未來城市水系統(tǒng)如何破局？行業(yè)專家提出五種重構(gòu)模式

導(dǎo)讀

在城市化進(jìn)程不斷加速、環(huán)境問題日益凸顯的當(dāng)下，城市水系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展成為備受矚目的焦點(diǎn)。清華大學(xué)教授、秀鐘書院院長胡洪營以“未來城鎮(zhèn)水系統(tǒng)升級重構(gòu)的幾種可能模式及其技術(shù)需求”為題作主旨報(bào)告，猶如一場及時(shí)雨，為城市水系統(tǒng)的未來發(fā)展指明了方向。他從“結(jié)構(gòu)重構(gòu)”與“邊界重構(gòu)”兩大維度出發(fā)，提出了五大創(chuàng)新模式，并深入梳理了新模式落地所需突破的關(guān)鍵技術(shù)，為解決城市水系統(tǒng)面臨的諸多難題提供了全新的思路和解決方案。

一、城市水系統(tǒng)及其面臨的發(fā)展課題

（一）城市水系統(tǒng)的重要性、復(fù)雜性

城市水系統(tǒng)，作為城市的生命線，宛如城市的血脈，為城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供著基礎(chǔ)保障。從水源地到供水、排水、用水，直至最終排入環(huán)境，這些環(huán)節(jié)緊密相連，構(gòu)成了一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)。它不僅僅是一項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施，更是與社會及自然生態(tài)緊密交織在一起，用“Nexus（扭連）”一詞來形容其相互關(guān)系恰如其分。

水系統(tǒng)的影響力遠(yuǎn)不止于水資源本身，它還涉及到能量管理、物質(zhì)循環(huán)等多個維度。國際上常提及的“Energy - Water - Food Nexus”（能源 - 水 - 食物扭聯(lián)關(guān)系），深刻揭示了這些要素之間的相互依存關(guān)系。例如，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，灌溉需要大量的水資源，而農(nóng)業(yè)又消耗能源，同時(shí)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)也與食物供應(yīng)緊密相關(guān)。因此，我們必須從能源、物質(zhì)、社會和自然的全方位視角來審視城市水系統(tǒng)，才能全面把握其運(yùn)行規(guī)律和發(fā)展需求。

（二）新時(shí)期審視城市水系統(tǒng)的新視角

在可持續(xù)發(fā)展成為全球共識、碳達(dá)峰碳中和成為重要戰(zhàn)略目標(biāo)的新發(fā)展階段，審視城市水系統(tǒng)需要全新的視角。在2021年第五屆全國水處理循環(huán)利用學(xué)術(shù)會議上，“未來沙龍”討論會專門聚焦未來城市水系統(tǒng)的發(fā)展方向。清華大學(xué)的劉書明教授和董欣副教授提出了從八個視角審視城市水系統(tǒng)的框架與新型城市水系統(tǒng)的內(nèi)涵，極大地拓寬了我們對城市水系統(tǒng)的認(rèn)知維度和邊界。

從結(jié)構(gòu)要素來看，要實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，打破傳統(tǒng)的線性用水模式；從邊界性能方面，要注重區(qū)域協(xié)調(diào)，考慮不同地區(qū)之間的水資源分配和利用；從認(rèn)知角度，要追求高效，提高水資源的利用效率；從技術(shù)管控上，要實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保和智能化，采用先進(jìn)的技術(shù)手段和管理模式；從內(nèi)涵上，要更加豐富多元，滿足城市不同領(lǐng)域和人群的需求。這八個視角為我們?nèi)?、深入地理解城市水系統(tǒng)提供了有力的工具。

（三）現(xiàn)有供排水系統(tǒng)面臨的發(fā)展問題

本次報(bào)告重點(diǎn)圍繞結(jié)構(gòu)和邊界這兩個視角，深入探討現(xiàn)有供排水系統(tǒng)存在的問題。

在結(jié)構(gòu)方面，傳統(tǒng)的水系統(tǒng)基本流程是取水、供水、排放、處理、再排放，形成了一個類似“流域工程系統(tǒng)”的循環(huán)。這種系統(tǒng)高度依賴域外水源，上游取水、用水后，經(jīng)處理直接排放到下游。其韌性較差，一旦上游水源出現(xiàn)問題，下游城市將面臨嚴(yán)重的水資源短缺危機(jī)。同時(shí)，水資源利用率較低，大量水資源在取水、輸送、使用和排放過程中被浪費(fèi)，資源能源消耗較大，屬于高碳、低效的灰色基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。

邊界方面則蘊(yùn)含著多重內(nèi)涵。首先是水源邊界，城市用水雖然主要在當(dāng)?shù)?，但涉及的流域范圍卻非常廣泛，甚至跨越國界。例如，北京市用水的一部分來自千里之外的丹江口，這種跨區(qū)域的水源依賴使得城市水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性受到外部因素的較大影響。其次是能源邊界，北京70%的電力來自外調(diào)，其中傳統(tǒng)水電約占外調(diào)電力的60%，綠電占40%。這意味著大部分電力依賴外部供應(yīng)，碳排放也隨之轉(zhuǎn)移到外部，給城市水系統(tǒng)的能源供應(yīng)和碳排放管理帶來了挑戰(zhàn)。最后是物質(zhì)邊界，水含有各種有機(jī)物和礦物質(zhì)，這些物質(zhì)來源于我們?nèi)粘Ｊ秤玫募Z食和蔬果，并最終通過糞便排泄進(jìn)入下水道。糧食和蔬果的來源地廣泛，形成了物質(zhì)循環(huán)的邊界。

現(xiàn)有水系統(tǒng)的“物質(zhì)”邊界問題尤為突出。這種模式相當(dāng)于源源不斷地把從土壤中汲取的礦物質(zhì)開發(fā)到下游，卻無法使其返回原產(chǎn)地的土壤，導(dǎo)致土壤貧瘠化，微量元素含量逐年減少，影響植物的生長。目前，植物所需養(yǎng)分主要通過化肥補(bǔ)充，但主要局限于氮、磷、鉀，全面補(bǔ)充微量元素存在現(xiàn)實(shí)困難。這一現(xiàn)狀對人類健康及水務(wù)系統(tǒng)同樣構(gòu)成沖擊，導(dǎo)致人體攝入的微量元素不足，引發(fā)隱性饑餓和健康問題；由于這些元素最終都排入了水體，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化；而現(xiàn)有處理系統(tǒng)是單一的線性模式，污水處理廠也難以有效回收這些元素。面對這些系統(tǒng)性問題，我們必須進(jìn)行系統(tǒng)性思考，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)性的升級和重構(gòu)。

二、城市水系統(tǒng)升級重構(gòu)的可能模式

（一）多類水源分級供水系統(tǒng)

多類水源分級供水系統(tǒng)是一種創(chuàng)新的水資源管理模式。水源種類豐富多樣，包括水源地、城市河湖、再生水、雨水和海水等；用水途徑也涵蓋飲用水、市政用水、生態(tài)用水、工業(yè)用水等多個領(lǐng)域。根據(jù)不同的用水需求，通過多重管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分級供水，能夠?qū)崿F(xiàn)水資源的優(yōu)化利用。

根據(jù)清華大學(xué)董欣副教授團(tuán)隊(duì)的測算，如果能夠?qū)崿F(xiàn)水資源的完全循環(huán)利用，城市可用水資源量可以放大到6.7倍，這將徹底改變城市水資源利用的格局。這種模式已經(jīng)有多處實(shí)踐案例，以義烏市為例，其水源分為飲用水源、再生水源和江水水源三類。江水水源的水質(zhì)無法達(dá)到飲用水源地標(biāo)準(zhǔn)，因此不能用作飲用水。在這三種類型水源的基礎(chǔ)上，義烏市分別建立了工業(yè)分質(zhì)供水、居民分質(zhì)供水和市政分質(zhì)供水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全域的多水源分質(zhì)供水。這種模式不僅提高了水資源的利用效率，還降低了供水成本，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供了有力支持。

（二）多類水源同質(zhì)供水系統(tǒng)

多類水源分級供水系統(tǒng)雖然具有諸多優(yōu)勢，但也存在一些潛在問題，如管網(wǎng)系統(tǒng)復(fù)雜、難以平衡不同用水需求的水質(zhì)及水量等。而“多水源統(tǒng)一供水”模式則提供了另一種解決方案。無論水源來自哪里——水源地、河湖、再生水還是雨水，只要處理到規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，就可以進(jìn)入統(tǒng)一的管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配。這種模式的優(yōu)勢在于只需要單一的管網(wǎng)系統(tǒng)，就能實(shí)現(xiàn)水資源的統(tǒng)一管理和調(diào)配，大大簡化了供水系統(tǒng)的復(fù)雜性。

美國已有將再生水直接接入飲用水管網(wǎng)的實(shí)踐。雖然這種方式前期處理費(fèi)用較高，但從長期來看，可以節(jié)省管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢。然而，這種模式也面臨著公眾接受度等方面的挑戰(zhàn)，需要通過加強(qiáng)宣傳教育、提高水質(zhì)保障水平等措施來逐步推廣。

（三）非常規(guī)水的地下回灌與循環(huán)利用

對于部分公眾來說，將非常規(guī)水源直接接入飲用水管網(wǎng)可能難以接受。對此，可以將處理后的水回灌至地下水源地或水庫，再從水源地取水，以實(shí)現(xiàn)不同水源的統(tǒng)一水質(zhì)供水。這種模式對于污水處理廠的工程建設(shè)及運(yùn)營，將產(chǎn)生新的場景和需求。

再生水回灌地下水值得積極開展研究和工程示范。通過將再生水回灌到地下，不僅可以補(bǔ)充地下水資源，還可以改善地下水水質(zhì)。同時(shí)，這種模式也為污水處理廠提供了新的發(fā)展方向，促進(jìn)了水資源的循環(huán)利用。然而，在實(shí)施過程中，需要充分考慮回灌水的水質(zhì)要求、對地下水環(huán)境的影響等因素，確?；毓噙^程的安全性和有效性。

（四）水的區(qū)域生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)

通過構(gòu)建“區(qū)域生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)”（再生水區(qū)域循環(huán)利用），代替當(dāng)前的“流域工程循環(huán)系統(tǒng)”，能夠有效提高水資源的利用率，增強(qiáng)水系統(tǒng)韌性，并降低能耗和用水成本。這里的“區(qū)域”不局限于城市內(nèi)部，而是在不受上游限制、不影響下游的情形下，在一定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)水資源的自給自足。

具體而言，可以在取水用水及處理后，將排水排入一定區(qū)域內(nèi)自己的水體，并將其作為新水源進(jìn)行再利用。在這一模式下，城市河湖水體的功能定位將從景觀水體向“城市第二水源”拓展，促進(jìn)長效的運(yùn)營和管理。此外，該模式還兼有促進(jìn)三水統(tǒng)籌治理、促進(jìn)處理標(biāo)準(zhǔn)制定的推動作用，實(shí)現(xiàn)“一地一水一策”。目前，生態(tài)環(huán)境部已經(jīng)開展了區(qū)域再生水循環(huán)利用相關(guān)的試點(diǎn)工作，涉及38個城市，該模式的完善與發(fā)展值得期待。

（五）區(qū)域水與營養(yǎng)元素雙生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)

我們不僅需要關(guān)注水資源本身的循環(huán)，還需要考慮物質(zhì)元素的循環(huán)。例如，從源頭分離黑水，將其資源化后用于農(nóng)田改良及作物種植，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)水循環(huán)和元素循環(huán)的雙重目標(biāo)。在這一過程中，城市、生態(tài)和農(nóng)業(yè)的結(jié)合不可或缺，將農(nóng)業(yè)納入城市生態(tài)系統(tǒng)，是一種較為理想的解決方案。

這種模式能夠?qū)崿F(xiàn)水資源的可持續(xù)利用和營養(yǎng)元素的有效循環(huán)。通過將黑水進(jìn)行資源化處理，不僅可以減少對環(huán)境的污染，還可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有機(jī)肥料，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，這種模式也有助于提高城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和韌性，實(shí)現(xiàn)城市與自然的和諧共生。

三、城市水系統(tǒng)升級重構(gòu)的技術(shù)需求

在討論技術(shù)需求之前，我們需要進(jìn)行系統(tǒng)性的思考與規(guī)劃。首先要明確城市水系統(tǒng)的內(nèi)涵與外延，界定其概念與邊界，以便更好地把握其發(fā)展方向和重點(diǎn)。其次，要重點(diǎn)考慮城市水系統(tǒng)的主要問題，包括模式、系統(tǒng)、政策和管理等方面，找出問題的根源和關(guān)鍵所在。最后，要思考變革的方向是什么，并據(jù)此變革理念，之后才能談及政策、規(guī)劃和技術(shù)支持。

未來的城市會是什么樣子，目前難以準(zhǔn)確描述。前述的五個創(chuàng)新模型，是從結(jié)構(gòu)和邊界的視角來審視水系統(tǒng)得出的啟發(fā)，從其他視角來看，或?qū)⒛芸吹礁嘣哪Ｊ?。對于前述五種模式，在具體選擇時(shí)，需要考慮地域特點(diǎn)、資源稟賦、城市規(guī)模、經(jīng)濟(jì)條件等因素，并根據(jù)模式的不同，對相應(yīng)的短板進(jìn)行研究開發(fā)。

例如，多類水源分質(zhì)供水系統(tǒng)目前已經(jīng)有比較成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，但在實(shí)際應(yīng)用中還需要進(jìn)一步優(yōu)化和完善管網(wǎng)系統(tǒng)，提高水資源的分配效率。多類水源的同質(zhì)供水系統(tǒng)還需要大量的研究支撐，包括水質(zhì)處理技術(shù)、管網(wǎng)建設(shè)技術(shù)等方面的研究，以確保供水水質(zhì)的安全和穩(wěn)定。非常規(guī)水的地下回灌與循環(huán)利用技術(shù)方面，美國已經(jīng)做了不少探索，中國也開展了一些小規(guī)模試點(diǎn)，具備開展大規(guī)模示范、推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)，但還需要進(jìn)一步研究回灌水的水質(zhì)變化規(guī)律、對地下水環(huán)境的影響等問題。對于區(qū)域再生水循環(huán)利用系統(tǒng)，需要重新思考城市水體的定位，加強(qiáng)水體的生態(tài)修復(fù)和管理，提高水體的自凈能力。要實(shí)現(xiàn)水與營養(yǎng)元素雙生態(tài)循環(huán)，需要在污水源頭進(jìn)行分類收集，建立多元循環(huán)體系，同時(shí)確保排泄物的安全處置，這些都是資源化技術(shù)升級的抓手。

總體來看，未來我們需要在城市水系統(tǒng)中統(tǒng)籌考慮水、能源、物質(zhì)元素流，并開展新型城市水系統(tǒng)的綜合試點(diǎn)和示范，通過實(shí)踐來驗(yàn)證和不斷完善。只有通過不斷地探索和創(chuàng)新，才能實(shí)現(xiàn)城市水系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，為城市的繁榮和人民的幸福提供堅(jiān)實(shí)的保障。