水文大循環和城市水環境代謝

摘要通過分析近代給排水系統的局限性，面對人口劇增、資源和能量消耗巨大的21世紀，闡述了對現代城市新型水環境代謝體系的基本構思，提出了在水文大循環的體系中對水環境按"保護"和"使用"進行功能分區、對水資源按"質"和"量"合理使用的新型系統構成。

關鍵詞水文大循環城市水環境代謝給排水系統地球環境時代

1行將結束的近代

起始于16世紀的西歐時代，經過產業革命帶來了人類大增殖的近代，而如今已因達到地球的容量限度而行將結束。支撐近代大發展的是近代科學技術，教育的發展帶來了科學技術的普及。人們認識了自然現象和社會現象，并從中總結出規律，明確其因果關系，建立了學術體系，通過教育的普及，使近代的文明得以廣泛傳播。恰恰在這個時候，人們將人類活動的規模與地球的尺度進行對比，看到了近代文明在構成上的限度。地球環境制約的時代已經到來。

近代科學技術從總體上看比較單純粗放，在高速、大量輸送技術的支撐下，單樣生產技術達到規模化和效率化，根據社會構成和消費經濟的關系，按不同的目的進行空間的縱向分割，以發揮其機能與作用。近代生產活動的特征是以量(說穿了是金錢)來作為衡量成果的基準，以經濟增長為主軸線，對各種價值都用單純的量化(金錢化)指標來評價。因此，受過幾年高等教育的人就能成為體系設計和運用的專家。近代歷史上之所以能這樣較單純地進行社會分割，形成產業，建立教育體系，保持社會有效地發展，是因為地球上的環境和資源有富裕。然而，在世界人口膨脹到60億的當今世紀，這種條件已不復存在。

我們要設法從這種困境中脫身，但面臨的困難在于，所有可供使用的方法和對策都以近代科學技術為基礎，而近代科學技術則是造成這種困境的原因。在這種情況下，必須對近代科學技術進行重組，通過對各種各樣體系進行復合和融合，打破個別體系并列劃分的界限，構筑綜合化的新體系，尋求新的生活方式，以節省資源和空間的使用。對于這種新體系的評價，必須將近代體系的單純量化指標變為能表征事物本質和創造價值的抽象指標。圖1所示的城市、生產綠地、自然環境的特性和相互關系就表明了這種新體系的特征。為了人類的生存而保持良好的環境代謝，需要將城市、生產綠地、自然保護區這三個領域間以及各領域內的資源利用、循環和再利用結構進行重組，降低每一環節的熵增幅度，從而盡可能減少資源、空間和能量的消耗，降低環境負荷。圖1城市-生產綠地-自然環境的特性和相互關系

2近代給排水系統的局限性

近代給水系統以"充足、低價地供給清潔的水"為目標。為了保證清潔水的集中供應，必須獲得充足的清潔原水，但這難免受到流域水文大循環中徑流量的制約，不可能無限制地擴大供水量，這就是近代給水系統的限度。另一方面，使用過的水均作為污水，通過排水系統排放到城市的下游。污水排放前通過生物化學處理可使生化可降解有機物(BOD成分)去除95%，這是羅馬時代以來逐步形成的城市排水系統。氧氣在空氣中的濃度可達21%，但它是難溶氣體，溶解在水中的濃度充其量為10mg/L。當水中存在有機物時，溶解氧會迅速消耗，對好氧性水棲生物造成危害。考慮到溶解氧是水質污染的首要指標，在除濁的同時，要用生化需氧量(BOD)作為河流水質控制的指標，這一基礎概念在StreeterPhelps氧垂曲線理論提出之后得到了廣泛應用。與此相應，以BOD為主要指標的污水生化處理方式以Eckenfelder-O‘Connor公式為理論基礎，污水處理和環境管理在理論上相互關聯，形成了近代排水系統質量管理的基礎理論體系。但是，這種近代排水系統不能有效地控制懸濁物和BOD以外的水質指標(見圖2)。因此，通常的污水生化處理法難以滿足所有水處理的需要，而主要用于開放水域的放流處理，以避免造成下游河道溶解氧缺乏。圖2水質變換矩陣

另一方面，對于筑壩蓄水的河道，由于河水滯留時間長，通常的污水生化處理和河流自凈作用不能有效去除的磷和氮等營養鹽，會導致藻類的增殖，結果造成原水中存在異臭味或毒性物質，需要采用深度給水處理。化肥的使用也常常導致富營養化危害，為此，歐美國家只要在主要河流的下游以及穿過農業區域的河流下游筑壩蓄水，一般都要對進水進行除磷脫氮處理。未來的時代將重視削減環境負荷，富營養化的控制對于區域水環境代謝體系將必不可少。

現代城市排出的廢棄物，或者說代謝物中，以水的形式排出的量最大。近代的給水系統通過集中供水系統供給各種用途的水，每人每天的用水量高達200～400L，均為可供飲用的優質水。為了保證供水水質，這樣大量的原水通常需從水文大循環的上游位置取用。即便在最低限的水資源開發(水源林保護、筑壩蓄水)條件下，以日本的平均徑流量為基準，一個人所需的水源集水面積為300～500m2。這樣收集起來的水進一步凈化后供給城市，使用后水質發生變化，全部變為BOD200mg/L左右的污水排到城市下游。因為直接排放將造成流域水環境的破壞，通常需要通過BOD去除率為95%的生物化學處理(所謂的高級污水處理)使水質達到BOD10mg/L的程度后再行排放。如果要求城市下游河道的水質保持BOD3mg/L這樣的良好水平(日本河流水環境質量標準B類)，排出的水則需要2～3倍流量的清潔河水加以稀釋。該流量所對應的集水面積也為飲用水所需集水面積的2～3倍，即每人900～1000m2(見圖3)。當今日本幾乎沒有哪個城市能保證人均水源地面積達到這個水平，許多城市常常缺水，飲用水供應都成問題。從上述水源地面積的角度來說，城市最初出現的水荒問題并不是水量不足(缺水)，而是河流水質惡化帶來的危害(如歐美一些大流域所發生的情況那樣)。日本的河流一般來說流程短，污水排放口*近海域，因而上述問題不太明顯。圖3每人所需的水源面積

彌補流域水資源不足的對策有兩種：一是在上游大規模筑壩，雨季大量蓄水，旱季放流，使平常可利用水量接近流域水文大循環的平均徑流量，即所謂"徑流的時間平均化"；二是將近鄰利用率低的河流進行流域變更，把水輸送到缺水的流域，即所謂"徑流的空間平均化(流域變更和長距離調水)"。嘗試這兩種對策已是近代給排水系統的極限，而且后者將導致流域下游污染負荷的高度集中，必須同時采用比常規污水處理法，即生物化學處理法更高級的處理設施，強化以富營養化對策為主的下游水環境管理(見圖4)。圖4城市的擴大和相應的給排水系統

按照近代給排水系統的這種構造，隨著流域內需水量的增大，僅從上游取水已難以滿足需要，因此取水點必須向下游推移以擴大集水面積。日本橫濱的相模川就是典型的例子。然而下游不僅存在BOD污染，各種合成有機物引起的微污染問題也日趨嚴重。農藥的使用也影響下游給水的水質。日本的農業多是水田，農藥會直接流入水體。隨著農業生產條件的改善引入集中用水灌溉系統后，問題變得更加嚴重。

近代給排水系統的水處理流程實際上是效仿地球水文大循環中，在生態學、地球化學作用下自然發生的水質變換過程，通過集中施加電力等能源，達到比自然過程快得多的水質變換速度。在給水處理方面的代表性技術是19世紀初期出現的慢濾系統(包括自然沉淀和慢速砂濾)，以及20世紀初出現的快濾系統(包括混凝、沉淀、快速砂濾、氯消毒)，至今仍廣泛用于給水處理；在污水處理方面的代表性技術則是19世紀末期到20世紀上半葉建立的散水過濾法和活性污泥法等好氧性微生物處理系統，利用河流自凈作用的原理，使生物化學反應集中化、高速化，達到去除BOD的目的。

然而，到20世紀后期，人類已掌握了大量合成自然界本來不存在的各種有機化合物的化工技術。在通常的時空規模下這些有機物很難通過自然生態系統進行無機化或無害化，而在環境中積蓄，被生物攝取后產生致癌和致突變作用，而且閾值低到10-12～10-9量級，定量分析也非常困難。通常的情況下各種污染成分并存，微量多成分的分析和影響評價也很困難，因此必須在傳統水處理流程的基礎上增加去除微量成分的處理環節。此外，近年來內分泌干擾物質，即所謂"環境荷爾蒙"的健康影響問題也引起關注，這些物質濃度極低，且毒性尚不明確。諸如此類影響人體健康的微量有機化合物在多數情況下自然凈化速度極慢，只能通過活性炭吸附、離子交換、臭氧處理或納濾等附加深度處理方法從廢水或飲用水原水中去除，水處理系統因此變得復雜化，且消費大量的能量，這是人們不愿看到的情況(圖2)。

在缺水情況嚴重的島嶼和日本西部的城市，目前也開始嘗試通過淡水化從無限的海水中獲取淡水資源。1950年初美國就考慮到20世紀末將面臨的淡水資源不足的問題，內務部設立了鹽水淡化局，開展了大規模的研究工作。現在廣泛采用的多段閃蒸法就是當時研究推廣的結果，逐漸成為淡水化主流的反滲透法則是佛羅里達大學Reid教授1953年提出的方法。與常規水處理相比，淡水化所需的能量消耗要高出10多倍，達到7～10kW·h/m3。這樣的高能量消耗在地球環境時代是很難推崇的。尤其是對于能源幾乎全*進口的日本，推行淡水化相當于進口水資源，從安全保障的角度上也很難接受。沿岸取水要避開微量污染很不容易，城市排水接納水域的負荷增加也成為問題，因此，除島嶼這樣遠離陸地的情況外，推行淡水化是不適宜的。城市應考慮推行污水處理水的再利用，以降低能量消耗，同時減輕下游的污染負荷。

3質和量按用途分類的新型水環境代謝體系

迄今為止的城市給排水系統中，給水以"充足、低價地向市民供給清潔的水"為目的，排水則以"促進城市衛生和發展、保護公共水域"為目的，給水和排水系統分別建設，并列存在，而忽略了二者都是水文大循環中串連的環節，未將兩個系統融為一體，共同嵌入自然體系之中。傳統的給排水系統是建立在這樣一個基礎上，即人們在大自然的恩惠下生存，在人類小社會中自在生活，按照生活上的種種要求進行人類活動，而自然環境的容量能夠滿足這些活動的需要。但是，當人類活動的規模相對于自然已變得較大時，在滿足生活要求的同時，也必須考慮盡量減輕對環境的影響，建立新型水環境代謝體系。未來的城市水環境代謝體系要在"水資源按用途分類并重復利用，維護最低的價格(最小的能量消耗)"的方針下設計"供給必須水量并滿足必要水質"的水供給系統，將"用水和排水(水代謝)的城市要對水環境負直接責任"作為技術和經營的原則。用達到飲用水要求的優質水供應各種用途，最終又作為污水混合處理排放的粗放型城市給排水系統不能再發展了。達到上述目的至少需要半個世紀，但我們必須從現在起就著手于建立"將人們的需要與地球環境加以綜合考慮"的新型城市水環境代謝體系。

我們必須認識到，人類雖在地球上動物總體重中占了25%，但也僅僅是動物的一種，可她在地球生態體系中不是簡單意義上的一個成分，而是集中把持能源，具有極高資源消耗密度，構成特異生存空間的集團，是飄浮于多樣性自然生態體系的海面上，必須與其它生物共存的集團。因此，不能將人類的物質代謝與其它生物群在自然生態體系中的代謝混為一談，而必須考慮建立一個復合型環境代謝體系，使與自然界間的開放式代謝按環境負荷最小的方式與自然界耦合，并具有明確的、可控制的組織邊界，在邊界的內側(城市)建立具有模擬生物體那樣的構造，以最小的能量消耗來驅動最低限度的物質再利用回路。將電力等高質低熵能量的高密度消耗巧妙地置于再生系統內，嚴密控制與外部環境間的開放式物質代謝和熱量代謝，形成類似于動物體那樣的能耗和代謝空間。地球上多種多樣的生物鏈中，不乏能量最有效利用和物質多次再生利用的范例，形成了循環型自然生態體系(見圖1和圖5)。圖5水質按用途使用、水再生和水質管理系統及城市水環境

人體內的水分起著物質和熱量輸送的作用，經過20多次的循環再利用后才排出體外，總水分的5%左右必須從體外補充。體內的循環系統和各個部位以水為媒體進行的熱量、物質傳遞和分離，都包含著生體膜的作用，并伴隨著生物化學反應，其動力為高質量的生體能量。今天我們面向21世紀考慮向新型給排水系統的轉換，利用有機合成膜進行精密分離的技術已經展示了其前景。在城市水環境代謝工程領域，200年來人類與自然界間進行物質交換的生態學工程技術支撐了近代社會的發展，未來的社會將在此基礎上進一步引入可稱之為生體或生理學技術的膜分離技術，作為水重復利用和再生循環利用的核心水處理技術。20世紀初期的快濾和污水生化處理技術得到普及，廣泛應用于近代給排水工程100年后，又出現了新的水質變換基本技術(見圖2)。

我們仍處在學習新的用水方法的初期。近代產業的基本模式是從根據需要從大自然獲取優質資源，用于各種目的，然后再將產生的廢棄物進行處理，總之是以獲取最大利益為出發點進行商品生產，對優質水資源更是隨意使用。在上游獲取資源，下游處置廢物，兩種技術各自存在，這是近代社會物質代謝過程的特點。新的水利用體系則是按照質量恢復的難易程度和對利用水質的要求衡量其價值，根據目的以及方式確定水的用途。對給水系統和排水系統，以及二者之間的循環再利用系統，要按能量消耗率最小，而且系統可*的原則進行設計。考慮各種方案和相關條件、資源和能源的消耗率、設計和運轉管理要求等各種復雜因素，進行體系的綜合化和優化，經過數十年的努力，終將研究出成熟的系統技術。

然而，上述將生產(生活)活動和資源兩方面連環考慮進行綜合規劃的思路目前還仍停留在設想的階段。雖說是進入了地球環境時代，但對人類文明還未進行具體的再設計。單單強調給排水系統的問題顯然是不夠的，水的利用牽涉到社會基礎設施建設，未來的社會構造和投資方向不明確的話，長期投資建成新的給排水系統后也會面臨難以承受的困難。但在現階段，無論如何也應當明確"質"的利用是水利用的本質，在這個基礎上著手新型給排水系統的研究和規劃。筆者在20年前就提出了城市水環境代謝體系構造和容量的問題［5］，其基本論點到現在也是實用的。

4新型城市或地區水環境代謝體系的構想

保障人們健康安全的水(飲用水)通常占總用水量的很小一部分，僅按實際需要量從水文大循環的上游經嚴密管理的水源保護區取水，經適當處理后，由飲用水專用管道供水。其它大量的非飲用水則在*近下游用水點的河流中取水，該處流域面積較大，可供取用的流量也相應較大。視需要可適量加入經深度處理后的再生回用水，通過目前使用的一般給水系統供水。飲用原水因為是從水質良好的上游取水，所以并不需要非常復雜的水處理。在飲用水專用管道建成之前，則可在現有配水管網末端用水點前，將10%左右的水經納濾處理后由小管徑的飲用水管道供給飲用水。納濾可利用管網壓力進行，然后通過小型水泵供水。其余90%的水與納濾濃縮水混合，濃度雖會提高倍，但并不會對飲用以外的用水產生不良影響。末端的飲用水專用管道與上游的管道逐步連接后，就形成所謂的"二元供水系統"。旱季缺水時，通過向非飲用系統中適當增大再生回用水的比例即可保證供水。曾幾何時，有人設想不用改變現有的城市水利用體系，而通過海水淡化來補充日益增加的城市用水量。這種方法大幅度增加能量消耗，完全與地球環境時代的理念相違背。同時，就目前的技術，通過海水淡化得到一定量的淡水就要排出等量的濃縮液。

基于這種思路，對于人類活動集中、人口密度高的地區，設立并列的二元輸水系統，并強化閉路循環，對環境保護區(自然體系)和環境控制區(城市體系)進行明確劃分，建立人類活動和自然環境保持協調關系的水環境代謝空間。在生態系統的鏈接中，必須明確城市應負的責任，從而建立如圖5所示的城市水環境體系。這種水環境體系的目標在于：①將水環境盡可能明確地劃分為應保護和要利用的兩個區域，并明確兩個水環境區的結合條件，維持水環境保護區的良好自然條件；②環境控制(水處理等)僅在兩個區域的邊界處和城市區域內進行；③充分認識到城市用水的本質是"水質"的合理利用，盡可能按質進行多次重復使用，將水的再利用工程中的附加能量消耗降到最低限度；④水環境區域劃分要有局限，以防止水環境代謝的無限度廣域化，城市要在自身可控制的限度內建立水環境代謝體系；⑤環境控制區(城市)內的人類活動不能越過環境區域界限而波及環境保護區。環境空間的局限化和降低能量消費是新型水環境體