城市流域水資源循環利用與可持續發展規劃概論

城市流域水資源循環利用與可持續發展規劃概論

　　摘要：在當今全球城市化的進程越來越快，城市需水量日漸增加，水污染狀況有增無減，資源型與水質型缺水城市越來越多的情況下，傳統的或現行的城市給水排水專業規劃觀念已不能保證城市流域水資源污染和區域自然水環境遭受破壞。提出城市流域水資源循環利用與可持續發展規劃新概念，目的是要建立起現代城市的給排水規劃理念，為實現節能減排，構建“資源節約型，環境友好型”城市打下基礎。
　　關鍵詞：水資源； 規劃； 給水排水； 循環利用
　　隨著全球城市化的進程，城市需水量日漸增加，水污染狀況有增無減，水量性缺水也逐漸向資源性與水質性缺水轉變。本文提出城市流域水資源循環利用與可持續發展規劃概念，主要是基于對目前現行的城市給水排水專業規劃在規劃理念上一種轉變的探討。
　　傳統的或現行的城市給水排水專業規劃的基本要求是：如何滿足城市生產與生活用水的需求和保證排水快速安全；而城市流域水資源循環利用與可持續發展規劃概念是：除保證城市生產與生活用水的需求和安全外，是將一個城市或一個區域的供水或污水廢水都把它看成是一種資源，而對這種資源進行系統的規劃，使之合理的進行處理與循環利用，達到本區域或本流域的水環境平衡，保持社會經濟的可持續發展，構筑資源節約型，環境友好型城市。
　　1、水資源循環概念
　　水是循環性資源，亦是可以再生的資源。根據其客觀規律和循環的方式，我們可以把它分為自然循環與社會循環。
　　1.1自然水循環
　　水在自然界中以固態、液態、氣態三種方式存在，在水圈、大氣圈、巖石圈、生物圈范圍內處于往復不停的循環運動狀態中。在太陽輻射和地心引力的作用下，水從海洋蒸發變成云（水汽），又以雨、雪等方式降落到地面，部分蒸發，部分滲入地下或匯成地下徑流和地表徑流，最終又回歸大海。水的這種周而復始的循環運動稱為水的自然循環。
　　自然水循環的特點：①自然水循環是一個相對穩定的、而又錯綜復雜的動態系統，不論是大循環還是小循環，都和氣候、土壤、地質地貌和植被條件等自然因素有關。還受到山塘、水庫等人為因素影響。水資源的質與量及其分布狀況是自然歷史發展的產物；②在水的自然循環中，不但存在水量的平衡關系，而且還存在著水質的動態平衡關系，即水質的可再生性。
　　在大自然循環條件下，全球的水量循環是平衡的。據近期資料報道，全球的循環水量為496000Km3。其中，海洋蒸發水量425000 Km3，陸地（包括陸地水面以及土地）蒸發水量71000 Km3；全球水分蒸發水量496000 Km3；海面降雨量385000 Km3，陸地降雨量111000 Km3，全球水分總降雨水量496000 Km3。總降雨水量與總蒸發水量是平衡的。另外，在海域與陸地水量平衡方面，陸地降雨量比陸地蒸發量多40000 Km3，這部分水量即為入海徑流量。海域水面蒸發量比海域水面降雨量多40000 Km3，所損失的水量由入海徑流量補充，同樣形成水量平衡。
　　根據海水、地表水和地下水的儲水量及其循環水量，我們不難估算出各種水體的水量循環關系及其全部交換一次的平均循環周期時間。一般情況下，大氣中的儲水以及河流水是交換最為活躍的水體，平均交換周期分別為10d和11d。而冰帽和冰川的平均交換周期最為漫長，達8000年/次。
　　1.2社會水循環
　　水的社會循環是指在水的自然循環中，人類不斷地利用其中的地下徑流或地表徑流滿足生活與生產活動之需。循環系統主要由給水系統、用水系統、排水系統3個子系統組成。給水系統與排水系統好比是一個城市或區域的動脈和靜脈，兩者不可偏廢任何一方。給水系統中若過度取水，河流生態需水量就不能滿足，或者用后的污、廢水不經處理或處理不到位都會影響自然水循環。
　　1.3社會水循環與自然水循環的關系
　　社會水循環是自然水循環的一個附加組成部分，對自然水循環產生強烈的相互交流作用，不同程度地改變世界上水的循環運動。開發利用水資源是人類對水資源時空分布進行干預的直接方式，在人類大興水利帶來巨大生產效益和能源效益的同時，社會水循環對自然水循環帶來的負面影響也日益顯現出來。主要表現在以下幾個方面：①水循環的途徑被改變（時空變化），人工水庫、人工運河、大壩、長距離跨流域引水等水利工程都大規模地截流水量，改變水循環的途徑，使下游河段過水量減少，甚至干涸，導致河流對地下水補給量銳減�？缌饔虻恼{水，會加大地表水分支流域，水流的分散性增強，有可能影響地表水的更新周期和運動節律；②水循環量發生變化。人類提取的徑流量每年達到全球可更新水資源量的10％左右，顯著地改變了地表河流的入海量，使得不同層次區域上水循環量發生了顯著的變化。③水質的變化，水體經過人類用水循環的干擾后，在水中化學物質的種類和數量上都有了極大的增加。污染源包括未處理的污水、化學排放物以及農田中沖刷的和滲入地下的農用化學品。
　　2、我國社會水循環現狀與傳統城市給排水規劃觀念的反思
　　目前，我國總體上來看，社會水循環仍是一種粗放式、單向流的循環機制。即從流域上游或地下水含水層取水，經過用戶一次利用之后，大部分排放至下游水體中。在整個水循環過程中，水只是一次性得到利用，并沒有形成負反饋機制。全國可開采水資源總量的58％已經被使用，工農業發展和生活用水的增長全部依靠增加水資源的開采量來得到滿足。但是，這些用于農業，農灌尾水和農田徑流挾帶著大量的化肥、農藥回歸水體，城市用戶產生的大量污水大部分直接排放，不斷地加大了對自然水循環的干擾，從而造成了兩者之間的尖銳矛盾。
　　據預測，全國可開采利用的水資源，不考慮從西南調水，扣除生態環境用水后約為8000——9500X108m3，到2050年，全國需水量可能達到7000——8000X108m3，屆時將接近可開采量的極限。到21世紀中葉，預計我國城市污水仍有較大增長，見表1，其中生活污水增長量占據了總增長量的較大份額。
　　可以看出，全國未來城市污（廢）水排放量將繼續增加，屆時城市污水排放的污染物負荷將對城市排水設施提出嚴峻的挑戰。如果不能達到污水處理設施的快速普及和提高處理率、深度及超深度污水處理率、再生回用水應用率，未來水循環狀況將更加嚴峻。據此，傳統的城市給水排水規劃觀念已不能滿足社會水循環的要求，必須從城市流域水資源循環利用與可持續發展的高度來重新思考城市給排水專業的規劃理念。
　　就傳統的城市給水規劃而言，給水規劃是以滿足城市用水量要求，保證供水水質為最終目的，常把重點放在尋找水源上。但由于區域水資源受到污染，或暫時受到污染，水源水質不能滿足城市供水水源的水質標準要求，在一時難以選擇到理想的水源時，許多城市不是如何想辦法治理和防止區域流域污染，而仍是從源頭、上游取水。總的來看，城鎮發展取水用水一直沿用這樣一種線性思維：從近處取水不足時從上游或周圍地區調水，用后排放、廢棄；水資源仍不足時，考慮從更遠一些的地方去調水。這種思維方式的流行，促使很多地方建設的引水工程其規模越來越大，距離越來越遠，而把城市河流變成了天然下水道。這種用水策略越來越依賴城市內陸腹地河流上游地區水源的可用性。但這種可用性面臨著越來越大的挑戰。尤其是河流上游地區的用水增加，而下游地區可利用水資源量不斷下降，同時水質也在不斷惡化。
　　這種傳統用水模式的弊端是：①大量的長距離調水工程，帶來日益增長的巨額費用，造成越來越重的財政負擔和水價的上漲；②可供用水量會日益衰減，水質安全問題難以保證；③河流生命將逐步喪失，景觀和地貌會加速改變；④城市和地區之間的沖突和潛在糾紛會日益增加。
　　在傳統的排水模式方面，城市排水則是以防止雨洪內澇、排除和處理城市污水、保護城市公共環境和本區域流域水質為目的，普遍認為污水是有害的，應盡快排除到城市下游。這種觀念導致的結果往往是保護了局部的生活環境，危害了廣大流域地區。這種傳統排水模式的弊端是：①對城市排水規劃理念的認識不明確，內容過于粗糙，排水規劃只是簡單地根據用地規劃和城市道路規劃劃分排水區域，確定排水體制，大致勾勒出排水主干線和污水處理廠的位置，沒有進行必要的區域水資源方案論證和綜合協調，缺乏科學合理的方案比較；②傳統城市排水規劃只局限于單一的排放而不具備水資源循環利用與持續發展的觀念，沒有確立雨水、污水亦是一種資源以及要優先利用然后再排放的思想；③局限于本城市或本區域的排水規劃，缺乏流域綜合開發與利用的觀念；④城市排水規劃與市政污水與雨水處理設施建設缺乏有效的協調和配合；⑤缺少雨水污水資源化利用的技術配套措施。
　　總之，在我國傳統的城市給排水規劃理念中，比較多地受到“改造自然”、“人定勝天”等思想的影響，沒有把人類作為流域內生態系統的一部分來加以研究和考察，片面地強調滿足人類社會發展的愿望，以致干擾甚至破壞了流域和區域生態系統的協調和均衡。
　　3、城市可持續發展的社會水循環理念
　　其實，在流域的城市群中，大多數城市都是臨水而建，通過若干年的建設與發展，從城市功能上基本連成一體，一個城市的下游同時是另一個下游城市的上游。作為良好的水環境并不是局部地域而是整個流域。
　　在一座城市中，健康的水循環是要求城市具有完備的給水排水系統，既要有安全、可靠的供水系統，為居民提供潔凈的飲用水，又要有污水收集、處理、深度凈化、有效利用與排除系統。
　　如何建立城市可持續發展的社會水循環理念，在與傳統的城市排水系統相比，至少在理念上具有以下三個方面的根本性變化。
　　3.1系統性理念
　　系統性本來是自然界中事物普遍具有的一種特性，以上講的城市給排水工程，從取水、凈化、到使用排放，其實就是一個完整的系統工程。如果我們用一種系統的思維模式和觀點去重新審視我們的城市排水系統，也許會使我們更加接近掌握自然界和人類社會發展的某些客觀規律，從而為解決目前城市發展中所面臨的水危機提供一種更加綜合、可行的策略。而城市流域水資源循環利用與可持續發展規劃概念就是將城市水系統作為一個統一的系統，從整體上來考慮城市需水、用水、再生循環、排水以及居民生活條件、食品供應等方面的問題，不再把這些城市發展所帶來的問題孤立和割裂開來，而是系統地考慮城市流域范圍內的水資源流、營養物質流與能量流的合理分配和持續發展。
　　3.2資源的循環利用理念
　　自然界中沒有廢物，各種物質應該都能得到循環利用。在城市水系統工程中建立資源循環型是城市給排水系統的一種新的嘗試和努力。它不是傳統城市給排水概念上的一次性利用后排放的單向流，而是變成一種循環利用的閉環系統。即將首次利用之后的污水，收集起來進行處理，從而獲取滿足一定使用功能的再生水。這些再生水又通過專門的需配水系統，供給城市工業、市政等用水部門得到重復、循環地利用。
　　3.3內在的可持續性理念
　　20世紀，我們不斷地修筑水壩，建設引水渠道，實施遠距離輸水工程，以尋求更多的新水源來滿足城市擴張和人口增長的需要。使水環境越來越退化，水資源越來越短缺，致使城市發展對周圍環境的影響和壓力越來越大，社會水循環已經逐漸成為人類社會發展面臨的一個沉重負擔�？沙掷m的水資源系統，它不僅要滿足現代人的需求，而且要滿足未來人的生存需求。它是一個哲學概念，而不是一個確切的存在狀態。城市給排水系統的可持續性是現代城市用水系統的內在特性，是人類社會發展的必然要求，為社會用水健康循環所必需。
　　根據城市水資源可持續發展的理念，水資源的利用將由過去的“取水—輸水—用戶—排放”的單向開放型流動，轉變為“節制性取水—輸水—節約地用水—再生水循環”的反饋式循環流程。
　　4、現代城市流域水資源循環利用與可持續發展規劃理念
　　提出城市流域水資源循環利用與可持續發展規劃概念，主要是基于對目前現行的城市給水排水專業規劃在規劃理念上一種轉變的探討，是實現現代城市給排水規劃概念的關鍵，城市給排水規劃由傳統觀念向現代理念轉變可歸納為以下幾個方面：
　　①從人對自然的索取向人與自然的協調共生、更有效地利用水資源可再生特性的觀念轉變；②從以需定供，向以供定需轉變；③從以管理出廠水質為主，向管理用戶水質轉變；④從各自為政、各取所需，向資源共享、流域統籌管理轉變；⑤從重常規處理工藝，向深度強化處理工藝轉變；⑥從開源與節流并重，向以節流為先，治污為本，科學開源，綜合利用轉變；⑦從重污水達標排放，向污水資源化利用轉變；⑧從只注重終端處理，向既注重終端處理更注重始端管理轉變；⑨從單純的雨水防洪排澇，向水資源利用角度強化雨水的管理和利用轉變；⑩從傳統管理，向信息化管理，社會化服務，法制化監控，多元化投資轉變。
　　在現代城市供水系統的規劃與設計中，新的供水規劃理念是：首先考慮的是任何保護本區域的流域水源，科學分析流域水源的水量與水環境容量，全面提高水資源使用效率；在缺水城市和地區，要向當地政府和規劃部門提出調整產業結構及控制用地規模，限制大耗水工業的發展，提高工業重復用水率；對與城市供水存在一定矛盾的上游農業區應積極發展節水農業，包括調整種植結構、產業結構使之與資源條件相匹配并推行節水灌溉，為下游城市提供豐裕的水資源環境；在城市用水規模預測中把工業節水指標考慮進去，并使工業復用水率這一主要節水控制指標落到實處；城市取水規劃應立足于依靠本地區河流的水資源來解決，最大限度地控制遠距離調水，在保證生態用水量的情況下控制取水規模。一般認為取水量不超過徑流量的40％是較為合適的；在缺水嚴重的地區，在取水量不得已超過徑流量40％時，必須根據河流生態需水的質和量要求，利用再生水補給，增加相應份額的生態用水量；上游城市的用水和排水不影響下游城市的用水，實現水資源共享，每個城市既需要限制取水的數量，也要控制排水的數量和質量，不至于污染下游河段，從而保證整條河流的水資源利用是可持續的。
　　這種新的供水規劃理念的特點：①以流域為單元的水資源統籌利用模式。以流域為單位進行管理符合水資源本身的自然屬性和系統特性，這種新的取水模式強調在每個流域內的用水立足于本流域解決，流域范疇內的用水，做到統籌兼顧上下游城市、人類和河流生態系統的用水，更大程度地體現了流域水資源的公平性和共享性。②水資源的共享與循環利用。城市用水的主要水源要在本地區河流流域內解決，就要求改變一次性用水的直流模式，在城市流域范疇上實現水的利用、再生與循環；③經濟、安全的供水系統。本地水資源的可持續發展，可以減輕對外流域水資源的依賴性，相應地也就提高了本地用水的可靠程度。同時，新的流域用水模式增強了城市用水的安全性，如果城市實現污水再生循環利用，在一定程度上可以減輕突發性自然災害事件所帶來的危害。
　　在現代城市排水系統的規劃與設計中，其功能應從以前的防澇減災、防污減災逐步轉向污水和營養物質的再循環，從而恢復良好的水環境，促進水資源的可持續利用。從收集、處理、再生和再循環利用中，既要強調循環利用物質的數量，也要重視這些再循環資源的質量問題。
　　隨著社會的發展和環境意識的增強，我國水污染控制經歷了由單一污染源的治理、污水達標排放到區域綜合防治、總量控制的兩個階段。但其中廢水處理設備運行率、利用率、污染物去除率大部分不高，很多設備沒有發揮作用。同時對城市污水處理廠的重視也不夠，尤其缺乏污水再生、再循環的理念。
　　在新的排水規劃理念中，首先應該考慮的是如何保護本區域的流域水源，科學分析流域水源的水環境容量，根據地形與地貌，以流域來劃分排水分區，確定排水體制，制定排放標準以及處理工藝路線，提出節能減排目標，提高水資源使用效率。
　　在進行城市總體規劃時，要及時編制區域水資源規劃。排水規劃應改變以往總是服從于總體規劃，被動地與城市總體布局相配套的工作觀念和工作方式。應主動探索，為總體規劃提出與區域水資源規劃和排水規劃密切相關的合理化建議，例如，為滿足區域水資源規劃要求，在作總體規劃時，明確提出需要保留的天然水系和滿足排水要求的道路設計與高程設計等；要積極與水利、城市防洪等專業規劃配合，合理利用水資源。要樹立流域觀念，打破行政區劃，站在全流域的高度來考慮城市及區域排水規劃；
　　為了適應現代排水系統功能的變革，現今的城市排水系統將由污水收集系統、污水處理再生系統、再生水供水系統和優質處理水排放系統所組成。與傳統的排水系統相比，它增加了污水再生與回用的內容，提高了污水處理程度，由污水二級處理提高到污水深度處理甚至超深度處理，達到再生水的要求。應對整個城市的功能分區、工業分布、排水管網及污水處理現狀等做周密調查，調查現有的和預測潛在的再生水用戶的地理位置及水量與水質要求，并將這種結果反應到專項規劃中。將污水處理廠視為再生水廠，改變將污水處理廠擺放在城市最下游進行高度集中處理的傳統做法。
　　在規劃污水處理廠時應注意：①要近遠期綜合考慮污水再生回用的需要，選擇污水深度處理系統，預留污水深度處理發展用地，使污水處理、深度處理系統和回用系統的總投資之和為最小；②污水廠的選址和數目。按照傳統規劃方法，污水處理廠廠址要根據污染物排放量控制目標、城市布局、受納水體功能及流量等因素來選擇，一般盡可能地安放在河系下游、城市郊區。但是這種系統布局使污水處理廠遠離再生水用戶，需鋪設的回用水管網費用相應增加，不利于污水的資源化。因此，在確定污水處理廠廠址時，還應對再生水用戶進行調查分析，并根據再生水量的需求，在城市中適當位置設置若干污水處理廠（再生水廠），收集上游和附近區域的城市污水，根據回用水質要求加以處理之后就近回用，使得整個城市形成大、中、小，近、遠期相結合的污水再生廠布局規劃。這樣，既有利于污水回用，又減輕了城市排水管網系統的負擔，易于實現分期建設，符合我國國情。③在處理工藝選擇方面，應根據污水水質和再生水用戶水質的要求，對水處理單元進行多種組合，通過技術經濟比較來選擇出經濟可行、技術先進的污水處理流程。在滿足出水水質要求各項指標前提下進行經濟分析，除要考慮費用與技術等因素外，還應考慮該方案是否有利于實現污水再循環，即在原有技術和經濟分析因子的基礎上，增加“污水與物質再循環適應性”的比較因子。
　　傳統的城市市政管理為了保證城市安全，都習慣于將雨水當作“洪水猛獸”，以“將地面降雨盡快排入城市雨水管道，快速排入河海”為首要原則，忽略了雨水亦是一種寶貴的自然資源這種理念。其實，蓄存、調節是涵養地下水、補充地表枯水流量的水文循環規律。在現代城市中，除了散布在市區的公園綠地及天然水體外，整個市區幾乎被一張不透水的大網所籠罩，阻隔了雨水向市區下部土壤的滲透，截斷了地下水徑流，嚴重影響了城區雨水的水文循環，造成雨季市區成災，枯水期小河干枯的局面。目前，許多國家都非常重視雨水的收集與利用，在我國的缺水地區已開始考慮利用雨水，但還沒有被人們普遍接受。合理地收集、蓄存、調節和利用，對改善市區的氣候環境，削減城市流域洪峰，降低城市面污染對城市流域的影響都是十分有利的。充分利用雨水資源，主要應考慮以下內容：①要科學合理地推導適合城市發展的暴雨強度計算公式，采取合理的截留滲透措施，加大地下滲入量，減少地表排放量；②選擇適當的排水標準，在保證城市防洪安全的前提下，采取必要的防洪措施。③提高河道的除澇標準，確保雨水排入河道時不受頂托；④合理規劃建造城市雨水蓄水和修復處理設施，將雨水收集與回用有機結合；⑤盡量采用雨污分流排水體制，降低城市流域水體的污染。
　　5、結束語
　　城市流域水資源循環利用與可持續發展規劃的研究，目的是在傳統的城市給水排水專業規劃的基礎之上，提出一些新的城市給水排水規劃理念。在當今人類面臨越來越嚴重的水危機情況下，采取更多的城市流域水資源循環利用的措施，為構建“資源節約型，環境友好型”城市打下良好基礎，讓人類和社會得以更好地可持續發展。

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