城市綠色水供給結(jié)構(gòu)初探
——以天津市為例

張宏偉，劉洪波，高紅霞(．天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津300072;2．天津工業(yè)大學環(huán)境經(jīng)濟研究所，天津300387)

城市綠色水供給結(jié)構(gòu)初探

——以天津市為例

張宏偉1，2，劉洪波1，高紅霞1
(1．天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津300072;2．天津工業(yè)大學環(huán)境經(jīng)濟研究所，天津300387)

摘要:我國城市長期采用均質(zhì)單一的統(tǒng)一供水方式，不僅供水成本大，浪費了大量優(yōu)質(zhì)水資源，還導致“城市用水”與“生態(tài)用水”之間的矛盾加劇，生態(tài)環(huán)境破壞，城市缺水局面日益嚴峻。針對以上問題，提出了“城市綠色水供給”的內(nèi)涵及原則，并以天津市為例，在采用分類用水指標法和年均增長率法預測2020年需水量的基礎(chǔ)上，提出了適合天津市的綠色水供給結(jié)構(gòu)，并簡要分析了其經(jīng)濟性。結(jié)果表明，在綠色水供給結(jié)構(gòu)下，各水源得到合理利用，既滿足了城市用水和生態(tài)用水的需求，又可以在一定程度上降低供水成本，具有較好的社會、環(huán)境和經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞:綠色水供給;分類用水指標法;年均增長率法;需水量預測;綠色供水結(jié)構(gòu);經(jīng)濟性

城市水系統(tǒng)是支撐城市存在和發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，而城市供水緊張已成為制約經(jīng)濟社會發(fā)展的“瓶頸”。一方面，我國水資源匱乏，大部分地區(qū)屬于典型資源型缺水，約400個城市水資源供應量不足;另一方面，我國城市大部分采用均質(zhì)單一的統(tǒng)一給水系統(tǒng)供水，由于不同用途的水對水質(zhì)需求的差異較大，傳統(tǒng)的不可持續(xù)的供水方式造成了大量優(yōu)質(zhì)水源的嚴重浪費，加劇了城市供水的緊張局面。

目前，關(guān)于城市供水管道漏損和節(jié)水方面的研究較多，在現(xiàn)有的供水模式和技術(shù)條件下，減少漏損和節(jié)約用水的潛力有限，而隨著城市的發(fā)展，需水量也在不斷增加。因此，有必要從改變傳統(tǒng)的不可持續(xù)的城市供水方式入手，開發(fā)非常規(guī)水資源，改變城市供水結(jié)構(gòu)，從根本上緩解“城市用水”與“生態(tài)用水”的矛盾，既解決了城市的缺水問題，又不破壞生態(tài)環(huán)境。

一、綠色水供給的內(nèi)涵及原則

1．內(nèi)涵

所謂“綠色水供給”，就是在考慮水資源可持續(xù)利用和水資源優(yōu)化配置的基礎(chǔ)上，將常規(guī)水源(地表水源、地下水源)和非常規(guī)水源(再生水、雨水、海水等)放在同一層面上統(tǒng)一考量，在滿足供水需求的同時，真正實現(xiàn)水資源的“高質(zhì)高用，低質(zhì)低用”，是一種從整體的角度出發(fā)，結(jié)合了不同城市自然環(huán)境特點和經(jīng)濟社會發(fā)展用水需求的新型可持續(xù)供水方式。簡單地說，就是供水部門根據(jù)不同用戶對水質(zhì)的不同需求，進行高質(zhì)高價、低質(zhì)低價的供應和消費，以促進新鮮淡水消耗量的減少和治污成本的降低。

綠色水供給與傳統(tǒng)意義上的分質(zhì)供水相比，后者僅局限于生產(chǎn)過程的工業(yè)用水，而前者的關(guān)注范圍已擴展為直飲水、自來水、污水再生利用、海水、雨水回用等所有不同品質(zhì)的供水水種。

2．原則

城市綠色水供給的目標是要改變傳統(tǒng)的不可持續(xù)的單一供水方式，合理利用各種水源，解決城市用水“高質(zhì)低用”問題，促進城市用水與流域水生態(tài)環(huán)境的協(xié)同發(fā)展。所以，綠色水供給應遵循的原則如下。

(一)保質(zhì)、保量、及時供應原則

城市供水首先就是要從“水量”和“水質(zhì)”上滿足社會各方面對用水的需求，保障居民生活用水，為經(jīng)濟社會發(fā)展服務;還要盡量避免緊急缺水狀況的發(fā)生，及時供水，避免對生產(chǎn)、生活造成不必要的損失。

(二)可持續(xù)性原則

可持續(xù)性指近期與遠期之間、當代與后代之間在水資源的利用上要協(xié)調(diào)發(fā)展、公平利用，而不是掠奪性的開發(fā)利用甚至破壞［1］。水資源是通過水文循環(huán)得到恢復和更新的，過度開發(fā)會破壞水資源的自然循環(huán)，影響子孫后代對水資源的利用，還會引起一系列的生態(tài)環(huán)境問題。這就要求在合理利用常規(guī)水源的同時，積極開發(fā)利用非常規(guī)水源，實行多元化的供水方式來保護水資源的再生能力。

(三)“高質(zhì)高用、低質(zhì)低用”原則

傳統(tǒng)供水方式是典型的“高質(zhì)低用”模式，既浪費了優(yōu)質(zhì)水源，又增加了全社會的供水成本，尤其對于用水量大而又不需要優(yōu)質(zhì)水的行業(yè)企業(yè)來說，既增加了其生產(chǎn)經(jīng)營成本，又會與居民用水等競爭優(yōu)質(zhì)水源，在一定程度上加劇了供水緊張局面。由此可見，在當今優(yōu)質(zhì)水資源緊張、用水量不斷增加、水質(zhì)需求多樣化的情況下，這種單一供水方式會造成用水效率低、經(jīng)濟效益差、水污染排放量大，嚴重影響水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，降低了水資源對經(jīng)濟社會發(fā)展的可持續(xù)支撐能力。綠色水供給要實現(xiàn)多水種供水與多層次用水需求的相匹配，在水量和水質(zhì)上都實行“按需供水”，實現(xiàn)水資源的“高質(zhì)高用，低質(zhì)低用”。

(四)公平高效的原則

城市供水與經(jīng)濟社會的各個方面都有密切聯(lián)系，在水資源使用權(quán)的分配上要體現(xiàn)公平性的原則，滿足社會各階層各行業(yè)的需求，同時人人在保護水資源的義務上也是平等的。

高效性體現(xiàn)在供水模式的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益的高效性;要求提高水資源的循環(huán)利用率，降低供水損耗;同時政府、企業(yè)、供水部門、公眾等要聯(lián)合起來，發(fā)揮各自作用，形成高效互動的供水機制，保障城市供水系統(tǒng)的高效運行。

二、天津市供用水狀況分析

通過對近10年的《天津市水資源公報》、《天津市統(tǒng)計年鑒》、《中國城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》中相關(guān)數(shù)據(jù)的調(diào)研分析，對天津市供用水的基本狀況進行了詳細分析，相關(guān)結(jié)論如下。

1．天津市水資源嚴重缺乏，河流污染嚴重

天津市水資源集中分布在北部地區(qū)，人均水資源占有量為160 m3，僅占全國的1/15;供水水源中超過70%是地表水源，這70%中又有40%～50%是外調(diào)水，主要供城區(qū)生產(chǎn)和生活用水，且多年來引灤水源衰減嚴重，說明天津市對外調(diào)水依賴較大;河流污染嚴重，全年期超過80%的河長水質(zhì)處于劣V類。

2．地下水源供水逐年減少，但依舊超采嚴重

近10年來，地下水源供水逐年遞減，但總利用量仍然很大，2012年仍占總供水量的23.7%(約5.49億m3)，且自2010年起，淺層地下水供水量開始超過深層地下水供水量，說明政府和供水部門已經(jīng)關(guān)注到深層地下水嚴重超采引發(fā)的地下水位下降、漏斗面積增大、地面沉降等一系列問題，但應對力度還不夠大。

3．非常規(guī)水源開發(fā)利用加快

近年來，天津市開始利用非常規(guī)水源(深度處理再生水、海水淡化等)，2012年利用量達到0.47億m3，但也僅占總供水量的2%左右，主要用于市內(nèi)六區(qū)和濱海新區(qū)，與非常規(guī)水使用比例達到19%的北京市還有較大差距，未來發(fā)展空間還很大。2012年，天津8座再生水廠處理能力為29萬噸/日。目前，天津市已建成日產(chǎn)淡化海水產(chǎn)能31.6萬噸。

4．總用水量變化不大，生態(tài)用水增長較快

近10年來，天津市總用水量在23億m3上下浮動。其中，生產(chǎn)用水占80%左右(2012年，第一產(chǎn)業(yè)用水50.6%、第二產(chǎn)業(yè)用水23.2%、第三產(chǎn)業(yè)用水4.8%)，農(nóng)業(yè)用水受降雨影響大;生活用水占15%左右，增加很緩慢;而生態(tài)用水增長較快，約占5%。

5．農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水嚴重不足

農(nóng)業(yè)、生態(tài)用水基本依靠本地水源和入境水，實際供水量遠小于需水量。僅在北部農(nóng)村地區(qū)分布有淺層地下淡水，用于農(nóng)業(yè)灌溉;中南部(尤其是濱海新區(qū)、靜海縣、東麗區(qū))開采深層地下水，用于生活用水，已出現(xiàn)多個水位降落漏斗。

6．城市生活和生產(chǎn)用水基本依靠自來水

2011年，自來水供水7.45億m3，其中生產(chǎn)運營用水占42.3%，居民家庭用水占30%，公共服務用水占9.6%，其他用水占4.9%，漏損水量12.4%，免費供水量占0.8%。

7．非常規(guī)水源開發(fā)利用潛力大

天津市年污水處理量約6億m3，再生水開發(fā)利用潛力巨大;天津市對雨水資源的利用集中在農(nóng)業(yè)灌溉上，目前的利用率還很小，水庫蓄水量也不大，大量雨水資源白白流失;海水利用僅集中在少數(shù)企業(yè)，未來利用空間還很大。

8．外調(diào)水不能解決農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水短缺問題

由于“南水北調(diào)”成本較高，“引江水”通水初期只考慮供城市用水，屆時天津市將形成城市用水富余、農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水短缺的矛盾局面。

三、需水量預測

需水量指分配給用戶的包括輸水損失在內(nèi)的水量，由于不同用戶用水的特點和變化規(guī)律不同，我們選用城市規(guī)劃中常用的分類用水指標法和年均增長率法［2］，結(jié)合天津市近10年的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分類預測。

1．總需水量預測

(一)生活需水量

計算公式為

式中:Q1為生活需水量，億m3;q為人均生活需水量，L/人·d;N為常住人口，萬人;d為用水天數(shù)，按365天計。

根據(jù)天津市近10年人口增長規(guī)律，預測2020年N=1 897萬人;通過生活用水量和用水人口估算的近10年q在70～80 L/人·d之間，考慮到節(jié)水措施的進一步實施，取q=68L/人·d;計算得Q1=4.7億m3。

(二)生產(chǎn)需水量

天津市多年農(nóng)業(yè)用水在11億～12億m3之間，受水資源條件限制，農(nóng)業(yè)灌溉只能采取非充分灌溉方式，即經(jīng)濟灌溉定額。根據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計，天津市實際農(nóng)業(yè)需水量在18億～19億m3之間。隨著農(nóng)業(yè)節(jié)水效率的進一步提高，預測2020年農(nóng)業(yè)需水量Q2=17.8 億m3。

第二產(chǎn)業(yè)(包括工業(yè)和建筑業(yè))需水量預測采用分類用水指標法，分別按照萬元增加值定額法和每平方米竣工面積用水定額法預測工業(yè)需水量Q3和建筑業(yè)需水量Q4。

Q3(億m3)=工業(yè)增加值(億元)×萬元工業(yè)增加值用水量(m3/萬元)/104(2)

根據(jù)《天津市工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，“十二五”末，全市工業(yè)增加值達到9 000億元，按照期間16%的年均增長速度，預測2020年工業(yè)增加值將達到18 900億元;相關(guān)研究測算，2020年萬元工業(yè)增加值用水量將降至3.8 m3/萬元［3］;計算得Q3=7.2億m3。

Q4(億m3)=房屋建筑竣工面積(萬m2)×每平方米竣工面積用水定額(m3/m2)/104(3)

通過對近10年天津市房屋建筑竣工面積的分析，預計2020年該值將達到3 600萬m2;每平方米竣工面積用水定額與施工條件關(guān)系密切，考慮到施工技術(shù)條件具有穩(wěn)定性，建筑業(yè)定額均采用每平方米竣工面積用水1.1 m3/m2［3］;計算得Q4=0.4億m3。

第三產(chǎn)業(yè)需水量(Q5)預測采用定額指標法。

Q5(億m3)=第三產(chǎn)業(yè)增加值(億元)×三產(chǎn)萬元需水定額(m3/萬元)/104(4)

根據(jù)近10年天津市第三產(chǎn)業(yè)用水和第三產(chǎn)業(yè)增加值數(shù)據(jù)，計算出2012年三產(chǎn)萬元需水定額為1.8 m3/萬元，考慮未來三產(chǎn)結(jié)構(gòu)和用水水平的提高，預測2020年該值將下降到1.0 m3/萬元;10年來，第三產(chǎn)業(yè)增加值以年均13%的速率增長，預計2020年將達到13 770億元;計算得Q5=1.4億m3。

(三)生態(tài)環(huán)境需水量

生態(tài)環(huán)境需水量包括城鎮(zhèn)環(huán)境用水需水量和農(nóng)村生態(tài)補水需水量，前者指城市河湖生態(tài)需水量，后者指湖泊水面與濕地生態(tài)修復需水量，以及為正常發(fā)揮水土保持功能所需水量。2008年以來，天津市的生態(tài)用水量增長比較快，且從相關(guān)部門了解到，天津市實際的生態(tài)需水量比現(xiàn)在的用水量要多得多，預測2020年天津市的生態(tài)需水量Q6=5.4億m3。

綜上所述，預測2020年天津市的總需水量

2．非常規(guī)水需水量預測

非常規(guī)水源包括再生水、雨水、海水等。這里的非常規(guī)水需水量指參照《城市污水再生利用分類》標準，分別按照農(nóng)業(yè)用水、城市雜用水、工業(yè)用水和環(huán)境用水預測的對水質(zhì)要求不高的水的需求量，指總需水量中可由非常規(guī)水源供給的水量。

(一)農(nóng)業(yè)需水量

由前述可知2020年天津市的農(nóng)業(yè)需水量為17.8 億m3，遠遠大于《天津市再生水利用規(guī)劃》［4］中的可供水量7.95億m3。所以，短時間內(nèi)將再生水回用于農(nóng)業(yè)是不現(xiàn)實的，所以僅考慮在其它供水需求滿足情況下，將部分再生水作為農(nóng)業(yè)灌溉用水。

(二)城市雜用水需水量

選用預測方法、指標和預測結(jié)果如表1所示(具體計算過程不再贅述)。

表1　城市雜用水需水量分類預測(單位:億m3)

(三)工業(yè)用水量

非常規(guī)水用于工業(yè)，主要是熱電廠的循環(huán)冷卻用水。天津市主要電廠有東麗區(qū)的軍糧城、東北郊電廠、北辰電廠、西青區(qū)的陳塘莊、楊柳青電廠、濱海新區(qū)的北塘、南疆、大港和北疆電廠等。其中大港電廠和北疆電廠是采用的海水循環(huán)冷卻，估算其它電廠用于循環(huán)冷卻的再生水需求量約為70萬m3/d，考慮需求增加量，預測2020年需水量為2.40億m3。

(四)景觀環(huán)境用水量

天津市自2008年起開始施行《天津市津河等河道管理辦法》，根據(jù)實際天氣情況，津河、衛(wèi)津河等13個市內(nèi)二級河道的部分河段每年均需定期換水，以保證河道水質(zhì)良好。景觀補水以2.9萬m3/km2·d的標準，每年換水時間以180天計算［6］，考慮未來有一定增加，預測需水量為1.50億m3。

綜上所述，預測2020年天津市的非常規(guī)水需水量

Qf=17.8+6.03+2.40+1.50=27.7億m3(6)

四、天津市綠色供水結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟性分析

1．天津市非常規(guī)水利用的可行性

由上可知，天津市2020年非常規(guī)水需水量為27.7億m3，占總需水量的75%;如果不把缺口較大的17.8億農(nóng)業(yè)用水計算在內(nèi)，則非常規(guī)水需水量9.9億m3，總需水量19.1億m3，前者占后者的比例仍達到51.8%。因此，經(jīng)粗略估算，城市用水中有超過一半的水可用非常規(guī)水源替代。另由預測結(jié)果知，生活雜用水(2.08億m3)占生活用水(4.7億m3)的44.2%，生活雜用水水質(zhì)要求不高，生活污水經(jīng)適度處理后再生回用于雜用水，將會節(jié)省大量的自來水，可降低城市供水成本。工業(yè)用水中的冷卻水水質(zhì)也要求不高，且需水量大，僅預測電廠循環(huán)冷卻水就占到了預測工業(yè)需水量的1/3，利用再生水和海水等替代自來水冷卻非常可行，即節(jié)約了水源，又降低了生產(chǎn)成本。

根據(jù)實際的供水方式，天津市再生水水質(zhì)目前執(zhí)行綜合的污水再生利用國家標準，即城市污水再生用于城市雜用水、工業(yè)用水和景觀用水的綜合水質(zhì)標準［6］。考慮到再生水廠是以污水處理廠的二級出水為原水的，而一般雨水和海水水質(zhì)比污水處理廠出水要好的多，說明雨水和海水可直接或經(jīng)簡單處理后達到城市雜用水、工業(yè)用水和景觀用水的水質(zhì)標準。根據(jù)《天津市再生水利用規(guī)劃》，2020年天津市再生水年可供量為7.95億m3;天津市降雨折合水量的多年平均值為68.5億m3，同時天津作為濱海城市，擁有取之不盡、用之不竭的海水資源，開發(fā)利用空間巨大。

由此可知，天津市非常規(guī)水的需求量很大，水質(zhì)上也可以滿足需求，而且可供水量非常可觀，在天津市積極開發(fā)利用非常規(guī)水源是非常可行的。

2．天津市綠色供水結(jié)構(gòu)

城市綠色供水結(jié)構(gòu)應該是兼顧供水的環(huán)境、社會和經(jīng)濟效益的，即要符合城市供用水特點，在水量上能夠滿足經(jīng)濟社會用水需求，在供水水種與不同用途水的水質(zhì)匹配上較易實現(xiàn)，又要合理利用各種水源，最大限度地實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

考慮天津市供用水特點，各種用途水的需水量，各水源分布、水量和水質(zhì)特點等一系列因素，在滿足水質(zhì)需求的情況下，較合理的綠色供水結(jié)構(gòu)如表2所示，各用途水的水源配比如表3所示。

表2　天津市綠色供水結(jié)構(gòu)水量表(單位:億m3)

表3　天津市綠色供水結(jié)構(gòu)比例表　(單位:%)

3．效益分析

由表2可知，在這種綠色供水結(jié)構(gòu)下，自來水供水量為5.94億m3(供水總量36.9億m3)，相比2011年自來水供水7.45億m3(供水總量23.1億m3)，節(jié)約了1.5億m3的自來水，暫不考慮按現(xiàn)有供水結(jié)構(gòu)2020年自來水供水的增加量，自來水供水比例將由32.3%下降到16.1%;再生水主要滿足工業(yè)和景觀等大用戶用水，其次是生活雜用;海水利用遵循就近原則，主要是濱海新區(qū)沿海部分工業(yè)的循環(huán)冷卻用水;由于未來天津市的農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境用水缺口較大，短時間內(nèi)靠抽調(diào)其它水源供給是不實際的，只能依靠修建水利設(shè)施，汛期蓄水，盡量填補缺口;地表水源直接供水11.4億m3，用水大戶是農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境，由于天津市自來水的水源以地表水源為主，所以加上自來水供水量5.94億m3，地表水源總供水量約17.3億m3，與目前天津市地表水源平均供水量相差不大，考慮到南水北調(diào)中線工程2014年汛期后將全線通水，東線工程也已全線具備通水條件，屆時將大大減少對引灤水源的依賴，為流域水生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造一個較長的恢復期;地下水嚴重超采，出現(xiàn)了多個水位降落漏斗，由于淺層地下水源可通過降雨和地表徑流補給，因此一般只考慮利用淺層地下水，但不應超過其自然補給量。

由于缺少雨水和海水利用的工程資料，目前無法較準確地衡量其經(jīng)濟性，因此這里主要從對生活和工業(yè)影響比較大的再生水角度，說明綠色供水結(jié)構(gòu)下，水資源綜合利用的經(jīng)濟價值。根據(jù)天津市某再生水廠與天津市相關(guān)部門約定的再生水協(xié)議分類水價，居民城市雜用水2.2元/噸，工業(yè)用水2.5元/噸，其他用途用水統(tǒng)一為4.0元/噸［7］，相對于現(xiàn)在天津市自來水4.9 元/噸的價格，按照表1中再生水用于不同用途水的水量計算，再生水用于城市生產(chǎn)和生活用水產(chǎn)生的經(jīng)濟效益將達到14.5億元。

綜上所述，這種綠色供水結(jié)構(gòu)在兼顧“城市用水”和“生態(tài)用水”需求的同時，節(jié)省了大量優(yōu)質(zhì)水源，又可以降低供水成本和生產(chǎn)生活用水成本，具有重要的社會、環(huán)境和經(jīng)濟效益，對于其它城市根據(jù)自身供用水特點和水源狀況構(gòu)建適合該城市的綠色供水結(jié)構(gòu)具有重要的借鑒意義。

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Preliminary Studies on Urban Green Water Supply Structure
—A Case of Tianjin

Zhang Hongwei1，2，Liu Hongbo1，Gao Hongxia1
(1．School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China 2．Department of Environment and Economics，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

Abstract:Homogeneous single unified urban water supply has adopted for a long time in China，not only the large supply costs，wasting a lot of high-quality water，but also leading to intensified conflicts between‘municipal water'and‘ecological water'，ecological environment destruction and increasingly serious urban water shortage situation．To solve above problems，

we put forward the concept and principles of‘urban green water supply'by taking Tianjin as an example．Using classification water index method and annual growth rate method，we forecasted water demand of Tianjin in 2020．Then we proposed the green water supply structure suitable for Tianjin，and briefly analysed its economy．The results show that under the green water supply structure，various water resources can be reasonably used，meeting the urban water and ecological water demand．At the same time，it can reduce the cost of water supply to a certain degree，which has a good social，environmental and economic benefits．

Keywords:green water supply;classification water index method;annual growth rate method;water demand forecast; green water supply structure;economy

通訊作者:高紅霞，hxgao225@163．com．

作者簡介:張宏偉(1956—)，男，博士，教授．

基金項目:國家社會科學基金資助項目(13AZD011)．

收稿日期:2014-06-26．

中圖分類號:TU991

文獻標志碼:A

文章編號:1008-4339(2015)01-001-05