未来城市的人水和谐人类社会用水健康循环的理论和方法

张杰：未来城市的人水和谐，人类社会用水健康循环的理论和方法

2015-05-08 14:03:24 来源： 新华网




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[中国工程院院士 张杰]各位同仁下午好。我向大家汇报一下《未来城市的人水和谐，人类社会用水健康循环的理论和方法》，这是我演讲的框架。

一、研究背景

这个问题的背景首先要从地球上的水循环开始，在太阳辐射能和地心引力作用下，地球上的水在水圈、大气圈、岩石圈、生物圈内进行着往复不断的循环运动，称之为自然水文循环。参加自然水文循环的水量是57.2万km3/年，为全球总储量的0.0416%。陆地降水量与蒸发量之差，或海洋蒸发量与降水量之差，形成了大陆的地表地下径流，其总量为4.7万km3/年，是全球水总储量的0.0034%。

在自然水文循环的径流中，人类为了生活和生产，从河川或地下水体中取水，使用后的污水经处理后又排回水体，这就形成了人类从事活动的水循环，称之为社会水循环。自然水文循环和社会水循环一起组成地球上统一的复合水循环系统。人类社会的水资源--通过水循环可以不断更新并有足够容量和良好水质的水体，才是人类社会的水资源。降水径流是各种水体唯一补给来源。大陆水资源不但极为有限，而且时空分布很不均匀。有相当部份分布于人类不宜居住的地方。而且大陆径流并非人类社会的独有资源，需要与水生态系统共享才能获得人类社会的可持续发展。所以地球上的淡水资源非常缺乏，是稀缺的天然资源。

显然社会水循环依赖于自然水文循环，是自然水文循环的旁路。两者间有着密切水力与生态联系。随着人类社会经济和水事活动的高度发达，社会水循环对自然水循环产生了越来越强烈的影响。

那么什么是水环境？水环境的概念除了河川、湖泊水域的水量、水质之外，还包括了水中及岸边的多生态系统，更广泛地说当地居民的水文化也都囊括在水环境概念之内。全国平均年降水量660mm，年平均降水总量为0.6336万亿立方米，年河川径流总量2.7114万亿立方米，地下水径流总量约为0.8836万亿立方米，扣除地表、地下径流重复部分，全国可更新的地表地下多年平均水资源量是2.8万亿立方米。预测2030年当全国人口增加到16亿时，人均水资源量将降至1760立方米。 全国可开采水资源量仅为0.8-0.95亿立方米/年。2010年全国总用水量为0.6022万亿立方米/年，全国开采总量已达可开采总量的60%。预测到2050年，全国需水量将增加到0.7-0.8万亿立方米/年，将接近可开采水资源量的极限。

目前我国约有400座城市开采地下水，年开采量超过

1000×108m3/年。华北平原浅层地下水超采6%，深层地下水超量开采39%。深层地下水已经形成了跨京、津、鲁的区域地下水下降漏斗。2004年全国地下水下降漏斗180多个，总面积约为10×104km2。 区域地下水位下降引起地面沉降，大面积湿地萎缩或消失，地面植被破坏，生态环境退化。今后随着城市化快速发展，水短缺还会进一步加剧。

20世纪末全国城镇污水产生量400×108m3/年，处理量不到10%。从1993到2002年十年间，我国江河水质总趋势是Ⅰ-Ⅲ类水体所占比例不断下降，劣五类和五类水体居高不下，河川水资源污染未得到遏制。可喜的是近10年来，城镇污水处理率有了大幅度提高。2012年城镇污水排放量达到500×108m3/年，处理率达到85%。

目前黑臭劣∨类水体虽有了降低，但Ⅲ---Ⅳ类水体比例并未增加，湖泊富营养化和近海赤潮仍然严峻；多生态系统的恢复，水环境的进一步改善，仍然是却步不前。预测即使城镇污水处理率达到100%，也无望水环境的明显改善，水环境污染态势依然严峻。其原因是水污染源并没有大幅度切断或削减，还远没有做到水污染水环境综合的彻底治理。

针对水污染剖析,大致分为以下5方面。 一、城镇污水再生利用率只7%太低。污水厂的尾水和尚未处理的原污水，仍然对河川有相当的污染。况且85%的处理率和其处理程度仅仅是统计数据并未实地核实。 二、污水厂污泥和城镇居民粪尿没有进行规范化的处理与处置，还没有回归到农田生态系统中来 三、城镇初雨和合流水道截留干管的合流污水的溢流污染，都没有控制和治理； 四、广泛的农田面污染，即化肥、农药随雨水径流带来的河川和地下水的污染，广阔乡村农家庭废弃物的污染全然没有问津。 五、规范化养殖的畜禽粪便已经成为强势的区域污染负荷，也等待着规范化处理与处置，重新回归农田生态系统。

城镇污水处理达85%，仅仅削减了河川污染的一小部分，仅仅是综合治理水污染的开始，水环境恢复事业还任重而道远。

二元论自然观是水危机的思想根源。中华民族的自然观本来是“民胞物与，天人合一”，视人类是自然生态系统中的一员。而在世界近代史上自然界往往被视为征服的对象，培根倡导的“驾驭自然，做自然的主人”曾被绝大多数人视为人类行动的指南；人们在现代科学的鼓舞下，认为“人定胜天”。这种将人类与自然割裂，无视人是地球生态系统组成的二元论自然观是水危机的思想根源。

直流式生产生活方式催生了水危机的到来。二元论自然观指导下，人类社会对自然资源的无度开采，粗犷消费，大量废弃的直流式生产、

生活方式，使得本来人口剧增带来的环境压力更加突出。一旦对自然的开发超出资源本身的再生能力，排放的废弃物超出了地球生态系统的自然净化能力，就催生了水危机的到来。

二、社会用水健康循环理论框架

面对人们大量排放污水和废弃物，滥施农药和化肥造成的世界水危机，我们提出了“社会用水健康循环”的理念。

所谓社会用水健康循环:第一是指在社会用水循环中，尊重水的自然运动规律，合理科学的使用水资源，不过量开采水资源，同时将使用过的污水经过再生净化成为下游水资源的一部分，使得上游地区的用水循环不影响下游地区的水体功能，水的社会循环不破坏自然水文资源的规律，从而维系或恢复城市乃至流域的健康水环境，实现水资源的可持续利用。第二是指在社会水资源流相伴的物质流的循环中，不切断、不损害植物营养素的自然循环，不产生营养物质的流逝，不积累于自然水系而损害水环境。实现人类活动与自然环境的统一，达到“人水和合”的境界。

据社会用水健康循环的理念，人类社会用水必须从“无度开发→低效利用→高污染排放”的直流式用水模式，转变为“节制取水→高效利用→污水再生循环利用”的循环型用水模式，使流域内城市群间能实现水资源的重复与循环利用，使社会用水循环和谐地纳入水的自然水循环之中。社会用水健康循环是循环经济“3R”原则，减量化（reduce）、再使用（reuse）和再循环（recycle）在水资源上的具体体现，是建设循环型社会的基础，是可持续发展战略的体现，也是落实生态文明建设的组成部分。

社会用水健康循环是循环经济“3R”原则，减量化（reduce）、再使用（reuse）和再循环（recycle）在水资源上的具体体现，是建设循环型社会的基础，是可持续发展战略的体现，也是落实生态文明建设的组成部分。

三、社会用水健康循环五大战略

社会用水健康循环大致可分为五大战略。第一是节制用水。节制社会用水流量，略称“节制用水”与通常提倡的“节约用水”是统一范畴的概念。但其内涵深度却有很大的区别。节制用水是从社会可持续发展水资源可持续利用和水环境健康的高度出发，在水资源开发利用的过程中，不仅仅要节省用水，更要在宏观上节制自然水的开采量，控制社会水循环的流量，减少对自然水文循环的干扰。

节制用水的主题是全社会和政府，政府代表全社会意志，在流域水环境水资源承载能力的框架下进行国土规划，统筹安排城市和城市群，工业和农业的发展。要求社会改变传统的“依需定供”的观念，转

变为“以供定需”的理念。在保障流域生态用水和流域水生态健康的前提下来决定社会经济发展规划。莭制社会用水流量是人们水事活动的全面指导方针，是人类自然观的一部分。 节约用水的主体是用户，是在人们有了资源环境意识后，出于社会责任和自我经济利益，在用水过程中自觉节水。当然也是节制社会用水流量的重要举措。

社会用水健康循环五大战略之二是城市水系统健康循环。城市是流域（区域）经济产出和资源、能源消耗中心，有集中的供水系统和污水收集处理排放系统，是完整的社会用水循环的典型代表，是实现社会用水健康循环的切入点和主战场。城市水系统健康循环战略任务有四个方面：城市水资源流的再生与再循环；城市水系统物质流植物营养素健康循环；恢复城市雨水循环的自然通道；建立循环型城市水系统模式。

城市水资源流的再生与再循环。水是可再生的循环型自然资源。城市污水经再生净化达到再生水用户的要求，用于工业冷却水、城市绿化冲厕等杂用水、城市溪流生态补充用水和农田灌溉用水；经过深度净化满足水体自净要求再生水，可放流水体，作下游城市水资源的一部分。使城市用水循环和谐的融入水自然循环中。在这方面国际商发达国家污水再生利用率都很高。以色列地处干旱半干旱地区，采用了农业节水和污水再生利用方略，解决了发展与水资源的矛盾。目前100%的生活污水，92%的城市污水已经再生利用。洛杉矶是美国的缺水城市之一，解决水资源短缺的矛盾方法是将城市污水作为重要水源。进行了污水再生利用的中长期规划，中期2050年，污水再生利用率达70%，远期2090年将达80%。既然我国水资源短缺，水污染严重，那么城市污水再生利用是必由之路。

城市水系统物质流职务营养素健康循环。地球上的生态系统有多种多样，但其共同点是由生产者、消费者和分解者所组成。农田生态系统属于开放性的生态系统，农田生产出来的产品都为人类所利用。人类社会的排泄物、粪便和厨余垃圾，进入了人工分解系统——污水处理厂、垃圾填埋场和焚烧厂，而这些人工系统又把营养物集中曝露在某些地域、水域或释放于大气，造成了土地污染、水域污染和大气污染，同时切断了农田能量与营养物质的生态循环。污水污泥是农作物天然的有机肥料!污泥是污水处理过程中产生的含水固体残留物，污泥干重中有70-80%的微生物细胞体堪称生物固体，含有丰富的有机物和矿物营养。污泥中这些对农作物有益组分可分为两部分。

一是元素氮、磷、钾、铁、锰、硼、锌、铜等。是农作物

天然的有机肥料。另一类是有机质，有机质通过土壤中的生物降解，使污泥中大部分有机质矿化和腐殖化，矿化了的有机质为植物提供营养元素和微量生理元素，并为土壤微生物提供能量；腐殖质则大力改善土壤物理、化学环境状况，改善土壤的团粒体结构，使土壤的保水、保肥和通透性得以提高，是一种良好的土壤改良剂。提高土壤的肥力。水污泥来源于处理过程，因此生污泥中也混入了污水中的病原菌、虫卵、重金属、人工合成持久性微量有机污染物以及泥砂、纤维等物质，为污泥回归农田设置了疑虑。然而，污泥回归农田是自然规律使然，不可违背。疑虑是可以通过技术攻关来解决的。

我们看一下发达国家的一些做法。1986年欧盟颁布了《污泥农业利用指导规程》86/278/EEC，为保证在营养物最大限度地循环利用的基础上，为进一步防止有害物质进入土壤。在多次评价、修订中，经过讨论研究梳理明确了对污泥中有害物质的态度。 第一、病原体是污泥利用的重要指标，控制病原体数量是预防污泥农用风险的重要方面，但现有污泥处理的堆肥发酵等技术已能满足病原体的杀灭和控制要求； 第二、随着污泥中重金属浓度的降低，污泥农用已经不大可能由于重金属对环境和健康造成风险，已经不是制要因素。相反，铜和锌是植物生长的必须元素，具有正效应； 第三、总体上环境中面临着持久性有机物（POPs）的问题。但没有证据证明由于污泥农用致使这些污染物造成环境或健康风险。英国认为污泥中PCD/PS、PCBS和DAHs等POPs的通道与大气沉降到土壤中的通道相比可以忽略。

污泥回归农田的阻碍，不是污泥性质本身，而是国家与社会的认同。德国污泥农用标准比欧盟和美国都严格的多，因而德国许多建设者选择了焚烧，污泥农用的比例很低。我国标准与德国相比，有过之而无不及。2012年，我国年产干污泥500×104吨，经规范化处理处置者不到10%，而经厌氧消化或好氧发酵后，生物固体用于农业几乎为零。大都弃之荒野或直接排河，严重污染自然水体。厨余垃圾来自于炊事原材料残渣、蔬果根叶、剩菜剩饭，含有大量有机物和碳源，同时含有丰富的氮、磷、钾营养元素和污水污泥一样来自于农田生态系统，应与污水厂污泥一起进行堆肥后，回归农田，达成农田生态的循环和平衡。

恢复城市雨水循环的自然通道方面。在自然地面状态下，地面上的雨水分别通过蒸发、渗入地下和地表径流，继续其连续不断的循环之途。降雨渗入地下，涵养地下，维持地下水位和地下径流平衡，在枯水期补给河水，保障众多河流的基本生态环境。

降雨是地球上水文循环的一个重要环节。城市化之后改变了地面状态，切断和改变了城市降雨循环通路，带来了雨洪灾害和炎热干燥的气候。因此恢复城市雨水循环的正常道路，是城市不受洪涝灾害的保障。要保护和建设城市绿地、森林、公园等自然渗水地面；建设渗水的人行道、自行车道、停车场等渗水地面；收集大面积屋盖雨水，有组织的渗入地下或贮存利用。结合景观建设，修复城市湖泊、水地、溪流等城市水体，使暴雨雨洪有调节存身之处；提高城市雨水道的规划设计标准；建立深层雨水隧道和调节池；污水处理厂留有处理高稀释倍数大流量合流污水的设施。分流制地区有初雨处理设施。

人类在经历了几千年农耕时代和现代的快速发展之后，越来越认识到，解决资源短缺和可持续发展问题的唯一出路是建立循环型社会，其中水的健康循环是循环型社会的基础。 建立循环型城市水系统模式。在循环型城市水系统中不但有安全可靠的供水系统，还有完善的污水再生利用系统和污泥回归农田的系统。自然水从采取到排放入下游水体之前，已被高效利用多次，排放的也是高质量的再生水，并通过高质量再生水将社会用水循环与自然水文循环和谐地联系起来。

社会用水健康循环五大战略之三污染物源头分离。依据可持续发展和循环经济的理念，污染尤其是工业点源应以预防污染物产生为主、末端处理为辅、资源循环利用为根本。通过实施清洁生产，通过强化生产和末端治理过程中资源和能源回收，从而预防不必要的污染产生，进一步削减污染负荷。收社会、环境、经济之全方位效益。将传统活动的“资源消费—产品—废物排放”的开放（或单程）物质流动模式转变为“资源消费—产品—再生资源”闭环形物质流动模式。达到变污染负效应为资源正效应的目的。要从企业内部，产业集中园区和国民经济体系三个层次实施循环经济战略。

生态工业体系是工业循环经济的最高境界。是仿照自然界生态过程物质循环的方式来规划工业生产系统的一种工业发展模式。在生态工业体系中，各生产过程通过物质流、能量流和信息互相关联，一个生产过程的废物可以作为另一个过程的原料以利用。系统内各生产过程从原料、中间产物、废物到产品的物质循环，达到资源、能源、投资最优利用。通过不同企业、工艺流程和行业间横向耦合及资源共享，为废物找到下游“分解者”，建立工业循环系统的“食物链”和“食物网”。

社会用水健康循环五大战略之四农业面污染控制。农业面污染是最广泛最严重的面源污染。其主要来

源为农业生产过程中，土壤化肥、农药、乡村农家肥及规模养殖场废弃物，在降水径流冲刷作用下，通过径流过程汇入河流、湖泊、海洋及地下水等自然受纳水体，引起的水域污染。农业面污染分散单体量小而总体量巨大。目前在我国，面污染控制，还是一个空白。其污染贡献已经超过城市和工业的点源污染。 长期使用并逐渐增化肥大单位面积施用量，作物的增产已到极限。施用的化肥量只有30―40%被作物吸收60―70%被雨水径流挟，污染地表和地下水体，是地下水总氮超标，缓流水体富营养化裹的重要贡献者。

长期重化肥轻有机肥，使我国耕地土壤中有机质含量持续严重下降。由于缺少有机质和腐殖质，土壤板结、通气性变差，丧失了保水和保肥的性能，肥力下降，进而土壤退化、沙化而流失。改善肥料结构，减少化肥施用量，增加有机肥施用量，是削减农业面源污染，保护耕地安全和人民健康的重要措施。遵循生态学原理和循环经济原则，畜牧业应充分考虑土地的承载力，与农业种植业紧密结合，农业秸秆作为畜牧饲料，畜禽粪尿作为农业肥料，以种促牧，以牧养种，种养平衡，形成完整系统的循环生态农业体系。如区域性大规模养殖场产生的粪尿当地难以消化时，必须建设畜禽粪尿堆肥厂，生产堆肥产品运到外区域农田施用。

社会用水健康循环五大战略之五流域综合管理。流域管理的基本原则包括生态环境用水优先、社会公平原则和经济发展原则。

对我国流域管理的建议方面。第一、在国务院组织和领导下，选择涉水各行政部门领导干部和各种专业专家如：水利学家、水资源学家、水环境专家、农业和林业专家、国土资源专家等组成国家河川、湖泊流域管理局，统筹制定流域管理方针、政策。将水资源与水环境，水量与水质，城镇工业点污染和广泛农业污染的防治，统筹在社会用水健康循环、社会用水与自然水循环和谐的理念下，制定流域管理各项法律、法规和政策，并经全国人大或国务院批准，认真在各流域实施。国家流域管理局局长由国务院总理提名全国人大任命。第二、流域委员会统筹管理水环境保护和水资源调配。流域委员会主任由国务院任命，属国家部委级机构，是流域涉水事务管理的主体，统筹制定流域内水利、环保城建、农林牧渔业的具体涉水政策。流域委员会委员由国家流域管理局的代表，地方政府代表，涉水企业、事业单位代表、民众代表组成。在流域委员会下设专家咨询委员会，汇集各方面的专家一同决策，为委员会提供咨询意见。第三、流域内各省市设独立的地区水域管理机构。地

区水管理机构在流域机构和省市政府领导下，协同环保厅、水利厅、建设厅、农林厅等部门，在水资源利用与水域保护上一道工作。第四、鼓励民众参与和监督流域保护民居的清洁饮用水，给与民众健康的水环境，提高人民的生活质量和身心健康是社会稳定和谐的基础。在流域、水域的开发与保护的事业上，要给予民众充分的知情权，参与平台和监督的权利，流域委员会成员不但要有民众代表，在讨论重大事项时应允许民众公听。认真听取社会团体和有关水协的意见。第五、加强流域计量、监测与监控体系，尽快普及流域水环境和水资源信息共享平台。第六、健全我国流域管理的法律、法规体系。

四、结论与建议

最后，我就人类社会用水健康循环理论与方略做下个人的结论与建议。1、建立各城市再生水供水系统；2、变革农业肥料体制；3、建设城市应对暴雨径流的常态工程；4、建立权威的流域水事管理机构。谢谢大家。