新加坡的水資源開發與保護對上海的啟示

何義亮，陳奕涵，彭穎紅

(上海交通大學，上海 200240)

【項目團隊介紹】何義亮教授長期從事環境工程領域的教學、研究和工程實踐，在國內外富有影響的學術刊物以及國際水質協會年會等重要的國際會議上發表論文百余篇，編撰出版學術專著兩部。作為課題負責人，主持“十一五” 、“十二五”國家科技重大專項《水污染控制與治理》研究課題兩項；作為項目負責人，先后承擔五項國家自然科學基金項目；作為PI，參與新加坡政府 CREATE重大國際合作項目E2S2，并負責環境新生污染物課題研究。團隊研究方向主要包括水污染控制與水環境修復、新生污染物環境行為、功能膜開發與應用。

水資源作為基礎性自然資源和戰略性經濟資源，是經濟社會發展必不可少的條件，其可持續利用關系到國家經濟和社會發展的重大戰略問題。據聯合國《世界城市化前景報告》，全球70億人口中，目前有一半生活在城市，而在城市發展過程中，水資源的開發、利用和管控已然成為城市管制方面的焦點，尤其是針對超大型城市的水資源可持續發展，已經成為全球共同面對的極具挑戰性難題。超大型城市作為區域經濟發展的中心同時也是污染源的中心，是水資源的得益者亦是水污染的受害者。鑒于此，雖然新加坡和上海的急劇發展形勢比較相似，但在水資源和水安全問題上亦有許多異同和挑戰。

1 研究背景

近年來城市工業化和生活排污的多元化，數以百萬種的化學品通過各種途徑進入水環境中，得益于分析技術水平的進步，不斷發現這些進入環境中的部分化學品具有新興污染物(emerging contaminants,ECs)的特征。新興污染物通常是指在環境中使用常規手段未被檢測到，且絕大多數物質未被充分引起關注亦未受到法規規范約束，但有可能進入環境并會導致已知或疑似不良生態和(或)人體健康影響的任何合成或天然化學物質或微生物。其主要特征包括：(1)環境中已經存在但新被檢測到；(2)環境中已經存在但其負效應新被關注； (3)由于新材料的應用而新排入環境的；(4)環境濃度極低但可通過生物富集或食物鏈傳遞；(5)通過直接或間接作用于細胞或基因危害人體健康。現階段主要分類包括大部分持久性有機污染物(POPs)、環境內分泌干擾物(EDCs)、藥品和個人護理品(PPCPs)等，這些物質肆意排放勢必會造成水資源的污染和飲用水風險的提高[1]。

2 研究內容

基于上海交通大學與新加坡國立大學聯合承擔了"超大型城市的能源環境可持續發展方案(E2S2)"項目的研究，自2012年項目開展以來，同步選擇新加坡和上海的代表性水體，分別建立了基于固相萃取技術(SPE)—液相色譜串聯質譜(LC-MS/MS)和氣相色譜串聯質譜(GC-MS/MS)技術在上海—新加坡兩地同步檢測典型新興污染物的方法，連續開展多種涉及到城市水資源和水質安全供應的典型水體，主要包括地表水源、污水處理廠、功能濕地、飲用水等，監測目標物基本覆蓋了工業源、農業源、生活源以及抗生素類等151種典型新興污染物，如圖1所示。研究結果表明無論在新加坡還是在上海地表水源地中，均檢出多種典型的新興污染物，但是溯源解析表明由于土地利用情況和經濟結構不同，上海和新加坡關于新興污染物的賦存特征是不同的，另外也從兩地新興污染物的生物毒性、生物累積到模型預測幾大模塊進行一系列完整的研究，其一系列研究結果可為新興污染物風險控制措施的制定以及污染物處理技術的改進提供重要參考數據。

圖1 上海和新加坡地表水源中典型新興污染物清單Fig.1 List of Typical Emerging Pollutants in Surface Water Sources in Shanghai and in Singapore

2.1 新加坡水資源現狀─“水量型”缺水

新加坡的國土面積(714 km2)僅相當于上海面積的1/9，常住人口超過500萬、約為上海的1/5，但人均水資源量僅為211 m3，不及上海人均水資源(54 000 m3)的1/200，排名世界倒數第二，處于“水量型”缺水嚴重的國家，且國內僅有新加坡河和加冷河兩條細流，缺乏天然的蓄水層[2]。為解決這一關乎國家生存和發展的重大問題，新加坡政府把水資源保障視作國家的戰略，提出四大“國家水喉”計劃，除了通過與馬來西亞直接購買進口水以外，天然降水、新生水和淡化海水多管齊下的辦法則是新加坡未來獨立實現水資源的供需平衡和可持續利用的有力保障，如圖2所示[3]。

圖2 新加坡水資源循環示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Water Resource Cycle in Singapore

2.1.1 高效開發雨水資源

新加坡地理位置鄰近赤道，雨量充沛且降雨密度高(年降雨量在2 400 mm左右)，但持續時間短，分布面積較小。為此，新加坡政府充分利用一切水塘、河道，耗巨資建立現化化、高標準的雨水收集系統和雨污分流系統，雨水收集區域如同一個巨大的海綿有效地散布在這個城市花園國家，可以將80%～90%的降雨量轉化為飲用水，解決當地居民30%以上的用水需求[4]。

2.1.2 廢水循環利用

新加坡作為周圍是海的島國，不管是生活污水還是工業廢水都可以排向大海，但這樣可能會為其環境帶來負面影響。基于多方面考慮采用微過濾系統和其他形式的組合過濾技術來處理生產生活過程中產生的廢水，可以達到非飲用水的使用標準，同時將處理后的部分新生水與水庫水融合，再經過自來水廠處理，即可供人飲用[2]。

2.1.3 海水淡化

新加坡與馬來西亞的購水協議將至2061年到期，擴大海水淡化處理能力是解決新加坡水源實現自給的一個重要決定因素，至少要能夠滿足未來30%的用水需求。因此新加坡從1998年開始實施“向海水要淡水”計劃，已成為新加坡爭取水源自給的一個戰略目標，即使現階段海水淡化的成本依然很高，但是新加坡看準的則是未來全球淡水危機的趨勢，希望在這一領域成為行業領先者[5]。

2.2 上海水資源現狀─“水質型”缺水

上海市位于長江三角洲和太湖流域下游，東瀕東海，南臨杭州灣，僅從地理位置上看，上海市內和周邊地區都不缺水，但現在上海缺乏的正是可供利用的水資源，整體呈現出“水質型”缺水的現狀。上海市地表水污染現階段仍屬綜合有機污染型，主要包括氟、氮、總磷、石油類、化學耗氧量等，市區多條支流水質指標劣于地表水五類水質標準，郊區多條支流可達到地表水四類或者劣四類水質標準。近年來，由于上海人口持續走高和工業經濟轉型，生活污水已超過工業廢水的排放量，成為上海城市水質惡化的“元兇”[6]，其中大部分生活污水未經有效處理就直接排放，嚴重污染上海的水環境，甚至已經涉及到長江口。

隨著上海市城市總體規劃(2016年～2040年)編制工作的推進，規劃中提出建設與“全球城市”相適應的“水安全保障更可靠、水資源供給更優質、水環境治理更生態、水管理服務更智慧”的現代水務保障體系[7]。2016年底伴隨黃浦江上游水源地工程通水，陳行、青草沙、東風西沙、金澤水庫四大水源地逐漸構建完畢，四大水源地已全部落成，“兩江并舉、多源互補、多庫聯動”的原水供應格局得到進一步的完善，每天承擔上海市近1 800萬m3的原水保障，不僅保障了城市巨大的原水水量需求，還改善了上海的原水水質，階段性地解決了城市發展對原水供應的基礎需求，已成為保障城市安全的重要基石[8]。然而，當前上海在步向特大型城市過程中不可避免地迎來了環境污染和生態破壞等諸多社會矛盾及潛在風險，無論從有效水量或是水質水平上，上海的水資源供應依然不能令人高枕無憂。(1)上海在地理位置上處于長江流域和太湖流域下游，受上游過水、徑流匯入和排污等不確定因素影響，原水水質復雜多變且難于控制；(2)長江口江心水庫受長江口水勢、海洋、氣候等自然因素影響，枯水期容易形成咸潮現象，由于咸潮形勢多變復雜，且現階段針對其特征規律的研究成效僅僅只能實現短期的預測，考慮到未來全球氣候異常規律變化所帶來的不確定性，因此對咸潮中長期的預警作用仍不容樂觀[9]。雖然目前上海已完成四大水庫水源地的布局，但仍難保證萬無一失，因此，不難引發兩個擔憂和假設：(1)如果未來長江流域受上游污染影響水質下降，作為上海中心城區主要水源地的青草沙水源地如何有效保證高質量的供水水質？(2)現有的四大水源地任一發生突發性水質風險，現有的原水運調系統能否保證原水調配的可靠？ 結論是多水源的原水運調風險和水庫型水源水質控制風險可能會依然存在[7]。

2.3 新加坡用水治水對上海的啟示

綜合新加坡和上海的水資源模式和布局：(1)水源均以地表水源為主，且有效水資源不足；(2)供水水源呈多源和多樣化特征；(3)原水水量水質的聯合調配，多系統互聯互通。尤其是新加坡，以極少的水資源總量支撐高度發達的經濟和城市發展水平，新加坡在城市水資源開發保護、節約利用、宜居城市水環境的管理和建設等方面積累的寶貴經驗，即使對于“水質型”缺水的上海也尤為值得借鑒。

2.3.1 雨水資源的管理

借鑒新加坡的城市雨水收集和利用技術，充分收集、利用建筑物屋頂及道路、廣場等硬化地表匯集的降雨徑流，經收集—輸水—凈水—儲存等方法，利用雨水，為綠化、景觀水體、沖洗甚至是生態用水等提供補給，以達到綜合利用雨水資源和節約用水的目的[10]。鑒于此，新加坡的海綿城市治理理念已進行了十年有余，現階段已經非常成功，可以說，現在新加坡是一塊當之無愧的“大海綿”，目前全島2/3的國土已經建成為城市集水區，可以充分借鑒新加坡海綿城市模式構建富含湖泊、濕地、清潔環境和生態洼地─新上海。

2.3.2 水資源的高效利用

新加坡政府在新生水問題上的處理態度特別值得一提。在超過20 000次全面的測試和分析后，新加坡于2002年將200萬加侖/d(1 000加侖=4.54 m3)的“新生水”加入水庫。至2012年，新生水能滿足30%的總需水量，預計到2060年這一比例將至50%。一方面為了讓公眾從心理上充分接受“新生水”，政府實施密集的宣傳計劃；另一方面，盡管經過充分的安全測試，但是并沒有將新生水直接接入居民家中的水龍頭，而是將新生水注入水庫，再次凈化后輸入居民家中，并持續研究和密切關注新生水飲用的安全和健康問題。這種做法，張弛有度，似一種微妙的平衡藝術，蘊含著管理和決策的智慧。近年來隨著上海常住人口的劇增，水資源的高效利用在民眾中推廣也顯得至關重要，目前新加坡制定了宣傳與教育計劃,舉辦了形式多樣的活動來向公眾宣傳節約用水，通過開放式水源地，節約用水運動、散發節水傳單、播放節水廣告及節水卡通片、舉辦節水展覽及節水內容的互聯網網頁展示等手段來向公眾宣傳節約用水[11]。上海也可以通過多種途徑培養和提高民眾的水資源危機意識和環境保護意識，諸如生活上通過宣傳教育，提高對節水的認識，改變低效率的用水習慣，恰當時候可以向民眾合理開放上海一些水源地，培養飲水思源和呵護母親河活動。同時，工業用水也是上海水資源重要消費渠道，可以通過技術革新或者相應的水費提高促進水的重復利用率。

2.3.3 嚴控源頭水污染

雖然上海已通過立法，制定嚴格的法規文件來確保水源保護和污染源的有效管控，但是在很多細節把控和實際行動方面新加坡做得更加出色。新家坡高度重視水資源管理立法，先后制訂了《水源污染管理及排水法》、《制造業排放污水條例》等一系列法律法規，建立了一套嚴格的執法機制和程序，以及有效的監管體系，減少了水污染事件和水資源浪費的發生。在集水區實行了嚴格的控制污染措施，例如：在蓄水池的周圍建立綠化帶，所有建筑物配置現代化的衛生設備，雨污水實現完全分流，給所有住宅區的排水溝渠加蓋，更新垃圾收集中心及垃圾槽的設計，減少污水的泄漏等。對沿岸河道實行嚴格管理，嚴控所有入河污染源，要求工業、生活污水100%達標排放，否則施以極為嚴厲的罰款；對河道進行定期的維護和生態治理，河道水面兩側岸堤復合生態固化減少水土沖刷，水面上消落區建立生態走廊，既成為城市花園的風景線，也有效減少了不必要陸源輸入。自2016年底上海市實行河長制以來，已確保至2017 年底，全市中小河道基本消除黑臭，且水域面積只增不減，特別是郊區和城鄉結合部的水環境質量[12]。相信這些都可以作為上海整治“黑臭”水體的案例研究和決心提供支撐。

2.3.4 向海水要淡水

現階段新加坡兩座以反向滲透膜科技為主的海水淡化廠制造的水量足以應付全國1/4 的淡水需求[5]，雖然上海現階段不需要像新加坡一樣依賴于海水淡化，但是上海作為中國最大的都市和科技智慧型城市，在迎接未來淡水資源供需矛盾這個巨大挑戰時，必須現在就要承擔起未來的歷史責任。同時，海水淡化作為一個技術密集型和資本密集型產業，也是符合當下上海經濟轉型所追求的質量GDP 的內涵式發展道路[13]。

2.4 建立典型新興污染物數據庫

新興污染物在水體中管控和風險評估是E2S2的主要聚焦內容之一。通過本項目連續多年的溯源解析和模型構建，已經證實集水區內沿岸農業區域、污水處理廠和城市高度密集區是新興污染物的主要來源，因此地表水中新興污染物管控則主要在于源頭減排或者減少污染源頭向水環境中的直接排放。通過項目的清單調查和試驗研究，已經初步建立了上海和新加坡典型新興污染物數據庫，并且借助大數據處理和云計算手段，系統研究了水環境中新生污染物風險管控等核心技術，并分別在新加坡和上海的代表性區域和水體進行了實證性研究。目前研究成果已經在新加坡得到應用，實現了覆蓋新加坡70%以上水體的水質安全預警性監控，世界衛生組織(WHO)專家實地考察并將此列入國家案例，如圖3所示。上海作為全球代表性超大城市，也期待可以在上海超大城市水源管控方面帶來幫助，最終能使上海市水源地水質安全可持續發展水平與世界先進城市同步。

圖3 大數據處理和云計算手段用于新加坡Marina水庫中水質風險管控Fig.3 Big Data Processing and Cloud Computing Means for Water Quality Risk Management in Marina Reservoir,Singapore

3 研究展望

現時期，終究礙于新興污染物的排放控制標準和環境質量仍處于空白階段，更沒有相關法律和國際公約約束，目前僅僅停留在科學研究階段，亦未被政府和社會公眾充分重視。尤其是飲用水中一定濃度的抗生素以及其他個人生活護理品的殘留，另外環境中泛濫傳播的耐藥細菌已經使飲用水中發現大量的耐藥基因。也許，這些物質短時間內并未給人們帶來生理上的感知性傷害，但是長期的慢性健康風險絕不容忽視，強烈建議開展以下對策。

3.1 環境新興污染物風險評價流程與體系構建

新興污染物在環境中具有低劑量、長期賦存的特點。隨著新興污染物在環境中的檢出，對其在生物體內的累積、食物鏈傳遞及毒性效應等的研究越來越受到關注。然而，傳統的毒性評價方法集中在新興污染物作用末端點上對生物致死率、生殖影響、生長障礙以及行為等的影響，新興污染物作用濃度高，往往采用遠高于環境中實際存在的濃度，因而并不能真實反映新興污染物在低濃度長期暴露條件下的生物效應，尤其是忽視了其可能對于受試生物體產生的hormesis效應，因而不能對新生污染物的毒理學效應做出全面、客觀的評價。美國環保署(Environmental Protection Agency,EPA)在評估有毒物質的致癌性時，將hormesis 效應納入參考范圍，對化學物質在低劑量下風險評價給予了廣泛關注。

美國EPA總結了20多個用于生態風險評價的方法，推薦生態風險評價由4部分構成，即受體評價、暴露評價、危害評價和風險表征。基于前期研究，我們已經獲取了各類新興污染物在水環境中的賦存狀態和濃度。對于這些新興污染物的生態風險評價，首先，我們并不局限于傳統的毒性研究，而是結合這些物質的理化性質、生物降解力、毒性劑量效用等基本性質，建立檢測區域水平的生態風險評價，進一步建立新興污染物在環境中的遷移及分布模型。同時，針對新生污染物低劑量賦存的特點，我們將利用組學技術，包括基因組、蛋白組、轉錄組和代謝組，通過生物信息學，分析檢測受試生物在低劑量暴露條件下分子水平的變化標志物，揭示出新興污染物對于生態的影響，同時通過這些生物標志物建立早期預警的管控體系。

3.2 優先控制新興污染物名單建立流程與規范化管理

建立水樣中未知化學物以及微生物的定性分析方法，選取各地代表性水樣進行定性分析，獲得水中可能存在的新興污染物。匯總地表水，尤其是飲用水中大量檢出的污染物，建立其在水中的定量檢測方法進行短期監測。從檢出的污染物中篩選出檢出頻率和濃度較高，且可能給人類和生態健康帶來不良效應的污染物列入新興污染物名單初稿。接下來，將初稿上的污染物通過相應軟件或工作進行分類，并通過相應專家組進行評估，評估主要根據污染物毒性效應的嚴重等級、潛在危害性、污染物檢出普遍性、檢出大小、污染物的穩定性以及遷移能力建立危害評分體系，確立最終的新興污染物候選名。同時，該候選名單需要根據每年開展的水樣分析以及專家評估，進行定期更新。

根據建立的新興污染物候選名單，每年從中至少選取5種或以上的污染物，進行深入新型低劑量毒理效應或是健康效應研究，依據研究成果幫助判定已選取的污染物是否具有不良健康效應以及達到此效應的濃度水平；環境監測部門對候選名單上的污染物進行較為長期廣泛的監測分析工作，通過監測結果幫助判定已選取的污染物是否在公眾暴露的地表水中大量檢出；同時開展并收集已有的水處理技術對已選取污染物的去除效果，以幫助判定是否通過削減技術有效降低污染物產生的健康危害。最終，綜合以上三方面的判定結果，由專家組判定該污染物是否進行控制以及其控制優先級。

總的來說，時刻面對超大城市發展所帶來更多新興污染物的急速涌現，現階段我們所呈現出的研究仍然是不足的。建議和期待未來可進一步借助計算機輔助軟件和環境大數據平臺，建立更加可靠的方法來篩選優先研究、控制和管理的新興污染物。

3.3 新興污染物最佳實用控制技術研發

常規污水處理工藝未考慮對新興污染物的去除，大量的研究結果也表明常規水處理工藝不能有效去除新興污染物，使得它們最終出現在受納水體或飲用水中。新興污染物在天然水體中的濃度很低，但它具有潛在的毒性和風險；另外，隨著越來越多的新興污染物肆意地進入水體，這種毒性和風險會加大。城市污水處理廠已經成為大城市水環境污染源的重要排放源，亟需開展城市污水中關于典型新興污染物以及其降解產物的去除技術和工藝研發，在提高新興污染物去除和降解的同時，不生成危害性更高的降解產物而進入末端出水中，嚴控城市污水處理廠成為二次新興污染物的污染源。因此，對常規的水處理工藝進行強化或引入一些深度處理技術，針對性地去除新興污染物，盡可能地減輕和降低對人體健康和生態環境的潛在威脅，還是極其必要的。

飲用水處理工藝中，深度處理技術可在最大程度上去除新興污染物，但不可避免地會增加生活用水的成本。目前，技術上對于新興污染物的去除方法主要有臭氧-(生物)活性炭吸附、膜過濾和高級氧化法等。由于新興污染物種類繁多、在分子結構和物化性質方面相差較大，目前仍需要開展大量的研究，明確各種新興污染物在單一技術和組合工藝中的遷移轉化以及工藝協同去除機制，尤其要關注中間產物的生成問題，從而全面、有效地應對新興污染物給飲用水帶來的安全隱患。但是現階段諸多技術面臨著“技術可行”而“經濟不可行”的瓶頸問題，因此綜合考慮，建議上海應逐步推廣“分質供水”計劃，新加坡已經部分施行，即飲用和做飯使用優質深度處理水，洗澡和洗衣服等使用普通自來水，家居拖洗和沖馬桶使用新生水等，從而真正做到“技術可行”和“經濟可行”的相對統一，真真切切地為上海民生的飲用水安全和健康問題提供實際有效的保障。

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