城市水系統健康循環理論與方略

張 杰，李 冬，2

(1.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，哈爾濱150090;

2.北京工業大學北京市水質科學與水環境恢復重點實驗室，北京100124，lidong2006@bjut.edu.cn)

目前全球一半左右的河流流量大幅減少或遭嚴重的污染，世界上80個國家占全球40%的人口嚴重缺水，如果這一趨勢得不到遏制，今后30年內全球55%以上的人口將面臨水荒［1］.中國水資源總量28 000億m3/a，平均2 200 m3/(a·人)，到2030年將降為1 700 m3/(a·人)，我國是水資源緊缺的國家.與此同時全國江河除源頭外，都受到不同程度的污染，絕大多數城市下游段淪為Ⅴ類或劣Ⅴ類水體.全國660多座城市有400多座缺水，水危機已突現在面前［2］.

面對水污染、水短缺的嚴峻危機，反思人類社會水事活動，尋求水危機的根源，探索水環境恢復與水資源可持續利用之道路，正是迫切的任務.

人類生存于自然界之中，自然是地球生態系統中的一環.自18世紀產業革命以來，人類一直認為自己是主宰世界，征服自然的主人.為了經濟利益，盡最大努力去開采資源，無度消費，大量排放廢棄物，致使地球的資源與環境遭到了嚴重破壞，人類社會也陷入了資源與環境的危機之中.自然界水與其他資源都是有限的，并處于不斷的物質循環之中.人類的社會活動，生活與生產活動都要服從于物質自然循環的規律，與其相協調.人類社會水與物質的循環必須納入自然循環運動之中，人類社會方可持續發展［3］.

1 水及植物的營養素循環規律

1.1 水循環

在太陽能的驅動下，水在海洋、天空和大陸之間進行著循環不已的運動.其循環總量就是地球降水總量或者是蒸發總量，平均每年為57.7× 104km3.大陸降水量大于蒸發量，而海洋的降水量小于蒸發量.由于大陸與海洋這種降水與蒸發量上的差異，水由大陸流向大海，形成了川流不息的江河、湖泊、地下潛流，滋潤著地球萬物的生長，這也是人類社會不可替代的自然基礎資源［1］.水的自然循環如圖1所示.

圖1 水的自然循環

大陸年徑流總量為大陸年降水總量與年蒸發總量之差，或海洋年蒸發總量與年降水總量之差:

大陸年降水總量-大陸年蒸發總量=11.9× 104km3/a-7.2×104km3/a=4.7×104km3/a.

海洋年蒸發總量-海洋年降水總量=50.5× 104km3/a-45.8×104km3/a=4.7×104km3/a.

大陸徑流量為4.7×104km3/a.

人類社會在自然徑流中取水來從事生產生活活動，用過的水又排回自然水體，就建立了社會用水循環，它和自然水文循環一起組成了地球復合水循環系統，如圖2所示.社會用水循環是自然水文循環的一個子系統，它依附于自然水文循環系統.在人類幾百萬年的歷程中，人類社會的水循環基本上與自然水循環相協調.只是近百年來人類大肆進行水事活動，才給與了母系統強烈的影響和沖擊.

圖2 地球復合水循環系統

1.2 植物的營養素循環

地球上已知的生物物種大概有150萬種，其中20%是水生生物.每種生物都不是獨立生存的，都是在生產者、消費者、分解者的營養素循環中與其他物種相依存而生育、生息不止的.圖3是植物的營養素在自然中的循環.從圖3中可見，在太陽光能量的補給下，綠色植物吸收土壤中N、P、K等營養成分，利用CO2和水來合成有機物質，增長繁育自身，為草食動物生產食料，組成了草食動物、肉食動物的食物鏈.枯萎的植物和動物的排泄物及其死亡后的肢體又被微生物所分解，重新產出植物的營養素N、P、K等營養成分，供給綠色植物利用.明示了在太陽光的照射下植物的營養素在綠色植物(生產者)、動物(消費者)、微生物(分解者)，再到綠色植物的反復不斷地循環.

圖3 自然界植物的營養素循環

在人類產生后的幾百萬年間，人類是食物鏈的最終端，但是古代人類基本沒有破壞植物的營養素的自然循環，其循環途徑可見圖4.

圖4 人類與植物的營養素循環

自從18世紀人類社會生產力發達以來，尤其是19世紀水沖廁所普及以后，城市另僻了植物的營養素開路循環，如圖5所示.由于人口劇增，人類社會大力發展農業、畜牧業，將農作物、家畜、野生動植物都作為食物，消耗數量巨大，而其排泄物又通過下水道、垃圾處理系統排放于河流、填埋于地下或者進行焚燒，污染自然水系和大氣環境，卻不能通過分解者回到農田作肥料，鑄成了大地植物的營養素的流失和水環境污染.農田土壤營養的貧乏不得不大量使用無機肥料(化肥).由于化肥便捷、肥效快，作物高產，造成了農民對化肥的依賴.然而化肥污染環境，隨農田徑流流入水系的化肥質量占施肥量的70%，是閉鎖型水體富營養化的元兇.依靠化肥的農業是不可持續的，雖然氮肥可以從空氣中取得原料，但是磷肥的原料只能依靠磷礦石.世界上磷礦石的資源也是極其有限的，礦物學家估計照如此速度消耗磷礦石，世界磷礦資源最多還能開采30 a.另外施用化肥也使農田土壤漸漸板結貧瘠，導致農業的潛在危機，因此應從生態學的視點認真研究農業肥料的循環［4］.

圖5 現代社會植物的營養素的開路循環

1.3 人類社會水危機的根源

1.3.1 二元論的自然觀是水危機的社會思想根源

歷史上，自然往往視為被征服的對象.“駕馭自然，做自然的主人”曾被絕大多數人視為人類行動的指南.這種將人與自然割裂，忽視人類是地球生態系統的有機組成的二元論自然觀是水危機的社會思想根源.

1.3.2 人口過度增長是水危機的必要條件

人類誕生以來，人口相對稀少，直到1850年世界人口為10億人.這個過程經歷了數百萬年，相當人類歷史的99%.而第二個10億僅用了80年，約在1930年世界人口達20億人.45年后，1975年地球人口增至40億，24年后，1999年達到60億，現正以每年7 700萬的速度增長.

人口問題雖然不是環境問題的唯一原因和必然原因，但人口過度增長卻是人類生存發展的災難性危機和世界性水危機的必要條件.控制人口增長，就是控制人口總量不超出社會經濟、科技發展與地球生態系統的承載能力，這必然是解決環境問題的重要措施.

1.3.3 水危機的直接原因

在“二元論”自然觀的引導下，18世紀產業革命之后，尤其是近半個世紀以來人類社會采用的是無度消費，大量廢棄的生活、生產方式，最大限度開發自然資源，最大限度創造社會財富，最大限度攝取利潤，致使本來人口劇增帶來的環境壓力更加突出.在水資源利用方面大量采用、大量排放、肆意污染水體，致使人類社會用水的循環對自然水文循環的干擾越來越大.因此“高投入、高消耗、高排放、高污染”粗放式的生產、生活方式是水危機的直接原因.

1964年竣工的阿斯旺大壩，一度成為埃及的驕傲，它結束了尼羅河連年泛濫的歷史，生產了廉價的電力，還灌溉了農田.然而近年人們發現它破壞了尼羅河流域的生態平衡，引發了一系列的災難:如兩岸土壤鹽漬化，河口三角洲收縮.血吸蟲病流行等等［5］.

咸海是界上最大的內陸咸水湖，是阿姆河和錫爾河的歸宿.上世紀50年代，由于在阿姆河和錫爾河上游興建水庫，開挖運河，擴大灌溉面積，使兩河入海水量由58.8×108m3/a減少至30×108m3/a，到1980年9月咸海水位下降7 m，水面縮小1.5× 104km2，含鹽量由原來的10%增至1980年的16%，漁產量大幅下降，生態環境嚴重破壞［6-7］.

在中國，社會水循環對水系水質的破壞事例比比皆是.一座工廠或一座城市污染整個流域的事屢見不鮮，生態系統遭到毒害，威脅著人們的健康和生計.目前世界上許多國家和地區已經不同程度地出現了水危機，水污染與水短缺已成為當今世界許多國家社會發展的制約因素.人類社會的水循環給自然水循環強烈的沖擊，是造成當前水危機的直接原因.但是如在水的社會循環中，注意遵循水的自然循環規律，與自然水文循環相協調，就不致破壞水的自然循環，從而使自然界有限的淡水資源能夠為人們循環而持續地利用.

2 城市水系統健康循環理論框架

2.1 傳統城市水系統的缺憾

18世紀末發明的水沖廁所，在19世紀中期開始發達起來.污水道和水沖廁所改善了城市居民的衛生條件，城市用水量迅速增加.但是城市居民的舒適生活條件是以犧牲河流水質為代價的.萊茵河曾一度成為歐洲最大的下水道.到20世紀20年代由于河流的普遍污染，水環境惡化，傷寒等疾病又流行于人間.人們開始建立城市污水處理工程，一百多年來污水處理技術不斷發展，世界各大都市都普及了城市排水系統.雖然一些河流水質得到了改善，但是世界性的水環境污染，水體富營養化并未得到根本解決.近年來我國城市污水處理普及率增長迅速，但是水污染并未得到遏制［8］.

城市的水資源流與物質流是密不可分的，表現在人居的排泄物和物資消費的剩余大都是通過排水系統進入污水處理廠或放流水體.水環境污染就是因為城市排放水中混雜的有機物，N、P等物質進入水系而引起的.現代傳統城市排水系統認為污水和水中的雜質都是污穢的廢物，采取治理和及時排放水體的政策.其弊端是:1)形成了單向流開放式的城市水系統.采取大量取水，粗獷利用，大量排放的模式.為了滿足城市用水的無度需求，不惜百里千里到上流甚至外流域調水，然后污染本市流域的下游水體.2)將生活，生產污水看作是廢水，污穢之水，把水中有機物，N，P及其他人工合成化學品統統看作廢物和污染物，經過污水廠末端處理，消除一定危害之后，盡快排除市區之外，進入下游水體，以此完成了水污染防治的任務.然而，水域污染并未得到遏制，反到越演越烈.3)傳統城市水系統，只是注意滿足單個城市用水和排水之需.城市居民在享受舒適便捷的現代衛生設備的同時，卻污染了下游水體.因此，在耗費大量能源的同時卻仍然達不到健康水循環的要求，這正是水短缺、水污染和植物的營養素循環紊亂的直接原因.

2.2 城市排水系統功能的變革

歷來排水系統均把含有污染物的污水作為有害的廢水進行處理和排除，為此進行了艱苦不懈的努力.把污水中的N、P、有機物及各種雜質看成寶貴資源，進行回收或源頭分離，把污水看成寶貴淡水資源進行再生、再利用、再循環，那么城市排水系統就成為了物質回收、污水再生，資源再利用再循環的城市循環經濟的基礎設施，而不是只擔任收集、末端處理和排放污水的任務.它的功能應升華為:污水再生、再利用與再循環;城區雨水貯存、滲透、利用與排除;植物的營養素循環利用;能源與物資的回收［8］.

2.3 城市水資源的變革

往昔作為城市水資源的只有地表、地下天然徑流，本地區水資源不夠應用或受到了污染就向流域上游取水，甚至到外流域調水.上、下游和流域間爭奪水資源的糾紛是屢見不鮮的.如果把城市放到流域和城市群來研究，就應當充分利用本地水資源來滿足生活，生產之需，包括天然徑流和非自然水資源.而不去爭奪他鄉水源，影響全流域和其他流域的生態環境.就做到了上下游共享流域水資源.可作為城市水源的水資源［9］如下:

1)流域內自然徑流水資源.流域水資源是流域內的人類社會與生態系統所共有的.人類社會取用水資源必須有節制，應以生態平衡和水資源可持續利用為原則.超過了這條底線就產生了水危機.如果社會用水達到了健康循環，每座城市都可就近取用天然徑流，不必用科技力量長距離去源頭取水，更不必跨流域去掠奪他流域水資源.長距離跨流域調水，將強烈改變自然水文循環規律，會帶來意想不到的生態平衡和環境問題.

2)城市污水再生資源.將城市污水廠變為再生水廠，就可以生產再生水，建立城市再生水供應系統，可代替自來水用于工業，景觀和非生活用水.城市污水的產生量約為用水量的70% ～80%，而城市用水量之中，為人們直接飲用和與身體密切接觸的水量僅占全部用水量的30%.其余的均可為再生水所替代.那么城市需求的自然徑流水資源就可減少50%以上.所以城市污水是城市穩定的重要水源.

3)節水資源.提高用水戶的用水效率，減少水量消耗和改變用水方式來降低城市用水需求，也可視為一種水資源.雖然節省下來的水資源是虛擬的，但確實減少了城市對自然水資源需求的壓力，應視為城市不可忽視的水源.此外城市雨水和沿海城市的海水都可以作為城市的水資源.

2.4 循環型城市水系統的模式

在人類經歷數千年漫長游牧、農耕時代和現代的快速發展之后，人們越來越認識到，解決資源短缺和可持續發展問題的唯一出路是建立循環型社會，其中水的循環利用是基礎［10］.循環型城市水系統模式如圖6所示.

圖6 循環型城市水系統水資源流與物質流循環

在循環型城市水系統中不但要有安全可靠的供水系統，還要有完善的污水再生系統.自然水在從采取到排放到下游水體之前，已被高效利用了多次，排放的也是高質量的排放水，并通過高質量再生水回用將社會用水循環與自然水文循環和諧地聯系起來.在一個流域內，上、下游城市共享流域水資源，兼顧人類和河流生態用水，充分體現著流域水資源利用的公平性、共享性和人與自然的和諧.保障著河流生命和富有活力的生態系統.

從圖6還可以看到，循環型城市水系統除了有一個水資源健康循環系統之外，還有一個物質(植物的營養素)健康循環系統，收集人居屎尿、有機垃圾，經發酵分解生產有機肥料回歸農田.水資源和植物的營養素的健康循環，構成了循環型城市的基礎.這樣的城市將在流域城市群中和其他城市一起重復和循環利用同一條江河的水，共享流域資源，而不污染下游城市.形成了如圖7所示的以流域為地理單元的水資源共享模式.

圖7 流域社會用水健康循環模式

2.5 城市水系統健康循環的內涵

城市水系統的健康循環要求城市用水和食物資源消耗流同時實現健康循環.

城市用水的健康循環就是在水的社會循環中遵循水文循環的規律，節制社會循環流量，控制源頭污染，同時將用過的污水進行再生凈化，實現再利用再循環，使得上游地區的用水循環不影響下游水域的水體功能;水的社會循環不損害水自然循環的規律，從而維系或恢復城市以及流域健康水環境，實現水資源的可持續利用.

城市食物資源流的循環主要是食物中富含的N、P、K等營養物質的循環，是自然界植物的營養素循環中的分支，城市食物資源流的健康循環就是不切斷不損害植物的營養素的自然循環，不產生營養素的流失，不積累于自然水系而惡化水環境.

從古至今長期以來食物資源流的循環都是健康的，人們把人畜排泄物、有機垃圾、作物秸稈等都用作農家堆肥的原料，回歸到農田，這和自然界植物營養素從生產者—消費者—分解者又回到生產者的循環規律是吻合的.只有到了現代城市和現代農業的時代才出現了偏差.一方面城市向水系流失氮、磷等營養素，集中污染水環境，另一方面農業大量使用化學肥料，消耗磷礦資源，同時產生強勁的面源污染.這種狀態必須將其糾正過來，達到食物資源流的健康循環，使其再融入自然植物的營養素循環之中［11］.

社會水資源流和食物資源流的健康循環正是循環經濟的基礎，是減量化、再利用、再循環3R原則的典范.

3 城市水系統健康循環實施方略

3.1 節制用水

在水資源的開發利用中，不僅要節省、節約用水，還要據地域的水資源狀況，制定、調整產業布局，促進工藝改革，提倡節水產業和清潔生產，通過法律、行政、經濟與技術手段，在宏觀上控制社會水循環的流量，節制自然取水量，減輕社會循環對自然循環的干擾，實行節制用水.節約用水是廣大用水戶珍惜水資源的自覺行動，而節制用水是政府水主管部門和整個社會強制性的行為.

3.2 城市污水的再生、再利用與再循環

城市污水是寶貴的淡水資源.應突破污水處理系統“達標”排放就安全無事的想法，而應建立社會用水健康循還的理念.建設包括污水處理、深度凈化、管道輸送系統在內的，以城市污水為源水的城市再生水供水系統，實現城市污水的再生、再利用和再循環，從而將城市污水變成城市穩定的第二水源.此舉既可以減少城市污水排水量，最大限度地減少流域點污染負荷，還可以開發第二水資源，解決缺水地區水資源短缺問題.再生水售水所得還可以補貼污水處理維護費用，減輕財政負擔.當前我國每天產生超過108m3的城市污水，如果能利用其20%～30%，就可以解決10～20年水資源不足的問題.在某些地區就可以推遲或者取消遠距離跨流域調水工程計劃，免除難以預料的生態后果和巨額建設、運行費用.

污水再生水除作為本城市的主要水資源之外，污水經深度凈化后高質量的再生水還可以排入水體，作為下游城市生態水資源的一部分［12］.

以流域為地理單位，在流域城市群中規劃各個城市污水再生系統并與流域水系功能相結合，實現流域內城市群間水資源的重復與循環使用，就會獲得整個流域最佳的水資源生態效益、經濟效益和社會效益.

3.3 污水廠污泥回歸農田作農業肥料

自然界中存在著氮、磷、鉀的循環，一般是從生產者到消費者到分解者再到生產者，污泥中富含植物的營養素，回歸農田是其正當歸宿，是由自然界物質循環規律所決定的.

3.4 修復城市雨水水文循環的途徑

天然降水是維持整個陸地生態系統的基礎，是地表、地下徑流的來源.傳統城市規劃及建筑小區設計習慣于將雨水當做“洪水猛獸”，都是以“將地面降水盡快排入城市雨水管網，盡快入河入海“為首要原則，貫徹的是使雨水盡快遠離城市這一防水思路.違反了或者忽略了雨水蓄存、調節、涵養地下水、補充地表枯水流量的水文循環規律.隨著城市化進程的不斷深入，市區原有的自然環境如森林、農田、牧場等被建筑物、構筑物及硬化地面所取代.在現代城市中，除了散布于市區的公園綠地及天然水體之外，整個市區幾乎被一張不透水的銅墻鐵壁覆蓋，阻隔了雨水向市區地面下土壤的滲透，截斷了地下水徑流，嚴重影響了城區雨水的水文循環.由此造成雨季市區內澇，枯水期小河干涸的局面.所以，在城市總體規劃中，應該充分考慮雨水的土壤滲透、調節和蓄存，應充分利用天然降水補充城市地下水，以恢復城市雨水自然循環的途徑.

3.5 污染負荷源頭分離

水域水質污染是由于入流城市排水中混合各種污染物質造成的，從源頭來分離污染負荷顯然是減輕水域污染的最簡單最經濟的方法.以往提倡工業企業清潔生產，廢棄物的再生、再利用，當然非常重要.居民生活污水中的污染負荷源頭分離也很重要，千家萬戶積少成多，構成了城市污水中COD、TP、TN的主要來源.

人居尿屎和生活有機垃圾，如果能通過微生物分解，產生營養素N、P、K等成分，再供生產者農作物生產食物，供人們消費……，這樣人們的食物消費就可以閉合循環了.人類就又回到了自然生態的系統之中.人類社會就有了持續發展的前提.能夠完成這一任務的人居衛生系統，可稱為人居生態衛生系統.它是一個可持續的閉合循環系統.是將人居排泄物視為寶貴資源而不是廢物，使水資源和植物的營養素在人類社會以閉合的回路進行循環，使有限的水資源和營養物質可持續為人類服務的生態衛生系統.人類是地球上自然生態系中的一員，居于生態食物鏈之終點，有把握和利用自然規律的能力，但卻不可違反生態規律，涸湖而漁.與此相反，應自覺地服從自然規律，維護生態系平衡.人類的生產與生活活動只能限定于自然生態平衡之中［14］.

3.6 流域水環境綜合管理

水循環、水資源、水環境是密不可分的，是地球上水運動的3個方面，他們相互依存、相互制約，并且存在著因果關系.所以水環境不是某個城市或某個地區的，而是流域的.因此管理水環境的基本地理單元就是流域.在明確的流域、地域內建立跨部門跨行政地區的權力管理機構，貫徹《中華人民共和國環境保護法》、《中華人民共和國水法》和《中華人民共和國水污染防治法》綜合管理水質水量.適度開發且有效保護水土、生物資源，維護與恢復水環境和水生態系統，確保江河湖泊流域水環境的健康［13］.這種流域綜合管理正是2002年《中華人民共和國水法》規定的“我國對水資源實行流域管理與行政區管理相結合制度”的最好形式.流域綜合管理機構由中央有關部委、地方政府和相關水事部門的代表共同組成，是國務院和住房與城市建設部、水利部、環保部授予其相關行政執法權力的機構.他的職能是:1)建立符合流域特點的水環境法規體系;2)編制流域水環境恢復規劃;3)水功能區劃管理;4)重大水事項目的審批;5)監督城市污水再生水廠和再生水供應系統的建設;6)建立有效的信息共享機制;7)加強流域健康狀況診斷和評估;8)建立公眾參與機制;9)在流域綜合管理機構統籌領導下，流域內各城市、各部門各負其責，共同維系流域的健康水環境.

4 結語

本文從地球水循環的基本規律出發，尋求人類社會用水循環與自然循環的和諧，指出了水環境恢復與水健康循環的基本途徑和操作體系，形成了系統理論與實踐指南.

1)水循環、水資源和水環境是地球上水汽運動的統一體.雖然地球上參與水文循環的地下、地表徑流量是有限的，但水是可以再生循環的自然資源.在流域社會用水健康循環的創舉中，可以同時解決構成現代水危機的兩大問題——水資源短缺和水質污染.

2)反思城市水系統的發展歷程，提出了以流域為地理單元，上下游水資源共享的用水模式.并闡明了“城市水系統健康循環”及其內涵，指出人類社會對水資源的利用模式應該由過去的“無度取水—粗獷用水—污染排放”的單向開放式的線性流程轉變為“節制取水—節約用水—污水再生再循環”的反饋式循環流程.

3)運用生態學原理和系統科學理論，制定并闡明了社會用水健康循環和水環境恢復的方略.

4)排水系統應進行功能變革，即由“及時排除雨水，防止市區內澇;收集和處理城市污水，達標排放;維護市區清潔衛生，控制江河水質污染”變革成為“污水再生、再利用、再循環的樞紐，植物的營養物質循環的紐帶，能源與物質回收的基地”，從城市基礎設施工程變成維系流域水環境和水資源可持續利用的生命線工程.

［1］聯合國環境規劃署.“全球環境展望”專欄［J］.環境保護，2008，407(11):20-24.

［2］2007年中國國土資源公報［N］.中國國土資源報，2008-4-25(11).

［3］張杰，熊必永.水環境恢復方略與水資源可持續利用［J］.中國水利，2003，(6):13-15.

［4］張杰.水環境恢復的微生物學和生態學基礎［J］.城市住宅，2009，(11):105-107.

［5］帕克D，馬小俊.阿斯旺大壩的功過評述［J］.水利水電快報，2000，21(4):33.

［6］楊恕，陳燾.咸海——危機和前途［J］.蘭州大學學報，1998，26(1):120-127.

［7］朱雅文.咸海，瀕臨死亡［J］.國外社會科學文摘，2001(05):71-72.

［8］張杰，叢廣治.水環境恢復與城市下水道［J］.蘇州科技學院學報:工程技術版，2003，16(2):1-3.

［9］張杰，叢廣治.我國水環境恢復工程方略［J］.中國工程科學，2002，4(8):44-49.

［10］張杰.我國水環境恢復與水環境學科［J］.北京工業大學學報，2002，28(2):178-183.

［11］張杰，李冬.城市水系統工程技術［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［12］李冬，張杰.水健康循環導論［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［13］張杰，曹相生，孟雪征.水環境恢復原理及我國的工程實踐［J］.北京工業大學學報，2006，32(2):161-166.

［14］張杰.為我國水環境恢復而努力［J］.給水排水，2003，29(4):1.