水文大循環(huán)和城市水環(huán)境代謝

水文大循環(huán)和城市水環(huán)境代謝

摘要通過分析近代給排水系統(tǒng)的局限性，面對人口劇增、資源和能量消耗巨大的21世紀(jì)，闡述了對現(xiàn)代城市新型水環(huán)境代謝體系的基本構(gòu)思，提出了在水文大循環(huán)的體系中對水環(huán)境按"保護(hù)"和"使用"進(jìn)行功能分區(qū)、對水資源按"質(zhì)"和"量"合理使用的新型系統(tǒng)構(gòu)成。

關(guān)鍵詞水文大循環(huán)城市水環(huán)境代謝給排水系統(tǒng)地球環(huán)境時代

1行將結(jié)束的近代

起始于16世紀(jì)的西歐時代，經(jīng)過產(chǎn)業(yè)革命帶來了人類大增殖的近代，而如今已因達(dá)到地球的容量限度而行將結(jié)束。支撐近代大發(fā)展的是近代科學(xué)技術(shù)，教育的發(fā)展帶來了科學(xué)技術(shù)的普及。人們認(rèn)識了自然現(xiàn)象和社會現(xiàn)象，并從中總結(jié)出規(guī)律，明確其因果關(guān)系，建立了學(xué)術(shù)體系，通過教育的普及，使近代的文明得以廣泛傳播。恰恰在這個時候，人們將人類活動的規(guī)模與地球的尺度進(jìn)行對比，看到了近代文明在構(gòu)成上的限度。地球環(huán)境制約的時代已經(jīng)到來。

近代科學(xué)技術(shù)從總體上看比較單純粗放，在高速、大量輸送技術(shù)的支撐下，單樣生產(chǎn)技術(shù)達(dá)到規(guī)?；托驶?，根據(jù)社會構(gòu)成和消費經(jīng)濟(jì)的關(guān)系，按不同的目的進(jìn)行空間的縱向分割，以發(fā)揮其機(jī)能與作用。近代生產(chǎn)活動的特征是以量(說穿了是金錢)來作為衡量成果的基準(zhǔn)，以經(jīng)濟(jì)增長為主軸線，對各種價值都用單純的量化(金錢化)指標(biāo)來評價。因此，受過幾年高等教育的人就能成為體系設(shè)計和運用的專家。近代歷史上之所以能這樣較單純地進(jìn)行社會分割，形成產(chǎn)業(yè)，建立教育體系，保持社會有效地發(fā)展，是因為地球上的環(huán)境和資源有富裕。然而，在世界人口膨脹到60億的當(dāng)今世紀(jì)，這種條件已不復(fù)存在。

我們要設(shè)法從這種困境中脫身，但面臨的困難在于，所有可供使用的方法和對策都以近代科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，而近代科學(xué)技術(shù)則是造成這種困境的原因。在這種情況下，必須對近代科學(xué)技術(shù)進(jìn)行重組，通過對各種各樣體系進(jìn)行復(fù)合和融合，打破個別體系并列劃分的界限，構(gòu)筑綜合化的新體系，尋求新的生活方式，以節(jié)省資源和空間的使用。對于這種新體系的評價，必須將近代體系的單純量化指標(biāo)變?yōu)槟鼙碚魇挛锉举|(zhì)和創(chuàng)造價值的抽象指標(biāo)。圖1所示的城市、生產(chǎn)綠地、自然環(huán)境的特性和相互關(guān)系就表明了這種新體系的特征。為了人類的生存而保持良好的環(huán)境代謝，需要將城市、生產(chǎn)綠地、自然保護(hù)區(qū)這三個領(lǐng)域間以及各領(lǐng)域內(nèi)的資源利用、循環(huán)和再利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行重組，降低每一環(huán)節(jié)的熵增幅度，從而盡可能減少資源、空間和能量的消耗，降低環(huán)境負(fù)荷。圖1城市-生產(chǎn)綠地-自然環(huán)境的特性和相互關(guān)系

2近代給排水系統(tǒng)的局限性

近代給水系統(tǒng)以"充足、低價地供給清潔的水"為目標(biāo)。為了保證清潔水的集中供應(yīng)，必須獲得充足的清潔原水，但這難免受到流域水文大循環(huán)中徑流量的制約，不可能無限制地擴(kuò)大供水量，這就是近代給水系統(tǒng)的限度。另一方面，使用過的水均作為污水，通過排水系統(tǒng)排放到城市的下游。污水排放前通過生物化學(xué)處理可使生化可降解有機(jī)物(BOD成分)去除95%，這是羅馬時代以來逐步形成的城市排水系統(tǒng)。氧氣在空氣中的濃度可達(dá)21%，但它是難溶氣體，溶解在水中的濃度充其量為10mg/L。當(dāng)水中存在有機(jī)物時，溶解氧會迅速消耗，對好氧性水棲生物造成危害。考慮到溶解氧是水質(zhì)污染的首要指標(biāo)，在除濁的同時，要用生化需氧量(BOD)作為河流水質(zhì)控制的指標(biāo)，這一基礎(chǔ)概念在StreeterPhelps氧垂曲線理論提出之后得到了廣泛應(yīng)用。與此相應(yīng)，以BOD為主要指標(biāo)的污水生化處理方式以Eckenfelder-O‘Connor公式為理論基礎(chǔ)，污水處理和環(huán)境管理在理論上相互關(guān)聯(lián)，形成了近代排水系統(tǒng)質(zhì)量管理的基礎(chǔ)理論體系。但是，這種近代排水系統(tǒng)不能有效地控制懸濁物和BOD以外的水質(zhì)指標(biāo)(見圖2)。因此，通常的污水生化處理法難以滿足所有水處理的需要，而主要用于開放水域的放流處理，以避免造成下游河道溶解氧缺乏。圖2水質(zhì)變換矩陣

另一方面，對于筑壩蓄水的河道，由于河水滯留時間長，通常的污水生化處理和河流自凈作用不能有效去除的磷和氮等營養(yǎng)鹽，會導(dǎo)致藻類的增殖，結(jié)果造成原水中存在異臭味或毒性物質(zhì)，需要采用深度給水處理。化肥的使用也常常導(dǎo)致富營養(yǎng)化危害，為此，歐美國家只要在主要河流的下游以及穿過農(nóng)業(yè)區(qū)域的河流下游筑壩蓄水，一般都要對進(jìn)水進(jìn)行除磷脫氮處理。未來的時代將重視削減環(huán)境負(fù)荷，富營養(yǎng)化的控制對于區(qū)域水環(huán)境代謝體系將必不可少。

現(xiàn)代城市排出的廢棄物，或者說代謝物中，以水的形式排出的量最大。近代的給水系統(tǒng)通過集中供水系統(tǒng)供給各種用途的水，每人每天的用水量高達(dá)200～400L，均為可供飲用的優(yōu)質(zhì)水。為了保證供水水質(zhì)，這樣大量的原水通常需從水文大循環(huán)的上游位置取用。即便在最低限的水資源開發(fā)(水源林保護(hù)、筑壩蓄水)條件下，以日本的平均徑流量為基準(zhǔn)，一個人所需的水源集水面積為300～500m2。這樣收集起來的水進(jìn)一步凈化后供給城市，使用后水質(zhì)發(fā)生變化，全部變?yōu)锽OD200mg/L左右的污水排到城市下游。因為直接排放將造成流域水環(huán)境的破壞，通常需要通過BOD去除率為95%的生物化學(xué)處理(所謂的高級污水處理)使水質(zhì)達(dá)到BOD10mg/L的程度后再行排放。如果要求城市下游河道的水質(zhì)保持BOD3mg/L這樣的良好水平(日本河流水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)B類)，排出的水則需要2～3倍流量的清潔河水加以稀釋。該流量所對應(yīng)的集水面積也為飲用水所需集水面積的2～3倍，即每人900～1000m2(見圖3)。當(dāng)今日本幾乎沒有哪個城市能保證人均水源地面積達(dá)到這個水平，許多城市常常缺水，飲用水供應(yīng)都成問題。從上述水源地面積的角度來說，城市最初出現(xiàn)的水荒問題并不是水量不足(缺水)，而是河流水質(zhì)惡化帶來的危害(如歐美一些大流域所發(fā)生的情況那樣)。日本的河流一般來說流程短，污水排放口*近海域，因而上述問題不太明顯。圖3每人所需的水源面積

彌補(bǔ)流域水資源不足的對策有兩種：一是在上游大規(guī)模筑壩，雨季大量蓄水，旱季放流，使平常可利用水量接近流域水文大循環(huán)的平均徑流量，即所謂"徑流的時間平均化"；二是將近鄰利用率低的河流進(jìn)行流域變更，把水輸送到缺水的流域，即所謂"徑流的空間平均化(流域變更和長距離調(diào)水)"。嘗試這兩種對策已是近代給排水系統(tǒng)的極限，而且后者將導(dǎo)致流域下游污染負(fù)荷的高度集中，必須同時采用比常規(guī)污水處理法，即生物化學(xué)處理法更高級的處理設(shè)施，強(qiáng)化以富營養(yǎng)化對策為主的下游水環(huán)境管理(見圖4)。圖4城市的擴(kuò)大和相應(yīng)的給排水系統(tǒng)

按照近代給排水系統(tǒng)的這種構(gòu)造，隨著流域內(nèi)需水量的增大，僅從上游取水已難以滿足需要，因此取水點必須向下游推移以擴(kuò)大集水面積。日本橫濱的相模川就是典型的例子。然而下游不僅存在BOD污染，各種合成有機(jī)物引起的微污染問題也日趨嚴(yán)重。農(nóng)藥的使用也影響下游給水的水質(zhì)。日本的農(nóng)業(yè)多是水田，農(nóng)藥會直接流入水體。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的改善引入集中用水灌溉系統(tǒng)后，問題變得更加嚴(yán)重。

近代給排水系統(tǒng)的水處理流程實際上是效仿地球水文大循環(huán)中，在生態(tài)學(xué)、地球化學(xué)作用下自然發(fā)生的水質(zhì)變換過程，通過集中施加電力等能源，達(dá)到比自然過程快得多的水質(zhì)變換速度。在給水處理方面的代表性技術(shù)是19世紀(jì)初期出現(xiàn)的慢濾系統(tǒng)(包括自然沉淀和慢速砂濾)，以及20世紀(jì)初出現(xiàn)的快濾系統(tǒng)(包括混凝、沉淀、快速砂濾、氯消毒)，至今仍廣泛用于給水處理；在污水處理方面的代表性技術(shù)則是19世紀(jì)末期到20世紀(jì)上半葉建立的散水過濾法和活性污泥法等好氧性微生物處理系統(tǒng)，利用河流自凈作用的原理，使生物化學(xué)反應(yīng)集中化、高速化，達(dá)到去除BOD的目的。

然而，到20世紀(jì)后期，人類已掌握了大量合成自然界本來不存在的各種有機(jī)化合物的化工技術(shù)。在通常的時空規(guī)模下這些有機(jī)物很難通過自然生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行無機(jī)化或無害化，而在環(huán)境中積蓄，被生物攝取后產(chǎn)生致癌和致突變作用，而且閾值低到10-12～10-9量級，定量分析也非常困難。通常的情況下各種污染成分并存，微量多成分的分析和影響評價也很困難，因此必須在傳統(tǒng)水處理流程的基礎(chǔ)上增加去除微量成分的處理環(huán)節(jié)。此外，近年來內(nèi)分泌干擾物質(zhì)，即所謂"環(huán)境荷爾蒙"的健康影響問題也引起關(guān)注，這些物質(zhì)濃度極低，且毒性尚不明確。諸如此類影響人體健康的微量有機(jī)化合物在多數(shù)情況下自然凈化速度極慢，只能通過活性炭吸附、離子交換、臭氧處理或納濾等附加深度處理方法從廢水或飲用水原水中去除，水處理系統(tǒng)因此變得復(fù)雜化，且消費大量的能量，這是人們不愿看到的情況(圖2)。

在缺水情況嚴(yán)重的島嶼和日本西部的城市，目前也開始嘗試通過淡水化從無限的海水中獲取淡水資源。1950年初美國就考慮到20世紀(jì)末將面臨的淡水資源不足的問題，內(nèi)務(wù)部設(shè)立了鹽水淡化局，開展了大規(guī)模的研究工作?，F(xiàn)在廣泛采用的多段閃蒸法就是當(dāng)時研究推廣的結(jié)果，逐漸成為淡水化主流的反滲透法則是佛羅里達(dá)大學(xué)Reid教授1953年提出的方法。與常規(guī)水處理相比，淡水化所需的能量消耗要高出10多倍，達(dá)到7～10kW·h/m3。這樣的高能量消耗在地球環(huán)境時代是很難推崇的。尤其是對于能源幾乎全*進(jìn)口的日本，推行淡水化相當(dāng)于進(jìn)口水資源，從安全保障的角度上也很難接受。沿岸取水要避開微量污染很不容易，城市排水接納水域的負(fù)荷增加也成為問題，因此，除島嶼這樣遠(yuǎn)離陸地的情況外，推行淡水化是不適宜的。城市應(yīng)考慮推行污水處理水的再利用，以降低能量消耗，同時減輕下游的污染負(fù)荷。

3質(zhì)和量按用途分類的新型水環(huán)境代謝體系

迄今為止的城市給排水系統(tǒng)中，給水以"充足、低價地向市民供給清潔的水"為目的，排水則以"促進(jìn)城市衛(wèi)生和發(fā)展、保護(hù)公共水域"為目的，給水和排水系統(tǒng)分別建設(shè)，并列存在，而忽略了二者都是水文大循環(huán)中串連的環(huán)節(jié)，未將兩個系統(tǒng)融為一體，共同嵌入自然體系之中。傳統(tǒng)的給排水系統(tǒng)是建立在這樣一個基礎(chǔ)上，即人們在大自然的恩惠下生存，在人類小社會中自在生活，按照生活上的種種要求進(jìn)行人類活動，而自然環(huán)境的容量能夠滿足這些活動的需要。但是，當(dāng)人類活動的規(guī)模相對于自然已變得較大時，在滿足生活要求的同時，也必須考慮盡量減輕對環(huán)境的影響，建立新型水環(huán)境代謝體系。未來的城市水環(huán)境代謝體系要在"水資源按用途分類并重復(fù)利用，維護(hù)最低的價格(最小的能量消耗)"的方針下設(shè)計"供給必須水量并滿足必要水質(zhì)"的水供給系統(tǒng)，將"用水和排水(水代謝)的城市要對水環(huán)境負(fù)直接責(zé)任"作為技術(shù)和經(jīng)營的原則。用達(dá)到飲用水要求的優(yōu)質(zhì)水供應(yīng)各種用途，最終又作為污水混合處理排放的粗放型城市給排水系統(tǒng)不能再發(fā)展了。達(dá)到上述目的至少需要半個世紀(jì)，但我們必須從現(xiàn)在起就著手于建立"將人們的需要與地球環(huán)境加以綜合考慮"的新型城市水環(huán)境代謝體系。

我們必須認(rèn)識到，人類雖在地球上動物總體重中占了25%，但也僅僅是動物的一種，可她在地球生態(tài)體系中不是簡單意義上的一個成分，而是集中把持能源，具有極高資源消耗密度，構(gòu)成特異生存空間的集團(tuán)，是飄浮于多樣性自然生態(tài)體系的海面上，必須與其它生物共存的集團(tuán)。因此，不能將人類的物質(zhì)代謝與其它生物群在自然生態(tài)體系中的代謝混為一談，而必須考慮建立一個復(fù)合型環(huán)境代謝體系，使與自然界間的開放式代謝按環(huán)境負(fù)荷最小的方式與自然界耦合，并具有明確的、可控制的組織邊界，在邊界的內(nèi)側(cè)(城市)建立具有模擬生物體那樣的構(gòu)造，以最小的能量消耗來驅(qū)動最低限度的物質(zhì)再利用回路。將電力等高質(zhì)低熵能量的高密度消耗巧妙地置于再生系統(tǒng)內(nèi)，嚴(yán)密控制與外部環(huán)境間的開放式物質(zhì)代謝和熱量代謝，形成類似于動物體那樣的能耗和代謝空間。地球上多種多樣的生物鏈中，不乏能量最有效利用和物質(zhì)多次再生利用的范例，形成了循環(huán)型自然生態(tài)體系(見圖1和圖5)。圖5水質(zhì)按用途使用、水再生和水質(zhì)管理系統(tǒng)及城市水環(huán)境

人體內(nèi)的水分起著物質(zhì)和熱量輸送的作用，經(jīng)過20多次的循環(huán)再利用后才排出體外，總水分的5%左右必須從體外補(bǔ)充。體內(nèi)的循環(huán)系統(tǒng)和各個部位以水為媒體進(jìn)行的熱量、物質(zhì)傳遞和分離，都包含著生體膜的作用，并伴隨著生物化學(xué)反應(yīng)，其動力為高質(zhì)量的生體能量。今天我們面向21世紀(jì)考慮向新型給排水系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，利用有機(jī)合成膜進(jìn)行精密分離的技術(shù)已經(jīng)展示了其前景。在城市水環(huán)境代謝工程領(lǐng)域，200年來人類與自然界間進(jìn)行物質(zhì)交換的生態(tài)學(xué)工程技術(shù)支撐了近代社會的發(fā)展，未來的社會將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入可稱之為生體或生理學(xué)技術(shù)的膜分離技術(shù)，作為水重復(fù)利用和再生循環(huán)利用的核心水處理技術(shù)。20世紀(jì)初期的快濾和污水生化處理技術(shù)得到普及，廣泛應(yīng)用于近代給排水工程100年后，又出現(xiàn)了新的水質(zhì)變換基本技術(shù)(見圖2)。

我們?nèi)蕴幵趯W(xué)習(xí)新的用水方法的初期。近代產(chǎn)業(yè)的基本模式是從根據(jù)需要從大自然獲取優(yōu)質(zhì)資源，用于各種目的，然后再將產(chǎn)生的廢棄物進(jìn)行處理，總之是以獲取最大利益為出發(fā)點進(jìn)行商品生產(chǎn)，對優(yōu)質(zhì)水資源更是隨意使用。在上游獲取資源，下游處置廢物，兩種技術(shù)各自存在，這是近代社會物質(zhì)代謝過程的特點。新的水利用體系則是按照質(zhì)量恢復(fù)的難易程度和對利用水質(zhì)的要求衡量其價值，根據(jù)目的以及方式確定水的用途。對給水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)，以及二者之間的循環(huán)再利用系統(tǒng)，要按能量消耗率最小，而且系統(tǒng)可*的原則進(jìn)行設(shè)計?？紤]各種方案和相關(guān)條件、資源和能源的消耗率、設(shè)計和運轉(zhuǎn)管理要求等各種復(fù)雜因素，進(jìn)行體系的綜合化和優(yōu)化，經(jīng)過數(shù)十年的努力，終將研究出成熟的系統(tǒng)技術(shù)。

然而，上述將生產(chǎn)(生活)活動和資源兩方面連環(huán)考慮進(jìn)行綜合規(guī)劃的思路目前還仍停留在設(shè)想的階段。雖說是進(jìn)入了地球環(huán)境時代，但對人類文明還未進(jìn)行具體的再設(shè)計。單單強(qiáng)調(diào)給排水系統(tǒng)的問題顯然是不夠的，水的利用牽涉到社會基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，未來的社會構(gòu)造和投資方向不明確的話，長期投資建成新的給排水系統(tǒng)后也會面臨難以承受的困難。但在現(xiàn)階段，無論如何也應(yīng)當(dāng)明確"質(zhì)"的利用是水利用的本質(zhì)，在這個基礎(chǔ)上著手新型給排水系統(tǒng)的研究和規(guī)劃。筆者在20年前就提出了城市水環(huán)境代謝體系構(gòu)造和容量的問題［5］，其基本論點到現(xiàn)在也是實用的。

4新型城市或地區(qū)水環(huán)境代謝體系的構(gòu)想

保障人們健康安全的水(飲用水)通常占總用水量的很小一部分，僅按實際需要量從水文大循環(huán)的上游經(jīng)嚴(yán)密管理的水源保護(hù)區(qū)取水，經(jīng)適當(dāng)處理后，由飲用水專用管道供水。其它大量的非飲用水則在*近下游用水點的河流中取水，該處流域面積較大，可供取用的流量也相應(yīng)較大。視需要可適量加入經(jīng)深度處理后的再生回用水，通過目前使用的一般給水系統(tǒng)供水。飲用原水因為是從水質(zhì)良好的上游取水，所以并不需要非常復(fù)雜的水處理。在飲用水專用管道建成之前，則可在現(xiàn)有配水管網(wǎng)末端用水點前，將10%左右的水經(jīng)納濾處理后由小管徑的飲用水管道供給飲用水。納濾可利用管網(wǎng)壓力進(jìn)行，然后通過小型水泵供水。其余90%的水與納濾濃縮水混合，濃度雖會提高倍，但并不會對飲用以外的用水產(chǎn)生不良影響。末端的飲用水專用管道與上游的管道逐步連接后，就形成所謂的"二元供水系統(tǒng)"。旱季缺水時，通過向非飲用系統(tǒng)中適當(dāng)增大再生回用水的比例即可保證供水。曾幾何時，有人設(shè)想不用改變現(xiàn)有的城市水利用體系，而通過海水淡化來補(bǔ)充日益增加的城市用水量。這種方法大幅度增加能量消耗，完全與地球環(huán)境時代的理念相違背。同時，就目前的技術(shù)，通過海水淡化得到一定量的淡水就要排出等量的濃縮液。

基于這種思路，對于人類活動集中、人口密度高的地區(qū)，設(shè)立并列的二元輸水系統(tǒng)，并強(qiáng)化閉路循環(huán)，對環(huán)境保護(hù)區(qū)(自然體系)和環(huán)境控制區(qū)(城市體系)進(jìn)行明確劃分，建立人類活動和自然環(huán)境保持協(xié)調(diào)關(guān)系的水環(huán)境代謝空間。在生態(tài)系統(tǒng)的鏈接中，必須明確城市應(yīng)負(fù)的責(zé)任，從而建立如圖5所示的城市水環(huán)境體系。這種水環(huán)境體系的目標(biāo)在于：①將水環(huán)境盡可能明確地劃分為應(yīng)保護(hù)和要利用的兩個區(qū)域，并明確兩個水環(huán)境區(qū)的結(jié)合條件，維持水環(huán)境保護(hù)區(qū)的良好自然條件；②環(huán)境控制(水處理等)僅在兩個區(qū)域的邊界處和城市區(qū)域內(nèi)進(jìn)行；③充分認(rèn)識到城市用水的本質(zhì)是"水質(zhì)"的合理利用，盡可能按質(zhì)進(jìn)行多次重復(fù)使用，將水的再利用工程中的附加能量消耗降到最低限度；④水環(huán)境區(qū)域劃分要有局限，以防止水環(huán)境代謝的無限度廣域化，城市要在自身可控制的限度內(nèi)建立水環(huán)境代謝體系；⑤環(huán)境控制區(qū)(城市)內(nèi)的人類活動不能越過環(huán)境區(qū)域界限而波及環(huán)境保護(hù)區(qū)。環(huán)境空間的局限化和降低能量消費是新型水環(huán)境體