城市水系统的综合管理

城市水系统的综合管理：机遇与挑战－－清华大学环境科学与工程系主任陈吉宁（图文）

水是城市发展的基础性自然资源和战略性经济资源，水环境是城市发展所依托的生态基础之一。“城市水系统”是指城市中与水相关的各个组成部分所构成的水物质流、水设施和水活动。水在城市中具有五个方面的主要功能：水是城市生存和发展的必需品和最大消费品，是污染物传输和转化的基本载体，是维持城市区域生态平衡的物资基础，是城市景观和文化的组成部分，是城市安全的风险来源。城市水系统规划、设计和管理中的诸多矛盾均来自于对这些目标协调时的冲突。

按规划、设计和管理的基础设施分类，城市水系统包括水源系统、给水系统、用水系统、排水系统、回用系统、雨水系统和城市水体。城市水系统规划和设计所关注的宏观问题主要是：

（1）城市水系统的整体结构、功能和效率；

（2）城市水系统对区域（或流域）生态、环境和水文系统的动态扰动；

（3）城市水系统的安全保障水平；

（4）城市水系统的老化和水资源退化问题。

由于城市水系统设施运行的超长期性、投资的高沉淀性、技术上的继承性（technology lock-in）以及水在自然属性上的易流性和随机性，城市水系统的规划、设计和管理需要特别关注长期性问题、综合性问题、协调性问题和社会性问题。但是，受管理体制的和系统分析工具的约束，这些问题往往在工作中易于忽视，从而使城市水系统难以适应城市长期发展所面对的不确定性影响，也难以平衡城市水系统的多种目标要求。

尽管在过去的五十年里，城市水系统的基本结构并没有发生革命性的变化，但在过去十年里，随着材料技术、生物技术、观测技术和模拟控制技术在水系统的快速应用，随着人类对自然生态和水文过程认识的深入，随着人类在城市生活中对自然（包括对水环境）贴近的要求日益突出，城市水系统的设计在安全性、综合性、与自然的协调性和运行的灵活性方面已发生了深刻的变化；但在另一方面，随着我国人口的持续增长和城市化进程的快速发展，大规模区域水环境质量和生态系统的持续恶化，超大城市和城市群的不断涌现，城市水系统在投资强度上的严重滞后，我们在城市水系统的功能要求、技术要求和经济效率方面面临着西方传统水系统都未曾体验的挑战，我们必须以一种紧迫感和全面系统的观点来审视、改造、修复和建设我们快速扩张的城市水系统。在这篇文章中，由于篇幅有限，我们不可能就这些问题展开深入的讨论，我们将仅对目前城市水系统的发展趋势提出我们的一些看法。

1城市水系统与流域水文系统呈现“解耦”的趋势

在过去二百年城市水系统的发展中，19世纪城市水系统的最大贡献是把水引入了城市，解决了城市饮水和污染物排泄问题，在避免瘟疫流行、保障人类健康中发挥了不可替代的作用，但由此所导致的水的过多使用也是今天城市水系统诸多问题的根源。20世纪城市水系统的最大贡献是建设了众多以服务城市为目的的水利蓄水工程，在提高城市用水安全和防洪安全能力方面发挥了重要作用，但它同时也破坏了区域生态系统和流域水文系统的整体性和自然性，显著增大了城市水系统对自然系统的扰动，破坏了城市与自然环境的和谐。

城市水系统中过大的水通量，不仅加大了对流域水文系统的扰动，也带来了城市水系统供水和排水设施的双重压力。即使在水资源富裕的地区，通过水的需求管理，提高城市用水效率和再生水的利用率已成为城市水系统发展的重要方向。近十年来，提高城市用水效率的技术得到了快速的发展，并表现了巨大的潜力，它们在保证城市用水安全的同时，可以大幅度减少与主要污染物输移过程相关的用水量。但由于常规用水设备在市场扩散的周期较长，这种潜力一直没有得到广泛的认同。例如，在生活用水方面，即使仅使用目前市场上最有效的节水器具，人均生活用水量可以有效减少到36l/day的水平（如在冲水龙头的设计中，目前的技术已可从9.38l/min降至1.875l/min）。

事实上，很多国家（包括我国）的城市已表现了明显的城市用水量与城市发展的Kuznets曲线进入下降区。但是，近五十年来的实践表明，人类对各种长期用水需求的预测具有偏高的倾向，而且偏高较大。例如，1995年全球实际取水量为3500km3，仅为30年前预测的一半，我国在近二十年的用水需求预测中，也存在明显的问题。对节水潜力的低估，导致了各种水利和水设施工程投资的效率低下，这应成为我们对重大水利工程决策的一个深刻教训。

2城市水系统在向安全用水和资源回用系统转化

传统城市水系统中的排水系统是以水为传输介质，以水与污染物的再分离和空间转移为技术路线。近年来，随着人们对环境问题认识的空间尺度扩大和整体性的深化，这种传统城市排水系统的设计思想面临着越来越多的质疑和挑战。首先，从全球物质循环的角度来看，氮磷钾等营养物质通过食物从农村土地系统进入城市，在城市的排泄过程中，这些营养物质通过城市污水处理系统，部分排放到水环境中，部分储存到自然界中，现有的城市排水系统无法修复和弥补人类活动对氮、磷等物质在自然循环过程中的强烈扰动。例如，即使采用目前最可行的技术，现有的排污系统仍将导致20%的氮、5%的磷以及90%的钾最终流失在水环境中。以目前全球磷和钾储量计算，十代人后磷和钾将面临被耗竭的危险；另一方面，由于钾的匮乏使得污泥作为农业化肥使用的品质受到较大影响。虽然自然界中氮的来源是无限制的，但无论是氮的利用还是从水介质中的去除方式都需要较大的能源投入，这一循环过程表现了强烈的非经济性。事实上，当今污水处理脱氮除磷过程中所涉及的庞大费用，已成为限制城市水系统可持续有效运行的主要因素之一。

自上世纪九十年代中兴起的以源分离为核心的生态排污系统，改变了传统的污染物收集－处理流程为分离和资源回用过程，通过实现黑水、褐水和灰水等多种分离方式，可以有效地回用城市排污系统中的各种营养物质，实现城乡在物质循环上的和谐发展。而另一方面，灰水与初期雨水可以通过分散或组团式的物理或生态工程（如湿地）共同处理，不仅可以更为有效地将城市水系统与景观和城市生态设施相结合，实现基础设施的绿色化，而且由于雨污混合输移还可以减少庞大的管网投资和繁琐的生物处理过程，从而有效地减少城市水系统的基础设施建设和运行费用，全面提高城市水系统的可持续性。

3城市水系统的结构在向组团式结构方向发展

近二十年来，随着膜材料技术、自动控制技术和传感技术的快速发展，给水和污水处理设施的经济规模效应呈现显著下降趋势。相反，随着对城市水系统资产管理的日益重视，管网维护、修复和管理中所面对问题日益突出，在城市水系统投资和管理中，发挥管网效益，减少对管网依赖已成为影响城市水系统规划和设计的重要因素。与此同时，再生水作为一种安全可靠的替代水源在城市中的使用，也要求改变城市排水设施的空间布局和规模，因此，与传统的大规模污水厂和管网建设不同，相对小规模的组团式污水处理设施布局不论在经济上、投资风险控制上、还是在技术上都表现出越来越明显的优势。

组团和分散式城市水系统结构无疑可以更好地与城市的景观建设、城市自然水体相和谐，但这并不意味着分散式一定是未来的最佳选择。在这里，我们当前需要解决两个主要问题，其一是与污水排放和污水回用相关的安全风险控制问题，这一问题长期以来并没有得到重视；其二是城市水体的功能定位问题，我国现有的水环境质量标准、水排放及回用标准均存在诸多混乱与问题，这都会带来一定的潜在健康和生态安全风险。同时，与水景观相结合的各种生态工程和人工生态系统所具有的污染净化功能（和风险）也迫切需要给予正确的认识，夸大和忽视这种功能均会对城市水系统的设计和运行带来长期影响。

4城市水系统向综合性集成和系统多样化方向发展

城市水系统的复杂性和多目标需求决定了城市水系统在向综合集成的方向发展，对此，我们既要强调城市水系统的整体的规划、设计和管理，又要有效协调与城市其它规划建设的关系。例如，近十年来，越来越多的案例将土地利用计划与雨水利用、径流污染控制相结合，将城市的土地利用进行分区，在城市的绿化带、植被缓冲带规划中考虑对城市水文的影响；在城市地面硬化中增加渗透铺装；在城市景观设计中，尽可能保持原地形地貌，使用低势绿地、渗透管渠等渗透设施，将水景观建设与人工湿地的利用与建造相结合，以及改造建筑结构形式与屋顶作法等，这些措施均会对控制城市径流问题带来许多便利。

另一方面，城市水系统设计的生态化，要求其必须采取因地制宜的原则，与具体的自然系统相结合，与特有的城市结构相结合，从而带来了城市水系统的多