险期,更是治理水污染的关键期、恢复水生态的机遇期。要紧紧把握这一特定的历史时机,树立治理水污染、恢复水生态、保障水安全的正确思路,明确修复水生态这一水污染治理的关键,恢复水体的自净功能,实现健康的水循环;通过法律政策、市场机制、科学技术,三管齐下,多种手段巧妙组合、灵活应用,提高用水效率,解决城市水安全问题,实现建设美丽中国的梦想。



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