建国之后的很长一段时间,自来水并没有得到普及,城市中大部分人口仍以井水、河水、湖水为主要水源,用水量并未超过水资源的更新速率,污染问题也并没有那么突出,水资源与城市发展的关系并不紧张。然而近四十年来,随着改革开放之后城镇化速度加快,工业企业特别是乡镇企业得到迅猛发展,城市人口增加,水源不断被污染同时需求量不断增加,城市与水源的互动更加频繁。
起初城市的发展不断突破水资源的限制。由城市和农业用水共同引起了地下水超采和污染问题,对地下水的重度依赖不再是长久之计。乡镇企业的发展使得原有水源地被污染,虽然各地政府付出了一定努力治理污染,但最终还是让位于经济发展,一批旧水源地不得已被放弃,与此同时,城市通过外调水等方式寻找新水源以继续支撑城市发展。
然而人们发现,外调水并不能解决所有问题,对本地水资源的高效利用也能解决一部分水资源短缺的问题,并且可能更为经济。从21世纪初开始进行节水城市建设,再生水、雨水等非传统水资源的利用逐渐在城市水资源中占据重要位置。但不难发现,相对于南方城市而言,缺水的北方城市在再生水利用方面处于实践前列。相比于再生水而言,雨水季节性相对明显,对于北方地区而言,雨水并不能解决旱季的缺水问题,因此相对于再生水,雨水利用较为边缘化。2012年之后,海绵城市建设推动了雨水利用的发展,同时海绵城市也影响了水资源与城市发展的关系,城市发展应该与水资源相适应的理念逐渐深入人心。
外调水或者说跨流域调水并不是现代社会的专利,春秋战国时期的都江堰、郑国渠、秦朝的灵渠、隋唐时期的京杭大运河都属于跨流域调水,但古代、近现代时期中的改革开发前后其跨流域调水的目的有根本的区别(郑连第 2003)。跨流域调水一般按照航运、灌溉、供水、水电开发、综合开发、除害可以分为6类(刘树坤 2004),古代跨流域调水工程的目的以农业灌溉(都江堰、郑国渠)和航运(灵渠、京杭大运河)为主(郑连第 2003),而近现代改革开放之前的跨流域调水以灌溉为主(江苏省江水北调工程)(郑连第 2003),改革开放之后,由于城镇化进程的加快,城市所在地本身的水资源不足以支撑城市的发展,因此改革开放之后的跨流域调水以供水为主要目的,同时随着技术的进步,逐渐可以支撑更大型的调水工程,对于南水北调而言,就是一项包含了供水的综合开发工程。
目前国内以供水为主要目的跨流域调水主要包括:东深供水工程(向香港、深圳供水,1965年)、引滦入津(向天津供水,1983)、引滦入唐(向唐山供水,1984)、引黄济青(主要向青岛供水,1989)、引黄入卫(向河北供水,1995)、引碧入连(向大连供水,1997)、富尔江引水(向辽宁中西部供水,1999)、引松入长(向长春市供水,1999)、引黄入晋(向山西供水,2002)、引黄调水(向胶东半岛供水,2004)、西江引水(向广州市供水,2010)以及包含供水的南水北调综合性调水工程(沈佩君, 邵东国 et al. 1995, 郑连第 2003, 水利部南水北调规划设计管理局 2012)。可以看出,上个世纪80年代开始进入了城市外调水建设的高峰,这与当时北方城市所面临的水资源状况不无关系。
以天津为例,海河贯穿天津而过,在上个世纪50年代,天津水资源管理所面临最大的问题是防洪排涝,并非水资源短缺的问题。在1981年之前,天津供水依赖于北京密云水库。北京密云水库同时向北京、天津以及河北供水,北京除密云水库之外,另一主要水源地为官厅水库。而上个世纪70年代-90年代,官厅水库被流域内企业排污污染,虽然几经治理却又反复,于90年代最终退出了北京市供水系统,这一时期内北京市对密云水库的依赖程度增加,但密云水库的水却在减少。密云水库在70年代末相比于上个世纪50年代而言,入库流量减少了近60%,这一方面是因为70年代末80年代初气候干旱,另一方面是水库上游流域经济快速发展,用水量增加,同时修建了水库、引水等工程,导致密云水库的入库流量减少(北京市政协文史和学习委员会 2013)。
而1980年和1981年,华北大旱,起初1980年遭受干旱又无长远供水计划,导致1981年再遇干旱时,为维持供水动用死库容,密云水库达到历史最低水平,当年汛期补水量不足,引发了北京以及周边地区的供水危机,北京及其周边地区也正式迈入缺水阶段。为了保障首都的供水,密云水库停止向河北和天津供水,此时天津只能暂时依靠地下水,同时修建引水工程(北京市政协文史和学习委员会 2013)。密云水库停止供水时,天津存水量严重不足,只能按计划停产,天津地下水的水质“又苦又涩”(成建国 2001),水资源严重影响了天津的生产生活。因此在密云水库停止供水不到两年的时间里,引滦入津工程就已经竣工投入使用,竣工之日天津市市政府还向市民发放茶叶,以品茶新水源的甘甜(成建国 2001)。引滦入津工程说明在当时,调水是解决本地用水的最好出路。
起初的调水工程距离相对较短,例如上述调水工程中,从黄河引水较多,但随着用水量的增加,黄河水量也在减少,断流次数和天数增加,从20世纪60年代到80年代,黄河的入海径流量就减少了一半,由于北方诸多引水工程将黄河作为水源地,许多引水工程会陷入虽然有充足的运输能力,但是没有充足水可调的困境(张杰 2006),根本原因是北方总体上是缺水的同时引水工程缺乏宏观上的规划。而随着南水北调工程的实施,这种情况一定程度上可以得到缓解。
南水北调工程跨度较大,除满足城市供水、灌溉之外,还可以作为生态和绿化之用。对于南水北调和本地水的关系上,政府层面主导“三先三后”的理念,即“先节水后调水、先治污后通水、先环保后用水”,这样一定程度上可以避免外调水的资源浪费。而南水北调通水之后,各个用途之间也存在一定的冲突,2015年之后,采用“喝、存、补”的用水策略,即调水优先保证供水。
目前外调水解决本地供水层面上仍存在很多问题和争议。从管理上来水,调出区和调入区可能存在一定的用水纠纷(王蜀南 and 曾道先 1989, 张杰 2006),在干旱年也有可能陷入无水可调的困境,同时外调水本身的经济性并不高。由于以外调水维持本地供水,因此外调水有一定的公益属性,外调水的成本一定上要由政府补贴,但这个补贴往往很高。引黄入晋工程2003年引水成本高达6.98元/m³,经过水厂和管网到达用户的成本为9.5元/m³,而卖给用户的价格却是2.5元/m³,其中的差价要由政府买单。为了维持引水工程的运转,山西省从电力和煤炭行业征收水资源补偿费用于补贴(张杰 2006)。对于长距离外调水而言,沿线的水质污染也是有一个重要问题,例如东深供水工程起始点水质保持在I-II类,而达到深圳水库是已经是劣V类,2000年东深供水工程不得已加以改造,将输水管线替换成全封闭输水管道(张杰 2006),引滦入津也曾因为沿线水质污染陷入困境(戴先任 2013)。
从截止到目前的管理实践来看,外调水并不是解决城市供水短缺一劳永逸的方案,外调水的解决方案也陷入一定困境(仇保兴 2013)。近年来城市规划管理思路上也逐渐开始转变,并不能因为城市的发展而无节制调水,更应该“以水定城”,根据城市自身的资源条件制定相应的规划。同时在外调水之外,也逐渐更多地对现有水源进行保护,同时尽可能地开发、利用非传统水资源,达到水资源最大化利用的目的。
改革开放前后,饮用水水源地的保护有根本的不同,其中的原因和用水结构或者说自来水的普及有关。改革开放之前的很长一段时间,虽然不少城市建立了自来水厂,但是自来水的供水范围有限(梁志平 2010),城市中相当一部分居民仍旧以井水、河水、湖水等为主要水源(赵素莲 2002, 梁志平 2010)。在这一时期,工业污染并不严重,对水源的保护与饮水健康息息相关(赵素莲 2002, 梁志平 2010),通常称为饮用水改良(改水),在建国之后主要表现为“爱国卫生运动”以及“血吸虫病防治”的工作之一。
到1981年,虽然全国供水普及率只有53.7%(城市建设统计年鉴,2016),但在北京、上海等城市,集中式供水以及得到普及(梁志平 2010, 杜丽红 2011),同时工业特别是乡镇企业的发展使得水源地遭受了不同程度的污染,集中式饮用水水源地保护逐渐进入管理视野。
从20世纪70年代开始,国内就已经在立法上采取行动保护饮用水水源。在1979年的《中华人民共和国环保法(试行)》中就已经规定“严格保护饮用水源”(修长昆 2015),但是到80年代中叶,对饮用水水源的保护停留在宏观概念上,更多地关注饮用水的水质标准的制定。80年代中叶之后到20世纪初,法律上开始注重水源地的保护,《水污染防治法》中规定“将城市水源纳入城市建设规划”、对饮用水水源地保护区实行分级别管理,一定程度上促进了饮用水水源地的保护(修长昆 2015)。
但是20世纪70年代到21世纪初的饮用水水源地的保护往往为经济发展让步,污染与治理交叉反复,导致城市放弃原有水源的治理,转而求助于寻找新水源甚至是外调水。
仍以北京市官厅水库为例,上面提及,在20世纪70年代,官厅水库和密云水库一起,是北京两大水源地,70年代开始,官厅水库上游的洋河流域经济和城市发展迅速,建立了一批工厂,1972年爆发了严重的污染,水库水浇地之后出现了庄家枯萎和大片果树死亡(北京市政协文史和学习委员会 2013),随即国务院批准启动了国家第一个城市饮用水防治项目对官厅水库加以保护(修长昆 2015)。经过三年的治理,官厅水库恢复到了饮用水水源地标准,但70年代末80年代初的乡镇企业发展使得官厅水库水质再次恶化,其水质已经明显与密云水库不在一个等级,到了80年代中期,水质继续恶化,自来水厂不得己采取了强化过滤措施,但到了90年代已经到了不可挽回的地步,及至1997年北京市实施东水西调工程密云水库供水范围覆盖至北京全市,官厅水库正式推出供水系统(北京市政协文史和学习委员会 2013)。
相似的事情同样发生在上海。1870年上海筹建自来水厂,经过全面水质调查后,将自来水厂设置在了水质合格的黄浦江中下游以及苏州河边,到1930年左右,由于市区人口增加,污染排放增加,苏州河已经不宜作为饮用水源地,而建国之后运动促进了钢铁、炼焦、煤气等工业发展,1960年以后,黄浦江部分已经出现季节性黑臭,鱼虾绝迹,而到了1990年,黄浦江干流黑臭天数已经达到100天以上,为此上海市新建了黄浦江上游引水工程和长江新水源工程,以新水源应对供水问题(罗世钰 2005)。
对于其他城市而言,虽然有后发优势,但是仍然没有避免走原有水源地污染转而寻找新水源的道路。例如湖北宜昌当阳市90年代由于乡镇企业发展,于2000年也起用了新水源(施远成 and 朱贤爱 2007)。但也有部分城市经过治理坚守住了原有的水源,比如江苏连云港市在乡镇企业、网箱养殖、上游污染等压力下于过去40年维持住了蔷薇河饮用水水源地,但面对供水风险的增加,也起用了应急水源地的建设(封士丽 and 徐家平 2009)。
从上述城市饮用水水源地保护的流程可以看出,虽然在原有水源地遭受污染之后,经历了一定的治理,但是治理措施并没有完全挽回水质恶化的趋势,城市转而求诸于新水源的建设。这一方面是由于经济发展污染排放增加,另外一方面也与最开始选址水源地时距离城区太近不无关系(例如上海黄浦江中下游、昆明翠湖等等),而随着城市的发展,这些水源地成为城市的腹地,污染也在所难免。
而2007年太湖蓝藻爆发引起的供水危机促使饮用水水源地保护进入了另一阶段。在1980年以前,太湖水质已经受到了一定的污染,但是总体比较好,很少有蓝藻爆发。在80年代中后期,太湖水质呈现出恶化趋势,即使如此,在2007年以前,污染也只是集中在梅梁湖、五里湖和竺山湖部分湖区,而2007年则是全湖水质全线变坏(吴月芽 and 张根福 2014),无锡贡湖水源地出现了从水面到湖底通体稠黑的“黑水团”(无锡市人民政府新闻办公室 2008),引发供水危机。在2007年,自来水供水覆盖率与80年代90年代已经有了根本区别,达到了93.83%(城市建设统计年鉴,2016),这意味着水源地保护所涉及到的群众利益覆盖面更广。而此次的太湖蓝藻事件不仅仅使得无锡市采取多项紧急措施保障供水,也加强了取水口的保护、处理工艺的提升以及寻求开辟第二水源(无锡市人民政府新闻办公室 2008),同时让饮用水水源地的保护得到了空前的重视。
2008年《水污染防治法》提出优先保护饮用水水源,2010年,环境保护部会国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部、水利部和卫生部印发了《全国城市饮用水水源地环境保护规划(2008-2020)》,这是国内第一部饮用水水源地环境保护规划,明确了各地饮用水水源地的环境保护和污染防治工作。2014年环境保护部、国家发展与改革委员会和财政部印发了《水质较好湖泊生态环境保护总体规划(2013-2020)》体现了政府层面除污染型治理也逐渐开展预防型管理工作,一定程度上促进了饮用水水源地保护的发展。2015年国务院印发的《水污染防治行动计划》(简称水十条)中要求“开展饮用水水源规范化建设,依法清理饮用水水源保护区内违法建筑和排污口”,使得饮用水水源地保护有了明确的指导。
与此同时,由于饮用水水源地保护区的划定和相应排污源的治理,一定程度上对保护区内原住民的经济社会发展造成了限制,因此饮用水水源地保护区内生态补偿问题甚至是移民问题也成为了饮用水水源地保护中的一项重要工作。
总体来说,经历了20世纪80年代到21世纪初一轮水源地污染到新水源的开发历程以及一系列的水源地污染事件,国内逐渐意识到水源地保护的重要性,也建立了体系化和规范化的水源地保护措施,PG游戏 PG电子 APP水源地保护逐渐迈入正轨,在曲折中前进。
很长时间以来,地下水是北方居民稳定的生活用水水源。在20世纪70年代以前,北方的地下水位很高,有多处泉水喷出,北京诸多地名(万泉河路、玉泉山、王府井等等)都还留有当年北京使用泉水和地下水的印记(王丽亚 2014),即使是在民国时期,虽然北京有了自来水厂,但是尚未大规模普及,自来水厂的供给范围仅限于一部分上层阶级,北京仍旧存在贩水夫以贩卖优良的地下水为生(杜丽红 2011)。
而近40年来国内地下水超采是由三个因素造成的,即城市生活用水和农业用水的增加以及地下水补给的减少。由于使用地下水作为生活用水水源是一项历史传统,北方诸多自来水厂在上个世纪80年代以地下水为水源,在20世纪80年代,北京市以地下水为水源的供水厂就有7座(北京市政协文史和学习委员会 2013)。2002年,北京市供水综合生产能力达到1275.54万立方米/天,其中地下水贡献了1018.54万立方米/天,到了2016年,北京市供水综合生产能力达到2452.45万立方米/天,其中地下水贡献了2145.81万立方米/天(城市建设统计年鉴,2002,2016),这说明长时间以来,城市生活用水给地下水的利用带来了很大压力。
同时,从上个世纪80年代至今,农业地下水利用也进入了一个新的时期。在80年代以前,农业灌溉的以砖井为主,此时利用地下水资源一方面解决了灌溉水源问题另一方面由于地下水位的下降,解决了土地盐碱化的问题(徐卫东, 景智明 et al. 1999, 严德美 2001, 任建会 2008, 张建军, 王京伟 et al. 2012, 张学礼 2018)。80年代以后,虽然前期开采导致地下水位有所下降,但由于技术进步以及包产到户生产积极性的提高,机井得到推广同时地下水资源被进一步开采利用(李文安 1989, 严德美 2001, 任建会 2008, 张建军, 王京伟 et al. 2012, 王丽亚 2014, 张学礼 2018)。此时农业灌溉用水在地下水开采总量中占优绝对地位,以河北省某县为例,1979年86.94%开采的地下水用于农业,而导致这一现象的原因也包括农业灌溉的用水效率不高。地下水确实也为农业做出了一定的贡献。例如1979年8-9月份比常年降雨量减少70%,石家庄地区机井发挥了充分作用使得全区单产创历史新高(张学礼 2018),历史上地下水利用量与降雨量也存在着明显的相关性(王丽亚 2014)。
与此同时,在这一时期,各个区域新建了诸多水库等水工设施,加大了对地表水的利用强度,导致了河流水量减少甚至断流,一定程度上减少了地下水的补给(张学礼 2018)。
由于地下水资源本质上是一个公共资源,如果没有统一的规划和管理,很容易造成公共资源的过度消耗,从而导致公共资源的退化,事实上,虽然部分地区采取了地下水开采管理的措施,但是并没有阻止地下水超采的发生,反而从上个世纪80年代以来,地下水进入了持续性且几乎不可逆转的超采阶段(王丽亚 2014)。20世纪70年代末80年代初,北京市统计有泉1264处,但90年代末,由于地下水位下降,这些泉已经基本枯竭(北京市政协文史和学习委员会 2013)。根据《全国地下水污染防治规划(2011-2020年)》,2009年,全国共检测地下水降落漏斗240个,其中华北平原东部降落漏斗达7万多平方公里,是世界上最大的地下水降落漏斗区,部分城市地下水位累计下降30-50米,局地区域甚至超过了100米,大批水井废弃(张学礼 2018)。
而地下水位下降的同时,地下水质量也不容乐观,由于 40年来工业企业的快速发展,违法排污现象比较严重,甚至将污水直接注入地下水层,导致地下水被严重污染,根据《2017年中国生态环境状况公报》,66.6%全国地下水水质监测点位属于较差级或者极差级,而作为饮用水源的地下水水源达标率为85.1%,总体上劣于地表水。
在意识到地下水水资源的严重情况之后,诸多城市开展措施减少对地下水的依赖,例如推行农业节水、再生水利用、加强地下水资源开采管理、实施地下水回灌等等(张院, 孙颖 et al. 2013)。但是由于北方普遍缺水,南水北调工程通水之后才会有效降低其对于地下水的依赖(生态环境部 2018, 生态环境部 2018),依靠外调水似乎成为解决北方地下水环境恶化的关键手段。未来海绵城市的推广实施、雨水利用的增强以及再生水回用量的增加(包括使用再生水回灌地下水)都会一定程度上缓解地下水水资源问题的严重性,而城市发展也逐渐意识到水资源特别是地下水资源的有限性,逐渐接受了根据自然资源制定城市发展战略的思想。
城市用水包含了传统的地表水、地下水开采,也逐渐开辟了跨流域调水利用、城市再生水利用以及雨水利用等方式,这些新型水资源的利用方式都是和城镇化进程、社会经济以及技术发展密切相关的,对于城市再生水的使用而言,尤为典型。
一般来说,再生水所涵盖的内容比较广泛,比如雨水的利用、海水的利用都可以认为是属于再生水的范围之内(余麟 2008)。但是当我们说城市再生水的时候,实际上指的是水质介于自来水和污水之间的水,也就是中水。国内城市再生水技术最早受到日本的影响,中文里中水这个词来源于日本,在日本把自来水称为上水,污水称为下水,城市再生水称之为中水(余麟 2008)。所以城市再生水实际上就是指资源化的污水,也就是对污水的循环利用。其实对工业界而言,工艺内部的水资源循环利用也可以看成是水循环利用的一部分,但是往往这些水的利用非常有行业的特点,每个行业每个工艺可能也有所不同,所以当我们谈论城市再生水利用的时候,一般是在说城市生活污水的循环利用。
和美国、欧洲、日本等国家利用城市再生水的历程类似,国内也经历了一个从直接利用污水灌溉到污水处理厂大规模建设继而利用污水处理厂深度处理之后的城市再生水这样的历程。
早在建国初期,全国仅有几个城市建立了近十座污水处理厂,处理规模仅有几千方每天,最大也仅为5万方每天(郭卫华 2009)。就这些仅有的这些污水处理厂而言,处理工艺比较也原始,以一级处理为主,也就是说主要是去除污水中的颗粒态物质,相对于目前广泛使用的活性污泥法,当时的工艺对于污水中溶解的氮磷等营养物质达不到有效的去除,所以当时污水直接排放反而会造成一定污染。
与此同时,国内工农业生产刚刚起步,工业废水占城市污水的比重比较低,此时城市污水中重金属离子含量较少,也不存在目前重金属污染土壤的问题。从需求上来说,建国初期化肥工业极不发达,农业种植的养分来源得不到保证,城市生活污水反而为农田提供了一个很好的养分来源(王玫 and 杜小玲 2000),加之国内水资源分布极不平衡,特别是北方缺水城市来说,污水反而是一个很好的水源。所以在20世纪50年代60年代,国家层面上提倡利用污水进行灌溉,虽然用于灌溉的污水是未经处理或者仅仅经过初步处理的污水(周琛 2004, 余麟 2008, 郭卫华 2009)。
抚沈灌渠就是在这一时期修建的。抚沈灌渠始建于1961年,总投资5000多万,该灌渠流经抚顺和沈阳市的4个区县11个乡镇,主要的目的是引出工业废水以及生活污水,用于农业灌溉,同时能够保护沈阳以及抚顺两市的水源地不被污染(郭卫华 2009)。在北京,当时仅有两座污水处理厂(文爱平 2009),一座是建成于1959年的酒仙桥污水处理厂,设计规模为5000方每天,采用一级是物理沉淀工艺,污水经过沉砂池和沉淀池之后排入坝河。另外一座是高碑店污水处理厂前身的简易污水处理厂,主要处理设施是土沉淀池,设计规模为20-35万方每天,同样采用一级物理沉淀工艺,经过沉砂池和沉淀池处理后排入东南郊灌渠灌溉农田。
然而随着社会经济以及技术的发展,多种因素促使城市再生水利用方式从直接的污水灌溉转移到了对处理之后的污水的利用。
首先,20世纪中后期,特别是改革开发之后,第二产业迅速发展,工业污水排放量逐渐增加,污水中重金属离子以及盐分逐渐升高,污水直接用于回灌或者经过一级处理之后回灌效果并不好。经过污水浇灌的农田达到一定的年限后,容易造成土壤板结(文爱平 2009)。另外污水所引起的病原菌传播问题以及其他健康问题也逐渐被人们所认识。其中最著名的为日本水俣病事件,被列为20世纪世界十大污染事件之一,导致该事件的原因就是氮肥厂的废水含有重金属离子汞,继而造成的水俣病(郭卫华 2009)。
同时,随着20世纪70年代后期至80年代,中国城市化进程迅速加快,而在城市扩张过程中首先并入城市的土地就是农田以及农村。扩张之后,农田在城市的更外围,这意味着如果继续使用污水灌溉,先前的污水灌溉设施需要重新修缮,在更外围的农田意味着新灌渠的修建成本也变高,同时如果采用未深度处理的污水进行浇灌,气味也是一个很大的问题。
对于污水浇灌农田来说,化肥的出现使得其在成本和效果上的优势愈发削弱。1950年左右,以合成氨为基础的化肥工艺逐渐得到推广,现代化肥工艺逐渐成熟。国内化肥生产力经过一段时间的发展也逐渐强大,以纯养分计算,1964年化肥产量是1956年的十倍,1979年化肥产量是1964年的十倍,也就是说,在不到25年的时间里,中国化肥产量已经扩大了100倍,如果以1949年为计算起点,那么20世纪末化肥年产量是1949年的4000多倍(王治国 1989)。同时单位面积化肥施用量从70年代末期出现拐点,进入高速增长阶段。由于化肥相比于污水灌溉而言,其能提供的养分更加充足全面,并且成本低廉,到80年代,农田施肥已经转变为以化肥为主的方式。
同一时期,污水处理工艺的提升为城市再生水利用提供了前提条件。经过一个世纪左右的发展,国外的污水处理工艺逐渐成熟,到20世纪70、80年代,已经出现了现在广泛应用的A/O、A2/O、生物接触氧化、生物膜法以及SBR等工艺,并且国际上已经有比较成熟的应用案例。国内在70年代末80年代初也开始修建使用活性污泥工艺的污水处理厂(例如1981年开始筹建1986年建成修建了国内第一座大规模集中式污水处理厂天津纪庄子污水处理厂采用A2/O工艺(籍国东 and 姜兆春 1999, 郭卫华 2009)),并于1985-1995十年间通过国外政府以及国际金融机构融资,建成了几十座与国际接轨的污水处理厂(郭卫华 2009, 文爱平 2009)。
而对于城市再生水利用本身,美国、日本、德国等相关国家在70年代已经开展了一定的城市再生水回用(朱杰, 付永胜 et al. 2004, 苑宏英, 谷永 et al. 2017),包括1962年美国洛杉矶为计生局就开始使用活性污泥厂经过消毒后的城市再生水用于地下水回灌,经过自然过滤之后作为饮用水源(戴维 塞德拉克 2015)。对于国内北方城市而言,城市化进程的加快更加凸显了缺水问题的严重性(叶乃熹 1987, 孙振华, 程明博 et al. 2013),就集中式城市再生水利用而言,其相比于远距离引水更加经济,基建投资只相当于从30km外引水(马志毅 1997)。因此在多种因素的作用下,对于城市再生水利用方式的转变也提上了日程。
在1981-1985年的“六五”期间,建设部将城市污水回用列入专项科技计划之中,并在大连和青岛开展实验,分别完成了小试和中试,标志着国内现代城市再生水利用的开始(籍国东 and 姜兆春 1999, 郭小琪 2003, 周克钊 and 周水根 2003, 王学超 and 梁士奎 2009)。
在随后的“七五”、“八五”以及“九五”阶段,城市再生水利用的相关问题相继被列入国家科技攻关项目,在这一期间,系统解决了大规模城市再生水利用的一些基础问题,包括城市再生水处理工艺、不同回用对象的技术、经济技术政策、集成化技术以及相关深度处理技术,并同时开展了一系列小试、中试和生产性实验,在大连、太原、天津、泰安、燕山、青岛等等城市开展了工程型实验,为城市再生水利用的全面启动奠定了基础(叶乃熹 1987, 籍国东 and 姜兆春 1999, 郭小琪 2003, 周克钊 and 周水根 2003, 周琛 2004, 王学超 and 梁士奎 2009)。
例如在这一时期,太原化学工业公司由于新建一工程项目,需要增加用水,而当时该厂的生产生活用水主要来源于泉水和深井水,当时由于地下水位下降,泉水已经几乎枯竭,水资源成为生产发展的一个重要制约因素。而在该厂仅4公里远的地方坐落着当时太原市最大的城市污水处理厂,日处理污水量为16万方,利用城市污水处理厂的城市再生水成为一种解决该厂用水问题的可行方案。经过4年左右的小试、中试试验,建成了日处理量为2.4万方的城市再生水处理设备,解决了公司内部生产用水的问题。而工程费用由水厂承担,以低于自来水价格向工厂售水,可在6年左右收回项目成本(贾高雄 1993)。
上述工作为再生水的推广利用奠定了技术基础,城市再生水利用被写入“十五”纲要,标志着城市再生水利用在国内的全面开展(郭小琪 2003, 周克钊 and 周水根 2003, 周琛 2004, 要栋梁 2006, 王学超 and 梁士奎 2009)。这一时期城市再生水利用试点覆盖到更多的城市,国家层面对再生水的使用从“鼓励、激励使用”上升到了“强制使用”(余麟 2008)。而到了“十一五”期间,国家制定了《全国城镇污水处理及再生利用设施建设“十一五”规划》以及《节水型社会建设“十一五”规划》,以此为标志,从2006年,国内城市再生水利用进入了快速增长阶段(如下图)。在《“十二五”全国全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》以及2012年《国务院关于实行最严格元管理制度的意见》中,再生水被纳入水资源统一配置之中,与其他非常规水资源一起,成为了城市水资源的重要组成部分,城市再生水利用进入了稳步增长的阶段。
除了上述污水处理厂处理之后的污水再利用之外,城市再生水利用一般还包括了建筑内利用,并且建筑中水利用相比于城市污水处理厂深度处理之后的城市再生水利用开展得更早(周琛 2004)。在人们日常生活中,不同用途产生的污水水质也是不同的,比如粪便污水相比于洗澡污水而言更脏。建筑内的中水回用一般是洗漱、洗澡等用水经过简单处理后,用于冲厕等非人体接触的用水,达到局地水资源节约的目的。
北京市1987年颁布了《北京市中水设施建设管理试行办法》,该文件中规定建筑面积超过2万平米的饭店、公寓,超过3万平米的机关、院校、大型公共建筑等必须建设中水设施。2001年,北京市发布《关于加强中水设施建设管理工作的通告》,进一步补充规定建筑面积在5万平米以上或者可回收水量在150方每天的居住区和集中住宅区必须建设中水设施。
但建筑中水在实际运行中存在很多问题,在1997年曾统计,北京市良好运行的建筑中水设施只占30%(马志毅 1997)。造成这一现象的原因有很多,首先建筑中水处理成本比较高,很长一段时间里,建筑中水的处理成本还略高于自来水价格(马志毅 1997, 籍国东 and 姜兆春 1999, 苑宏英, 谷永 et al. 2017),一般认为,只有对于生活小区而言人口在万人以上或者中水用水量在750方每天的时候(马志毅 1997, 籍国东 and 姜兆春 1999),才能达到经济规模,而北京市建筑中水的处理规模大多低于这个水平,这使得建筑中水的使用不经济,另外建筑中水还存在水量小、水量不稳定、人力成本高(马志毅 1997, 陈坤 2007, 苑宏英, 谷永 et al. 2017)以及由于管道错接所引起的公共健康风险等其他问题,因此建筑中水利用的前景相较于集中式污水处理厂的城市再生水利用而言,稍不明朗。
经过近40年的发展,国内城市再生水利用呈现出一定的南北差异和地区差异(余麟 2008)。从下图中可以看出,再生水利用量以北方的东部城市为主,其中北京再生水利用量最高,这反映出,一方面北方城市自然条件缺水,发展利用城市再生水的动机更为强烈,其次城市再生水利用需要一定的初始投资,PG游戏 PG电子 APP也依赖于当地的社会经济发展状况。但随着城市化进程的推进,城市需水量将进一步增加,加之对于供水安全以及削减污水处理厂排放污染量等方面综合考虑,将有更多的地区考虑增加城市再生水使用。
2016年,国内全年再生水利用量已经达到452698万立方米(数据来源:2016城市建设统计年鉴),已被主要用于市政道路清扫、绿地灌溉、生态用水、地下水回灌以及生活杂用水、工业用水、农业灌溉(霍健 2011)。但同时注意到,2016年,国内再生水生产能力为2762.4万立方米/天(数据来源:2016城市建设统计年鉴),相当于利用量只占生产能力的44.9%,相比于供水的58.7%以及污水的79.2%而言,这一数字明显偏低。造成这种状况的原因可能是大量的生产能力没有得到有效利用,也可能是生产出来的再生水没有得到有效使用,然而不管是什么原因,都提示再生水的运营、管理以及价格体系优化上还需要进一步提高(籍国东 and 姜兆春 1999, 余麟 2008)。
广义来说雨水是地表水的来源,在现代城市水系统建立以前,直接利用的雨水同井水、河水、泉水等水资源一起,是城市的重要水源之一(戴维 塞德拉克 2015)。但随着现代供水系统(自来水厂、供水管网)的建立,城市逐渐以集中式供水为主要水源,同时由于城市道路硬化,如果没有良好的排水系统,降雨之后排水会成为一个很大的问题(城市内涝),因此现代城市中雨水的所扮演的角色从原始的“供水”转移到了“排水”(董鸿 and 黄珊 2008, 戴维 塞德拉克 2015)。虽然在甘肃、宁夏、新疆等干旱地区,雨水仍然是农村和乡村的重要组成部分(奕永庆 2004, 刘满平 2005, 董鸿 and 黄珊 2008),但是对于城市来说,雨水管理的重心主要在于径流、城市内涝管理。而在此背景下的雨水利用,区分了现代城市的雨水利用与传统的雨水利用。
国内很长时间以来缺乏雨水利用的相关实践。建国之后,国内的城市水系统建设起初以供水为主,在改革开放城镇化进程加速之后,迎来了城市污水处理厂建设的高峰,紧接着由于缺水和污染问题,促进了再生水等替代水资源的利用。对于城市雨洪管理而言,很长一段时间以来仍旧以降雨之后的城市地表径流快速排出为主要的设计目标(杨阳 and 林广思 2015, Xia, Zhang et al. 2017)。
20世纪90年代是国内雨水利用的萌芽阶段。这一阶段受到国外低影响开发(LID)、水敏城市等雨水管理实践的影响,主要由学术界推动在某些局地尺度开展了雨水利用,这一阶段的特点开始摆脱对雨水管理单一排水的模式,开始逐渐思考雨洪管理以及雨水利用,但是仍旧以单个项目为依托,主要是局地尺度的实践(鲍健强 and 叶瑞克 2015, Wang, Mei et al. 2018)。
从2000年到2012年,是国内雨水利用的提升阶段,这一阶段的特征是雨水利用从单一的局地尺度开始整合到城市水资源统一规划和管理之中,而这一整合的推动力是缓解缺水情况。因此,这一时期对雨水利用的关注和再生水是相同的,即缓解城市的缺水情况,建立节水型城市(吴普特 2009, 陈海雄 and 张钰娴 2014, 鲍健强 and 叶瑞克 2015)。例如在2009年出台的《昆明市城市雨水收集利用规定》中明确指出,雨水收集利用设施是节水设施之一。
这一时期典型的项目包括中德合作的双紫园小区雨水利用合作项目,其主要思路是将部分道路建成透水型路面,屋顶和道路雨水分别收集利用,用于灌溉小区绿地。2008年北京奥运会修建的场馆安装了高水平的于洪利用系统,鸟巢钢架构中暗藏了“雨水斗”,国家游泳中心屋顶也有雨水收集系统,这些雨水经过净化之后,用于绿化灌溉和冲厕用水(董鸿 and 黄珊 2008)。
同时在这一阶段学术界关于雨水利用与政策上形成了良好的互动,国内政策上经历了一个由单纯排水到雨水利用再到海绵城市系统管理的过程(宋芳晓 and 张海荣 2016, Wang, Mei et al. 2018)。例如住建部2006年颁布的《节水型城市考核标准》中并没有对雨水利用做出明确规定,而到了2012年,这一标准明确加入了“城市雨水收集利用及防涝”的考核指标,在2018年,相关标准将其升级为“海绵城市”考核标准。
2012年以后,雨水利用成为海绵城市建设的一部分。由于2012年以前,宏观上雨洪管理以快速排水系统建设以及局地雨水利用工程建设为主要特征(鲍健强 and 叶瑞克 2015)。随着城镇化进程中内涝问题不断累积,导致在2010年前后,国内城市内涝问题凸显(刘满平 2005, 杨阳 and 林广思 2015)。例如2007年济南“7·18”暴雨造成30多人死亡,2010年广州“5·7”暴雨造成了上亿元的财产损失,2012年北京“7·12”暴雨造成70多人死亡(杨阳 and 林广思 2015, 俞孔坚, 李迪华 et al. 2015)。
与LID等国外管理方式不同,海绵城市是一种更为系统化的雨洪管理体系,并以此为契机,开启了城市水系统管理方式甚至是城市管理规划方式的反思与变革(Xia, Zhang et al. 2017, Wang, Mei et al. 2018)。
对比LID等设计理念主要包含透水路面、植草沟等源头控制措施(Xia, Zhang et al. 2017),海绵城市注重从源头控制到城市排水系统建设以及末端城市河流等水体建设的各个方面(俞孔坚, 李迪华 et al. 2015)。这有助于改变先前以快速排出为目标的排水系统的建设,转而从系统的城市自然水循环过程考虑雨洪管理,从单个工程转移到对降雨开始产生径流、径流过程到最终收纳水体的全过程设计(“源头减排、过程控制、系统治理”)(宋芳晓 and 张海荣 2016, Xia, Zhang et al. 2017, Wang, Mei et al. 2018),从而使得整个雨洪管理系统更加贴近自然友好的方式(俞孔坚, 李迪华 et al. 2015)。
这一理念甚至影响到了城市管理。随着海绵城市建设理念深入人心,先前以工程为主的方式是强调人可以改变水,而现在海绵城市的设计理念则是人与水相适应,继而城市的发展要与城市的水资源相适应,近年来政策上也注重要“以水定城”,一定程度上也是海绵城市及其理念推广的结果(俞孔坚, 李迪华 et al. 2015, 欧阳如琳, 程哲 et al. 2016)。
因此2012年以后,雨水利用成为海绵城市建设的一部分,虽然海绵城市建设本身并不是以雨水利用为目的的,但是海绵城市的建设一定程度上推动了雨水利用,雨水利用成为海绵城市建设下的一个副产物。截止至2018年10月,国家已经分别于2015年和2016年启动了两批共30个城市的海绵城市的试点工作,试点城市具有一定的多样性,包含了不同经济发展水平、中东西部位置、气候条件等等(Li, Ding et al. 2017)。
虽然诸多报告测算雨水利用潜力很大,但从季节性考虑,雨水利用有很强的不确定性,而气候变化等加剧了这种不确定性。相比于再生水、外调水、地下水以及河流、水库等地表水源而言,雨水利用本身的不确定因素以及管理成本比较高,因此雨水本身的利用可以一定程度上缓解城市的缺水问题,但是参照目前国内再生水等其他水资源的利用潜力,雨水利用本身可能并不会成为水资源利用的主体,而是会随着海绵城市的建设,不断加强。
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