前沿研究丨水資源的可持續管理

本文選自中國工程院院刊《Engineering》2016年第1期

作者：錢易

來源：Sustainable Management of Water Resources[J].Engineering,2016,2(1):23-25.

導 語

水是生命之源、生產之本、生態之基，水資源危機已經威脅到了人類的健康和經濟的發展。我國受多方面影響，正面臨著嚴重的水資源危機，如水資源短缺、洪澇災害以及水體汙染等。

中國工程院院士錢易在《Engineering》中撰文指出，為防止水資源危機的有害影響，中國應密切重視可持續水資源管理。可持續水資源管理的目標需涵蓋為經濟發展及人們日常生活提供充足的水資源，保護清潔的水環境，保障安全的飲用水，防止洪澇災害等。為確保目標的實現，文章介紹了我國可持續水資源管理今後採取的相關策略：節約用水，控制需求；源頭削減，治汙為本；努力實現廢水的資源化、能源化；變洪水為資源，防止洪澇災害。

一、

引言

水是生命之源、生產之本、生態之基。因此，應該特別注意水資源管理。由於天然和人為的原因，中國正面臨著嚴重的水資源危機，包括：水資源短缺、洪澇災害以及水體汙染。水資源危機已經威脅到了人類的健康和經濟的發展。

中國天然水資源主要有兩個特點。一是水資源不足：水資源可利用量約為人均1780 m³，僅為全球水資源可利用量的四分之一，與國際上公認的用水緊張國家(水資源可利用量小於人均1700 m³)非常接近。二是水資源地域分布不均：呈現出南多北少的局面。北部地區居住了全國47%的人口，擁有全國65%的耕地面積，但水資源擁有量卻只有全國水資源量的17%。此外，中國的降水還具有四季分布不均的特點。

水體汙染主要由人為原因造成。工業、農業和人們的日常生活都會排放含有各種汙染物的汙水、廢水，造成水體汙染。中國的七大水系都已經被不同程度汙染，包括有機汙染、富營養汙染、重金屬汙染和持久性有機物汙染等。估計中國至少有1億城市人口、3.2億農村人口缺乏安全的飲用水。近幾年發生了許多與水體汙染有關的事故，嚴重威脅著人們的健康和生命。

洪澇災害一般都是突發事件。然而，問題產生的大部分原因在於未對排水系統進行精心設計、建造以及運行維護。例如，由於城市排水系統的問題，我國北方的一些城市會遭受洪災。

為防止水資源危機的有害影響，中國應密切重視可持續水資源管理。可持續水資源管理的目標應該包括：為經濟發展及人們的日常生活提供充足的水資源，保護清潔的水環境，保障安全的飲用水，防止洪澇災害。

為確保上述目標的實現，中國的可持續水資源管理應採取以下策略：

(1)節約用水，控制需求；

(2)源頭削減，治汙為本；

(3)努力實現廢水的資源化、能源化；

(4)變洪水為資源，防止洪澇災害。

二、

節約用水，控制需求

長期以來，人們認為水是一種廉價資源，取之不盡，用之不竭。因此，許多人用水時漫不經心，任意浪費。這種觀點和行為方式極有問題，必須改變：人們應該控制對水的需求，並且謹慎用水。

表1顯示了曾經調查過的中國某城市不同用戶的人均每日生活用水量。

表1 人均每日生活用水量

由表中數據可見，不同用戶的人均生活用水量差別很大。產生該現象的原因有很多，比如：大學的教室、圖書館和實驗室都需要用水；醫院需要更多的水用於清潔和治療等。但也可以看出，公共場所和個人家庭具有節約用水的巨大潛力。與德國每日人均用水量128L相比，中國某些城市的人均用水量還有減少的餘地。

工業用水量因工業的特點、生產過程中採用的技術手段的不同會有很大的差別。每個工業部門都應開發和使用清潔的生產工藝，減少生產過程中的用水量以及廢水的排放量。

最近十餘年來，中國鋼鐵企業在節約用水方面取得了顯著的成績。中國鋼鐵協會的統計數據表明，2000年我國噸鋼生產的平均用水量為25.24m³，而2013年這一數值降低到3.5m³。河北省唐山鋼鐵公司噸鋼生產只需用水1.8m³，而且該公司用的不是自來水、地表水或地下水，而是經城市廢水處理廠處理過的水，即中水，或稱再生水。因此，如果所有的鋼鐵企業都可達到如此高的節水水平，那麼鋼鐵工業部門將具有很大的節水潛力。圖1顯示了2000—2013年中國鋼鐵企業噸鋼生產的平均耗水量變化。結果顯示，2013年噸鋼生產的平均耗水量較2000年下降86.1%。在其他工業領域也有許多很好的例子。工業節水技術應該被儘快發展和實施。節約用水的另一好處是可以減少廢水排放量，這樣就可以在節約水資源的同時減少水體汙染，這是一個可以獲得雙贏的策略。

圖1 2000—2013年中國鋼鐵企業噸鋼生產的平均耗水量變化

農業需要大量用水。中國用於耕地的灌溉用水佔用水總量的60%，但用水效率僅為53%。因此，中國亟需提高農田灌溉效率，開發利用高效的灌溉技術和系統。

三、

源頭削減，治汙為本

長期以來，人們密切關注廢水處理，並將其作為控制汙染的一種手段。然而，實踐經驗告訴人們，控制汙染的重點應該是在源頭削減排放。

就工業而言，清潔生產的發展和應用是減少汙染產生的最佳途徑。「十二五」期間，中國工信部在13個不同的工業領域主持進行了清潔生產技術及工藝的篩選項目。超過1000項可降低能源消耗和汙染產生的清潔生產技術及工藝被選擇。可以預料，該項目成果必然能夠帶來顯著的經濟和環境效益。

中國有很多工業園區。將現有工業園區生態化或建立新的生態工業園區是控制汙染的好辦法。生態工業園區內的產業與其他產業建立共生關係，將某個產業的廢渣、廢水、廢氣作為其他產業的原料。這種方式可降低成本，減少汙染物，是雙贏策略的另一個很好的例子。

從農田和農民日常生活排出的廢水是非點源汙染的主要來源，在考慮水汙染防治問題時不容忽視。目前，最好的策略就是實施生態農業，建設生態村。生態農業的主要特點是：更少地使用化學肥料、化學殺蟲劑和水。此外，生態農業和生態村產生的生物廢料可被用作能源或其他類型的資源。

近20年來，歐洲國家還開發了生活廢水源頭分離的工藝和設備。對原有的廁所進行改造，實現了灰水(汙染程度較低的清洗用水)、黃水(衝洗小便池的廢水)和黑水(衝洗大便池的廢水)的源頭分離。這些系統和設備顯著減少了水資源的消耗，使廢水被再利用為資源。

四、

努力實現廢水的資源化、能源化

減少汙染物的源頭排放非常重要；然而，對日常生活廢水的處理也十分必要。

在相當長的一段時間內，廢水處理的目標是防止廢水對環境和人類健康產生有害影響。近30年來，將廢水轉化為能源或其他資源的問題已經被討論，這是一個新概念，並且是廢水處理的新方向。工程師們已經為廢水再利用開發了許多新的工藝和技術。如今，廢水的資源化、能源化、無害化已經成為水資源可持續管理的重大戰略。

廢水是寶貴的資源。再生水可被用作農業、工業和城市水資源；廢水中的有機汙染物可被轉化為資源；廢水中通常含有氮、磷、鉀、鎂，可被回收用作肥料或化學品。

再生水的利用目標應被謹慎選擇。在中國，農業的用水量最大，因此，應密切關注用於灌溉的再生水的再利用。如果再生水被用於灌溉，在廢水處理過程的設計中就不應包括氮和磷的去除，因為氮和磷可以作為農作物所需的肥料。因此，利用再生水灌溉農田既能同時回收、利用農作物所需的水和肥料，又能降低為防止水體富營養汙染而進行的脫氮除磷處理的能耗和成本，這又是一項雙贏策略。再生水還可被用於工業冷卻、市政清潔、綠地灌溉等其他目的。新加坡作為一個十分缺水的國家，已經成功地將再生水用作水資源。

開發和利用高效、低耗、合適的廢水處理技術十分重要。例如，厭氧生物處理技術不耗能，而是將廢水中的有機汙染物轉化為資源，即甲烷氣體。與此相反，耗氧處理過程消耗氧氣，並通過對廢水中有機汙染物的穩定化產生二氧化碳。因此，未來應改進和應用厭氧處理技術。此外，對可作為未來廢水處理手段的自然生態系統(如氧化塘)和土地處理系統(如溼地)應給予更多的關注，特別是在農村和地廣人稀的地區。

圖2是荷蘭瓦赫寧根大學提出的城市廢水處理新系統。所有廢水經過該系統的處理都可被轉化為資源而被再利用。該系統的處理核心是厭氧生物處理。如圖所示，汙泥的利用和處理是汙水處理過程的重要組成部分，必須對其加以考慮。

圖2 城市廢水處理新系統(荷蘭瓦赫寧根模式)

目前世界上很多國家都成功利用了再生水。以色列水資源十分有限，但仍可向其他國家出口食品，其主要原因是該國的再生水利用率高達90%。目前，有效的水資源管理策略已經解決了水資源短缺問題。中國還需向以色列多加學習。

五、

變洪水為資源，防止洪澇災害

如前所述，由於中國不完善的城市排水系統，在某些乾旱地區的城市甚至發生洪澇災害。完善城市雨水收集系統是必要的、有效的，但這是傳統的做法。目前新的理念是將雨水轉化為資源。為達到這一目的，需因地制宜地建設多種雨水收集設施以收集雨水並對其進行利用。例如，雨水收集系統建築物頂部的集水池和居民區的雨水採集系統和集水池。被收集的雨水可在旱季時用於衝洗廁所、灌溉綠地和道路清潔等。因此，可將多餘的雨水轉化為資源。

美國加利福尼亞州科恩縣是一個很乾旱的城市。該城市發明了「水銀行」的概念，概念大致為：在汛期將雨水儲存在地下；在旱期利用這些地下水。為實現這一概念，人們付出了大量的努力。「水銀行」的主要特點是：道路、池塘和運河等表面都要具有滲透性，以保證雨水很快滲入地下。在這一概念中，地下水的功能就如銀行的功能：多餘的水在雨季被儲存，在需要的時候可被取出使用。「水銀行」的運行也遵循銀行運行的規則：根據水的消耗標準，當用戶用水沒有超過規定的指標時，「水銀行」可將剩餘水量儲存起來以供其未來使用。「水銀行」的應用顯著緩解了科恩縣的用水緊張形勢，並提高了地下水位(如圖3)。

圖3 美國加利福尼亞州科恩縣「水銀行」示意圖

有效的政策、主管部門的精心管理以及合適的技術對上述策略的成功實施非常重要。例如，廢水處理的工藝和技術應該被運行和提升，供水和排汙系統的計劃和設計應該被改進。

中國的許多城市已經著手將自身改造為有助於對雨水進行管理和利用的「海綿城市」。

水資源的可持續管理是可持續發展的必要保障。實施水資源可持續管理戰略，促進中國和世界的可持續發展。

註：本文內容呈現形式略有調整，若需可查看原文。

改編原文：

Yi Qian.Sustainable Management of Water Resources[J].Engineering,2016,2(1):23-25.

作者介紹

錢易，環境工程專家，中國工程院院士。

數十年來致力於研究開發適合我國國情的高效、低耗廢水處理新技術，對難降解有機物生物降解特性、處理機理及技術進行了卓有成效的工作.近年來致力於推行清潔生產、汙染預防和循環經濟，積極對國家環境決策獻計獻策並參與環境立法工作，積極參與環境保護的國際合作與交流。

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註：論文反映的是研究成果進展，不代表《中國工程科學》雜誌社的觀點。