國(guó)外再生水資源在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用及啟示

林 慧，劉 達(dá)，黃本勝，洪昌紅，邱 靜，邱頌曦，王 珍

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635；3.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635)

1 概述

水資源短缺是影響全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類(lèi)生活品質(zhì)的重大問(wèn)題之一[1]，世界各國(guó)都面臨著水資源短缺和淡水需求量日益增加的壓力，尤其是人口增長(zhǎng)率高、城市化和工業(yè)化程度高的干旱氣候地區(qū)，地表水資源的開(kāi)發(fā)已經(jīng)達(dá)到最大限度。由于現(xiàn)階段高效用水的迫切需要，許多國(guó)家和地區(qū)把再生水視作一種“二次水源”，以緩解水資源供需矛盾。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，探索和研究再生水用于灌溉，對(duì)保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展意義重大[1]。

目前，再生水農(nóng)業(yè)灌溉已在美國(guó)、以色列、日本等國(guó)家得到廣泛實(shí)踐和推廣，比較而言，我國(guó)再生水灌溉技術(shù)研究及應(yīng)用開(kāi)始較晚[2]。再生水具有總量大、水質(zhì)穩(wěn)定、受季節(jié)和氣候變化影響小的優(yōu)點(diǎn)，但處理后的再生水可能殘留一定量的重金屬及污染物[1]，故科學(xué)高效地利用再生水資源，保障再生水水質(zhì)安全，值得深入的研究和思考[3]。

基于此，本文選取再生水灌溉實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較為豐富的美國(guó)、以色列和日本等國(guó)家，對(duì)這些國(guó)家的再生水利用政策及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較分析，同時(shí)討論了再生水灌溉的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，并提出再生水在農(nóng)業(yè)灌溉中安全高效利用的建議。

2 國(guó)外再生水利用標(biāo)準(zhǔn)與典型應(yīng)用案例分析

2.1 國(guó)外再生水農(nóng)業(yè)回用標(biāo)準(zhǔn)比較

國(guó)外各典型國(guó)家(組織)再生水農(nóng)業(yè)回用的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1所示[2]，從表1中可以看出，各國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)用水的分類(lèi)不盡相同。美國(guó)和歐盟在主要控制指標(biāo)上規(guī)定較多，基本指標(biāo)有5個(gè)：pH值、BOD、TSS/SS、余氯及微生物，除表格數(shù)據(jù)外，歐盟還在COD、DO、UV254、EC、氮磷指標(biāo)、陰陽(yáng)離子等方面有限值要求。美國(guó)和歐盟在pH值規(guī)定上標(biāo)準(zhǔn)大致相同，在6.0～9.5之間；在食用作物標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)上，美國(guó)的要求相比歐盟更加嚴(yán)格，例如BOD指標(biāo)，美國(guó)要求小于等于10 mg/L，歐盟則要求10～20 mg/L；美國(guó)要求糞大腸桿菌不得檢出，歐盟則要求總細(xì)菌數(shù)小于10 000 cfu/mL即可。另外，WHO主要對(duì)微生物指標(biāo)規(guī)定了限值；澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)更加細(xì)致全面，對(duì)pH值和微生物指標(biāo)有相應(yīng)的限值要求；在其他指標(biāo)上，WHO和澳大利亞均沒(méi)有詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)限定。

表1 國(guó)外農(nóng)業(yè)用水回用標(biāo)準(zhǔn)比較(mg/L，pH除外)

2.2 國(guó)外再生水灌溉典型應(yīng)用

本文以美國(guó)、以色列和日本為例，總結(jié)了這些國(guó)家再生水灌溉應(yīng)用現(xiàn)狀及經(jīng)驗(yàn)，以期為我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域再生水的高效利用提供借鑒。

1) 美國(guó)

美國(guó)人均水資源量接近12 000 m3，但某些地區(qū)仍然存在水資源短缺、地下水超采嚴(yán)重等問(wèn)題[4]，故一些地區(qū)較早開(kāi)展了再生水利用的實(shí)踐和探索。如佛羅里達(dá)州在2001年開(kāi)始實(shí)施“水保護(hù)計(jì)劃”，并成立了污水回用工作組，以保障水資源供應(yīng)。

2019年，美國(guó)聯(lián)邦政府開(kāi)始實(shí)施國(guó)家水回用行動(dòng)計(jì)劃，該計(jì)劃包含六大方向的污水收集、再生與回用[5]。目前，美國(guó)每天約有25.36億升的再生廢水用于農(nóng)業(yè)灌溉，典型代表如亞利桑那州；加州的再生水利用率也較高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，加州70%左右的再生水用于農(nóng)業(yè)和城市綠地灌溉[6]。

對(duì)比我國(guó)，水資源短缺加上農(nóng)業(yè)用水粗放一直是制約我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的一大因素，美國(guó)在再生水利用方面的經(jīng)驗(yàn)啟示我們可以通過(guò)系統(tǒng)謀劃，整體布局，全面推進(jìn)污水再生利用，以破解水資源緊缺瓶頸[5]。

2) 以色列

以色列水資源極度匱乏且降水分布十分不均，超過(guò)一半的國(guó)土面積是沙漠，在這種惡劣的自然條件下，以色列通過(guò)修建完善的國(guó)家調(diào)水工程和輸水管網(wǎng)、建立嚴(yán)格的水管理法規(guī)、實(shí)行嚴(yán)密的水資源統(tǒng)一監(jiān)管、設(shè)立專(zhuān)門(mén)的水事糾紛處理機(jī)構(gòu)等一系列措施[7]，充分利用再生水資源，成功解決了缺水、地少和土壤鹽堿化等難題[1]，成為公認(rèn)的“農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)”。

目前，以色列擁有67家大型污水處理廠，針對(duì)污水處理、輸運(yùn)、儲(chǔ)存的技術(shù)及設(shè)施已相當(dāng)完備，污水再生利用水平達(dá)到90%。在灌溉技術(shù)及水質(zhì)安全方面，以色列超過(guò)80%的灌溉面積采用高效滴灌技術(shù)，充分做到“節(jié)流”，形成了農(nóng)業(yè)用水量穩(wěn)定的水資源高效利用格局。

回看我國(guó)北方許多城市，年降水量、人均水資源量也很低，這些地區(qū)應(yīng)學(xué)習(xí)融合以色列先進(jìn)的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)和污水處理技術(shù)，積極開(kāi)發(fā)利用再生水等非常規(guī)水資源[8]，力爭(zhēng)技術(shù)用水、開(kāi)源節(jié)流。

3) 日本

日本水資源總體較為豐富，但由于地形、氣候、自然災(zāi)害頻發(fā)等原因，日本關(guān)東沿海和北九州等地區(qū)存在缺水的問(wèn)題[9]。初期日本的再生水回用以沖廁和景觀利用等為主；隨著城市化導(dǎo)致市區(qū)河流水量急劇減少，再生水成為日本城市河道的重要補(bǔ)給，東京是日本第一個(gè)使用再生水補(bǔ)充干流和恢復(fù)河流水環(huán)境的城市；后來(lái)，再生水的利用逐步拓展至工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)灌溉。以熊本市為例，污水處理廠將再生水排放到附近農(nóng)業(yè)用水渠或農(nóng)用運(yùn)河，也有農(nóng)民自行到污水處理廠取運(yùn)再生水，用于種植蔬菜和水果等。

此外，日本在不同地點(diǎn)，根據(jù)不同情況，采用不同的再生水利用模式，我國(guó)應(yīng)充分吸取日本等國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，分類(lèi)施策、因地制宜，努力構(gòu)建完備的再生水回用基礎(chǔ)設(shè)施體系和健全的管理體系。

3 再生水灌溉的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

再生水回用于農(nóng)業(yè)雖然可以緩解用水壓力，但有可能帶來(lái)一定的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。本文從土壤孔隙率及結(jié)構(gòu)、重金屬污染、新型污染物含量變化等方面分析了再生水灌溉的影響，并對(duì)應(yīng)提出保障灌溉用水安全的對(duì)策。

3.1 土壤孔隙率及結(jié)構(gòu)

李曉娜等[10]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)再生水鹽度較高時(shí)，采用再生水灌溉會(huì)增加土壤容重，降低土壤孔隙度；長(zhǎng)期灌溉方式下土壤孔隙率和鎂含量均發(fā)生明顯變化[11]。

再生水中有機(jī)物比較豐富時(shí)，分解產(chǎn)生的腐殖質(zhì)導(dǎo)致土壤形成團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)[12]，長(zhǎng)期再生水灌溉會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳在耕層顯著增加[13]；當(dāng)再生水的鹽度較高時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間采用再生水灌溉易造成土壤板結(jié)[10]。因此，再生水灌溉農(nóng)田時(shí)需要合理控制灌溉的周期和次數(shù)。

3.2 土壤重金屬污染

目前大多研究表明再生水短期灌溉基本不會(huì)對(duì)土壤及農(nóng)作物帶來(lái)安全隱患[14]，但當(dāng)其他來(lái)源的重金屬負(fù)荷較高時(shí)，要注意定期開(kāi)展土壤污染物檢測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，以降低重金屬累積風(fēng)險(xiǎn)[14]。

此外，對(duì)比滴灌法和犁溝灌溉法兩種不同灌溉方式，可以發(fā)現(xiàn)滴灌法不僅節(jié)省灌溉用水量，還有效減少了土壤中重金屬含量[15]。研究證明[16]再生水滴灌方式下土壤重金屬鎘含量符合標(biāo)準(zhǔn)限值?？梢?jiàn)，選擇合適的灌溉方式具有重要意義。

3.3 新型污染物

近年來(lái)，新型環(huán)境污染物備受關(guān)注[17]。王燕[18]研究發(fā)現(xiàn)工業(yè)源再生水和生活源再生水灌溉土壤中5種鄰苯二甲酸酯(PAEs)的總平均濃度分別是地下水灌溉土壤的2.40倍和3.48倍；但也有研究數(shù)據(jù)表明，再生水灌溉并不會(huì)造成新型污染物的傳播風(fēng)險(xiǎn)[19]。目前來(lái)看，由于新型污染物具有來(lái)源廣泛、風(fēng)險(xiǎn)隱蔽、環(huán)境持久的特點(diǎn)，其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律認(rèn)知還比較淺顯，再生水灌溉過(guò)程中需加強(qiáng)新型污染物種類(lèi)及含量的監(jiān)測(cè)，并制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控方案。

4 我國(guó)再生水灌溉發(fā)展的啟示和建議

在用水總量與強(qiáng)度雙控的背景下，近年來(lái)政府陸續(xù)出臺(tái)一系列法律法規(guī)推動(dòng)再生水利用持續(xù)發(fā)展，再生水在城市中的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大[20]。對(duì)此，針對(duì)再生水農(nóng)業(yè)灌溉的健康發(fā)展，本文提出以下3個(gè)方面的建議：

一是在再生水利用政策及標(biāo)準(zhǔn)方面，需要多部門(mén)協(xié)同配合、明確責(zé)任，制定完善的再生水運(yùn)行管理機(jī)制。伴隨當(dāng)前城市的快速發(fā)展及人們對(duì)食品健康的高度關(guān)注，現(xiàn)有規(guī)定中的水質(zhì)參數(shù)約束存在滯后性，再生水的分類(lèi)應(yīng)更詳細(xì)、水質(zhì)參數(shù)限制更嚴(yán)格。像新加坡NEWater直接處理再生水超過(guò)世衛(wèi)組織飲用水標(biāo)準(zhǔn)水平[21]，雖然這對(duì)絕大多數(shù)只需要滿(mǎn)足一般灌溉和娛樂(lè)活動(dòng)的國(guó)家及地區(qū)來(lái)說(shuō)較難實(shí)現(xiàn)，但反映出新加坡在再生水水質(zhì)上的高標(biāo)準(zhǔn)和高要求。

二是在再生水農(nóng)業(yè)灌溉配套設(shè)施及工藝方面，應(yīng)積極提升再生水灌溉設(shè)備的節(jié)水率。不斷優(yōu)化現(xiàn)有再生水灌溉工藝，降低再生水灌溉可能的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，提升灌溉產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平，積極推進(jìn)滿(mǎn)足再生水長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存及遠(yuǎn)距離輸送等需求的設(shè)施建設(shè)，聚力精準(zhǔn)灌溉、智慧灌溉[22]。

三是在再生水灌溉生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控方面，要結(jié)合再生水水質(zhì)和土壤類(lèi)型開(kāi)展深入分析，對(duì)可能引起土壤性質(zhì)變化的關(guān)鍵因子開(kāi)展定期檢測(cè)和污染評(píng)價(jià)?？紤]到水體中新型污染物在傳統(tǒng)處理工藝下無(wú)法有效去除，應(yīng)積極開(kāi)發(fā)穩(wěn)定高效的水處理技術(shù)，并通過(guò)綜合手段對(duì)再生水灌溉區(qū)的土壤等進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判。

5 總結(jié)與展望

目前，我國(guó)許多城市陸續(xù)開(kāi)展了再生水農(nóng)業(yè)灌溉相關(guān)的科學(xué)研究和工程實(shí)踐[23]，再生水應(yīng)用潛力巨大。我國(guó)再生水灌溉產(chǎn)業(yè)的建設(shè)要因地制宜、系統(tǒng)規(guī)劃，逐步建立起具有中國(guó)特色的再生水灌溉標(biāo)準(zhǔn)體系[24]，保障再生水資源在農(nóng)業(yè)灌溉中的可持續(xù)性應(yīng)用。