水環(huán)境恢復(fù)原理及我國(guó)的工程實(shí)踐
摘要：水資源短缺和水體污染是水環(huán)境問題的2個(gè)主要方面，目前這2個(gè)問題在我國(guó)都沒有解決，而且還有加重趨勢(shì)，分析認(rèn)為過度的水的社會(huì)循環(huán)是造成我國(guó)水環(huán)境劣化的直接原因，建立健康的社會(huì)水循環(huán)才能恢復(fù)良好水環(huán)境，從根本上解決水問題。水環(huán)境恢復(fù)的方略包括節(jié)制用水、污水深度處理和有效利用、污水廠污泥回歸農(nóng)田、恢復(fù)城市雨水循環(huán)途徑、面源污染控制以及水資源統(tǒng)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(yīng)系統(tǒng)是關(guān)鍵，是我國(guó)水環(huán)境恢復(fù)的切入點(diǎn)，介紹了國(guó)內(nèi)外在水環(huán)境恢復(fù)方面的研究進(jìn)展情況并介紹了我國(guó)在編制國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃（2006-2020）以及深圳、大連和北京等地的工程實(shí)踐，最后指出今后我國(guó)水環(huán)境恢復(fù)方面的緊迫任務(wù)，包括建立相關(guān)法律法規(guī)、開展相關(guān)教育、制定規(guī)劃、相關(guān)技術(shù)研究和建立示范工程等。
關(guān)鍵詞：水環(huán)境；水污染控制；水資源；健康社會(huì)水循環(huán)
1 我國(guó)水環(huán)境現(xiàn)狀
我國(guó)水環(huán)境存在2大問題，一是水資源短缺，二是水污染嚴(yán)重。
我國(guó)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(tǒng)計(jì)，我國(guó)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(gè)人均水資源貧乏的國(guó)家之一，預(yù)測(cè)到2030年我國(guó)人口增至16億時(shí)，人均水資源量將降到1760m3，基本進(jìn)入用水緊張國(guó)家的行列（按國(guó)際上一般承認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，人均水資源量少于1700m3的為用水緊張國(guó)家）[1]。
除了人均水資源量遍低外，我國(guó)水資源的時(shí)空分布也很不均衡，春旱夏澇時(shí)有發(fā)生，黃河、淮河、海河3流域人均水資源量?jī)H500m3，是我國(guó)水資源最為緊張的地區(qū)。全國(guó)669個(gè)城市中，有400多個(gè)城市供水不足，其中有110個(gè)城市嚴(yán)重缺水，年缺水量約60億m3，每年因?yàn)槿彼斐傻墓I(yè)損失超過2000億元人民幣，水污染損失占國(guó)民生產(chǎn)總值的1.5%-3.0%[1]。
我國(guó)的水污染非常嚴(yán)重，據(jù)國(guó)民環(huán)?？偩职l(fā)布的環(huán)境質(zhì)量公報(bào)，2004年7大水系的412個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面中，Ⅳ—Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)的斷面比例分別為30.3%和27.9%，監(jiān)測(cè)的27個(gè)重點(diǎn)湖庫中，Ⅴ類水質(zhì)湖庫6個(gè)，占22.2%；劣Ⅴ類水質(zhì)湖庫10個(gè)，占37.0%。其中“三湖”（太湖、巢湖、滇池）水質(zhì)均為劣Ⅴ類。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)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(huán)境質(zhì)量還在不斷下滑。
2 水環(huán)境恢復(fù)原理
在沒有人類干擾的情況下，地球上絕大部分的水往復(fù)不斷地在海洋、天空、陸地之間進(jìn)行著水文循環(huán)，當(dāng)降雨形成的地表徑流以及火山噴發(fā)、泥石流等自然過程把雜質(zhì)帶入河流和湖泊之后，經(jīng)過自然的沉淀、稀釋以及化學(xué)和生物作用，河流和湖泊中的水會(huì)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(huán)。隨著人口的不斷增加和生產(chǎn)力的不斷提高，人類對(duì)水的自然循環(huán)干擾程度越來越強(qiáng)烈，人類從水的自然循環(huán)過程中取水，供自己生活和生產(chǎn)使用，用過的水再排放回水的自然循環(huán)，這被稱作水的社會(huì)循環(huán)。水的社會(huì)循環(huán)是對(duì)水的自然循環(huán)的干擾，是水的自然循環(huán)的一部分[2]。
長(zhǎng)期以來，人們對(duì)水的自然循環(huán)的脆弱性沒有足夠重視，人們?nèi)我馊∷?、隨意使用，之后產(chǎn)生的大量污水不經(jīng)處理或處理不當(dāng)就肆意排放，水的社會(huì)循環(huán)嚴(yán)重干擾了水的自然循環(huán)，其結(jié)果就是我們現(xiàn)在看到的有河皆干、有水皆污的局面。
要恢復(fù)良好水環(huán)境，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，必須建立嶄新的用水模式，建立健康的社會(huì)水循環(huán)，這是解決水環(huán)境問題的正確出路[3]。
健康的社會(huì)水循環(huán)，指在水的社會(huì)循環(huán)中，尊重水的自然運(yùn)動(dòng)規(guī)律和品格，合理科學(xué)地使用水資源，在節(jié)制用水的同時(shí)將使用過的廢水經(jīng)過再生凈化，達(dá)到天然水體自凈能力的要求，排入自然水體后，不影響當(dāng)?shù)鼗蛳掠蔚貐^(qū)水體的正常使用，對(duì)水的自然循環(huán)不產(chǎn)生負(fù)面影響，使得水的社會(huì)小循環(huán)可以與自然大循環(huán)相輔相成、協(xié)調(diào)發(fā)展，維系或恢復(fù)城市水域，乃至全流域人與自然和諧的良好水環(huán)境，使自然界有限的水資源可以不斷地滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活的用水要求，永續(xù)地為人類社會(huì)服務(wù)，從而為社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)條件[4]。
水環(huán)境恢復(fù)首先要求控制社會(huì)水循環(huán)的通量，這個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)依賴于自然觀與價(jià)值觀的根本轉(zhuǎn)變，依靠人口數(shù)量的控制、水資源效率的提高、水資源的重復(fù)和循環(huán)利用以及用水習(xí)慣的改變等。
建立健康水循環(huán)實(shí)現(xiàn)水環(huán)境恢復(fù)的策略主要有以下幾個(gè)方面：節(jié)制用水、污水深度處理和有效利用、污水廠污泥回歸農(nóng)田、恢復(fù)城市雨水循環(huán)途徑、面源污染控制以及水資源統(tǒng)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(yīng)系統(tǒng)是關(guān)鍵，是我國(guó)水環(huán)境恢復(fù)的切入點(diǎn)[5]。
3 國(guó)外對(duì)水環(huán)境恢復(fù)的研究狀況
19世紀(jì)后半葉，英國(guó)開始建立公共污水處理廠。當(dāng)時(shí)污水被認(rèn)為是有害的，應(yīng)盡快處理、排除到城市下游。城市排水系統(tǒng)的功能是防止雨洪內(nèi)澇、排除污水和以污水二級(jí)處理來保護(hù)城市公共水域水質(zhì)，而城市供水則依靠大量開采傳統(tǒng)地表地下淡水資源、增加供水量的方式來解決城市發(fā)展面臨的水資源問題[6]。
然而到20世紀(jì)后期，雖然發(fā)達(dá)國(guó)家城市污水二級(jí)處理率達(dá)到較高水平，但水資源短缺與水環(huán)境退化問題仍日趨嚴(yán)重。如日本的東京都污水處理率達(dá)95%以上時(shí)，區(qū)域內(nèi)河川水質(zhì)雖有明顯改善，但東京灣富營(yíng)養(yǎng)化仍有增長(zhǎng)趨勢(shì)，赤潮時(shí)有發(fā)生，為解決日益嚴(yán)重的水危機(jī)，世界各國(guó)相繼開展了污水深度處理與利用和水資源的可持續(xù)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(tǒng)[7-9]。水資源綜合管理（Integrated Water Resources Management）、面向可持續(xù)的水管理（sustainable water management）、需水管理（water demand management）等概念開始出現(xiàn)。與此同時(shí)美國(guó)提出水區(qū)（water shed）的概念。水區(qū)可以理解為“是由可劃分的水系、排放系統(tǒng)以及接受水體所界定的地區(qū)或范圍。”或“是將水資源、供水系統(tǒng)、排放系統(tǒng)和用戶組成1個(gè)最優(yōu)化的管理范圍，1個(gè)城市可以分為幾個(gè)水區(qū)，1個(gè)水區(qū)也可以涵蓋幾個(gè)城市。”[10]。而水區(qū)恢復(fù)（watershed restoration）的提法則表明美國(guó)在水領(lǐng)域的總體戰(zhàn)略目標(biāo)發(fā)生了調(diào)整，由單純的水污染控制轉(zhuǎn)變?yōu)槿轿坏乃h(huán)境恢復(fù)，由單項(xiàng)技術(shù)研究轉(zhuǎn)向綜合治理策略研究[11]。
在水環(huán)境恢復(fù)的工作中，發(fā)達(dá)國(guó)家普遍意識(shí)到，只有在實(shí)踐中充分重視社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治以及媒體的力量形成共同的合力，控制工業(yè)廢水排放和城市污水處理，才能促使水環(huán)境質(zhì)量得到改善和維持[12-13]?？沙掷m(xù)的城市水管理[14-15]、水資源綜合規(guī)劃與管理[16-18]等得到大量研究，并已獲得廣泛應(yīng)用[19-22]。
4 我國(guó)在水環(huán)境恢復(fù)方面的工程實(shí)踐
我國(guó)從建國(guó)初期就開始進(jìn)行有關(guān)水問題的研究，對(duì)于節(jié)水工作開展較早，取得了顯著成效[23]。對(duì)城市污水處理與利用的研究，早在1958年就被列入國(guó)家科研課題。
60-70年代，我國(guó)水污染防治重點(diǎn)放在工業(yè)廢水污染的控制上，提出了“三同時(shí)”的方針，但處理率不過1%—2%[24]。此階段科研工作重點(diǎn)主要停留在開發(fā)單元技術(shù)上。
80-90年代初，城市供水事業(yè)有了較大進(jìn)展，但是水污染日趨嚴(yán)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(yè)與民用的試驗(yàn)研究。1992年，大連春柳污水廠進(jìn)行技術(shù)改造后，建成了我國(guó)第1個(gè)污水深度處理回用示范工程[25]。
90年代中期之后，國(guó)務(wù)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(nèi)的綠色工程計(jì)劃，但仍舊只注重城市污水的二級(jí)處理與排放，將排水系統(tǒng)功能仍定位在防止內(nèi)澇、排除污水與減輕污染之上。
新世紀(jì)初，城市供水排水事業(yè)得到迅速發(fā)展，供水水質(zhì)指標(biāo)要求越來越高，污水再生利用逐步得到較廣泛接受，我國(guó)的城市排水事業(yè)趨向于水污染控制與水資源的可持續(xù)利用。20世紀(jì)末，我國(guó)學(xué)者開始提及建立良好的水環(huán)境[26]，實(shí)施污水再生回用，從宏觀和整體上考慮流域內(nèi)水環(huán)境的恢復(fù)和水資源的可持續(xù)利用問題[27-28]。到目前為止，我國(guó)在水環(huán)境恢復(fù)方面已經(jīng)完成一些工作。
4.1 制定水環(huán)境恢復(fù)的國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃
2004年，以筆者為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，以《城市水系統(tǒng)健康循環(huán)研究》為課題將水環(huán)境恢復(fù)工作寫入國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃。在這個(gè)課題中，提出了我國(guó)水環(huán)境恢復(fù)的發(fā)展思路、戰(zhàn)略目標(biāo)以及戰(zhàn)略重點(diǎn)和主要任務(wù)，并提出了相關(guān)的政策措施研究。此規(guī)劃的出臺(tái)意味著我國(guó)水環(huán)境恢復(fù)工作的全面展開。
4.2 完成深圳特區(qū)城市中水道系統(tǒng)規(guī)劃
深圳是我國(guó)嚴(yán)重缺水的7座城市之一，2000年，深圳的污水處理率已經(jīng)達(dá)到56%，但水環(huán)境的污染態(tài)勢(shì)沒有得到有效遏制，市區(qū)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(duì)這種情況，在筆者倡議下，取得深圳市有關(guān)部門支持，在2000年開展了整體性的水資源循環(huán)利用工作。2001年，編寫完成《深圳特區(qū)城市中水道系統(tǒng)規(guī)劃》，規(guī)劃建設(shè)以城市污水為水源的城市第2供水系統(tǒng)——城市再生水道，總規(guī)模49萬m3/d，供水干管長(zhǎng)度為130km[29]。按照規(guī)劃，到2010年，每年可減少排入內(nèi)河及周邊海域BOD5約4500t，COD0約12050t。目前此項(xiàng)規(guī)劃正在實(shí)施階段，實(shí)現(xiàn)再生水回用后，將對(duì)深圳灣、大鵬灣的水域環(huán)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(zhàn)略研究
大連人均水資源量不足730m3/a，約為全國(guó)人均水平的1/3，屬嚴(yán)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(chǎn)運(yùn)行。這是國(guó)內(nèi)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(yè)用水循環(huán)利用率、海水利用等方面成績(jī)顯著，但至2002年，流經(jīng)大連市區(qū)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(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究院、北京工業(yè)大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)完成了《大連市海水與城市污水資源戰(zhàn)略研究》。此研究明確指出，應(yīng)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(huán)境工作上升到全市范疇的水資源可持續(xù)利用。該研究規(guī)劃2020年大連城市再生水道總規(guī)模達(dá)到70萬m3/d，每年可補(bǔ)充2億m3淡水，減少排河排海負(fù)荷CODCr25550t/a，規(guī)劃的實(shí)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(huán)境恢復(fù)的工作
北京人均水資源量不足300m3/a，是嚴(yán)重缺水城市。目前，北京市整體水環(huán)境質(zhì)量較差，一半多河流達(dá)不到相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，市區(qū)絕大部分河流富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，官廳水庫水質(zhì)論為Ⅳ類，早已失去水源功能。
針對(duì)上述情況，2001年中華人民共和國(guó)水利部聯(lián)合編制了《21世紀(jì)初期首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》，按照節(jié)流、保護(hù)、治污和調(diào)水的思路對(duì)北京市水資源短缺提出相應(yīng)措施。同年，北京市排水集團(tuán)等單位也完成了《北京市城市污水廠再生水回用規(guī)劃綱要》，目前這2個(gè)規(guī)劃正在實(shí)施之中。
2004年以筆者為首的課題組完成了《水環(huán)境恢復(fù)工程理論研究》。該課題對(duì)水環(huán)境恢復(fù)在理論方面進(jìn)行了詳細(xì)全面的論述，并針對(duì)北京市具體情況提出了系統(tǒng)的水環(huán)境恢復(fù)方略。根據(jù)此項(xiàng)研究成果，北京市水環(huán)境的恢復(fù)必須依賴北京市城市水系統(tǒng)的健康循環(huán)，其中節(jié)制用水和城市再生水道將起到關(guān)鍵作用。
經(jīng)過幾十年發(fā)展的歷程，我國(guó)經(jīng)歷了從點(diǎn)源治理到面源控制、從局部回用到整體規(guī)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(tài)勢(shì)還沒有得到遏制，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)城市水系統(tǒng)的健康發(fā)展，水環(huán)境恢復(fù)的戰(zhàn)略有待于進(jìn)一步完備。
5 前景與展望
創(chuàng)造親水空間，恢復(fù)良好水環(huán)境是我國(guó)建設(shè)小康社會(huì)、和諧社會(huì)的必然要求，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)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(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。水環(huán)境的恢復(fù)是一項(xiàng)龐大的復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是長(zhǎng)期的任務(wù)，需要制度、法律、行政、管理、教育、宣傳、技術(shù)、財(cái)政等多方面的配合。針對(duì)當(dāng)前我國(guó)水環(huán)境具體情況，今后應(yīng)重點(diǎn)開展以下工作：
1）制定水環(huán)境恢復(fù)相關(guān)的法律法規(guī)。水環(huán)境的恢復(fù)可能會(huì)給企業(yè)等帶來直接利益，但更多的是其社會(huì)效益和環(huán)境效益，因此政府應(yīng)該是水環(huán)境恢復(fù)工作的主要承擔(dān)者。政府應(yīng)組建水環(huán)境恢復(fù)的管理部門并通過必要的立法和行政手段貫徹實(shí)施水環(huán)境恢復(fù)的一系列策略。
2）開展相關(guān)教育工作，加強(qiáng)公眾對(duì)水環(huán)境恢復(fù)的認(rèn)識(shí)。水環(huán)境的恢復(fù)必須發(fā)動(dòng)群眾、依靠群眾，單單依靠政府或企業(yè)是不能完成的。必須通過課本、電視、網(wǎng)絡(luò)等多種媒體形式開展有針對(duì)性的宣傳教育，讓人們了解國(guó)內(nèi)水環(huán)境劣化的現(xiàn)狀和危害，增強(qiáng)對(duì)節(jié)約用水的認(rèn)識(shí)，增加公眾對(duì)再生水的了解，解除公眾對(duì)再生水的心理障礙，取得社會(huì)對(duì)水環(huán)境恢復(fù)的共識(shí)和支持。
3）制定水環(huán)境恢復(fù)的規(guī)劃。水環(huán)境恢復(fù)規(guī)劃的制定是我國(guó)整體水環(huán)境恢復(fù)的前提和保障。應(yīng)以流域?yàn)閱挝?，制定全?guó)的水環(huán)境恢復(fù)規(guī)劃，充分考慮現(xiàn)有供水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和防洪系統(tǒng)的現(xiàn)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(nèi)工農(nóng)業(yè)的用水需求和用水結(jié)構(gòu)、水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀等，制定水環(huán)境恢復(fù)的詳細(xì)發(fā)展目標(biāo)和發(fā)展思路。
4）開展水環(huán)境恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究。水環(huán)境恢復(fù)工程的實(shí)施最終依靠技術(shù)來完成，應(yīng)盡快開展污水再生全流程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)高效污水回用技術(shù)、雨水水文循環(huán)修復(fù)技術(shù)等研究工作。
5）建立小流域的水環(huán)境恢復(fù)示范工程。選擇缺水地區(qū)的典型小流域，如北京、天津等，建立水環(huán)境恢復(fù)示范工程，進(jìn)行實(shí)例研究。這樣可以積累經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的水環(huán)境恢復(fù)提供借鑒。
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