水環境恢復與城市水系統健康循環研究

張 杰，李 冬

(1.哈爾濱工業大學市政環境學院，哈爾濱150090;2.北京工業大學水質科學與水環境恢復重點實驗室，北京100124)

1 前言

18世紀工業革命之后，尤其是近半個世紀以來，人類采取的是無度消費、大量廢棄的生產、生活方式，時至今日大自然已不堪重負，人類的生存發展受到威脅。2002年5月22日，聯合國環境規劃署指出:“目前全球一半的河流水量大幅減少或被嚴重污染，世界上約80個國家，占全球40%的人口嚴重缺水。如果這一趨勢得不到遏制，今后30年內，全球55%以上的人口將面臨水荒。”

我國政府歷來重視水污染防治，但從“誰污染誰治理”、“三同時”、“淮河零點行動”一直到“三河三湖治理”都未見顯效。半個世紀過去了，我國江河污染年年加重，至今仍然如是說:“水環境污染在局部有所改善，但全國河川污染的總趨勢尚未得到遏制……”

實際上，全面性的水危機已經迫在眉睫。今天我們應清醒地看到，只有尋求人與自然水環境相和諧的道路，規范人類社會的水事活動，不破壞自然水文循環規律，實現社會用水的健康循環，人類社會才能得以持續發展。

2 水循環規律

2.1 自然水文循環

在太陽輻射和地心引力的作用下，地球上的水分在水圈、大氣圈、巖石圈進行著周而復始的運動。地球上水的這種周而復始的運動稱之為自然水文循環，如圖1所示。

圖1 全球水文循環的水量平衡Fig.1 Natural circulation of water

全球水的總量為1.4×109km3，年水文循環總量不過5.77×105km3，等于全球蒸發量總和或降水量總和，占全球總水量的萬分之四。每年陸地蒸發量為7.2×104km3，而降水量為1.19×105km3;海洋蒸發量為 5.05×105km3，降水量為 4.58×105km3。海洋蒸發量大于降水量，陸地蒸發量小于降水量，這樣陸地就形成地下與地表徑流，匯成大江大河流歸海洋。其徑流總量為4.7×104km3，是陸地降水量與蒸發量之差，為全球總水量的十萬分之三。水的蒸發、輸送、降水、滲透、徑流、再蒸發的自然循環過程，把大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈有機聯系起來，不斷地更新著地球上的各種水體，保持著水質、水量的動態平衡，造就了健康的水環境，滋哺著萬物欣欣向榮的生態系統，也為人類提供了生存的物質基礎。

2.2 社會水循環

在自然水文循環中，人類不斷利用地表、地下徑流滿足生活和生產之需而形成的人工水循環稱為社會水循環。城市的供排水系統、農田水利系統、水能利用系統都是社會水循環。

就城市水系統而言，包括自然水采取、凈化、供應的給水系統和廢水收集、處理再生和放流的排水系統，如圖2所示。水好像城市的血液，給水系統和排水系統好像是動脈和靜脈，進行著城市血液的循環，是一個統一的有機循環系統，動、靜脈不可偏廢一方。

圖2 水的社會循環(城市水系統循環)Fig.2 Social circulation of water(urban water system circulation)

2.3 社會水循環與自然水文循環的互動關系

社會水循環是自然水文循環的一個附加部分，是一個帶有人類印記的特殊水循環類型，它依附于地球自然水循環之下，并且相互產生著強烈的交流作用。社會水循環與自然水循環組成了一個復合的地球水循環大系統，如圖3所示。

圖3 復合的地球水循環大系統Fig.3 The complex water cycle system on earth

3 水短缺、水污染、水危機的根源

3.1 現代人口膨脹

在人類誕生后的幾百萬年間，人類人口一直很稀少，直到1850年世界人口達10億，80年之后1930年翻了一番達20億，又經歷45年到1975年再翻一番達40億，而1999年人口達60億，現正以每年5 500萬的速度增長。人口膨脹使地球環境和資源面臨巨大的壓力，是水危機的終極根源。

3.2 二元論的自然觀

我國古代樸實的自然觀是唯物主義的，認為人與自然和諧共存，人類社會發展要服從自然的規律，古代先哲、道教創始人老子主張“天人合一”。當今在現代科學與技術的支撐下，人類認為自己是自然的主宰，所謂“人定勝天”。二元論的自然觀是水危機的社會思想根源。

3.3 無度采取、低效利用和高污染排放

在二元論的自然觀的指導下，人們為謀求最大經濟利益，無度取用、粗放利用水資源，然后高污染排放，是導致水短缺、水污染、水危機的直接原因。

百年來，人類大肆進行水事活動，在給人們帶來巨大的能源和生產效益的同時，這把“雙刃劍”帶來的災難也日益凸顯出來。

咸海是世界上最大的內陸咸水湖，是阿姆河和錫爾河的歸宿。20世紀50年代，由于在兩河上游修建水庫、開挖河渠、擴大灌溉面積，使兩河入海量由5.48×109億m3/年，逐年減少。到1974年，阿姆河入海量減少了37.5%，錫爾河幾乎沒有長年入海徑流，致使水位下降7 m，海面面積縮小了1.5×104km2，魚產量由1965年的4.8×107kg，減少到1978年的4×106kg。

埃及阿斯旺灌溉水系統的形成，引起土壤鹽堿化面積以驚人的速度增長;非洲血吸蟲病和瘧疾則成為了埃及長期的災難;東地中海的海洋生物也因缺少尼羅河泥沙中的營養成分，浮游生物減少了1/3，致使埃及的漁業遭受巨大損失。

人類活動對水質破壞的事例比比皆是，一座工廠、一座城市污染一條河流的現象屢見不鮮。中國七大水系的Ⅴ類水體和劣Ⅴ類水體已占全部江段的25%。巢湖、滇池、太湖藻類瘋長，近海海域赤潮發生頻率和面積逐年大幅增長，城市地下水普遍污染，斷流、污染、飲水短缺在我國普遍存在……社會水循環已給予了自然水文循環強烈的沖擊。

然而，只要人類的社會水循環尊重自然水文循環的規律，并與自然水文循環和諧，自然水文循環就可得以生息，水環境得以恢復，水資源就可以持續利用。

4 社會用水健康循環理念的建立

面對人們大量排放污水和拋棄廢物、濫施農藥與化肥造成的世界水危機，我們提出了“社會用水健康循環”的理念。所謂社會用水健康循環，第一是指在社會水循環中，尊重水的自然運動規律，合理科學地使用水資源，不過量開采水資源，同時將使用過的廢水經過再生凈化，成為下游水資源的一部分，使得上游地區的用水循環不影響下游地區的水體功能，水的社會循環不破壞自然水文循環的客觀規律，從而維系或恢復城市乃至流域的健康水環境，實現水資源的可持續利用;第二是指社會物質流循環中，不切斷、不損害植物營養素的自然循環，不產生營養素物質的流失，不積累于自然水系而損害水環境。這樣就可實現人類活動與自然水環境相統一，達到“天人合一”的境界。

根據社會用水健康循環的理念，人類社會用水必須從“無度開采→低效率利用→高污染排放”的直線型用水模式轉變為“節制取水→高效利用→污水再生、再利用、再循環”的循環型用水模式，使流域內城市群間能夠實現水資源的重復與循環利用，共享健康水環境，使水的社會循環和諧地納入水的自然循環之中。

5 社會用水健康循環理念的理論基礎

1)水是循環性資源，水是可再生性資源。因此，我們在生活、工業、農業中用過的水是可以再生循環利用的，上游的排放水可以作為下游水資源的一部分。

2)在社會發展與環境資源尖銳矛盾面前，我們尋求可持續發展的道路。

從20世紀50年代福格特的《生存之路》、卡遜的《寂靜的春天》開始，人們便認識到人類的社會發展與自然環境的矛盾。1972年，斯德哥爾摩世界環境會議公布《人類環境宣言》，同年羅馬俱樂部發表《增長極限》，1982年世界環境與發展委員會成立，并發表《我們共同的未來》，一直到1992年世界首腦會議公布《里約環境與發展宣言》和《21世紀日程》，人們逐步建立和完善了可持續發展的戰略。

從20世紀60年代鮑爾丁《宇宙飛船的經濟觀》發展到現在以生態學規律指導人類經濟活動的循環經濟理論，為可持續發展找到了一條有效途徑。

社會用水健康循環正是循環經濟的“3R”原則——減量化(reduce)、再使用(reuse)和再循環(recycle)在水資源上的具體體現，社會用水健康循環是建立循環型社會的基礎。

6 社會用水健康循環和水環境恢復的方略體系

我們分析了地球上自然水文循環和人類社會用水循環的規律及其互動關系，找出了當代水危機的根源。在此基礎上，應用生態學原理和系統科學理論制訂了社會用水健康循環和流域水環境恢復方略，構筑了方針、策略體系，如圖4所示。

圖4 社會用水健康循環和水環境恢復方略Fig.4 Strategy of social water healthy cycle and water environment recovery

1)節制用水與污染物源頭分離。在水資源開發利用中，不僅要節約用水，更要在宏觀上控制社會水循環的流量，有節制地開發水資源;同時建立和發展廣大城鎮和農村、工業和農業污染物源頭分離的政策和技術。

2)城市污水再生、再利用、再循環。污水是寶貴的淡水資源，高質量的再生水是城市和下游城市水資源的一部分。污水再生、再循環帶來了水資源和水環境雙層效益，是社會用水健康循環的核心方略。

3)污泥回歸農田。污水廠的污泥飽含植物營養素，其正當歸宿應遵循營養鹽循環規律，作農業肥料，這是流域水環境恢復和農業可持續發展的必由之路。

4)恢復城市雨水水文循環。恢復雨水自然循環途徑，增強滲透和儲存，免除城市型洪澇災害，提高枯水期河水流量和地下水位都是增加可利用水資源的有效途徑。

5)大力削減面污染負荷。提倡生態型農業肥料和無毒、少毒農藥，減少農田徑流污染;廣大鄉鎮人畜排泄物和畜禽養殖業廢棄物要由污染源變成肥源。

6)建立科學的流域綜合管理模式。

7 城市排水系統功能的變革和循環型城市水系統

7.1 城市排水系統發展史

早在5 000年前的古城池就有雨水排水系統，直到19世紀，在這漫的長歷史時期，排水系統的功能都是排除城區雨水、防止內澇，并且禁止向雨水道中排放污水。

19世紀30～50年代，由于人口密集，城市衛生條件惡劣，霍亂、傷寒等流行病蔓延整個歐洲，成千上萬人失去了生命，于是18世紀發明的水沖廁所在19世紀中期開始廣泛使用。水沖廁所改善了城市居民的衛生條件，城市用水量迅速增加，才準許污水排入下水道，城市排水系統的功能發展為排除雨水、污水到城區之外，維系居民的健康衛生條件。但是城市居民的舒適生活條件是以犧牲河流水質為代價的，萊茵河曾一度成為歐洲最大的下水道。

到20世紀20年代，由于河流的普遍污染，傷寒等疾病又流行于人間。人們開始建立城市污水處理工程，并且污水處理深度和去除污染物對象隨年代的推移不斷增加。城市排水系統的功能發展為雨水、污水收集、處理與排除，改善城區生活衛生條件和防止水系污染。

7.2 城市排水系統功能的革命

近半個世紀以來，人口和城市化率驟增，水短缺、水污染、水危機在各地區出現。為了水環境恢復和水資源的可持續利用，排水系統必須革命。它的功能應升華為污水再生、再循環和植物營養素循環利用的紐帶，能源與物資的回收基地。

7.3 循環型城市水系統的模式

人類在經歷了幾千年農耕時代和現代的快速發展之后，越來越認識到，解決資源短缺和可持續發展問題的唯一出路是建立循環型社會，其中水的健康循環是循環型社會的基礎。在循環型城市水系統中不但有安全可靠的供水系統，還有完善的污水再生利用系統和污泥回歸農田的系統。自然水從采取到排放入下游水體之前，已被高效利用多次，排放的也是高質量的再生水，并通過高質量再生水將社會用水循環與自然水文循環和諧地聯系起來。循環型城市給排水系統的模式如圖5所示。

圖5 循環型城市給排水系統的模式Fig.5 Model of urban recycling water systems

這樣在一個流域內城市群間上、下游共享水資源，兼顧人類和河流生態用水，充分體現著流域水資源利用的公平性、共享性和人與自然的和諧，能保證河流生命和富有活力的生態系統。

循環型城市水系統的模式保證了每個城市均可在自己附近的河段取水，并把高質量的排放水送給下游城市作為水資源。

8 研究成果在流域和城市水資源、水環境戰略規劃上的應用

多年來，筆者等應用水環境恢復和城市水系統健康循環的觀念和方法從事了與國家中長期科技發展戰略規劃有關部分的研究，完成了深圳特區、大連市、北京市及第二松花江流域水環境、水資源和水循環方面的戰略性規劃研究工作。

1)2004年，完成了北京市教委重點項目“水環境恢復工程戰略研究”。全面應用了水環境恢復理論和水系統健康循環的方略，結合北京市地方條件進行了水資源和水環境戰略規劃，指出北京市水資源的可持續利用和水環境的改善只能依賴于北京市用水健康循環的實施。節水資源與再生水資源不但可滿足北京市的發展之需，而且可以大力削減水系污染。

根據此研究成果，北京市水務局在國內率先實行了“循環水務”，幾年來取得了顯著成績。a.全面實行以政府為主導的節制用水政策。將農業用水由2000年的16.49億m3壓縮到2006年的10.8億m3;幾年來，全市工業產值大幅增長，工業用水卻顯現“負增長”;全市公共場所節水器具全面普及，居民節水器具普及率也達到80%。b.污水處理與再生水利用。2006年市區污水處理能力由2004年的1.9×106m3/d躍升到2.50×106m3/d，處理率由57.7%躍升到90%，CODcr削減率由30%提高到80%;已建成6座再生水廠，再生水利用量達3.6億m3，市區污水回用率達50%。c.河湖水環境的恢復。2004年起逐年截流河床兩岸污水，以再生水補充河床基流，使多年黑臭的清河、涼水河、馬草河的水質變清。

2)2001年，受深圳市國土局委托，編寫完成《深圳特區城市中水道系統規劃》，規劃建設以城市污水為水源的城市第二供水系統——城市再生水道，將現在和規劃中的污水處理廠都擴建為再生水廠，以再生水廠為中心建立了5個再生水供水區域。再生水供水總規模達4.9×105m3/d，供水干管長度為130 km。這不但可以解決深圳市水資源平衡問題，并且補充了生態用水。每年還可減少排入內河及周邊海域BOD5約4 500 t，CODcr約12 050 t。此項目完成后將對深圳灣、大鵬灣的水域環境改善起到巨大作用。這是我國第一部以城市污水為原水的城市再生水供應系統的工程規劃，對深圳市水資源可持續利用、改善和恢復河灣水質質量和水環境恢復起了奠基作用，為全國各大城市樹立了典范。

3)2003年，受大連市委托，完成了《大連市海水與城市污水資源戰略研究》。此研究明確指出，在本地區的非傳統水資源——污水、雨水、海水之中，應優先發展城市污水的再生、再利用和再循環，這可以在增加大量水資源的同時解決環境污染問題。其次補充雨水滲透、儲存和利用，尤其是長海縣雨水儲存與利用可列為重點。據估算，各種水源的制水成本分別為:現行碧流河引水3.5元/m3，城市污水再生水1.11元/m3，海水淡化6元/m3，大洋河調水5元/m3，為市政府決策提供了科學與技術依據。據該規劃，2020年大連城市再生水道總規模達到7×105m3/d，每年可補充2.6×108m3淡水，大大緩解了用水緊張狀況，因此可免除或延緩引大洋河水進入大連工程的實施。同時相對二級處理水排放而言，可相應削減年排海 CODcr 25 550 t、TN 6 400 t、TP 1 300 t，對內河和大連灣沿海海域的水質恢復做出重大貢獻。

4)2005年，承擔中國工程院重大咨詢項目《東北地區水土資源優化配置生態與環境保護和可持續性發展的若干戰略問題研究》的子課題《第二松花江污染防治對策研究》。建議的具體對策如下:a.編制流域水系統健康循環規劃，建立吉林市城市水系統的健康循環，建立長春市城市群間的健康水循環。b.建立水系統健康循環法律法規。c.建立松花江流域水環境與水資源有權威的統籌管理機構。

5)2003年，以《城市水系統健康循環研究》為題，將水環境恢復工作寫入國家中長期科學和技術發展規劃(2006—2020)戰略研究中。在這個課題里，以社會用水健康循環方略為指導思想，指出我國15年內水事活動領域的發展思路:a.由城市點源治理發展為流域城市群間水資源重復和循環利用，恢復流域和城市水環境。b.由開源節流上升為城市水資源健康循環，普及城市污水深度處理，發展城市再生水道，實現污泥、有機垃圾肥料化，充分利用本地水資源。c.末端治理為源頭治理，提倡節制用水和清潔生產，發展節水工業和農業。d.變快速排除城市雨洪為提倡降雨地下滲透、儲存調節，修復雨水水文循環途徑。

制訂的2005—2020年15年內水事活動的總體目標是建立3～5個中、小流域的城市群水資源重復循環利用、社會用水健康循環的示范工程，實現全流域水環境恢復。此戰略思想的出臺意味著我國水環境恢復工作的全面展開。

9 結語

從地球水循環的基本規律出發，尋求人類社會用水循環與自然循環的和諧，指出了水環境恢復與水健康循環的基本途徑和操作體系，形成了系統理論與實踐指南。其特點是:

1)應用了生態學理念與系統科學思想，把人類社會活動放在大自然的系統之中來研究，摒棄了人類超脫于生態系統之上的二元論自然觀。

2)以流域為地理單元，統籌考慮社會用水循環與自然水循環的互動關系，把城鎮群、農業、畜禽養殖業等方面的水事活動統一于流域之中。以循環經濟、可持續發展為指導，建立了流域和城市水系統健康循環的理論與方略體系，并與循環經濟的減量化、再利用、再循環的“3R”原則遙相對應。

3)將水危機的兩個方面——水短缺與水污染統一于水環境恢復課題中，從而一并給與解決。放眼于全流程、著力于污染源的切斷削減、注意污染物源頭分離，將那些本來就是肥源的污染源重新轉化為肥源。

4)重視民眾參與，集全社會的力量以達到水環境的恢復和社會用水的健康循環。