城市给水和污水系统的历史、现状和未来

Hermann H. Hahn¹，宋永会²
（1. 德国卡尔斯鲁厄大学水环境工程研究所，德国 卡尔斯鲁厄 D-76128；2. 中国环境科学研究院，北京 100012）

　　摘要：本文回顾了城市水系统及其管理思想的发展历史，分析了传统的集中式城市水系统的缺点和局限性：城市水环境以及水文循环的破坏、污水处理的困难、巨大的资金需求和建设周期的漫长；指出了现代和未来城市水系统管理所面临的挑战和发展机遇：干旱和极端降水、城市化加剧、技术的进步和组织管理上的需求；阐述了未来城市水系统管理的思想，即必须用整体论的思想作指导，实行节约用水，进行全球性的资金、技术和经验的共享。
　　关键词：城市水管理；污水系统；集中式系统；整体论；节水；共享

Urban Water and Wastewater Systems - Yesterday, Today and Tomorrow Hermann H. Hahn¹, Yonghui Song²
(¹Institute of Aquatic Environmental Engineering, University of Karlsruhe, 76131 Karlsruhe, Germany; ²Chinese Academy of Environmental Sciences, 100012 Beijing, China)

Abstract: The historical development of urban water systems and their management concepts are reviewed, and the disadvantages and limits of the traditional centralized urban water systems are analyzed, which include the destroying of the urban water environment and the water cycle, the difficulties in wastewater treatment, the great financial demands and the long time of construction. The challenges and opportunities of the managements of urban water systems are pointed out, including the more frequent drought and extreme precipitation, the intensification of urbanization and the demands of progress of technologies and organization. The concept for the management of tomorrow’s urban water systems is expounded: the concept of viewing the management of urban water systems as a whole should be taken as the guidance, water saving must be practiced, the global finance, technologies and experiences in the field should be shared.
Keywords: Urban water management; Wastewater system; Centralized system; Viewing the situation as a whole; Water saving; Sharing

1 引言

　　城市水管理是一项由来已久的任务，许许多多的历史证据显示，在所有的文明中都有如何实现供水，如何安全卫生地实现居民区雨水、固体和液体废弃物排除的成功措施。但是，过去的工业革命和当今的社会巨变，导致了不可预测的城市化速度，使得我们不能再用传统的措施解决问题。即使是西方国家从第一波工业化浪潮以来发展形成的思想，也不足以应付今天的问题；尽管这些思想曾经帮助一些水环境的质量恢复到了尚可接受的程度，但似乎也不再是在未来有希望的思想。
　　高度城市化所造成的问题在世界上许多地方是显而易见的，这些问题严重阻碍了健康的社会和社会结构的发展，特别是在工业化和城市化速度超出了社会财政和组织能力的地区更是如此。联合国机构的统计报告显示^[1]，世界上许多人没有卫生的水供应和卫生设备；报告还显示了这种缺乏城市基础设施的悲哀后果：疾病、传染病和高死亡率，特别是儿童的高死亡率。世界领袖们的千年宣言^[2]，以及部分地在约翰内斯堡峰会^[3]和京都会议^[4]上的论述对这种欠发达问题作出了回应，设定了发展目标，以求发展新的思想，展开新的行动，采取新的措施。
　　本文简要讨论城市水系统的管理，目的是对过去和现有思想的局限性进行探索，进而研究基于新技术条件下解决未来（应该说“已经开始的”未来）问题的新思想。

2 “历史上的”挑战¾解决早期城市化问题所形成的思想

　　19和20世纪，随着人口密度的增大，许多城市面临着几乎不可能完成的任务，那就是通过巨大并持续增长的集中式系统，一直不断地提供大量安全的饮用水。这种给水任务包括其实并不需要如此高质量水的用途，例如用于运输居室废物的用水。使用这种散漫的给水系统的后果就是必须再收集所有用过的水¾多数是和城市雨水一起收集，这导致了另一个巨大的基础设施系统，即污水排放系统的建立。迄今，这种非常集中的城市水管理思想已经有100多年的历史了，人们可以说，这种直接供水然后再加以收集的任务是能够完成的、可以控制的。
　　但是，这种方式对城市及其更广泛地区水环境的影响是灾难性的：干净水的汲取和废水的再注入导致了严重的水体污染，从而明显削弱了当地水的自然循环。因此，很快就发现，要实现集中式给水和污水收集，必须对原水进行强化处理以获得饮用水，而在污水排放到自然系统之前也必须进行处理。
　　给水输送和废水收集的支出是巨大的，给水净化和污水处理也需要巨大的资金支持。比较可以发现，仅仅是运输支出，即给水输送和污水收集的消费也远远超过水质净化的支出。如果用这种建设集中式基础设施的思想解决问题，首先的问题便是设计和建设这种巨大网络系统所需要的时间是很长的，阻碍了给水和污水处理任务的迅速完成。

图1 传统的重力驱动污水系统的历史发展：最初起源于运输生活污水到原来是天然水体的城市水体；后来系统被扩展延伸，加入了工业废水的运输；然后这些污水和废水在充分混合的情况下被运输到污水处理厂，经过那里被排放到天然水体中

Figure 1 Historical development of classical gravity driven sewer system, frequently originating with the inclusion of domestic wastewater into originally natural bodies of urban waters, then enlarged or extended with the addition of industrial wastewaters, all being transported in a completely mixed form to a wastewater treatment unit from where this is discharged into natural bodies of water

　　图1所描绘的是历史上城市污水系统管理的措施。在19世纪后期直到20世纪，这些措施对减轻工业化和城市化带来的问题发挥了重要作用。但是必须注意，采取这些措施的前提条件是，必须有足够的时间和足够的财政支持来建设这些基础设施系统。
　　这种思想带来的明显问题是，系统被扩展或曰滥用，进行生活污水（多数是来自天然的可生物降解的物质）之外的其它物质，例如含有通常有害的人造工业废弃物的收集和去除。这种系统的缺憾或曰失败之处也在于此，源于城市雨水径流和生活污水的各种污水流在系统内混合，来自工业源的优先控制污染物也被包含其中，极大地增加了处理难度。

3 过去缺点的改正¾改变了的和现代化的污水系统

　　多年以来的经验表明，集中式水系统的一些严重的缺点可以归纳如下：
　　（1）　 在大的居民区内，更多的在城市、大城市和超大城市的周边，水文循环和城市水源受到严重的破坏。
　　（2）　 永无止境增长的复杂城市系统使得对污水收集系统容量的要求不断增加（对给水系统容量的要求也在不断增加¾切记：与之平行的给水和污水基础设施的建设和管理同样必须不断增加，并且它们在许多方面相互影响。），多数或主要是由于不能渗透的排水面积的增加而导致的城市暴雨径流量的增加。
　　（3）　 由于所有废物成分在一个单一的系统中收集、混合和运输，使得污水处理和对污水中一些组分的回用变得极其困难。
　　这导致了污水收集基础设施系统的变化¾无疑也包括给水管网系统的变化，如图2所示。

图2 为补偿现存系统缺陷的改进，包括：（1）通过渗滤将城市降水重新引入到地下水中；（2）用雨水部分地代替生活和工业供水；（3）工业内部水处理和循环。但也应注意由于城市地下水的富集所造成的对破损的污水系统的渗漏

Figure 2 Modification of existing system to compensate for the recognized shortcomings includes (1) re-introduction of urban rainfall into the groundwater through infiltration, (2) the substitution of domestic and industrial water supply in part by using precipitation and (3) the internal water treatment and recycling in industry. It is also indicated that there might be an adverse effect of such enrichment of urban groundwater resources in terms of increased seepage into faulty sewer systems

　　这种对已有城市基础设施的改进，不应看成是一次性的行动，而应当是一种持续不断的过程。这一过程在强度和方向上会改变，一方面取决于技术进步，另一方面取决于财政和/或组织以及法律上的约束。

4 城市水管理变化的边界条件

　　无论何时何地人们总是期待变化，然而决定城市水系统的边界条件和施加在这些系统上需求增加的变化似乎在超乎寻常地向相反的方向挣扎。比起其它领域，它们对城市基础设施的需求更多,面临的挑战主要有以下的三个方面：
　　（1）　 极端的降雨事件和干旱的周期。近年来，由于全球气候变化所带来的极端降雨和干旱问题正变得日益严重。极端的降雨事件造成了污水收集和运输的问题，而干旱造成了供水缺乏问题。
　　（2）　 为了不断增长的世界人口提高日常生活对水质和水量的需要¾特别是日益增长的城市人口[5]（见图3）带来的居民生活、工业和农业用水需求的增加对水圈造成的压力。大城市的增长已经超出了它们的“自然”边界，而在给水和卫生管理方面尚无令人满意思想准备的超大城市已经诞生。未来的主要任务之一是，从现有的城市增长和供需关系的角度发展居住区规模优化的策略。
　　（3）　 与挑战性需求同步的技术和管理的发展。例如设想利用新的技术选择，建立水循环几乎封闭的居住区，或者设想出现提供给水和卫生服务财力的私营企业。

图3 城市人口的持续增长：发达工业化国家如德国，其城市人口所占总人口比例仍在增加；发展中国家如中国，到2015年其城市人口所占比例将接近世界平均水平

Figure 1 The growth of the urban population: in developed industrialized countries like Germany the ratio of the urban population is still increasing, and in developing countries like China the urban population ratio will reach the world average level in 2015

　　迄今，已有令人信服的技术发展，例如在水和污水运输领域，不用重力驱动，而是用真空系统或压力水管的（污）水系统；还有许多水处理新技术出现，例如改进的实用型膜工艺和高级氧化工艺。这说明未来给水和污水处理厂技术选择的多重性，这些技术发展对所有现存的和将要建造的设施均具有重要意义。
　　另外，操作技术的日益提高，将会提高现有和新建处理厂的运行效率。我们将见证在营养元素强化去除、不完全消毒方式的建立或优先污染物控制水平提高方面设施的变化。因为这些新的发展，我们也能够用分散式处理单元代替大型集中处理设施。相应地，在居民区或工业上，封闭的水循环可能建立起来。
　　为了改变现在的不利局面，工程师们更容易看到技术方面的选择和发展，但是人们也越来越多地看到基于法律框架、组织、财政和操作等其它方面的需求和发展的潜力。表1试图展示，在所有的领域都有所发展，非技术选择看起来至少与技术选择同样数不胜数。

表1 在市政水系统管理方面，技术的、社会的和组织管理的状况及发展趋势

Table 1 Sociological, administrative and organisatorial conditions to be observed by the management of municipal water systems

技术的 社会的 管理的

· 内容复杂性的增长

· 运输危险性的增加

· 处理过程的小型化

· 自动化和控制的提高

· 城市化的加剧

· 期望值和需求的提高

· 为了更舒适的消费增加

· 分散式和人性化操作的需要

· 专门化和无名化对私人参与的阻碍

· 保证公共福利的必要性

· 市政面临多重任务但缺少资金

· 公共/私人参与在其它领域的成功例证

· 吸引私人资金的需要

· 工业管理专门知识的利用

5 未来该做什么

　　历史学家告诉我们：分析过去就能知道未来，了解过去的发展成就和失误，就能找到解决未来问题的办法¾确认我们过去的成绩和问题，经过演绎外推，我们就能得到以下的三条“规则”：
　　（1）　 需要一种“整体论”的思想路线解决给水和卫生管理方面的所有问题。
　　（2）　 用水原则必须用“节约”的原则来支配。
　　（3）　 必须“共享”资金、技术和操作经验。
　　让我们来具体看一下这些规则的内涵。首要地，将城市水系统管理作为一个整体来处理。这意味着从组织上、建设上或操作上不再把给水和污水收集分开，我们要学会将这些任务象图4描绘的那样按照完全质量平衡的原理进行处理。图中显示，有各种水流和许多不同的物质流进入市政规划区域，而所有的这些物质必须离开这个封闭的空间。
　　这意味着我们不能再沿用先前关于给水和卫生管理分离的措施和对策。我们不得不分析和优化总体的市政水循环，就象“欧洲水框架指导”^[6]所要求的那样。此外，也不能再沿用以前根据给水需求来支配水管理以及为保护人类需求为优先的思想。就象从德国水法（WHG¾Wasserhaushaltsgesetz）自1976年以来的第四次修订的变化一样^[7]，保护整个的水生态系统才是面向未来的整体水管理的正确道路，德国关于不同层次水环境，如对养鱼、娱乐、生活给水等的定义，进一步显示了这一思想本质。

图4 城市区域总体物质流分析和平衡：无数水流和其它物质流或者以循环的方式被利用，或者离开城市，亦即被排放掉

Figure 4 Overall mass flow analyses and balances in an urban region, pointing to the fact that there are numerous influxes of water and other matter that can either be used in cyclic fashion or must leave the city, i.e. be discharged

　　第二条规则，尽可能地节约用水，即使在没有直接缺水问题的区域也要节约用水，尽管并非人人都这么认为。遵循这一规则有许多方面。正如我们讨论的那样，居民用水需求通常更多的是一个基础设施的问题，而不是可用水总量的问题。在这种情况下，我们更应当考虑节省运输，通过技术进步，利用可行的分散式供水和卫生设施来避免昂贵的管网运输。工业水管理证明了这种捷径式或封闭式水循环的可能性和界限。另一方面，未来农业用水更有可能极大地增加，因此在这样的区域，不仅有极大的节水需求，而且有极大的节水潜力。需要发展这样一种农业生产计划：我们不用吃“冬天的草莓”而活着，亦即不要在最缺水的地区生产、出口和运输这样的产品到无论是水资源还是财力都很奢华的地区去。
　　因此，未来城市水管理的目标，节约用水将通过以下途径实现：
　　（1）　 不在水资源分布不均衡的地区间进行用水量巨大的农产品的进出口。
　　（2）　 降低污水收集和运输的财政和其它的努力，特别是在水资源缺乏而又缺少城市基础设施建设的地区。
　　今天有许许多多的选择来实现上述的策略，一系列的可能如图5所示，主要的措施有两个：
　　（1）　 水组分的下级循环和传统的小处理厂（图中左部分）。
　　（2）　 所有物质流的分开收集和建立扩展的封闭循环（图中右部分）。
　　当然，在居民区和城市水管理中，在“走向更封闭的水循环”上可以有各种变化和组合。

图5 在居民区和城市水管理中走向封闭的水循环已经有各种可能的途径，如图所示有两种选择：（1）利用其它水源（如降雨）而减少管道控制水的输入和输出；（2）水的回用和建立近乎封闭的水循环用于饮用水之外的目的。用现有的技术都能实现这两种方式

Figure 5 Moving towards a closed water cycle in domestic or urban water management has become possible in various ways, illustrated in this figure by two options: (1) minimizing pipe controlled water input and export by using additional sources (for instance precipitation) and (2) water re-use and establishing nearly closed water cycles for use beyond the drinking water use. Both types of solutions are made possible today by existing technology

　　第三条规则，进行水管理资金、技术和操作经验的国际“共享”。从全球来看，健康安全用水的缺乏是巨大的，解决这一问题取决于道德的和经济的考量，这已经形成国际共识。为了实现这一切，特别是在开发他们所有的资源来试图满足人口增长需求的国家和地区中，需要共享资金、技术和操作经验。许多“水管理有问题的地区”缺乏资金、技术和操作经验，但是这些资源可以从其它地区获得。此外，许多国家的经验表明，即使在用水力度很强的情况下，也能保护好水环境和与之密切相关的人类健康。
　　表2列举了城市水管理的共享伙伴及其需求定向。对主要角色及其特点的列举，证明了在定向上的不同和以不同的方式因应这种需求的可能性。这种共享能够而且必须在不同的区域和国家间发生。这方面的共享可以有很多途径。在城市水管理方面，共享各种资源的可能性和应对挑战的一个例子是辨别、确认这一领域的所有角色，他们是：（1）水的用户，也是污水生产者；（2）保护水资源的当局；（3）设计、建设和操作机构。全球化城市水管理的最贴切意义是，这里的角色不必特指来自某一国家、地区或组织。

表2 在城市水管理方面的共享伙伴及其需求定向
Table 2 Sharing partners in urban water management and their demands orientation

水用户 管理部门 规划、建筑和操作机构

消费者和生产者希望和需要资讯：

· 无限制可用的成本（可能的削减）

· 当前可用的技术标准

· 质量和安全需要

· 无限制供应和卫生的益处

市政和国家需要资讯和关心：

· 对所有的消费者均等的机会

· 现在和未来消费者的需求

· 沿岸上游和下游的利益冲突

· 管理决策的卫生学后果

规划、建筑和操作工程师保证：

· 技术可行性和适用性

· 成本的回收和资金

· 明显可确定的收益

· 操作者开发和使用

· 新的技术、组织和资金选择

6 结语

　　本文简要讨论的目的是揭示我们如何能够和必须从过去城市水管理的经验和教训中学习。面向未来的城市水管理思想，可以定义为三条规则或曰指南，其中首要的是，要用整体论的思想解决城市给水和排水问题，这也是其它规则的指南。
　　有许多关于“水的战争”的公开讨论，因它们是可以预见的。这种表述无疑显示了问题的严重程度。已经有诸如造成许多牺牲品的“无声战争”：象世界卫生组织统计的那样，许多人、年轻人死于供水不足和不健康废物、废水收集的危害。作为结论，我们应该意识到，城市水管理是当代最具挑战性的任务之一，也是最具回报的任务之一。我们可以征服月球，但是我们还没有管理好我们的后花园，使之达到应有的状态。
　　在讨论未来城市水管理的措施时，我们不能忽略的另一点是：卫生学的挑战。如今，这一问题再次出现了。历史告诉我们，给水和污水间的短路会导致传染病。我们已经看到了集中给水和排水系统的功效，但我们没有时间和资金来将这种传统的措施应用到其它地区去。因此，有必要重新评估收集、混合所有的废物，然后基于分离的目的处理它们的思想和方式。但是在思考分散系统的时候，我们必须记取过去的教训：卫生健康不是自然而然的质量保证，必须不断地为其付出努力。

参考文献：

[1] The UN Millennium Project. Fast Facts: The Faces of Poverty. New York: United Nations, 2005
[2] United Nations. United Nations Millennium Declaration. New York: UN Department of Public Information, 2000
[3] United Nations. Report of the World Summit on Sustainable Development. New York: United Nations, 2002
[4] Michel D. Climate Policy for the 21st Century: Meeting the Long-term Challenge of Global Warming. Washington D C: Center for Transatlantic Relations, 2003
[5] United Nations. World Urbanization Prospects: The 2003 Revision. New York: UN Department of Economic and Social Affairs, Population Division, 2004
[6] Mostert E. European Water Framework Directive and River Catchment Management. Oxford: Pergamon Press, 2003
[7] Hofmann F. Wasserhaushaltsgesetz: Textausgabe mit Erläuterungen und Ausführungsvorschriften. Berlin: Erich Schmidt Verlag, 1999