水环境恢复原理及我国的工程实践
摘要：水资源短缺和水体污染是水环境问题的2个主要方面，目前这2个问题在我国都没有解决，而且还有加重趋势，分析认为过度的水的社会循环是造成我国水环境劣化的直接原因，建立健康的社会水循环才能恢复良好水环境，从根本上解决水问题。水环境恢复的方略包括节制用水、污水深度处理和有效利用、污水厂污泥回归农田、恢复城市雨水循环途径、面源污染控制以及水资源统筹管理等，其中，城市范畴上的污水深度处理与利用和再生水供应系统是关键，是我国水环境恢复的切入点，介绍了国内外在水环境恢复方面的研究进展情况并介绍了我国在编制国家中长期科技发展规划（2006-2020）以及深圳、大连和北京等地的工程实践，最后指出今后我国水环境恢复方面的紧迫任务，包括建立相关法律法规、开展相关教育、制定规划、相关技术研究和建立示范工程等。
关键词：水环境；水污染控制；水资源；健康社会水循环
1 我国水环境现状
我国水环境存在2大问题，一是水资源短缺，二是水污染严重。
我国多年平均水资源总量约为2.8万亿m3，居世界第6位，但按1997年人口统计，我国人均水资源量为2220m3，约为世界人均水量的1/4，列世界第121位，是全球13个人均水资源贫乏的国家之一，预测到2030年我国人口增至16亿时，人均水资源量将降到1760m3，基本进入用水紧张国家的行列（按国际上一般承认的标准，人均水资源量少于1700m3的为用水紧张国家）[1]。
除了人均水资源量遍低外，我国水资源的时空分布也很不均衡，春旱夏涝时有发生，黄河、淮河、海河3流域人均水资源量仅500m3，是我国水资源最为紧张的地区。全国669个城市中，有400多个城市供水不足，其中有110个城市严重缺水，年缺水量约60亿m3，每年因为缺水造成的工业损失超过2000亿元人民币，水污染损失占国民生产总值的1.5%-3.0%[1]。
我国的水污染非常严重，据国民环保总局发布的环境质量公报，2004年7大水系的412个水质监测断面中，Ⅳ—Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为30.3%和27.9%，监测的27个重点湖库中，Ⅴ类水质湖库6个，占22.2%；劣Ⅴ类水质湖库10个，占37.0%。其中“三湖”（太湖、巢湖、滇池）水质均为劣Ⅴ类。随着我国经济的高速发展，水资源短缺的状况正在逐步加剧，水污染还没有得到有效遏制，整体水环境质量还在不断下滑。
2 水环境恢复原理
在没有人类干扰的情况下，地球上绝大部分的水往复不断地在海洋、天空、陆地之间进行着水文循环，当降雨形成的地表径流以及火山喷发、泥石流等自然过程把杂质带入河流和湖泊之后，经过自然的沉淀、稀释以及化学和生物作用，河流和湖泊中的水会从浑浊慢慢变得清澈，这都是具有自净能力的水的自然循环。随着人口的不断增加和生产力的不断提高，人类对水的自然循环干扰程度越来越强烈，人类从水的自然循环过程中取水，供自己生活和生产使用，用过的水再排放回水的自然循环，这被称作水的社会循环。水的社会循环是对水的自然循环的干扰，是水的自然循环的一部分[2]。
长期以来，人们对水的自然循环的脆弱性没有足够重视，人们任意取水、随意使用，之后产生的大量污水不经处理或处理不当就肆意排放，水的社会循环严重干扰了水的自然循环，其结果就是我们现在看到的有河皆干、有水皆污的局面。
要恢复良好水环境，实现水资源可持续利用，必须建立崭新的用水模式，建立健康的社会水循环，这是解决水环境问题的正确出路[3]。
健康的社会水循环，指在水的社会循环中，尊重水的自然运动规律和品格，合理科学地使用水资源，在节制用水的同时将使用过的废水经过再生净化，达到天然水体自净能力的要求，排入自然水体后，不影响当地或下游地区水体的正常使用，对水的自然循环不产生负面影响，使得水的社会小循环可以与自然大循环相辅相成、协调发展，维系或恢复城市水域，乃至全流域人与自然和谐的良好水环境，使自然界有限的水资源可以不断地满足工业、农业、生活的用水要求，永续地为人类社会服务，从而为社会可持续发展提供基础条件[4]。
水环境恢复首先要求控制社会水循环的通量，这个目标的实现依赖于自然观与价值观的根本转变，依靠人口数量的控制、水资源效率的提高、水资源的重复和循环利用以及用水习惯的改变等。
建立健康水循环实现水环境恢复的策略主要有以下几个方面：节制用水、污水深度处理和有效利用、污水厂污泥回归农田、恢复城市雨水循环途径、面源污染控制以及水资源统筹管理等。其中，城市范畴上的污水深度处理与利用和再生水供应系统是关键，是我国水环境恢复的切入点[5]。
3 国外对水环境恢复的研究状况
19世纪后半叶，英国开始建立公共污水处理厂。当时污水被认为是有害的，应尽快处理、排除到城市下游。城市排水系统的功能是防止雨洪内涝、排除污水和以污水二级处理来保护城市公共水域水质，而城市供水则依靠大量开采传统地表地下淡水资源、增加供水量的方式来解决城市发展面临的水资源问题[6]。
然而到20世纪后期，虽然发达国家城市污水二级处理率达到较高水平，但水资源短缺与水环境退化问题仍日趋严重。如日本的东京都污水处理率达95%以上时，区域内河川水质虽有明显改善，但东京湾富营养化仍有增长趋势，赤潮时有发生，为解决日益严重的水危机，世界各国相继开展了污水深度处理与利用和水资源的可持续利用工作，开始综合考虑水资源和水污染问题，将污水纳入水资源的综合配置系统[7-9]。水资源综合管理（Integrated Water Resources Management）、面向可持续的水管理（sustainable water management）、需水管理（water demand management）等概念开始出现。与此同时美国提出水区（water shed）的概念。水区可以理解为“是由可划分的水系、排放系统以及接受水体所界定的地区或范围。”或“是将水资源、供水系统、排放系统和用户组成1个最优化的管理范围，1个城市可以分为几个水区，1个水区也可以涵盖几个城市。”[10]。而水区恢复（watershed restoration）的提法则表明美国在水领域的总体战略目标发生了调整，由单纯的水污染控制转变为全方位的水环境恢复，由单项技术研究转向综合治理策略研究[11]。
在水环境恢复的工作中，发达国家普遍意识到，只有在实践中充分重视社会、经济和政治以及媒体的力量形成共同的合力，控制工业废水排放和城市污水处理，才能促使水环境质量得到改善和维持[12-13]。可持续的城市水管理[14-15]、水资源综合规划与管理[16-18]等得到大量研究，并已获得广泛应用[19-22]。
4 我国在水环境恢复方面的工程实践
我国从建国初期就开始进行有关水问题的研究，对于节水工作开展较早，取得了显著成效[23]。对城市污水处理与利用的研究，早在1958年就被列入国家科研课题。
60-70年代，我国水污染防治重点放在工业废水污染的控制上，提出了“三同时”的方针，但处理率不过1%—2%[24]。此阶段科研工作重点主要停留在开发单元技术上。
80-90年代初，城市供水事业有了较大进展，但是水污染日趋严重，水资源短缺不断加剧，在缺水城市如大连、青岛、太原、北京、天津等相继开展了污水回用于工业与民用的试验研究。1992年，大连春柳污水厂进行技术改造后，建成了我国第1个污水深度处理回用示范工程[25]。
90年代中期之后，国务院开始了包括治理三河（淮河、海河、辽河）、三湖（滇池、太湖、巢湖）在内的绿色工程计划，但仍旧只注重城市污水的二级处理与排放，将排水系统功能仍定位在防止内涝、排除污水与减轻污染之上。
新世纪初，城市供水排水事业得到迅速发展，供水水质指标要求越来越高，污水再生利用逐步得到较广泛接受，我国的城市排水事业趋向于水污染控制与水资源的可持续利用。20世纪末，我国学者开始提及建立良好的水环境[26]，实施污水再生回用，从宏观和整体上考虑流域内水环境的恢复和水资源的可持续利用问题[27-28]。到目前为止，我国在水环境恢复方面已经完成一些工作。
4.1 制定水环境恢复的国家中长期科学和技术发展规划
2004年，以笔者为项目负责人，以《城市水系统健康循环研究》为课题将水环境恢复工作写入国家中长期科学和技术发展规划。在这个课题中，提出了我国水环境恢复的发展思路、战略目标以及战略重点和主要任务，并提出了相关的政策措施研究。此规划的出台意味着我国水环境恢复工作的全面展开。
4.2 完成深圳特区城市中水道系统规划
深圳是我国严重缺水的7座城市之一，2000年，深圳的污水处理率已经达到56%，但水环境的污染态势没有得到有效遏制，市区大部分大小河流水体论为劣Ⅴ类，丧失了基本使用功能。针对这种情况，在笔者倡议下，取得深圳市有关部门支持，在2000年开展了整体性的水资源循环利用工作。2001年，编写完成《深圳特区城市中水道系统规划》，规划建设以城市污水为水源的城市第2供水系统——城市再生水道，总规模49万m3/d，供水干管长度为130km[29]。按照规划，到2010年，每年可减少排入内河及周边海域BOD5约4500t，COD0约12050t。目前此项规划正在实施阶段，实现再生水回用后，将对深圳湾、大鹏湾的水域环境改善起到巨大作用。
4.3 完成大连市海水与城市污水资源战略研究
大连人均水资源量不足730m3/a，约为全国人均水平的1/3，属严重缺水城市。1992年，由笔者主持的大连春柳污水厂1万m3/d的深度处理示范工程投产运行。这是国内首座城市污水再生水厂，为城市污水再生利用树立了典范。尽管大连在再生水利用、提高工业用水循环利用率、海水利用等方面成绩显著，但至2002年，流经大连市区的各河流，如马兰河等，已属于Ⅴ类或劣Ⅴ类水体。
2003年，受大连市委托，笔者组织中国市政工程东北设计研究院、北京工业大学和哈尔滨工业大学完成了《大连市海水与城市污水资源战略研究》。此研究明确指出，应综合考虑大连市地表水、地下水、再生水和海水等资源，将水资源和水环境工作上升到全市范畴的水资源可持续利用。该研究规划2020年大连城市再生水道总规模达到70万m3/d，每年可补充2亿m3淡水，减少排河排海负荷CODCr25550t/a，规划的实施可极大地缓解大连市水资源紧张的局面。
4.4 北京市水环境恢复的工作
北京人均水资源量不足300m3/a，是严重缺水城市。目前，北京市整体水环境质量较差，一半多河流达不到相应水质标准，市区绝大部分河流富营养化严重，官厅水库水质论为Ⅳ类，早已失去水源功能。
针对上述情况，2001年中华人民共和国水利部联合编制了《21世纪初期首都水资源可持续利用规划》，按照节流、保护、治污和调水的思路对北京市水资源短缺提出相应措施。同年，北京市排水集团等单位也完成了《北京市城市污水厂再生水回用规划纲要》，目前这2个规划正在实施之中。
2004年以笔者为首的课题组完成了《水环境恢复工程理论研究》。该课题对水环境恢复在理论方面进行了详细全面的论述，并针对北京市具体情况提出了系统的水环境恢复方略。根据此项研究成果，北京市水环境的恢复必须依赖北京市城市水系统的健康循环，其中节制用水和城市再生水道将起到关键作用。
经过几十年发展的历程，我国经历了从点源治理到面源控制、从局部回用到整体规划的政策历程。但是，污水深度处理和再生回用还刚刚开始，江河湖海污染态势还没有得到遏制，还远远不能实现城市水系统的健康发展，水环境恢复的战略有待于进一步完备。
5 前景与展望
创造亲水空间，恢复良好水环境是我国建设小康社会、和谐社会的必然要求，是我国经济社会可持续发展的必然要求，是解决水资源短缺，控制水污染的必然要求，是建设循环经济的基础。水环境的恢复是一项庞大的复杂的系统工程，也是长期的任务，需要制度、法律、行政、管理、教育、宣传、技术、财政等多方面的配合。针对当前我国水环境具体情况，今后应重点开展以下工作：
1）制定水环境恢复相关的法律法规。水环境的恢复可能会给企业等带来直接利益，但更多的是其社会效益和环境效益，因此政府应该是水环境恢复工作的主要承担者。政府应组建水环境恢复的管理部门并通过必要的立法和行政手段贯彻实施水环境恢复的一系列策略。
2）开展相关教育工作，加强公众对水环境恢复的认识。水环境的恢复必须发动群众、依靠群众，单单依靠政府或企业是不能完成的。必须通过课本、电视、网络等多种媒体形式开展有针对性的宣传教育，让人们了解国内水环境劣化的现状和危害，增强对节约用水的认识，增加公众对再生水的了解，解除公众对再生水的心理障碍，取得社会对水环境恢复的共识和支持。
3）制定水环境恢复的规划。水环境恢复规划的制定是我国整体水环境恢复的前提和保障。应以流域为单位，制定全国的水环境恢复规划，充分考虑现有供水系统、排水系统和防洪系统的现状，综合考虑地下水、地表水、再生水、雨水、海水等水源，考虑流域内工农业的用水需求和用水结构、水环境质量现状等，制定水环境恢复的详细发展目标和发展思路。
4）开展水环境恢复关键技术研究。水环境恢复工程的实施最终依靠技术来完成，应尽快开展污水再生全流程技术、经济高效污水回用技术、雨水水文循环修复技术等研究工作。
5）建立小流域的水环境恢复示范工程。选择缺水地区的典型小流域，如北京、天津等，建立水环境恢复示范工程，进行实例研究。这样可以积累经验，为实现更大规模的水环境恢复提供借鉴。
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