典型缺水城市多水源水質評價和水量平衡分析

嚴 偉， 樊金紅， 王紅武

(同濟大學 環境科學與工程學院， 上海 200092)

1 研究背景

水資源短缺已從環境危機上升為社會危機[1]，成為制約社會經濟發展的瓶頸[2-3]，且在遭遇極端干旱的天氣情況下，城市水資源壓力會急劇增大，對城市發展造成嚴重影響[4]。國內外研究者一直都在探求適應國情的水資源可持續利用方式[5-6]，如韓淑穎等[7]系統總結了“一帶一路”沿線國家在水資源管理工作中的經驗，以期為全球國家的水資源管理提供借鑒。從1983年起，我國的城市節水工作在適應經濟建設發展和人民生活改善等方面取得了明顯的成效，在水資源開發、利用、治理的同時更加重視對水資源的配置、節約和保護[8]。現今，對于城市水資源的利用，已經不能簡單地從自然界中索取，而是需要充分利用城市可利用水資源，如中水(系指城市污水經處理達到規定的水質標準、可在一定范圍內重復利用的非飲用水)和雨水等城市再生水資源的利用都是需要去探求[9-10]。廖朝軒等[11]通過對國外雨水管理措施的總結，鼓勵國家積極引進國外先進的水循環體系概念，加快國家海綿城市建設；深圳市光明新區更是創建了國內首個低影響開發雨水綜合利用示范區[12]。此外,由于中水利用的經濟效益明顯[13]，中水回用系統正在逐步走進高校[14]、小區[15]和酒店[16]，從而在一定程度上緩解了城市市政用水的供水壓力。近年來，對中水和雨水回用的分析和應用的熱潮高漲，高晶[17]通過軟件分析建立了雨水水質安全評價模型，用來評價降雨徑流中的水質污染狀況；王小林等[18]通過對西安市不同下墊面的雨水徑流的水質分析，認為屋面雨水具有極大的收集利用潛勢；曹亞輝[19]通過對華北電力大學中水回用系統的研究表明，該系統每天可供應1 000 m3以上的回用中水，能有效地補充校內用水[19]。然而這些研究都過于側重雨水或者中水回用的單方面評價，且討論的大多是社區、學校等小范圍區域，對于將雨水收集和中水回用綜合水質分析以及在城市范圍內進行回用水量供需分析的研究較少。

本文通過多水源(飲用水、中水和雨水)水質的綜合評價，旨在更好地揭示中水與雨水回用的科學性，提高居民對回用水的接納度，并通過城市回用水的供需平衡和發展趨勢分析，為促進水資源的優化配置、緩解水資源危機和支撐社會經濟的可持續發展提供新的水資源利用方案。

2 城鎮多水源水質評價

2.1 自來水

一直以來，自來水作為我國居民的主要用水，在生活和工業上都有廣泛的應用。由于自來水需作為居民飲用水使用，因而對其水質要求相當嚴格，其制作成本非常昂貴，制作流程也極為繁雜[20]。根據《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)，飲用水供水中COD含量不超過5 mg/L，氨氮含量不超過0.5 mg/L，濁度不超過1。為了滿足人們健康的需要，其水質要求遠高于城市雜用水、農業灌溉水、工業冷卻水等。但是根據調查，濫用飲用水的情況普遍存在于人們日常的生活生產之中，在居民日常非接觸用水和綠化及消防等城市雜用水、農業灌溉及工業用水中普遍存在以自來水作為水源的現象，導致大量飲用水的浪費，并產生大量廢水。研究表明，30%以上的居民非接觸生活用水、60%以上的非生產性工業用水以及幾乎全部的灌溉用水均可用回用水替代[21]。

2.2 中水

城市污水的再利用是節約及合理利用水資源的有效途徑，也是防治水環境污染、促進城市可持續發展的一個重要方面，還是水資源良性循環的重要保障措施[22]。中水是城市污水經處理設施深度凈化處理后的水的統稱，其水質介于清潔水(上水)與排入管道內的污水(下水)之間[23]，其水質可相當于城市污水處理廠出水的A級標準，其主要指標COD、總氮和總磷含量分別不超過50、15和1mg/L。通過中水水質與其他水資源利用水質對比可知：中水的水質標準遠達不到飲用水供水標準，不能作為飲用水來源，但其水質基本符合農業灌溉水和工業冷卻水(除濁度和余氯外)的水質要求，可以用來作為農業和工業的替代水使用；若將中水經過一定處理，進一步除去嗅味、溶解性固體等也可達到城市雜用水水質要求[24]。因此，中水回用有非常可觀的經濟價值，在國外也已經得到了廣泛的應用，通過特定的中水輸送管道，將其應用到工業、農業、景觀、消防等方方面面。

2.3 雨水

雨水是一種污染程度較低、數量巨大且分布較為廣泛的水資源。根據有關研究報道，天然雨水的水質較好，其COD的含量可達到為20～50 mg/L，懸浮顆粒物SS的含量不超過100 mg/L，總氮含量不超過1.00 mg/L，總磷含量一般不超過0.20 mg/L[25-26]。但是在城市雨水收集時，由于街道、排水溝、屋面等含有一定的污染物，所以收集后的雨水含有較多的SS和COD，其含量隨城市環境污染情況而不同。但是混有這類污染物的雨水(尤其是除去初期雨水后)在經過貯水池里的基本處理之后，很容易就可以得到較為純凈的符合城市雜用水水質要求的可回用水[27-29]。由此可見，雨水是可以作為城市回用水來進行使用的，并且由于其天然性和循環性，具有廣闊的開發前景。

3 多水源用水量供需平衡分析

3.1 用水量供需計算

3.1.1 數據來源 通過查詢政府發布的歷年的《水資源公報》，獲得上海、青島、北京和西安4大城市的歷年用水量、年降水量、年污水處理量等數據，進而計算各城市的可替代回用水量(Qt)、可回收中水量(Qz)和可回收雨水量(Qy)。

3.1.2 計算公式

(1)城市可替代回用水量以城市用水量中可采用的再生水和雨水回用量來計算[30]，其計算公式如下：

Qt=Qgy·m+Qsh·n1+Qgg·n2+Qny+Qst

(1)

式中：Qt為城市可替代回用水量，108m3/a；Qgy為城市工業用水量，108m3/a；Qsh為城市生活用水量，108m3/a；Qgg為城市公共用水量，108m3/a；Qny為農業用水量，108m3/a；Qst為生態環境用水量，108m3/a；m為城市工業用水中冷卻水用量占比(取0.6)；n1為城市生活用水中沖洗廁所用水占比(取0.3)；n2為城市公共用水中市政雜用水占比(取0.12)。

(2)城市可回收雨水量以當地的降雨量進行計算，其計算公式如下：

Qy=Ψ·α·β·A·h·10-5

(2)

式中：Qy為城市可回收雨水量，108m3/a；Ψ為地表徑流系數；α為降雨量季節折減系數；β為初期雨水的棄流系數；A為集雨面積(以陸地面積計)，km2；h為年平均降雨量，mm。

(3)城市可回用中水量以城鎮污水處理水量進行計算，其計算公式可采用公式(3)或(4)的其中之一：

Qz=t·Qr·10-8

(3)

Qz=μ·φ·Qsh

(4)

式中：Qz為城市可回收中水量，108m3/a；t為污水處理廠的年平均運行天數，d；Qr為城鎮日均污水處理量，m3/d；μ為居民生活用水變為生活污水的轉化率；φ為生活污水處理效率。

3.2 多水源供需平衡分析

根據公式(1)～(4)及上海、青島、北京和西安4城市的《水資源公報》數據，再結合各市年污水處理量數據，計算各城市的可替代回用水量(Qt)、可回收雨水量(Qy)和可回收中水量(Qz)的值，將計算結果和各類用水量統計列于表1。

3.2.1 “可供”大于“需” 上海是水資源豐富的城市(水質型缺水)[31]，其工業用水量明顯高于北京、青島和西安(資源性缺水)，由表1可知，4個城市的年可回收水量明顯高于年可替代回用水量，具有非常可觀的水資源利用前景，尤其是青島市，可回用水量Qavail(指可回用雨水量Qy和可回用中水量Qz的總和)更是超過Qt的6倍，這主要是因為青島市年用水量較少，而且地域比較遼闊，其可回收雨水量相對較多。而上海市可回用水量卻僅是稍多于可替代回用水量，這是因為上海人口密集，而且工業發達，工業用水量占了年用水量的45%以上。從理論上講，若將可替代回用水量(Qt)定義為“需”，即需要回用水的量，再將可回用水量(Qavail)定義為“供”，即可以供給的回用水量，則從表1的數據可以看出，目前上海 、青島、北京和西安4城市的回用水呈現出“供”大于“需”的情勢[32-33]。

表1 4個典型城市年用水及回用水量統計表 108 m3/a

3.2.2 “實供”不應“實需” 在上述可回收雨水和中水的量的計算中，是按城市面積和集雨面積換算的回收雨水量和按污水處理廠的處理水量為基準計算的可回用中水量。然而在實際應用中，無法將集雨面積做到百分之百，且小區中中水的處理回用率也未能達到百分之百。

實際上有數據顯示，目前國內城市雨水收集效率較低，僅為10%，而我國社區中水回用率大約為30%，故在計算可回用雨水量時須再乘以雨水收集效率η1，在計算實際可回用中水量時須再乘以中水回用率η2。以此為依據重新計算實際回用雨水量(Qy1)、實際回用中水量(Qz1)和實際回收總水量(Qavail1)，計算結果如表2所示。由表2可見，若將可替代回用水量(Qt)定義為“實需”，實際回用水量(Qavail1)定義為“實供”，則4個城市均呈現出“實供”不應“實需”的情勢。

限制中水和雨水開發利用的因素主要有兩個，即基礎設施建設成本和回用水的社會接受程度。雨水收集是一個龐大工程，不僅僅是技術難題更是經濟難題。要充分利用城市雨水和中水，就必須解決城市集雨設施建設和社區中水回用的技術等關鍵性難題，讓“實供”滿足“實需”[34]。

表2典型城市實際可回用水量統計表108m3/a

城市缺水類型需水可替代回用水量Qt供水實際回用雨水量Qy1實際回用中水量Qz1實際回用 總水量Qavail1上海水質性41.572.4155.7038.118青島資源型5.432.7152.2114.926北京資源型24.824.5233.9308.453西安資源型12.422.6730.8163.489

3.3 用水趨勢分析及多水源利用前瞻

3.3.1 用水趨勢 2012-2017年上海、青島、北京和西安4城市的用水量及可替代回用水量變化數據統計如圖1所示。由圖1可知，近年來雖然上海和青島市的總用水量和可替代回用水量略有波動，但各市用水量總體上是以平緩的速度增長，且各市年可替代回用水量均達到年總用水量的50%以上，并在逐漸增長。

圖1 2012-2017年4個城市用水量及可替代回用水量變化圖

3.3.2 多水源利用前瞻 雨水收集利用的出發點是解決城市用水緊張的問題，其本身也有著極其可觀的水資源應用前景，是解決城市水危機的重要途徑。在實際應用中它還有著改善城市雨水利害關系失衡的作用，通過雨水回用可減輕城市排水管道的負荷，提高已建設管道的利用率；并通過雨水收集設施緩解城市的內澇災害，以達到“需時我用，不需我存”的效果[35-36]，在協調城市水資源與水環境的關系的同時能為城市發展帶來可觀的經濟效益[29]。

要進一步開展雨水資源化利用，離不開城市雨水資源化系統的設計和工程應用，從不同下墊面雨水利用、初期雨水棄流、收集蓄存到最后的處理使用等一系列機電設備和構筑物建設，都需要更多的社會投入。此外，現階段非常熱門的海綿城市建設計劃的本質也是雨水的優化利用，將兩者有機地結合在一起，以推進城市雨水集聚建設的發展[37]。另外，城市的發展須建立城市雨污水資源化體系，要在城市建設過程中充分考慮雨污水收集和優化處理。

城市社區雨污水資源化系統建設的核心是轉變用水方式、提高用水效率，進而彌補傳統集中式供排水系統“稀釋收集-遠程輸送-集中處理”耗水耗能的問題，其本質就是雨水和中水的優化利用。而實現社區內雨污水資源化的關鍵除了雨水和中水的收集，還有社區內水質保障、居民對非常規水源的科普認知以及經濟可適應問題[38]。雨水和中水回用的可行性關鍵在于其經濟性，因此對于這類低水質供水，應考慮其對現階段水價結構的影響，設立合理的水價體系，在經濟層面明確其與現行的自來水供應體系的區別。

4 結 論

本文通過城市各類水資源的水質評價和利用形式分析，結合上海、青島、北京和西安4個城市回用水需求和供應現狀計算，探討了非常規水資源在城市發展過程中的價值和利用前景。

(1)城市中水和雨水水質標準遠達不到飲用水供水標準，但可用作城市雜用水、非接觸生活用水、工業冷卻水和農業用水等的替代用水，具有廣泛的利用前景。

(2)計算相應的城市可替代回用水量(需)、可回用水量(可供)和實際可回用水量(實供)，進而分析供需關系可知，就城市回用水資源而言，上海、青島、北京和西安4個城市都處于“可供”大于“需”的情況，但就實際回用水的使用情況而言，這些城市都屬于“實供”不應“實需”。

(3)統計2012-2017年上海、青島、北京和西安4個城市的總用水量和可替代回用水量可知，各地年可替代回用水量均達到年總用水量的50%以上，并在逐漸增長，需求前景明確。

(4)未來發展中若要充分利用雨水和中水，城市建設須不斷完善自身的中水回用設施和雨水收集裝置等關鍵技術難題，同時完善中水、雨水等非常規用水相關管理政策，讓“實供”滿足“實需”，同時實現低水質供水的經濟適用性。