流域水资源循环利用与可持续发展规划概论

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 摘要:在当今全球城市化的进程越来越快,城市需水量日渐增加,水污染状况有增无减,资源型与水质型缺水城市越来越多的情况下,传统的或现行的城市给水排水专业规划观念已不能保证城市流域水资源污染和区域自然水环境遭受破坏。提出城市流域水资源循环利用与可持续发展规划新概念,目的是要建立起现代城市的给排水规划理念,为实现节能减排,构建“资源节约型,环境友好型”城市打下基础。
    关键词:水资源; 规划; 给水排水; 循环利用
    Abstract:With the development of urbanization the urban water demand is keeping increasing, meanwhile water pollution becomes more serious. Now there's more and more water resource or water quality-induced water shortage , therefore the traditional or present concept on urban water supply and drainage planning could not satisfy the demand to protect the urban water resource and regional natural water environment. In the paper the new concept on urban water supply and drainage planning is proposed so as to set up the modern urban water and water drainage planning concept and make the basis for realization of energy-saving and emission-reduction and the construction of resource-saving and environmental-friendly city.
    Keywords:water resource; planning; water supply and drainage
    随着全球城市化的进程,城市需水量日渐增加,水污染状况有增无减,水量性缺水也逐渐向资源性与水质性缺水转变。本文提出城市流域水资源循环利用与可持续发展规划概念,主要是基于对目前现行的城市给水排水专业规划在规划理念上一种转变的探讨。
    传统的或现行的城市给水排水专业规划的基本要求是:如何满足城市生产与生活用水的需求和保证排水快速安全;而城市流域水资源循环利用与可持续发展规划概念是:除保证城市生产与生活用水的需求和安全外,是将一个城市或一个区域的供水或污水废水都把它看成是一种资源,而对这种资源进行系统的规划,使之合理的进行处理与循环利用,达到本区域或本流域的水环境平衡,保持社会经济的可持续发展,构筑资源节约型,环境友好型城市。
    1水资源循环概念
    水是循环性资源,亦是可以再生的资源。根据其客观规律和循环的方式,我们可以把它分为自然循环与社会循环。
    1.1自然水循环
    水在自然界中以固态、液态、气态三种方式存在,在水圈、大气圈、岩石圈、生物圈范围内处于往复不停的循环运动状态中。在太阳辐射和地心引力的作用下,水从海洋蒸发变成云(水汽),又以雨、雪等方式降落到地面,部分蒸发,部分渗入地下或汇成地下径流和地表径流,最终又回归大海。水的这种周而复始的循环运动称为水的自然循环。
    自然水循环的特点:①自然水循环是一个相对稳定的、而又错综复杂的动态系统,不论是大循环还是小循环,都和气候、土壤、地质地貌和植被条件等自然因素有关。还受到山塘、水库等人为因素影响。水资源的质与量及其分布状况是自然历史发展的产物;②在水的自然循环中,不但存在水量的平衡关系,而且还存在着水质的动态平衡关系,即水质的可再生性。
    在大自然循环条件下,全球的水量循环是平衡的。据近期资料报道,全球的循环水量为496000Km3。其中,海洋蒸发水量425000 Km3,陆地(包括陆地水面以及土地)蒸发水量71000 Km3;全球水分蒸发水量496000 Km3;海面降雨量385000 Km3,陆地降雨量111000 Km3,全球水分总降雨水量496000 Km3。总降雨水量与总蒸发水量是平衡的。另外,在海域与陆地水量平衡方面,陆地降雨量比陆地蒸发量多40000 Km3,这部分水量即为入海径流量。海域水面蒸发量比海域水面降雨量多40000 Km3,所损失的水量由入海径流量补充,同样形成水量平衡。
    根据海水、地表水和地下水的储水量及其循环水量,我们不难估算出各种水体的水量循环关系及其全部交换一次的平均循环周期时间。一般情况下,大气中的储水以及河流水是交换最为活跃的水体,平均交换周期分别为10d和11d。而冰帽和冰川的平均交换周期最为漫长,达8000年/次。
    1.2社会水循环
    水的社会循环是指在水的自然循环中,人类不断地利用其中的地下径流或地表径流满足生活与生产活动之需。循环系统主要由给水系统、用水系统、排水系统3个子系统组成。给水系统与排水系统好比是一个城市或区域的动脉和静脉,两者不可偏废任何一方。给水系统中若过度取水,河流生态需水量就不能满足,或者用后的污、废水不经处理或处理不到位都会影响自然水循环。
    1.3社会水循环与自然水循环的关系
    社会水循环是自然水循环的一个附加组成部分,对自然水循环产生强烈的相互交流作用,不同程度地改变世界上水的循环运动。开发利用水资源是人类对水资源时空分布进行干预的直接方式,在人类大兴水利带来巨大生产效益和能源效益的同时,社会水循环对自然水循环带来的负面影响也日益显现出来。主要表现在以下几个方面:①水循环的途径被改变(时空变化),人工水库、人工运河、大坝、长距离跨流域引水等水利工程都大规模地截流水量,改变水循环的途径,使下游河段过水量减少,甚至干涸,导致河流对地下水补给量锐减。跨流域的调水,会加大地表水分支流域,水流的分散性增强,有可能影响地表水的更新周期和运动节律;②水循环量发生变化。人类提取的径流量每年达到全球可更新水资源量的10%左右,显着地改变了地表河流的入海量,使得不同层次区域上水循环量发生了显着的变化。③水质的变化,水体经过人类用水循环的干扰后,在水中化学物质的种类和数量上都有了极大的增加。污染源包括未处理的污水、化学排放物以及农田中冲刷的和渗入地下的农用化学品。
    2我国社会水循环现状与传统城市给排水规划观念的反思
    目前,我国总体上来看,社会水循环仍是一种粗放式、单向流的循环机制。即从流域上游或地下水含水层取水,经过用户一次利用之后,大部分排放至下游水体中。在整个水循环过程中,水只是一次性得到利用,并没有形成负反馈机制。全国可开采水资源总量的58%已经被使用,工农业发展和生活用水的增长全部依靠增加水资源的开采量来得到满足。但是,这些用于农业,农灌尾水和农田径流挟带着大量的化肥、农药回归水体,城市用户产生的大量污水大部分直接排放,不断地加大了对自然水循环的干扰,从而造成了两者之间的尖锐矛盾。
    据预测,全国可开采利用的水资源,不考虑从西南调水,扣除生态环境用水后约为8000~9500X108m3,到2050年,全国需水量可能达到7000~8000X108m3,届时将接近可开采量的极限。到21世纪中叶,预计我国城市污水仍有较大增长,见表1,其中生活污水增长量占据了总增长量的较大份额。
    从表1可以看出,全国未来城市污(废)水排放量将继续增加,届时城市污水排放的污染物负荷将对城市排水设施提出严峻的挑战。如果不能达到污水处理设施的快速普及和提高处理率、深度及超深度污水处理率、再生回用水应用率,未来水循环状况将更加严峻。据此,传统的城市给水排水规划观念已不能满足社会水循环的要求,必须从城市流域水资源循环利用与可持续发展的高度来重新思考城市给排水专业的规划理念。
    就传统的城市给水规划而言,给水规划是以满足城市用水量要求,保证供水水质为最终目的,常把重点放在寻找水源上。但由于区域水资源受到污染,或暂时受到污染,水源水质不能满足城市供水水源的水质标准要求,在一时难以选择到理想的水源时,许多城市不是如何想办法治理和防止区域流域污染,而仍是从源头、上游取水。总的来看,城镇发展取水用水一直沿用这样一种线性思维:从近处取水不足时从上游或周围地区调水,用后排放、废弃;水资源仍不足时,考虑从更远一些的地方去调水。这种思维方式的流行,促使很多地方建设的引水工程其规模越来越大,距离越来越远,而把城市河流变成了天然下水道。这种用水策略越来越依赖城市内陆腹地河流上游地区水源的可用性。但这种可用性面临着越来越大的挑战。尤其是河流上游地区的用水增加,而下游地区可利用水资源量不断下降,同时水质也在不断恶化。
    这种传统用水模式的弊端是:①大量的长距离调水工程,带来日益增长的巨额费用,造成越来越重的财政负担和水价的上涨;②可供用水量会日益衰减,水质安全问题难以保证;③河流生命将逐步丧失,景观和地貌会加速改变;④城市和地区之间的冲突和潜在纠纷会日益增加。
    在传统的排水模式方面,城市排水则是以防止雨洪内涝、排除和处理城市污水、保护城市公共环境和本区域流域水质为目的,普遍认为污水是有害的,应尽快排除到城市下游。这种观念导致的结果往往是保护了局部的生活环境,危害了广大流域地区。这种传统排水模式的弊端是:①对城市排水规划理念的认识不明确,内容过于粗糙,排水规划只是简单地根据用地规划和城市道路规划划分排水区域,确定排水体制,大致勾勒出排水主干线和污水处理厂的位置,没有进行必要的区域水资源方案论证和综合协调,缺乏科学合理的方案比较;②传统城市排水规划只局限于单一的排放而不具备水资源循环利用与持续发展的观念,没有确立雨水、污水亦是一种资源以及要优先利用然后再排放的思想;③局限于本城市或本区域的排水规划,缺乏流域综合开发与利用的观念;④城市排水规划与市政污水与雨水处理设施建设缺乏有效的协调和配合;⑤缺少雨水污水资源化利用的技术配套措施。
    总之,在我国传统的城市给排水规划理念中,比较多地受到“改造自然”、“人定胜天”等思想的影响,没有把人类作为流域内生态系统的一部分来加以研究和考察,片面地强调满足人类社会发展的愿望,以致干扰甚至破坏了流域和区域生态系统的协调和均衡。
    3城市可持续发展的社会水循环理念
    其实,在流域的城市群中,大多数城市都是临水而建,通过若干年的建设与发展,从城市功能上基本连成一体,一个城市的下游同时是另一个下游城市的上游。作为良好的水环境并不是局部地域而是整个流域。
    在一座城市中,健康的水循环是要求城市具有完备的给水排水系统,既要有安全、可靠的供水系统,为居民提供洁净的饮用水,又要有污水收集、处理、深度净化、有效利用与排除系统。
    如何建立城市可持续发展的社会水循环理念,在与传统的城市排水系统相比,至少在理念上具有以下三个方面的根本性变化。
    3.1系统性理念
    系统性本来是自然界中事物普遍具有的一种特性,以上讲的城市给排水工程,从取水、净化、到使用排放,其实就是一个完整的系统工程。如果我们用一种系统的思维模式和观点去重新审视我们的城市排水系统,也许会使我们更加接近掌握自然界和人类社会发展的某些客观规律,从而为解决目前城市发展中所面临的水危机提供一种更加综合、可行的策略。而城市流域水资源循环利用与可持续发展规划概念就是将城市水系统作为一个统一的系统,从整体上来考虑城市需水、用水、再生循环、排水以及居民生活条件、食品供应等方面的问题,不再把这些城市发展所带来的问题孤立和割裂开来,而是系统地考虑城市流域范围内的水资源流、营养物质流与能量流的合理分配和持续发展。
    3.2资源的循环利用理念
    自然界中没有废物,各种物质应该都能得到循环利用。在城市水系统工程中建立资源循环型是城市给排水系统的一种新的尝试和努力。它不是传统城市给排水概念上的一次性利用后排放的单向流,而是变成一种循环利用的闭环系统。即将首次利用之后的污水,收集起来进行处理,从而获取满足一定使用功能的再生水。这些再生水又通过专门的需配水系统,供给城市工业、市政等用水部门得到重复、循环地利用。
    3.3内在的可持续性理念
    20世纪,我们不断地修筑水坝,建设引水渠道,实施远距离输水工程,以寻求更多的新水源来满足城市扩张和人口增长的需要。使水环境越来越退化,水资源越来越短缺,致使城市发展对周围环境的影响和压力越来越大,社会水循环已经逐渐成为人类社会发展面临的一个沉重负担。可持续的水资源系统,它不仅要满足现代人的需求,而且要满足未来人的生存需求。它是一个哲学概念,而不是一个确切的存在状态。城市给排水系统的可持续性是现代城市用水系统的内在特性,是人类社会发展的必然要求,为社会用水健康循环所必需。
    根据城市水资源可持续发展的理念,水资源的利用将由过去的“取水—输水—用户—排放”的单向开放型流动,转变为“节制性取水—输水—节约地用水—再生水循环”的反馈式循环流程。
    4现代城市流域水资源循环利用与可持续发展规划理念
    提出城市流域水资源循环利用与可持续发展规划概念,主要是基于对目前现行的城市给水排水专业规划在规划理念上一种转变的探讨,是实现现代城市给排水规划概念的关键,城市给排水规划由传统观念向现代理念转变可归纳为以下几个方面:
    ①从人对自然的索取向人与自然的协调共生、更有效地利用水资源可再生特性的观念转变;②从以需定供,向以供定需转变;③从以管理出厂水质为主,向管理用户水质转变;④从各自为政、各取所需,向资源共享、流域统筹管理转变;⑤从重常规处理工艺,向深度强化处理工艺转变;⑥从开源与节流并重,向以节流为先,治污为本,科学开源,综合利用转变;⑦从重污水达标排放,向污水资源化利用转变;⑧从只注重终端处理,向既注重终端处理更注重始端管理转变;⑨从单纯的雨水防洪排涝,向水资源利用角度强化雨水的管理和利用转变;⑩从传统管理,向信息化管理,社会化服务,法制化监控,多元化投资转变。
    在现代城市供水系统的规划与设计中,新的供水规划理念是:首先考虑的是任何保护本区域的流域水源,科学分析流域水源的水量与水环境容量,全面提高水资源使用效率;在缺水城市和地区,要向当地政府和规划部门提出调整产业结构及控制用地规模,限制大耗水工业的发展,提高工业重复用水率;对与城市供水存在一定矛盾的上游农业区应积极发展节水农业,包括调整种植结构、产业结构使之与资源条件相匹配并推行节水灌溉,为下游城市提供丰裕的水资源环境;在城市用水规模预测中把工业节水指标考虑进去,并使工业复用水率这一主要节水控制指标落到实处;城市取水规划应立足于依靠本地区河流的水资源来解决,最大限度地控制远距离调水,在保证生态用水量的情况下控制取水规模。一般认为取水量不超过径流量的40%是较为合适的;在缺水严重的地区,在取水量不得已超过径流量40%时,必须根据河流生态需水的质和量要求,利用再生水补给,增加相应份额的生态用水量;上游城市的用水和排水不影响下游城市的用水,实现水资源共享,每个城市既需要限制取水的数量,也要控制排水的数量和质量,不至于污染下游河段,从而保证整条河流的水资源利用是可持续的。
    这种新的供水规划理念的特点:①以流域为单元的水资源统筹利用模式。以流域为单位进行管理符合水资源本身的自然属性和系统特性,这种新的取水模式强调在每个流域内的用水立足于本流域解决,流域范畴内的用水,做到统筹兼顾上下游城市、人类和河流生态系统的用水,更大程度地体现了流域水资源的公平性和共享性。②水资源的共享与循环利用。城市用水的主要水源要在本地区河流流域内解决,就要求改变一次性用水的直流模式,在城市流域范畴上实现水的利用、再生与循环;③经济、安全的供水系统。本地水资源的可持续发展,可以减轻对外流域水资源的依赖性,相应地也就提高了本地用水的可靠程度。同时,新的流域用水模式增强了城市用水的安全性,如果城市实现污水再生循环利用,在一定程度上可以减轻突发性自然灾害事件所带来的危害。
    在现代城市排水系统的规划与设计中,其功能应从以前的防涝减灾、防污减灾逐步转向污水和营养物质的再循环,从而恢复良好的水环境,促进水资源的可持续利用。从收集、处理、再生和再循环利用中,既要强调循环利用物质的数量,也要重视这些再循环资源的质量问题。
    随着社会的发展和环境意识的增强,我国水污染控制经历了由单一污染源的治理、污水达标排放到区域综合防治、总量控制的两个阶段。但其中废水处理设备运行率、利用率、污染物去除率大部分不高,很多设备没有发挥作用。同时对城市污水处理厂的重视也不够,尤其缺乏污水再生、再循环的理念。
    在新的排水规划理念中,首先应该考虑的是如何保护本区域的流域水源,科学分析流域水源的水环境容量,根据地形与地貌,以流域来划分排水分区,确定排水体制,制定排放标准以及处理工艺路线,提出节能减排目标,提高水资源使用效率。
    在进行城市总体规划时,要及时编制区域水资源规划。排水规划应改变以往总是服从于总体规划,被动地与城市总体布局相配套的工作观念和工作方式。应主动探索,为总体规划提出与区域水资源规划和排水规划密切相关的合理化建议,例如,为满足区域水资源规划要求,在作总体规划时,明确提出需要保留的天然水系和满足排水要求的道路设计与高程设计等;要积极与水利、城市防洪等专业规划配合,合理利用水资源。要树立流域观念,打破行政区划,站在全流域的高度来考虑城市及区域排水规划;
    为了适应现代排水系统功能的变革,现今的城市排水系统将由污水收集系统、污水处理再生系统、再生水供水系统和优质处理水排放系统所组成。与传统的排水系统相比,它增加了污水再生与回用的内容,提高了污水处理程度,由污水二级处理提高到污水深度处理甚至超深度处理,达到再生水的要求。应对整个城市的功能分区、工业分布、排水管网及污水处理现状等做周密调查,调查现有的和预测潜在的再生水用户的地理位置及水量与水质要求,并将这种结果反应到专项规划中。将污水处理厂视为再生水厂,改变将污水处理厂摆放在城市最下游进行高度集中处理的传统做法。
    在规划污水处理厂时应注意:①要近远期综合考虑污水再生回用的需要,选择污水深度处理系统,预留污水深度处理发展用地,使污水处理、深度处理系统和回用系统的总投资之和为最小;②污水厂的选址和数目。按照传统规划方法,污水处理厂厂址要根据污染物排放量控制目标、城市布局、受纳水体功能及流量等因素来选择,一般尽可能地安放在河系下游、城市郊区。但是这种系统布局使污水处理厂远离再生水用户,需铺设的回用水管网费用相应增加,不利于污水的资源化。因此,在确定污水处理厂厂址时,还应对再生水用户进行调查分析,并根据再生水量的需求,在城市中适当位置设置若干污水处理厂(再生水厂),收集上游和附近区域的城市污水,根据回用水质要求加以处理之后就近回用,使得整个城市形成大、中、小,近、远期相结合的污水再生厂布局规划。这样,既有利于污水回用,又减轻了城市排水管网系统的负担,易于实现分期建设,符合我国国情。③在处理工艺选择方面,应根据污水水质和再生水用户水质的要求,对水处理单元进行多种组合,通过技术经济比较来选择出经济可行、技术先进的污水处理流程。在满足出水水质要求各项指标前提下进行经济分析,除要考虑费用与技术等因素外,还应考虑该方案是否有利于实现污水再循环,即在原有技术和经济分析因子的基础上,增加“污水与物质再循环适应性”的比较因子。
    传统的城市市政管理为了保证城市安全,都习惯于将雨水当作“洪水猛兽”,以“将地面降雨尽快排入城市雨水管道,快速排入河海”为首要原则,忽略了雨水亦是一种宝贵的自然资源这种理念。其实,蓄存、调节是涵养地下水、补充地表枯水流量的水文循环规律。在现代城市中,除了散布在市区的公园绿地及天然水体外,整个市区几乎被一张不透水的大网所笼罩,阻隔了雨水向市区下部土壤的渗透,截断了地下水径流,严重影响了城区雨水的水文循环,造成雨季市区成灾,枯水期小河干枯的局面。目前,许多国家都非常重视雨水的收集与利用,在我国的缺水地区已开始考虑利用雨水,但还没有被人们普遍接受。合理地收集、蓄存、调节和利用,对改善市区的气候环境,削减城市流域洪峰,降低城市面污染对城市流域的影响都是十分有利的。充分利用雨水资源,主要应考虑以下内容:①要科学合理地推导适合城市发展的暴雨强度计算公式,采取合理的截留渗透措施,加大地下渗入量,减少地表排放量;②选择适当的排水标准,在保证城市防洪安全的前提下,采取必要的防洪措施。③提高河道的除涝标准,确保雨水排入河道时不受顶托;④合理规划建造城市雨水蓄水和修复处理设施,将雨水收集与回用有机结合;⑤尽量采用雨污分流排水体制,降低城市流域水体的污染。
    5结束语
    城市流域水资源循环利用与可持续发展规划的研究,目的是在传统的城市给水排水专业规划的基础之上,提出一些新的城市给水排水规划理念。在当今人类面临越来越严重的水危机情况下,采取更多的城市流域水资源循环利用的措施,为构建“资源节约型,环境友好型”城市打下良好基础,让人类和社会得以更好地可持续发展。
    参考文献:
    [1] 王西琴.河流生态需水理论、方法与应用.
    [2] 任伯帜等.水资源利用与保护.
    [3] 张杰等.水健康循环原理与应用.
    [4] 吴群河等.区域合作与水环境综合整治.