水環境恢復原理及我國的工程實踐
摘要：水資源短缺和水體污染是水環境問題的2個主要方面，目前這2個問題在我國都沒有解決，而且還有加重趨勢，分析認為過度的水的社會循環是造成我國水環境劣化的直接原因，建立健康的社會水循環才能恢復良好水環境，從根本上解決水問題。水環境恢復的方略包括節制用水、污水深度處理和有效利用、污水廠污泥回歸農田、恢復城市雨水循環途徑、面源污染控制以及水資源統籌管理等，其中，城市范疇上的污水深度處理與利用和再生水供應系統是關鍵，是我國水環境恢復的切入點，介紹了國內外在水環境恢復方面的研究進展情況并介紹了我國在編制國家中長期科技發展規劃（2006-2020）以及深圳、大連和北京等地的工程實踐，最后指出今后我國水環境恢復方面的緊迫任務，包括建立相關法律法規、開展相關教育、制定規劃、相關技術研究和建立示范工程等。
關鍵詞：水環境；水污染控制；水資源；健康社會水循環
1 我國水環境現狀
我國水環境存在2大問題，一是水資源短缺，二是水污染嚴重。
我國多年平均水資源總量約為2.8萬億m3，居世界第6位，但按1997年人口統計，我國人均水資源量為2220m3，約為世界人均水量的1/4，列世界第121位，是全球13個人均水資源貧乏的國家之一，預測到2030年我國人口增至16億時，人均水資源量將降到1760m3，基本進入用水緊張國家的行列（按國際上一般承認的標準，人均水資源量少于1700m3的為用水緊張國家）[1]。
除了人均水資源量遍低外，我國水資源的時空分布也很不均衡，春旱夏澇時有發生，黃河、淮河、海河3流域人均水資源量僅500m3，是我國水資源最為緊張的地區。全國669個城市中，有400多個城市供水不足，其中有110個城市嚴重缺水，年缺水量約60億m3，每年因為缺水造成的工業損失超過2000億元人民幣，水污染損失占國民生產總值的1.5%-3.0%[1]。
我國的水污染非常嚴重，據國民環？偩职l布的環境質量公報，2004年7大水系的412個水質監測斷面中，Ⅳ—Ⅴ類和劣Ⅴ類水質的斷面比例分別為30.3%和27.9%，監測的27個重點湖庫中，Ⅴ類水質湖庫6個，占22.2%；劣Ⅴ類水質湖庫10個，占37.0%。其中“三湖”（太湖、巢湖、滇池）水質均為劣Ⅴ類。隨著我國經濟的高速發展，水資源短缺的狀況正在逐步加劇，水污染還沒有得到有效遏制，整體水環境質量還在不斷下滑。
2 水環境恢復原理
在沒有人類干擾的情況下，地球上絕大部分的水往復不斷地在海洋、天空、陸地之間進行著水文循環，當降雨形成的地表徑流以及火山噴發、泥石流等自然過程把雜質帶入河流和湖泊之后，經過自然的沉淀、稀釋以及化學和生物作用，河流和湖泊中的水會從渾濁慢慢變得清澈，這都是具有自凈能力的水的自然循環。隨著人口的不斷增加和生產力的不斷提高，人類對水的自然循環干擾程度越來越強烈，人類從水的自然循環過程中取水，供自己生活和生產使用，用過的水再排放回水的自然循環，這被稱作水的社會循環。水的社會循環是對水的自然循環的干擾，是水的自然循環的一部分[2]。
長期以來，人們對水的自然循環的脆弱性沒有足夠重視，人們任意取水、隨意使用，之后產生的大量污水不經處理或處理不當就肆意排放，水的社會循環嚴重干擾了水的自然循環，其結果就是我們現在看到的有河皆干、有水皆污的局面。
要恢復良好水環境，實現水資源可持續利用，必須建立嶄新的用水模式，建立健康的社會水循環，這是解決水環境問題的正確出路[3]。
健康的社會水循環，指在水的社會循環中，尊重水的自然運動規律和品格，合理科學地使用水資源，在節制用水的同時將使用過的廢水經過再生凈化，達到天然水體自凈能力的要求，排入自然水體后，不影響當地或下游地區水體的正常使用，對水的自然循環不產生負面影響，使得水的社會小循環可以與自然大循環相輔相成、協調發展，維系或恢復城市水域，乃至全流域人與自然和諧的良好水環境，使自然界有限的水資源可以不斷地滿足工業、農業、生活的用水要求，永續地為人類社會服務，從而為社會可持續發展提供基礎條件[4]。
水環境恢復首先要求控制社會水循環的通量，這個目標的實現依賴于自然觀與價值觀的根本轉變，依靠人口數量的控制、水資源效率的提高、水資源的重復和循環利用以及用水習慣的改變等。
建立健康水循環實現水環境恢復的策略主要有以下幾個方面：節制用水、污水深度處理和有效利用、污水廠污泥回歸農田、恢復城市雨水循環途徑、面源污染控制以及水資源統籌管理等。其中，城市范疇上的污水深度處理與利用和再生水供應系統是關鍵，是我國水環境恢復的切入點[5]。
3 國外對水環境恢復的研究狀況
19世紀后半葉，英國開始建立公共污水處理廠。當時污水被認為是有害的，應盡快處理、排除到城市下游。城市排水系統的功能是防止雨洪內澇、排除污水和以污水二級處理來保護城市公共水域水質，而城市供水則依靠大量開采傳統地表地下淡水資源、增加供水量的方式來解決城市發展面臨的水資源問題[6]。
然而到20世紀后期，雖然發達國家城市污水二級處理率達到較高水平，但水資源短缺與水環境退化問題仍日趨嚴重。如日本的東京都污水處理率達95%以上時，區域內河川水質雖有明顯改善，但東京灣富營養化仍有增長趨勢，赤潮時有發生，為解決日益嚴重的水危機，世界各國相繼開展了污水深度處理與利用和水資源的可持續利用工作，開始綜合考慮水資源和水污染問題，將污水納入水資源的綜合配置系統[7-9]。水資源綜合管理（Integrated Water Resources Management）、面向可持續的水管理（sustainable water management）、需水管理（water demand management）等概念開始出現。與此同時美國提出水區（water shed）的概念。水區可以理解為“是由可劃分的水系、排放系統以及接受水體所界定的地區或范圍。”或“是將水資源、供水系統、排放系統和用戶組成1個最優化的管理范圍，1個城市可以分為幾個水區，1個水區也可以涵蓋幾個城市。”[10]。而水區恢復（watershed restoration）的提法則表明美國在水領域的總體戰略目標發生了調整，由單純的水污染控制轉變為全方位的水環境恢復，由單項技術研究轉向綜合治理策略研究[11]。
在水環境恢復的工作中，發達國家普遍意識到，只有在實踐中充分重視社會、經濟和政治以及媒體的力量形成共同的合力，控制工業廢水排放和城市污水處理，才能促使水環境質量得到改善和維持[12-13]。可持續的城市水管理[14-15]、水資源綜合規劃與管理[16-18]等得到大量研究，并已獲得廣泛應用[19-22]。
4 我國在水環境恢復方面的工程實踐
我國從建國初期就開始進行有關水問題的研究，對于節水工作開展較早，取得了顯著成效[23]。對城市污水處理與利用的研究，早在1958年就被列入國家科研課題。
60-70年代，我國水污染防治重點放在工業廢水污染的控制上，提出了“三同時”的方針，但處理率不過1%—2%[24]。此階段科研工作重點主要停留在開發單元技術上。
80-90年代初，城市供水事業有了較大進展，但是水污染日趨嚴重，水資源短缺不斷加劇，在缺水城市如大連、青島、太原、北京、天津等相繼開展了污水回用于工業與民用的試驗研究。1992年，大連春柳污水廠進行技術改造后，建成了我國第1個污水深度處理回用示范工程[25]。
90年代中期之后，國務院開始了包括治理三河（淮河、海河、遼河）、三湖（滇池、太湖、巢湖）在內的綠色工程計劃，但仍舊只注重城市污水的二級處理與排放，將排水系統功能仍定位在防止內澇、排除污水與減輕污染之上。
新世紀初，城市供水排水事業得到迅速發展，供水水質指標要求越來越高，污水再生利用逐步得到較廣泛接受，我國的城市排水事業趨向于水污染控制與水資源的可持續利用。20世紀末，我國學者開始提及建立良好的水環境[26]，實施污水再生回用，從宏觀和整體上考慮流域內水環境的恢復和水資源的可持續利用問題[27-28]。到目前為止，我國在水環境恢復方面已經完成一些工作。
4.1 制定水環境恢復的國家中長期科學和技術發展規劃
2004年，以筆者為項目負責人，以《城市水系統健康循環研究》為課題將水環境恢復工作寫入國家中長期科學和技術發展規劃。在這個課題中，提出了我國水環境恢復的發展思路、戰略目標以及戰略重點和主要任務，并提出了相關的政策措施研究。此規劃的出臺意味著我國水環境恢復工作的全面展開。
4.2 完成深圳特區城市中水道系統規劃
深圳是我國嚴重缺水的7座城市之一，2000年，深圳的污水處理率已經達到56%，但水環境的污染態勢沒有得到有效遏制，市區大部分大小河流水體論為劣Ⅴ類，喪失了基本使用功能。針對這種情況，在筆者倡議下，取得深圳市有關部門支持，在2000年開展了整體性的水資源循環利用工作。2001年，編寫完成《深圳特區城市中水道系統規劃》，規劃建設以城市污水為水源的城市第2供水系統——城市再生水道，總規模49萬m3/d，供水干管長度為130km[29]。按照規劃，到2010年，每年可減少排入內河及周邊海域BOD5約4500t，COD0約12050t。目前此項規劃正在實施階段，實現再生水回用后，將對深圳灣、大鵬灣的水域環境改善起到巨大作用。
4.3 完成大連市海水與城市污水資源戰略研究
大連人均水資源量不足730m3/a，約為全國人均水平的1/3，屬嚴重缺水城市。1992年，由筆者主持的大連春柳污水廠1萬m3/d的深度處理示范工程投產運行。這是國內首座城市污水再生水廠，為城市污水再生利用樹立了典范。盡管大連在再生水利用、提高工業用水循環利用率、海水利用等方面成績顯著，但至2002年，流經大連市區的各河流，如馬蘭河等，已屬于Ⅴ類或劣Ⅴ類水體。
2003年，受大連市委托，筆者組織中國市政工程東北設計研究院、北京工業大學和哈爾濱工業大學完成了《大連市海水與城市污水資源戰略研究》。此研究明確指出，應綜合考慮大連市地表水、地下水、再生水和海水等資源，將水資源和水環境工作上升到全市范疇的水資源可持續利用。該研究規劃2020年大連城市再生水道總規模達到70萬m3/d，每年可補充2億m3淡水，減少排河排海負荷CODCr25550t/a，規劃的實施可極大地緩解大連市水資源緊張的局面。
4.4 北京市水環境恢復的工作
北京人均水資源量不足300m3/a，是嚴重缺水城市。目前，北京市整體水環境質量較差，一半多河流達不到相應水質標準，市區絕大部分河流富營養化嚴重，官廳水庫水質論為Ⅳ類，早已失去水源功能。
針對上述情況，2001年中華人民共和國水利部聯合編制了《21世紀初期首都水資源可持續利用規劃》，按照節流、保護、治污和調水的思路對北京市水資源短缺提出相應措施。同年，北京市排水集團等單位也完成了《北京市城市污水廠再生水回用規劃綱要》，目前這2個規劃正在實施之中。
2004年以筆者為首的課題組完成了《水環境恢復工程理論研究》。該課題對水環境恢復在理論方面進行了詳細全面的論述，并針對北京市具體情況提出了系統的水環境恢復方略。根據此項研究成果，北京市水環境的恢復必須依賴北京市城市水系統的健康循環，其中節制用水和城市再生水道將起到關鍵作用。
經過幾十年發展的歷程，我國經歷了從點源治理到面源控制、從局部回用到整體規劃的政策歷程。但是，污水深度處理和再生回用還剛剛開始，江河湖海污染態勢還沒有得到遏制，還遠遠不能實現城市水系統的健康發展，水環境恢復的戰略有待于進一步完備。
5 前景與展望
創造親水空間，恢復良好水環境是我國建設小康社會、和諧社會的必然要求，是我國經濟社會可持續發展的必然要求，是解決水資源短缺，控制水污染的必然要求，是建設循環經濟的基礎。水環境的恢復是一項龐大的復雜的系統工程，也是長期的任務，需要制度、法律、行政、管理、教育、宣傳、技術、財政等多方面的配合。針對當前我國水環境具體情況，今后應重點開展以下工作：
1）制定水環境恢復相關的法律法規。水環境的恢復可能會給企業等帶來直接利益，但更多的是其社會效益和環境效益，因此政府應該是水環境恢復工作的主要承擔者。政府應組建水環境恢復的管理部門并通過必要的立法和行政手段貫徹實施水環境恢復的一系列策略。
2）開展相關教育工作，加強公眾對水環境恢復的認識。水環境的恢復必須發動群眾、依靠群眾，單單依靠政府或企業是不能完成的。必須通過課本、電視、網絡等多種媒體形式開展有針對性的宣傳教育，讓人們了解國內水環境劣化的現狀和危害，增強對節約用水的認識，增加公眾對再生水的了解，解除公眾對再生水的心理障礙，取得社會對水環境恢復的共識和支持。
3）制定水環境恢復的規劃。水環境恢復規劃的制定是我國整體水環境恢復的前提和保障。應以流域為單位，制定全國的水環境恢復規劃，充分考慮現有供水系統、排水系統和防洪系統的現狀，綜合考慮地下水、地表水、再生水、雨水、海水等水源，考慮流域內工農業的用水需求和用水結構、水環境質量現狀等，制定水環境恢復的詳細發展目標和發展思路。
4）開展水環境恢復關鍵技術研究。水環境恢復工程的實施最終依靠技術來完成，應盡快開展污水再生全流程技術、經濟高效污水回用技術、雨水水文循環修復技術等研究工作。
5）建立小流域的水環境恢復示范工程。選擇缺水地區的典型小流域，如北京、天津等，建立水環境恢復示范工程，進行實例研究。這樣可以積累經驗，為實現更大規模的水環境恢復提供借鑒。
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