世界供水安全現狀及其主要經驗對我國供水安全保障的啟示

卞戈亞,陳康寧,戴兆婷,黃愛玉

世界供水安全現狀及其主要經驗對我國供水安全保障的啟示

卞戈亞1,陳康寧2,戴兆婷3,黃愛玉4

(1.中國水利水電科學研究院水利研究所,北京 100048; 2.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室,北京 100038; 3.江蘇省水利工程建設局,江蘇南京210029;4.中國灌溉排水發展中心,北京 100054)

根據世界各地水資源本底條件、20世紀世界供水發展規律、各類用水需求滿足度,分析世界供水安全現狀。從美國轉向需水管理遏制供水無限制增長、新加坡多渠道開源努力提高供水自給比例、以色列建設高效用水體系和置換虛擬水并舉、日本設計應急供水體系抵御地震后次生災害等案例,總結出4條經驗：①需水管理是保障水資源支撐可持續發展的根本途徑;②多元組合供水是增強水資源系統穩定性的有效方式;③提升供水效率與效益是破除水資源約束的重要手段;④建設應急供水體系是減小極端突發災害損失的有力措施。這些經驗可為我國供水安全保障提供啟示。

供水安全;水資源;需水管理

供水安全是指當前和未來國民經濟與社會發展的合理用水需求在水量、水質、穩定性、價格4方面的滿足程度,以及規避和消除威脅和風險的能力[1]。國外一些發達國家在供水安全保障方面由于發展起步早、水平高,已經步入成熟時期,有不少值得借鑒的經驗。我國在供水安全保障方面起步較晚,但可利用后發優勢,借助國家經濟實力和體制優勢,少走彎路,少付代價,實現供水安全保障的跨越式發展[2-3]。本文試圖通過介紹和分析世界供水安全格局及實踐經驗,為提升我國供水安全度提供借鑒。

1 世界供水安全格局

1.1 世界各地區水資源本底條件

根據聯合國糧農組織最新統計數據[4],世界(含199個國家和地區,圣盧西亞、美屬薩摩亞群島、湯加等數據空缺,故采用CIA the World Factbook數據填補)水資源總量大約為424000億m3,其中亞洲最多,約為110000億m3,占25.9%,大洋洲最少,約為19000億m3,占4.5%。從單位面積產水量看,世界平均水平約為31.2萬m3/km2,南美洲最高,約為75.7萬m3/km2,非洲最少,約為12.2萬m3/km2。從人均水資源量看,世界平均水平約為6153.8 m3/人,大洋洲最多,約為47 500.0 m3/人,亞洲最少,約2644.2 m3/人,見表1。

根據聯合國糧農組織(FAO)2013年3月更新的各國水資源量評價結果,水資源總量排名世界前6位的國家分別是：巴西(82 330億m3)、俄羅斯(45080億m3)、美國(30690億m3)、加拿大(29020億m3)、中國(28 400億m3)、哥倫比亞(21 320億m3)。水資源總量排名前20位的國家見表2。

1.2 世界供水總量發展規律

20世紀全球供用水量以1950年為界[6],分較慢增長和快速增長兩階段。總供水量1900年約為5790億m3,1950年達到13820億m3,2000年增長到38290億m3。其中,1950年以前,世界工業及生活用水量變化較慢,工業用水量從1900年的215億m3上升到1950年的867億m3,生活用水量從1900年的437億m3上升到1950年的2 040億m3。1950年后,農業用水量從10800億m3快速增長到1980年的21120億m3,到1995年達到25 040億m3,工業用水量1980年達到了2 190億m3,到1995年達到3440億m3,生活用水量從1970年達到5470億m3,到1995年增加到7520億m3,見圖1。與同期世界經濟增長情況對比,供水量增長與GDP增長有較強相關性。根據相關資料,1900—1950年世界經濟年均增長率為2%(GDP為1990年可比價),1950—2000年為4%左右,變動規律與20世紀供水量變化規律基本一致,可見供水增長對世界經濟增長的貢獻。

表2 水資源量排名前20位的國家億m3

圖1 20世紀世界供用水量增長情況

1.3 各類用水需求滿足程度

a.飲用水。聯合國千年發展目標提出,到2015年年底前,“使無法得到或負擔不起安全飲用水的人口比例降低一半”[7]。盡管各國都在朝著這一目標努力,但撒哈拉以南的非洲進展仍然偏慢。總體上看,差異主要體現在發達國家和發展中國家、城鎮與農村之間。到2008年,全世界飲用水安全人口比例為87%,其中城鎮為96%,農村為76%[8]。世界發達國家飲用水安全人口比例將近100%,其中城鎮飲用水安全人口比例為100%,農村為98%。世界發展中國家飲用水安全人口比例為87%,其中城鎮飲用水安全人口比例為94%,農村為76%。撒哈拉以南的非洲情況不理想,飲用水安全人口比例僅為60%,其中城鎮飲用水安全人口比例為83%,農村為47%。

表1 世界不同區域水資源本底條件①

b.農業用水。農業用水滿足程度可通過灌區面積的變化和糧食產量來反映。從1970年到2008年,全球灌溉面積從1.70億hm2擴大到3.04億hm2[9],增長了78%,同期全球糧食總產量從12億t左右增加到23億t左右,增加了約91%。但是,仍有很多國家農業灌溉用水面臨困難,造成作物產量低而不穩。這些國家主要分布在非洲,其人均灌溉面積只有0.015 hm2,糧食作物產量只有1558.5 kg/hm2,均為世界最低。世界人均灌溉面積和糧食作物產量現狀見表3[10]。

表3 世界人均灌溉面積和糧食作物產量現狀

c.工業用水。目前世界工業用水占供水量的18%。一般來說,工業用水比例與國民人均收入水平呈正相關,根據世界銀行統計數據[11],世界上某些高收入國家往往達到40%以上,中等收入國家約占10%,而低收入國家基本在2%左右,不同區域工業用水比例見表4。工業用水效益差別也較大,萬美元工業增加值用水量從100到1000 m3不等。

表4 世界各區域工業用水比例現狀(2011年)

2 典型案例

2.1 美國——轉向需水管理,遏制供水無限制增長

1776—1970年期間,美國通過大規模興建供水工程,來滿足經濟社會用水需求。全美規模排名前10位的水庫中有9座是在此期間修筑的。水利工程供水能力的提升進一步刺激了用水需求,1950—1975年間,美國供水量增加了2 692億m3,且沒有放緩跡象,根據1968年美國國家水資源委員會組織的第一次全國水資源評價預測,按當時的趨勢,到2000年和2020年美國總供水量將分別達到約11116億m3和18 900億m3,逼近和超出其水資源開發利用極限(美國水資源總量約為30 500億m3,按國際普遍采用的40%開發利用率上限計算,開發上限大約為12200億m3)。為了保證水資源供需平衡,美國從1978年開始實施需水管理策略,核心是通過工程、技術、法律、經濟等多種手段強化節水和水循環利用,遏制供水量的增長。以制造工業為例,規定平均循環用水率要由1975年的54%提高到2000年的94%。需水管理措施迅速收到了效果, 1980年美國供水量達到頂峰后,逐漸回落并基本穩定在5600億m3上下。在此期間,美國人口增長和經濟發展并未受到影響,其中人口由1975年的2.16億增長到2000年的2.85億,GDP由1975年的43112億美元(2000年不變價)增長到2000年的98170億美元[12]。美國供水量及GDP變化趨勢見圖2。

圖2 美國1900—2000年供水量及GDP變化趨勢

2.2 新加坡——多渠道開源,努力提高水資源自給比例

新加坡國土面積僅710 km2,水資源賦存條件差。歷史上,新加坡主要依靠從馬來西亞進口水資源[13]。為減少供水對外依存度,提高自給比例,新加坡于2002年制定了四大“水喉”戰略,即進口水、收集雨水、新生水和淡化海水。具體做法是：①2061年前繼續從馬來西亞柔佛州進口水資源。新加坡與馬來西亞曾簽署兩份供水協議,其中一份已于2011年8月底到期,另一份有效期至2061年。②努力建設全覆蓋的雨水集蓄體系。通過修筑水庫,到2011年新加坡已有2/3國土納入集水區,目前日均最大收集雨水能力達60萬m3,接近新加坡日供水量的40%。③不斷擴大新生水的產能。新生水是再生水的一種,處理工藝及標準極高,甚至可直接飲用,目前新加坡已有5座新生水廠,產能可滿足30%的需水量,這些水大部分用于工業。④加快實施海水淡化工程。從1998年開始,新加坡一直努力“向海水要淡水”,2005年啟用了亞洲最大的海水淡化廠,產能達到11.4萬m3/d,2013年將建成第二座海水淡化廠,產能約為26.5萬m3/d。根據2011年新加坡提出的水資源長期戰略規劃[14],為“滿足未來50年水資源需求”,到2060年要將90%國土納入集水區,將再生水和海水淡化供水比例分別提高到50%和30%,在2061年協議到期前完全實現供水自給。1965—2060年新加坡水源結構變化趨勢見圖3。

圖3 新加坡水源結構變化趨勢(1965—2060年)

2.3 以色列——高效用水體系建設和虛擬水置換并舉

以色列地處干旱半干旱地區,人均水資源為245 m3,不到世界平均水平的1/25。為最大限度地發揮水資源利用效率,以色列采取了兩條腿走路的策略：一方面建設全社會高效用水體系,節約每一滴水;另一方面利用經濟作物與糧食作物耗水“剪刀差”,從國際市場置換糧食。具體來說：①大規模推廣高效節水技術。以色列農業節水技術研發實力雄厚,80%以上農田采用滴灌,并普遍配套有自動控制系統,能按時按量將水肥送入作物根部。近幾十年來,以色列農業用水始終控制在12億m3左右,但農業產量卻翻了5番。②積極嘗試污水處理再利用。1972年,以色列頒布了“國家廢污水再利用工程”計劃,將城鎮生活污水、工業廢水處理后用于灌溉及回補地下水,到2010年供水量達到4.5億m3,占總供水量(21.3億m3)的21.1%[15]。③果斷實施置換虛擬水戰略。放棄生產耗水量較大的糧食作物,通過出口耗水少、附加值高的水果、花卉、蔬菜、棉花等,在國際市場換取糧食。1985—2008年24年間以色列農產品出口貿易額持續增長,見圖4。通過法律、政策、經濟等手段鼓勵高效用水技術革新,引導供水向高附加值產業流動,以色列相當成功地解決了人口增加、經濟持續發展與水資源匱乏之間的矛盾。

圖4 以色列農業用水及農產品出口貿易額變化趨勢(1985—2008年)

2.4 日本——設計應急供水體系,抵御地震后次生災害

日本位于環太平洋地震帶,地震災害十分頻繁。由于地震直接破壞供電和供水系統,災后極易發生供水中斷。以1995年的7.3級阪神大地震為例,震后2 h內,約123萬戶居民供水中斷,下水道受損316 km,而恢復這些設施大約花了2～3年。為減小地震等極端突發災害對供水系統的破壞,日本在其全國水資源綜合規劃中提出建設應急供水體系,主要包括災前主動預防和災后應急響應[16]。具體來說,一是建設抗震能力強的供水系統,防患于未然。神戶市在阪神大地震后提出水道耐震化建設計劃,包括建立應急儲水池,減少管網破損帶來的漏失,采用高強度結構材料建設大容量送水管,采用橡膠密封可伸縮接口及大強度球墨鑄鐵管增強柔韌性等。二是規范災后應急供水體制,確保基本用水得到滿足。例如,在“兵庫縣地區防災計劃”中,將某地斷水家庭供水標準設定為從發生災害至第3日為3 L/(人·d),以后逐步增加,第20日以后為100 L/(人·d)至受災前標準(圖5)。圍繞供水標準,建立以家庭、學校、企業自保為基礎,利用供水車等手段為補充的應急供水體制,同時對緊急消防用水、沖洗廁所等衛生用水做出安排,如利用游泳池或能夠緊急取水的鄰近水體等。

圖5 日本“兵庫縣地區防災計劃”災后供水標準

3 國外先進經驗與啟示

3.1 需水管理是保障水資源支撐可持續發展的根本途徑

在水資源相對豐沛地區,通過興建水源工程、水資源配置工程就可滿足經濟社會用水需求。這是一種簡單直接的方式,類似美國在1975年以前的做法。如果區域供用水量逼近或觸及水資源開發利用上限,要繼續滿足供用水增量需求,需水管理就是解決水資源供需矛盾的“治本”途徑。美國水資源總量約30500億m3,比我國的28300億m3略多,2010年美國GDP達146 000億美元,是我國的2.43倍,而2011年供水量僅為4 784億m3,遠少于我國的6107億m3。這得益于1975年以來實施的需水管理戰略。美國的案例充分說明,需水管理不僅能遏制住供水粗放增長,同時也能支撐經濟持續發展。實際上,從20世紀70年代前后開始,一批國家,如加拿大、瑞典、荷蘭、日本,紛紛意識到水源不足、水資源開發成本上升、水污染加劇、水環境質量惡化的趨勢及嚴重性[17],先后實施了需水管理措施,從經濟結構調整、行業節水減排管理等多種途徑遏制水資源無序取用,從而實現供水安全。

3.2 多元組合供水是增強水資源系統穩定性的有效方法

水資源常被視為自然界免費賜予的資源,但新加坡由于特殊自然地理原因,歷史上只能依賴進口水,這種水源格局幾十年來屢屢因為軍事、政治、外交等因素遭受嚴重威脅,直接影響新加坡社會穩定與國家安全。為擺脫這種威脅,新加坡憑借雄厚經濟實力和技術研發,利用雨水、再生水、淡化水改變水源結構,逐步稀釋進口水所占比重,證明了非常規水是水資源自給困難地區降低對外依賴程度的有效方式。總體來說,盡管我國水資源本底條件相對較好,但由于水資源空間分配差異大,個別區域(如京津地區)供水對外依賴度正逐漸升高。由于外調水會輸入新型風險,如發生調入地和調出地同旱、劇毒污染物泄露、沿線地震損毀等極端突發災害,如果將外調水作為主力水源,實際上是增加了供水系統的不確定性。以干旱為例,從歷史上看,我國多次出現南北方同時干旱,如明崇禎十至十六年(1637—1643年)南北方連續7年大范圍干旱,清光緒二至五年(1876—1879年)南北方持續4年大范圍干旱。因此,京津等地區應充分借鑒新加坡經驗,立足當地水資源,結合雨水積蓄利用、中水回用、海水淡化利用。從實踐基礎看,北京、天津已經有了比較好的實踐基礎,北京目前的35億m3供水量中包括7億m3的再生水,占全國再生水利用總量的1/5多;天津的海水淡化產能達21.7萬t/d,占全國的41.4%。可見,應盡快將本地非常規水納入水資源配置體系,促進多元化供水格局的形成。

3.3 提升供水效益與效率是破除水資源約束的重要手段

把寶貴的水資源配置到用水效益較高的部門,提高各部門水資源利用效率,是以色列的主要經驗。從用水效率看,發達國家工業用水重復利用率在80%以上、灌溉水有效利用系數普遍在0.7～0.8之間,而我國工業用水重復利用率約為60%,灌溉水有效利用系數是0.5。從用水結構看,發達國家工業用水比重通常較高,英國、法國、德國、美國、加拿大分別占75%、74%、68%、54%、69%,我國僅為24%(2010年)。與提升用水效率比,優化我國用水結構相對復雜。2010年我國農業用水高達3 689.1億m3,占總用水量的61.3%,而農業產值增加值為36933億元,僅占GDP(397 983億元)的9.3%,用水量與用水效益明顯“倒掛”。全國水資源綜合規劃提出,2020年全國工業用水量比2008年增加208億m3,但總用水量要控制在6700億m3紅線內。假設要滿足工業用水需求的增長,且生活需水(含城鎮公共需水)不減少,據初步測算,農業用水量應減少至3746億m3(比2008年減少472億m3)。在此情況下,按工業用水邊際效益153.8元/m3(萬元工業增加值用水量降至65m3)估計,若將208億m3農業用水量置換到工業,工業至少多貢獻31 000億元的增加值,占2010年我國GDP的7.7%左右。需要說明的是,壓縮農業用水,必須保障糧食安全,且發展節水灌溉是唯一途徑。根據近年來不同節水灌溉項目的節水效果,按綜合節水量1950 m3/hm2估算,如果我國新增節水灌溉面積0.24億hm2以上,則有可能實現輸送208億m3的農業用水到工業。

3.4 建設應急供水體系是減小極端突發災害損失的有力措施

日本、美國均對供水系統防御地震災害進行了長期深入的研究,出臺了城市供水系統抗震設計和運行的技術規范和具體技術方法,并在長年累月與地震的抗衡中積累了大量經驗,為保證極端災害下的供水安全、避免因大面積供水破壞造成更大損失提供了較好的范例。我國應急供水體系相對薄弱,隨著重特大干旱、冰川積雪消融、生態環境破壞、突發性水污染事故以及恐怖事件、國際水資源爭端、核電事故等供水風險或潛在威脅出現,我國供水安全影響因素呈多元化趨勢,供水安全不穩定、不確定性增加,保障國家供水安全任務更加艱巨。由于極端災害和突發事件往往直接觸及人的生活飲用水需求底線,故對社會穩定構成直接威脅。2005年底的松花江水源污染事件,導致哈爾濱全市停水4天,引發民眾恐慌情緒;2007年春夏之際,太湖暴發藍藻,引發了無錫市有史以來最大規模的供水危機;2008年5月,汶川特大地震導致供水系統大面積癱瘓,直接造成1 000多萬人飲水困難。盡管在災難面前,采取了搶修恢復、新建供水設施、臨時送水、應急水質監測等措施,但仍顯得捉襟見肘。從長遠發展看,由于城鎮化快速推進,我國正在形成20個以上的城市群,這種經濟社會體量的高度聚集加劇了區域供水系統的脆弱程度,一旦受極端事件破壞,損失將不堪設想。對此,可借鑒日本等國家的做法,圍繞災害監測預警、增強供水系統抗災能力等方面開展工作,同時在儲備應急水源、提升應急供水服務能力、增強應急物資儲備、研究應急供排水關鍵技術等方面,增強供水系統遭破壞的應對能力。

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World water supply security,key experiences,and lessons for China's water supply security assurance

BIAN Geya1,CHEN Kangning2,DAI Zhaoting3,HUANG Aiyu4
(1.Department of Irrigation and Drainage,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100048,China; 2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China; 3.Jiangsu Province Water Conservancy Construction Bureau,Nanjing 210029,China; 4.China Irrigation and Drainage Development Center,Beijing 100038,China)

We analyze the world's water supply security situation according to the water resources endowment all over the world,the development of the world's water supply in the 20th century,and water demand-meeting levels for various water uses.We study cases including the United State's implementation of a water demand management strategy to restrain unlimited water supply growth,Singapore's four national tap strategies to improve the water supply self-sufficiency ratio,Israel's construction of an efficient water utilization system and replacement of virtual water simultaneously,and Japan's establishment of an emergency water supply system to withstand earthquake disasters.From the experiences of these cases,we conclude that(1)water demand management is a fundamental way of ensuring sustainable utilization of water resources,(2)a diversified portfolio of a water supply system is an effective way to enhance the stability of the water resources system,(3)improving water efficiency and effectiveness is important to relieving water supply constraints,and(4)constructing an emergency water supply system is an effective method of reducing abrupt disaster losses.These experiences provide great inspiration for China's water supply security assurance.

water supply security;water resources;water demand management

TV213.4

A

1004-6933(2014)01-0068-06

201310-30 編輯：彭桃英)

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.01.014

水利部2012年水利重大課題(20120902)

卞戈亞(1979—),女,工程師,博士,主要從事城鄉供水研究。E-mail：biangeya@163.com

陳康寧,高級工程師。E-mail：chkn@iwhr.com