雨落烟波起 -
方先金
（北京市市政工程科学技术研究所，北京市西城区大帽胡同26号，100035，中国）
我国是一个水资源贫乏的国家，人均水资源拥有量只有2200m3，仅为世界平均水平的1/4，在世界银行连续统计的153个国家中居第88位。同时，我国水资源在时间和地区分布上很不平衡，南方多北方少，北方大部分地区人均水资源拥有量低于联合国可持续发展委员会确定的1750m3用水紧张线，其中9个地区低于500m3的严重缺水线。水资源短缺已成为制约我国经济和社会发展的重要因素。
1 水资源可持续利用面临的问题
1.1 水资源总量紧缺
50年来，全国用水总量从1949年的1000多亿m3增加到1997年的5566亿m3，其中农业用水占75.3%，工业用水占20.2%，城镇生活用水占4.5%，人均综合年用水量从不足200m3增加到458m3。目前，全国每年缺水近400亿m3，其中，农业缺水300亿m3，因旱致灾，年均减少粮食200多亿千克；城市和工业缺水60亿m3，影响工业产值2300多亿元，全国668座城市有400多座缺水，有110个城市严重缺水。特别是1999年以来，我国北方地区持续干旱，给工农业生产造成较大的影响，也给城市、农村居民生活用水造成很大的困难。2001年6月上旬旱情最为严重时，全国受旱面积一度达到4.2亿亩（1亩＝100m2），由于持续干旱，水源不足，造成城乡人民生活用水紧张，有2198万城镇人口和3300万农村人口及1450万头大牲畜发生饮水困难。天津、长春、大连、青岛、唐山和烟台等大中城市已受到水资源短缺的严重威胁，许多水库、河流出现从来没有过的断流和干枯。今后随着人口的增长、生活水平的提高、城市化的加快，水资源供需矛盾将更加突出，据预测，我国用水高峰将在2030年前后出现，2030年我国人口将达到16亿人，粮食总产量需达到7亿t，年用水总量为7000亿～8000亿m3，全国每年缺水将在700亿m3左右。
气候变化对我国水资源可利用量也产生了负面影响。据1950～1997年的降水和气温资料分析，我国近20年来呈现北旱南涝的局面。20世纪80年代华北地区持续偏旱，京津地区、海滦河流域、山东半岛10年平均降水量偏少10%～15%。进入20世纪90年代，黄河中上游地区、汉江流域、淮河上游、四川盆地的8年平均降水量偏少约5%～10%，黄河花园口的天然来水量初步估计偏少约20%，海滦河和淮河的年径流量也都明显偏少。北方缺水地区持续枯水年份的出现，以及黄河、淮河、海河与汉江同时遭遇枯水年份等不利因素的影响，加剧了北方水资源供需失衡的矛盾。据相关研究，未来50年由于人类活动产生的温室效应，全球年平均气温可能升高，气温升高将使地表蒸发量提高，水资源量将相应减少。
1.2 水资源分布不均
我国水资源在时间和空间分布上很不平衡。长江流域及其以南地区国土面积只占全国的36.5%，其水资源量占全国的81%；黄淮海流域人口、粮食产量和国内生产总值都占全国的1/3左右，但其多年平均水资源仅占全国的7.2%。受季风气候的影响，各地的降水量年内分配极不均匀，大部分地区每年汛期4个月的降水量占全年降水总量的70%左右，很容易形成春旱夏涝。水资源在时间和空间分布上不平衡给水资源充分利用带来了一定的难度。
1.3 水资源浪费严重
我国一方面水资源严重短缺，另一方面却浪费严重。长期以来，“以需定供”的水资源非可持续利用模式是造成水资源短缺的人为原因。盲目发展第一、第二产业，特别是片面追求粮食增产和重工业的发展，造成产业结构的不合理，水资源利用效率偏低，使本来就紧缺的水资源问题更加严重。
目前，我国农田灌溉面积中渠灌面积占75%左右，而渠系损失约为50%，农田蒸发损失约为17%，实际利用量仅有33%左右。由于大多数地方采用传统的灌溉模式，每亩实际灌水量达到450～500m3，超过了实际需水量的1倍左右，浪费极为严重。我国主要依靠降水的旱作耕地面积约12亿亩，其中70%分布在降水量250～600mm的北方地区，由于蓄水和保水等基础设施不足，农田对自然降水的利用率仅为56%左右。按最新统计估算，我国农田灌溉用水的利用率仅有1.0kg/m3，旱作耕地的水分利用效率为0.60～0.75kg/m3，全国农业用水的平均效率为0.8kg/m3，综合经济效益为0.2美元/m3，而以色列已超过1美元/m3，差距十分明显。现阶段我国农业水资源利用不符合水资源可持续利用的要求。
我国工业用水效率总体水平仍然较低，2001年我国万元工业产值取水量为90m3，约为发达国家的3～7倍；工业用水重复利用率约为52%，远低于发达国家80%的水平。2000年全国城市人均生活用水量达220.2L/d，远高于发达国家的人均生活用水量。社会各界的水忧意识不强，浪费水资源的现象仍很严重，这说明节水措施尚未有效落实，节约用水的技术和管理水平不高。近十年来，我国根据经济可持续发展战略对经济结构调整虽已初见成效，但水资源消耗利用模式尚未发生实质性变化。
1.4 水污染形势严峻
目前我国污水处理率还较低，大量的城市和生活污水未经处理直接排入江河湖库水域，使全国大部分水域和近50%的重点城镇的集中饮用水水源受到不同程度的污染，其中水污染比较严重的城镇98个，主要分布在三河三湖流域。由于水污染一些水源被迫停止使用，寻找新的水源，从而加剧了城市缺水。水污染还影响到供水水质，损害居民的身体健康。目前，全国水土流失面积356km2，占国土面积的37%。全国地下水多年平均超采74亿，已形成164个地下水超采区，部分地区出现地面沉降，海水入侵等问题。许多重要河流、湖泊污染严重，由于污染而引发的水事矛盾不断增加。水污染严重影响我国的水资源可持续利用，影响我国经济社会的可持续发展。
2 实现我国水资源可持续利用应采取的措施
我国政府十分重视水资源可持续利用，明确指出：水资源可持续利用是我国经济社会发展的战略问题。多年来，针对我国水资源特点和水资源利用中存在的问题，采取了一系列措施来保证水资源的可持续利用。
2.1 合理利用水资源
我国水资源可持续利用的根本出路在于坚持可持续发展战略，变“以需定供”的传统开发模式为“量水而行、以水定需”的水资源可持续利用的模式。立足于可利用水资源的保护和合理利用，根据水资源承载能力，确定经济社会发展结构，确保各种水域的可持续利用，对经济结构进行战略调整，在水资源充裕和紧缺地区采用不同的经济结构。大力发展节水、省能、高附加值的高新技术产业和服务业。根据我国水资源的时空分布特点合理发展农业，采取必要的退耕还林，使生态系统得到改善，保证水资源的供需平衡。
2.2 合理调配水资源
根据我国降水年内分布不均的特点，应修建大量的蓄水设施，以充分利用水资源。目前，全国共建水库8.5万座，使年供水能力大大提高。蓄水设施一方面能将雨季多余降水贮存起来，供干旱季节使用。另一方面可以减少洪水灾害，保证经济的发展。在地域上，我国的水资源南多北少，南方水资源充裕，北方水资源严重不足。南水北调工程是解决我国北方地区水资源缺水矛盾，实现水资源合理配置的重大战略工程。南水北调东、中、西三条线路将与长江、黄河和海河相互联接，形成水资源合理配置的总体格局，达到南北调配、东西互济的水资源配置目标。三条调水线路年调水总量380亿～480亿m3，可基本改变我国黄淮海地区水资源严重短缺的状况，保证我国水资源总体上可持续利用。
2.3 大力开展节水工作
我国历来重视节约用水工作，20多年前，国家就提出了要实行开源与节流并重的方针，认真开展了节约用水工作，并制定了一系列节约用水的法规和标准，建立了节约用水的管理制度，也形成了比较健全的管理体制，城市节约用水工作取得了一定的成绩，到2000年全国设市城市累计节约用水300多亿m3，使近5年来城市用水总量基本无增长，改变了城市用水量随经济发展同步增长的趋势。但是，目前我国农业用水利用率还较低、工业万元产值用水量和城市居民日平均用水量还较高，节水的潜力还较大。在农业方面，应发展和推广农业节水技术，减少农田的深层渗漏和地表流失量，减少单位面积的用水量，减少田间和输水过程中的蒸发和蒸腾量，提高灌溉和降水的水分利用效率，不断提高单位水资源的产量和效益。在工业节水方面，应在调整工业生产结构的同时，改进生产工艺，提高用水重复率，减少万元工业产值的用水量。为了保证节水工作，要制定和完善相关的政策法规，建立一套符合市场经济原则的体制和机制，对现有水价偏低进行改革，建立水资源的宏观控制和微观定额体系，形成总量控制与定额管理相结合的水资源管理体制。
2.4 大力发展污水处理和再生回用工作
水污染加剧了我国水资源短缺形势，直接威胁着饮用水的安全和人民的健康，影响到工农业生产和农作物安全，造成的经济损失约为国民生产总值的1.5%～3%。水污染已成为不亚于洪灾、旱灾甚至更为严重的灾害。水污染早在20世纪70年代已经显现出来，但没有引起足够的注意，采取的措施不够恰当有力，因此出现了今天的严重局面。如再不及时采取有效对策，将严重影响我国水资源可持续利用。长期以来采用的以末端治理、达标排放为主的工业污染控制战略，已被国内外经验证明是耗资大、效果差、不符合可持续发展的战略。应大力推行以清洁生产为代表的污染预防战略，淘汰物耗能耗高、用水量大、技术落后的产品和工艺，在工业生产过程中提高水资源利用率，削减污染排放量。对于工业和城市生活排水造成的点源污染，应大力发展污水处理工程，使我国的污水处理率在2000年34.3%的基础上进一步提高。对于面污染源包括各种无组织、大面积排放的污染源，如含化肥、农药的农田径流，畜禽养殖业排放的废水、废物等，其控制应与生态农业、生态农村的建设相结合，通过合理使用化肥、农药以及充分利用农村各种废弃物和畜禽养殖业的废水，将面源污染减少至最小。应积极开展污水资源化再利用工作，提高污水再生回用率。
3 污水再生回用是实现水资源可持续利用的有效途径
污水再生回用是经济可靠的开源节流措施，与跨流域调水、海水淡化、雨水蓄用等开源措施相比，污水再生回用具有经济性和可靠性。人类使用过的水，污染杂质只占0.1%左右，比海水3.5%少得多，其余绝大部分是可再用的清水。跨流域调水和雨水蓄用工程投资较大，并需投入大量资金控制水体进一步污染，跨流域调水还会对现有的生态系统产生影响。在我国现有经济条件下，跨流域调水和雨水蓄用只能逐步进行。污水再生回用的本质是实行循环用水和分质用水，将污水经再生后回用到水质要求较低的用户。随着工业化的加速发展，人们生活水平不断提高，水污染范围也在扩大、污染程度加深，社会经济发展和环境污染之间形成一对尖锐的矛盾。发展污水再生回用、减少废水排放量是解决环境问题最有力的措施。另外，为满足用户的需要，再生水必须符合相应的水质标准，为此，需对污水处理厂二级出水进行深度处理，从而减少了污染物总量，减轻了废水对环境的压力。
污水再生回用应严格按回用对象和目的控制回用水水质，以确保回用水的安全性。为此，我国制定了一系列相关回用标准。如生活污水经二级处理后能够达到《污水综合排放标准》，但不能作为生活杂用水或工农业用水；若考虑回用，必须进一步处理。当污水回用于农田灌溉，水质指标应该满足《农田灌溉水水质标准》；当污水回用于城市景观，水质指标应该满足《再生水回用于景观水体的水质标准》；当污水回用于城市生活杂用，水质指标应该达到《生活杂用水水质标准》；工业污水回用水质指标应该满足相应的工业用水标准等。
城市供水量的80%变为污水排入城市下水道，收集起来再生处理后，70%可以安全回用；二者合计，约城市供水量的56%可以转变成再生水，返回到城市水质要求较低的用户，替换出等量的清洁水，相应地增加城市一半以上的供水量。废水是一种非常宝贵的资源，挖潜能力巨大。我国2000年全国污水排放量为620m3，这是很大的再生水资源。污水再生回用立足于自有水资源增加城市供水量，是实现水资源持续利用的有效措施。污水再生回用能有效地缓解城市水资源短缺。
为了保证水资源可持续利用，支持经济可持续发展，针对我国水资源存在的问题，近十多年来，通过国家科技攻关，以及缺水城市为解决水污染和水资源短缺做出的努力，国内已经建成一批不同工艺、不同回用对象的城市污水回用示范工程。表1列出了华北地区部分城市污水回用工程情况统计结果。目前我国污水回用工程主要回用对象为污水处理厂内部用水、市政杂用、河道补水、绿化、工业用水等，尚未回用于地下回灌和饮用水源。北京市2001年完成的高碑店污水处理厂出水回用工程是我国目前最大的污水再生回用工程。大量的污水回用工程实践表明：污水再生回用是解决水资源可持续利用的有效途径。
表1 华北地区部分城市污水回用情况 单位：万m3/d
4 我国污水再生回用最大工程
4.1 工程概况
高碑店污水处理厂回用工程是目前我国最大污水再生回用工程，该工程于1999年3月至8月完成该项目的前期研究工作，并完成了可行性研究，1999年10月完成项目立项和审批；2000年1月完成该工程的初步设计和审批工作，2月完成施工图设计，同年4月开始施工，2001年5月完成工程施工，2001年6月完成调试和试运转，2001年7月开始供水。
高碑店污水处理厂是目前我国最大的污水处理厂，处理能力为100万m3/d。该厂污水系统流域面积96km2，服务人口240万人，汇集北京市南部城区的大部分生活污水、东郊工业区、使馆区和化工路的全部污水。该处理厂采用前置缺氧段活性污泥法工艺，即在推流式曝气池前设置缺氧段，其目的是改善污泥性质，防止污泥膨胀。该厂出水水质水量稳定，其二级出水已接近相关的回用水水质标准。但该回用工程运转前，高碑店污水处理厂二级出水直接排入通惠河下游，除每年约5500万m3用于农业灌溉外，剩余的出水每年超过3亿m3没有得到利用，这是很大的水资源浪费。为了缓解北京市面临的21世纪城市发展和可利用水资源的矛盾，实现北京市水资源可持续利用，支持国民经济可持续发展战略，北京市政府决定开发该厂污水资源。高碑店污水处理厂回用工程使用回用水的区域达141km2，回用水用户涉及到工业、公园绿化、道路喷洒和冲刷、河湖补水等。
4.2 工程规模和技术方案
本工程近期规模为30万m3/d，远期规模为47万m3/d。在回用工程技术方案确定中尽可能地利用现有设施，以降低工程投资。具体设计方案如下：高碑店污水处理厂二沉池出水经新建泵站（规模47万m3/d）提升后用两条管道分别输送到高碑店湖（规模30万m3/d）和水源六厂（规模17万m3/d）。送至高碑店湖的处理水通过第一热电厂现有深度处理设施进一步处理后供该厂冷却用水；送至水源六厂的处理水在该厂进行深度处理后，一部分通过水源六厂现有供水系统供给东郊工业区和焦化厂；一部分通过新建管道输送到西便门和东便门。在水源六厂现有供水管道和新建管道沿线设取水口，并新建回用水支线，供市政杂用取水。
4.3 回用水水质技术保障措施
由于高碑店污水处理厂建设时，国家对城市污水处理厂出水要求中还没有氮和磷的指标控制，因此，目前该厂出水中氮和磷的含量较高，这会直接影响回用水水质，必须对该厂进行技术改造，进一步提高该厂出水水质。改造规模为50万m3/d，即对高碑店污水处理厂一期工程（50万m3/d）进行改造。该改造工程分两步进行。第一步改造后使出水水质优于目前第一热电厂冷却水取水水源高碑店湖的水质，出水中BOD、COD、总磷和氨氮分别达到10mg/L、40mg/L、1mg/L和10mg/L。第二步改造使该厂50万m3/d满足高碑店湖Ⅳ类水体的水质要求。第一步主要改造工作量包括曝气池改造和污泥处理系统的改造。原曝气池为1/12为厌氧区，其余为好氧区，改造后原池2/9为缺氧区及厌氧区（水力停留时间共为2h），其中进水端分出一停留时间为15min的强化吸附区。其余仍为好氧区（水力停留时间7.25h）。原污泥系统中剩余污泥泵入初沉池，其混合污泥再进污泥浓缩池浓缩后消化脱水，因浓缩污泥池停留时间较长，处于厌氧状态，磷又被释放出来，通过上清液回到污水中，因此达不到除磷的目的。改造后，原有浓缩池改为浓缩酸化池，浓缩酸化池上清液做为碳源排入水处理系统；将消化池上清液和脱水机滤液及冲洗水收集后进行化学除磷。
高碑店污水处理厂二级出水水质水量稳定，达到设计要求，但还不能满足市政杂用水标准，而绿化用水和道路喷洒等市政杂用水水质对人类健康和城市环境会产生影响，因此，市政杂用水必须在回用前进行深度处理，以满足相应标准。在设计中将深度处理选择在水源六厂。水源六厂现有日处理能力17万m3/d的深度处理设施，主要采用机械加速澄清、砂滤和消毒等工艺处理过程，其出水可满足相应用户要求。由于北京市工业结构的调整，目前该厂平均实际供水量不足5万m3/d，尚有12万m3/d处理能力没有得到利用。另外，水源六厂离市政杂用水用户较近，市政杂用水深度处理设在水源六厂利用其剩余处理能力，可满足市政杂用水近、远期规模需求，在该厂深度处理后的水质能满足市政杂用水水质要求。
4.4 主要回用对象
按规划要求，该工程近期供北京市第一热电厂冷却循环用水20万m3/d，远期供北京市第一热电厂冷却循环用水30万m3/d。近期通过北京市水源六厂供东郊工业区和焦化厂5万m3/d，供城市绿化、道路喷洒和冲刷、市区河道景观用水等市政杂用水共5万m3/d。远期通过水源六厂供工业和市政杂用水水量将扩充到17万m3/d。
4.5 主要工程内容和投资
本工程总投资3.6亿元，其中征地拆迁费约1亿元，工程费用为2.18亿元，工程建设内容主要为：
（1）高碑店污水处理厂内47万m3/d的泵站一座。
（2）高碑店污水处理厂改造。
（3）高碑店污水处理厂至高碑店湖输水管：DN1800mm，长1480m。
（4）高碑店污水处理厂至水源六厂管道：DN1400mm，长4766m。
（5）市政杂用水配水管：DN1200mm，长6791m;DN1000mm，长1431m;DN800mm，长4615m;DN600mm，长2845m;D=500mm，长2880m。
（6）水源六厂改造：包括深度处理设施改造、蓄水池清淤和护砌、污泥池扩建、供水泵站改造、进出水口的改造、增加自控和电气设备等。
（7）园林供水支线管道。
4.6 工程效益
该工程每年可节约清洁水资源16673万m3，节约自来水3650万m3/a，相当于节约了建设一座10万m3/d的自来水厂的投资4亿元。该工程达到了开源节流的目的，为北京市城市绿化面积扩大和道路喷洒压尘创造条件，对环境综合治理具有较大的作用，环境的改善还会带来了周围地区的土地增值。该工程在一定程度上缓解了北京市水资源短缺的矛盾。该工程的巨大经济和环境效益，推动了北京市节水和污水再生回用工作。目前北京已完成污水再生回用规划，7个污水回用工程正在进行施工或做前期工作。北京市的污水再生回用实践表明：污水再生回用符合环境保护和水资源可持续利用战略，是解决水资源可持续利用的有效途径。
5 结论
我国是一个水资源贫乏的国家，随着经济发展和城市化进展的加快，水资源短缺的矛盾已经成为我国水资源可持续利用和管理中亟待解决的问题。我国水资源可持续利用面临水资源总量不足、分布不均、水利用率低和水污染等问题，实现我国水资源可持续利用的出路在于坚持可持续发展战略。应根据我国水资源特点进行水资源合理利用和配置，变“以需定供”的传统开发模式为量水而行、以水定需的水资源可持续利用的模式，根据水资源承载能力，对经济结构进行战略调整；同时，应继续发展节水技术，减少生产过程的水资源浪费，大力发展污水处理和再生回用工作，提高污水处理率和处理效果。污水再生回用可以减少污染物总量，增加供水能力，是经济可靠的开源节流措施。几年来污水再生回用实践表明：污水再生回用能有效地缓解城市水资源短缺，是实现水资源可持续利用的有效途径。
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