水文大循环和城市水环境代谢

摘要：通过分析近代给排水系统的局限性，面对人口剧增、资源和能量消耗巨大的21世纪，阐述了对现代城市新型水环境代谢体系的基本构思，提出了在水文大循环的体系中对水环境按"保护"和"使用"进行功能分区、对水资源按"质"和"量"合理使用的新型系统构成。

关键词：水文大循环　城市　水环境代谢　给排水系统　地球环境时代

　　1　行将结束的近代

　　起始于16世纪的西欧时代，经过产业革命带来了人类大增殖的近代，而如今已因达到地球的容量限度而行将结束。支撑近代大发展的是近代科学技术，教育的发展带来了科学技术的普及。人们认识了自然现象和社会现象，并从中总结出规律，明确其因果关系，建立了学术体系，通过教育的普及，使近代的文明得以广泛传播。恰恰在这个时候，人们将人类活动的规模与地球的尺度进行对比，看到了近代文明在构成上的限度。地球环境制约的时代已经到来。

　　近代科学技术从总体上看比较单纯粗放，在高速、大量输送技术的支撑下，单样生产技术达到规模化和效率化，根据社会构成和消费经济的关系，按不同的目的进行空间的纵向分割，以发挥其机能与作用。近代生产活动的特征是以量(说穿了是金钱)来作为衡量成果的基准，以经济增长为主轴线，对各种价值都用单纯的量化(金钱化)指标来评价。因此，受过几年高等教育的人就能成为体系设计和运用的专家。近代历史上之所以能这样较单纯地进行社会分割，形成产业，建立教育体系，保持社会有效地发展，是因为地球上的环境和资源有富裕。然而，在世界人口膨胀到60亿的当今世纪，这种条件已不复存在。

　　我们要设法从这种困境中脱身，但面临的困难在于，所有可供使用的方法和对策都以近代科学技术为基础，而近代科学技术则是造成这种困境的原因。在这种情况下，必须对近代科学技术进行重组，通过对各种各样体系进行复合和融合，打破个别体系并列划分的界限，构筑综合化的新体系，寻求新的生活方式，以节省资源和空间的使用。对于这种新体系的评价，必须将近代体系的单纯量化指标变为能表征事物本质和创造价值的抽象指标。图1所示的城市、生产绿地、自然环境的特性和相互关系就表明了这种新体系的特征。为了人类的生存而保持良好的环境代谢，需要将城市、生产绿地、自然保护区这三个领域间以及各领域内的资源利用、循环和再利用结构进行重组，降低每一环节的熵增幅度，从而尽可能减少资源、空间和能量的消耗，降低环境负荷。

图1　城市-生产绿地-自然环境的特性和相互关系

　　2　近代给排水系统的局限性

　　近代给水系统以"充足、低价地供给清洁的水"为目标。为了保证清洁水的集中供应，必须获得充足的清洁原水，但这难免受到流域水文大循环中径流量的制约，不可能无限制地扩大供水量，这就是近代给水系统的限度。另一方面，使用过的水均作为污水，通过排水系统排放到城市的下游。污水排放前通过生物化学处理可使生化可降解有机物(BOD成分)去除9 5%，这是罗马时代以来逐步形成的城市排水系统。氧气在空气中的浓度可达21%，但它是难溶气体，溶解在水中的浓度充其量为10 mg/L。当水中存在有机物时，溶解氧会迅速消耗，对好氧性水栖生物造成危害。考虑到溶解氧是水质污染的首要指标，在除浊的同时，要用生化需氧量(BOD)作为河流水质控制的指标，这一基础概念在StreeterPhelps氧垂曲线理论提出之后得到了广泛应用。与此相应，以BOD为主要指标的污水生化处理方式以Eckenfelder- O'Connor公式为理论基础，污水处理和环境管理在理论上相互关联，形成了近代排水系统质量管理的基础理论体系。但是，这种近代排水系统不能有效地控制悬浊物和BOD以外的水质指标(见图2)。因此，通常的污水生化处理法难以满足所有水处理的需要，而主要用于开放水域的放流处理，以避免造成下游河道溶解氧缺乏。

图2　水质变换矩阵

　　另一方面，对于筑坝蓄水的河道，由于河水滞留时间长，通常的污水生化处理和河流自净作用不能有效去除的磷和氮等营养盐，会导致藻类的增殖，结果造成原水中存在异臭味或毒性物质，需要采用深度给水处理。化肥的使用也常常导致富营养化危害，为此，欧美国家只要在主要河流的下游以及穿过农业区域的河流下游筑坝蓄水，一般都要对进水进行除磷脱氮处理。未来的时代将重视削减环境负荷，富营养化的控制对于区域水环境代谢体系将必不可少。

　　现代城市排出的废弃物，或者说代谢物中，以水的形式排出的量最大。近代的给水系统通过集中供水系统供给各种用途的水，每人每天的用水量高达200～400 L，均为可供饮用的优质水。为了保证供水水质，这样大量的原水通常需从水文大循环的上游位置取用。即便在最低限的水资源开发(水源林保护、筑坝蓄水)条件下，以日本的平均径流量为基准，一个人所需的水源集水面积为300～500 m²。这样收集起来的水进一步净化后供给城市，使用后水质发生变化，全部变为BOD 200 mg/L左右的污水排到城市下游 。因为直接排放将造成流域水环境的破坏，通常需要通过BOD去除率为95%的生物化学处理(所谓的高级污水处理)使水质达到BOD 10 mg/L的程度后再行排放。如果要求城市下游河道的水质保持BOD 3 mg/L这样的良好水平(日本河流水环境质量标准B类)，排出的水则需要2～3倍流量的清洁河水加以稀释。该流量所对应的集水面积也为饮用水所需集水面积的2～3倍，即每人900～1 000 m²(见图3) 。当今日本几乎没有哪个城市能保证人均水源地面积达到这个水平，许多城市常常缺水，饮用水供应都成问题。从上述水源地面积的角度来说，城市最初出现的水荒问题并不是水量不足 (缺水)，而是河流水质恶化带来的危害(如欧美一些大流域所发生的情况那样)。日本的河流一般来说流程短，污水排放口*近海域，因而上述问题不太明显。

图3　每人所需的水源面积

　　弥补流域水资源不足的对策有两种：一是在上游大规模筑坝，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环的平均径流量，即所谓"径流的时间平均化"；二是将近邻利用率低的河流进行流域变更，把水输送到缺水的流域，即所谓"径流的空间平均化 (流域变更和长距离调水)"。尝试这两种对策已是近代给排水系统的极限，而且后者将导致流域下游污染负荷的高度集中，必须同时采用比常规污水处理法，即生物化学处理法更高级的处理设施，强化以富营养化对策为主的下游水环境管理(见图4)。

　图4　城市的扩大和相应的给排水系统

　　按照近代给排水系统的这种构造，随着流域内需水量的增大，仅从上游取水已难以满足需要，因此取水点必须向下游推移以扩大集水面积。日本横滨的相模川就是典型的例子。然而下游不仅存在BOD污染，各种合成有机物引起的微污染问题也日趋严重。农药的使用也影响下游给水的水质。日本的农业多是水田，农药会直接流入水体。随着农业生产条件的改善引入集中用水灌溉系统后，问题变得更加严重。

　　近代给排水系统的水处理流程实际上是效仿地球水文大循环中，在生态学、地球化学作用下自然发生的水质变换过程，通过集中施加电力等能源，达到比自然过程快得多的水质变换速度。在给水处理方面的代表性技术是19世纪初期出现的慢滤系统(包括自然沉淀和慢速砂滤)，以及20世纪初出现的快滤系统(包括混凝、沉淀、快速砂滤、氯消毒)，至今仍广泛用于给水处理；在污水处理方面的代表性技术则是19世纪末期到20世纪上半叶建立的散水过滤法和活性污泥法等好氧性微生物处理系统，利用河流自净作用的原理，使生物化学反应集中化、高速化，达到去除BOD的目的。

　　然而，到20世纪后期，人类已掌握了大量合成自然界本来不存在的各种有机化合物的化工技术。在通常的时空规模下这些有机物很难通过自然生态系统进行无机化或无害化，而在环境中积蓄，被生物摄取后产生致癌和致突变作用，而且阈值低到10^-12～10^-9量级，定量分析也非常困难。通常的情况下各种污染成分并存，微量多成分的分析和影响评价也很困难，因此必须在传统水处理流程的基础上增加去除微量成分的处理环节。此外，近年来内分泌干扰物质，即所谓"环境荷尔蒙"的健康影响问题也引起关注，这些物质浓度极低，且毒性尚不明确。诸如此类影响人体健康的微量有机化合物在多数情况下自然净化速度极慢，只能通过活性炭吸附、离子交换、臭氧处理或纳滤等附加深度处理方法从废水或饮用水原水中去除，水处理系统因此变得复杂化，且消费大量的能量，这是人们不愿看到的情况(图2)。

　　在缺水情况严重的岛屿和日本西部的城市，目前也开始尝试通过淡水化从无限的海水中获取淡水资源。1950年初美国就考虑到20世纪末将面临的淡水资源不足的问题，内务部设立了盐水淡化局，开展了大规模的研究工作。现在广泛采用的多段闪蒸法就是当时研究推广的结果，逐渐成为淡水化主流的反渗透法则是佛罗里达大学Reid教授1953年提出的方法。与常规水处理相比，淡水化所需的能量消耗要高出10多倍，达到7～10 kW·h/m³。这样的高能量消耗在地球环境时代是很难推崇的。尤其是对于能源几乎全*进口的日本，推行淡水化相当于进口水资源，从安全保障的角度上也很难接受。沿岸取水要避开微量污染很不容易，城市排水接纳水域的负荷增加也成为问题，因此，除岛屿这样远离陆地的情况外，推行淡水化是不适宜的。城市应考虑推行污水处理水的再利用，以降低能量消耗，同时减轻下游的污染负荷。