水資源的可持續(xù)管理

錢易

School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China

水資源的可持續(xù)管理

錢易

School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China

1.引言

水是生命之源、生產(chǎn)之本、生態(tài)之基。因此，應(yīng)該特別注意水資源管理。由于天然和人為的原因，中國正面臨著嚴(yán)重的水資源危機(jī)，包括：水資源短缺、洪澇災(zāi)害以及水體污染。水資源危機(jī)已經(jīng)威脅到了人類的健康和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

中國天然水資源主要有兩個特點。一是水資源不足：水資源可利用量約為人均1780 m3，僅為全球水資源可利用量的四分之一，與國際上公認(rèn)的用水緊張國家(水資源可利用量小于人均1700 m3)非常接近。二是水資源地域分布不均：呈現(xiàn)出南多北少的局面。北部地區(qū)居住了全國47 %的人口，擁有全國65 %的耕地面積，但水資源擁有量卻只有全國水資源量的17 %。此外，中國的降水還具有四季分布不均的特點。

水體污染主要由人為原因造成。工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人們的日常生活都會排放含有各種污染物的污水、廢水，造成水體污染。中國的七大水系都已經(jīng)被不同程度污染，包括有機(jī)污染、富營養(yǎng)污染、重金屬污染和持久性有機(jī)物污染等。估計中國至少有1億城市人口、3.2億農(nóng)村人口缺乏安全的飲用水。近幾年發(fā)生了許多與水體污染有關(guān)的事故，嚴(yán)重威脅著人們的健康和生命。

洪澇災(zāi)害一般都是突發(fā)事件。然而，問題產(chǎn)生的大部分原因在于未對排水系統(tǒng)進(jìn)行精心設(shè)計、建造以及運行維護(hù)。例如，由于城市排水系統(tǒng)的問題，我國北方的一些城市會遭受洪災(zāi)。

為防止水資源危機(jī)的有害影響，中國應(yīng)密切重視可持續(xù)水資源管理?？沙掷m(xù)水資源管理的目標(biāo)應(yīng)該包括：為經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人們的日常生活提供充足的水資源，保護(hù)清潔的水環(huán)境，保障安全的飲用水，防止洪澇災(zāi)害。

為確保上述目標(biāo)的實現(xiàn)，中國的可持續(xù)水資源管理應(yīng)采取以下策略[1,2]：

(1) 節(jié)約用水，控制需求；

(2) 源頭削減，治污為本；

(3) 努力實現(xiàn)廢水的資源化、能源化；

(4) 變洪水為資源，防止洪澇災(zāi)害。

2.節(jié)約用水，控制需求

長期以來，人們認(rèn)為水是一種廉價資源，取之不盡，用之不竭。因此，許多人用水時漫不經(jīng)心，任意浪費。這種觀點和行為方式極有問題，必須改變：人們應(yīng)該控制對水的需求，并且謹(jǐn)慎用水。

表1顯示了曾經(jīng)調(diào)查過的中國某城市不同用戶的人均每日生活用水量。

表1 人均每日生活用水量

由表中數(shù)據(jù)可見，不同用戶的人均生活用水量差別很大。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因有很多，比如：大學(xué)的教室、圖書館和實驗室都需要用水；醫(yī)院需要更多的水用于清潔和治療等。但也可以看出，公共場所和個人家庭具有節(jié)約用水的巨大潛力。與德國每日人均用水量128 L相比，中國某些城市的人均用水量還有減少的余地。

工業(yè)用水量因工業(yè)的特點、生產(chǎn)過程中采用的技術(shù)手段的不同會有很大的差別。每個工業(yè)部門都應(yīng)開發(fā)和使用清潔的生產(chǎn)工藝，減少生產(chǎn)過程中的用水量以及廢水的排放量。

最近十余年來，中國鋼鐵企業(yè)在節(jié)約用水方面取得了顯著的成績。中國鋼鐵協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2000年我國噸鋼生產(chǎn)的平均用水量為25.24 m3，而2013年這一數(shù)值降低到3.5 m3。河北省唐山鋼鐵公司噸鋼生產(chǎn)只需用水1.8 m3，而且該公司用的不是自來水、地表水或地下水，而是經(jīng)城市廢水處理廠處理過的水，即中水，或稱再生水。因此，如果所有的鋼鐵企業(yè)都可達(dá)到如此高的節(jié)水水平，那么鋼鐵工業(yè)部門將具有很大的節(jié)水潛力。圖1顯示了2000—2013年中國鋼鐵企業(yè)噸鋼生產(chǎn)的平均耗水量變化。結(jié)果顯示，2013年噸鋼生產(chǎn)的平均耗水量較2000年下降86.1 %。在其他工業(yè)領(lǐng)域也有許多很好的例子。工業(yè)節(jié)水技術(shù)應(yīng)該被盡快發(fā)展和實施。節(jié)約用水的另一好處是可以減少廢水排放量，這樣就可以在節(jié)約水資源的同時減少水體污染，這是一個可以獲得雙贏的策略。

農(nóng)業(yè)需要大量用水。中國用于耕地的灌溉用水占用水總量的60 %，但用水效率僅為53 %。因此，中國亟需提高農(nóng)田灌溉效率，開發(fā)利用高效的灌溉技術(shù)和系統(tǒng)。

圖1.2000—2013年中國鋼鐵企業(yè)噸鋼生產(chǎn)的平均耗水量變化。

3.源頭削減，治污為本

長期以來，人們密切關(guān)注廢水處理，并將其作為控制污染的一種手段。然而，實踐經(jīng)驗告訴人們，控制污染的重點應(yīng)該是在源頭削減排放[3]。

就工業(yè)而言，清潔生產(chǎn)的發(fā)展 和應(yīng)用是減少污染產(chǎn)生的最佳途徑?！笆濉逼陂g，中國工信部在13個不同的工業(yè)領(lǐng)域主持進(jìn)行了清潔生產(chǎn)技術(shù)及工藝的篩選項目。超過1000項可降低能源消耗和污染產(chǎn)生的清潔生產(chǎn)技術(shù)及工藝被選擇?？梢灶A(yù)料，該項目成果必然能夠帶來顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

中國有很多工業(yè)園區(qū)。將現(xiàn)有工業(yè)園區(qū)生態(tài)化或建立新的生態(tài)工業(yè)園區(qū)是控制污染的好辦法。生態(tài)工業(yè)園區(qū)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)與其他產(chǎn)業(yè)建立共生關(guān)系，將某個產(chǎn)業(yè)的廢渣、廢水、廢氣作為其他產(chǎn)業(yè)的原料。這種方式可降低成本，減少污染物，是雙贏策略的另一個很好的例子。

從農(nóng)田和農(nóng)民日常生活排出的廢水是非點源污染的主要來源，在考慮水污染防治問題時不容忽視。目前，最好的策略就是實施生態(tài)農(nóng)業(yè)，建設(shè)生態(tài)村。生態(tài)農(nóng)業(yè)的主要特點是：更少地使用化學(xué)肥料、化學(xué)殺蟲劑和水。此外，生態(tài)農(nóng)業(yè)和生態(tài)村產(chǎn)生的生物廢料可被用作能源或其他類型的資源。

近20年來，歐洲國家還開發(fā)了生活廢水源頭分離的工藝和設(shè)備。對原有的廁所進(jìn)行改造，實現(xiàn)了灰水(污染程度較低的清洗用水)、黃水(沖洗小便池的廢水)和黑水(沖洗大便池的廢水)的源頭分離。這些系統(tǒng)和設(shè)備顯著減少了水資源的消耗，使廢水被再利用為資源。

4.努力實現(xiàn)廢水的資源化、能源化

減少污染物的源頭排放非常重要；然而，對日常生活廢水的處理也十分必要[3,4]。

在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，廢水處理的目標(biāo)是防止廢水對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生有害影響。近30年來，將廢水轉(zhuǎn)化為能源或其他資源的問題已經(jīng)被討論，這是一個新概念，并且是廢水處理的新方向。工程師們已經(jīng)為廢水再利用開發(fā)了許多新的工藝和技術(shù)。如今，廢水的資源化、能源化、無害化已經(jīng)成為水資源可持續(xù)管理的重大戰(zhàn)略[2,3]。

廢水是寶貴的資源。再生水可被用作農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城市水資源；廢水中的有機(jī)污染物可被轉(zhuǎn)化為資源；廢水中通常含有氮、磷、鉀、鎂，可被回收用作肥料或化學(xué)品。

再生水的利用目標(biāo)應(yīng)被謹(jǐn)慎選擇。在中國，農(nóng)業(yè)的用水量最大，因此，應(yīng)密切關(guān)注用于灌溉的再生水的再利用。如果再生水被用于灌溉，在廢水處理過程的設(shè)計中就不應(yīng)包括氮和磷的去除，因為氮和磷可以作為農(nóng)作物所需的肥料。因此，利用再生水灌溉農(nóng)田既能同時回收、利用農(nóng)作物所需的水和肥料，又能降低為防止水體富營養(yǎng)污染而進(jìn)行的脫氮除磷處理的能耗和成本，這又是一項雙贏策略。再生水還可被用于工業(yè)冷卻、市政清潔、綠地灌溉等其他目的。新加坡作為一個十分缺水的國家，已經(jīng)成功地將再生水用作水資源。

開發(fā)和利用高效、低耗、合適的廢水處理技術(shù)十分重要[3,4]。例如，厭氧生物處理技術(shù)不耗能，而是將廢水中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為資源，即甲烷氣體。與此相反，耗氧處理過程消耗氧氣，并通過對廢水中有機(jī)污染物的穩(wěn)定化產(chǎn)生二氧化碳。因此，未來應(yīng)改進(jìn)和應(yīng)用厭氧處理技術(shù)。此外，對可作為未來廢水處理手段的自然生態(tài)系統(tǒng)(如氧化塘)和土地處理系統(tǒng)(如濕地)應(yīng)給予更多的關(guān)注，特別是在農(nóng)村和地廣人稀的地區(qū)。

圖2是荷蘭瓦赫寧根大學(xué)提出的城市廢水處理新系統(tǒng)。所有廢水經(jīng)過該系統(tǒng)的處理都可被轉(zhuǎn)化為資源而被再利用。該系統(tǒng)的處理核心是厭氧生物處理。如圖所示，污泥的利用和處理是污水處理過程的重要組成部分，必須對其加以考慮。

目前世界上很多國家都成功利用了再生水。以色列水資源十分有限，但仍可向其他國家出口食品，其主要原因是該國的再生水利用率高達(dá)90 %。目前，有效的水資源管理策略已經(jīng)解決了水資源短缺問題。中國還需向以色列多加學(xué)習(xí)。

5.變洪水為資源，防止洪澇災(zāi)害

如前所述，由于中國不完善的城市排水系統(tǒng)，在某些干旱地區(qū)的城市甚至發(fā)生洪澇災(zāi)害。完善城市雨水收集系統(tǒng)是必要的、有效的，但這是傳統(tǒng)的做法。目前新的理念是將雨水轉(zhuǎn)化為資源。為達(dá)到這一目的，需因地制宜地建設(shè)多種雨水收集設(shè)施以收集雨水并對其進(jìn)行利用。例如，雨水收集系統(tǒng)建筑物頂部的集水池和居民區(qū)的雨水采集系統(tǒng)和集水池。被收集的雨水可在旱季時用于沖洗廁所、灌溉綠地和道路清潔等。因此，可將多余的雨水轉(zhuǎn)化為資源。

美國加利福尼亞州科恩縣是一個很干旱的城市。該城市發(fā)明了“水銀行”的概念。概念大致為：在汛期將雨水儲存在地下；在旱期利用這些地下水。為實現(xiàn)這一概念，人們付出了大量的努力。“水銀行”的主要特點是：道路、池塘和運河等表面都要具有滲透性，以保證雨水很快滲入地下。在這一概念中，地下水的功能就如銀行的功能：多余的水在雨季被儲存，在需要的時候可被取出使用。“水銀行”的運行也遵循銀行運行的規(guī)則：根據(jù)水的消耗標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)用戶用水沒有超過規(guī)定的指標(biāo)時，“水銀行”可將剩余水量儲存起來以供其未來使用?！八y行”的應(yīng)用顯著緩解了科恩縣的用水緊張形勢，并提高了地下水位(如圖3)。

圖2.城市廢水處理新系統(tǒng)(荷蘭瓦赫寧根模式) 。

圖3.美國加利福尼亞州科恩縣“水銀行”示意圖。

有效的政策、主管部門的精心管理以及合適的技術(shù)對上述策略的成功實施非常重要。例如，廢水處理的工藝和技術(shù)應(yīng)該被運行和提升，供水和排污系 統(tǒng)的計劃和設(shè)計應(yīng)該被改進(jìn)[5]。

中國的許多城市已經(jīng)著手將自身改造為有助于對雨水進(jìn)行管理和利用的“海綿城市”。

水資源的可持續(xù)管理是可持續(xù)發(fā)展的必要保障。實施水資源可持續(xù)管理戰(zhàn)略，促進(jìn)中國和世界的可持續(xù)發(fā)展。

[1] Qian ZY, Zhang GD, editors.Study on sustainable development of water resources strategy in China.Beijing: China Water & Power Press; 2001.Chinese.

[2] Engelman R, Le Roy P.Sustaining water: pollution and the future of renewable water supplies.Washington, DC: Population and Environment Program, Population Action International, 1993.

[3] Zhang ZX, Qian Y.Urban sustainable development and water pollution prevention countermeasure.Beijing: China Architecture & Building Press; 1998.Chinese.

[4] Zhang ZJ, Qian Y, Zhang FJ, editors.Environmental engineering handbook: water pollution control.Beijing: Higher Education Press; 1998.Chinese.

[5] Water Resource Field Strategy Research Group of Chinese Academy of Sciences.Water science and technology in China: a roadmap to 2050.Beijing: Science Press; 2009.

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(1): 23—25

Yi Qian.Sustainable Management of Water Resources.Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.01.006