雖然中國首都北京在經(jīng)濟上已經(jīng)取得了巨大成就，但是，這座超大城市依然被有限的水資源所困，在很大程度上仍是限制今后經(jīng)濟增長的瓶頸。郝曉地對這個城市水資源的現(xiàn)狀以及未來進行評價和展望。
北京乃目前中國對GDP（國內(nèi)生產(chǎn)總值）貢獻最大的地區(qū)。但就水資源而言，北京卻是世界上最匱乏的地區(qū)之一。北京目前常住人口已突破2 000萬，而人均水資源量卻少于100 m3/人，所以，水資源已經(jīng)嚴(yán)重制約了北京的經(jīng)濟發(fā)展。未來，北京的經(jīng)濟命運將在很大程度上取決于可獲得的水資源是否能夠滿足日常生活和經(jīng)濟發(fā)展。因此，北京眼下最重要的是需要重塑以用水為中心的城市，城市的基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)及時升級改造，以使水的利用和獲得更具可持續(xù)性特點。
北京，一座處處需要水的超大城市。
經(jīng)濟數(shù)據(jù)（圖1）顯示了2011年北京的GDP增長是一個何等令人震驚的數(shù)字（12 447美元/人），這近乎已經(jīng)達(dá)到了世界上最裕的國家水平，而且，北京仍具有保持其經(jīng)濟繼續(xù)增長上的勢頭。然而，為了讓這樣的經(jīng)濟增長成為現(xiàn)實，北京需要解決許多問題，其中，首當(dāng)其沖的就是水。北京目前已經(jīng)成為世界級超大城市，其常住人口在2011年已攀升至2 000萬。可惜的是，為了維持?jǐn)?shù)字如此巨大的人口生存，北京人均水資源量僅為100 m3/人，是中國平均值的1/24和世界平均水平的1/90。因此，“旱城（韓國首都之前名字——‘漢城’的諧音）”這個綽號冠與目前的北京最為形象！
北京全市總面積為16 800 km2（其中，10 400 km2為山地，僅6 400 km2才是平原）；北京地處半溫帶和半干旱地區(qū)，同時又受溫和的季風(fēng)氣候影響。北京年平均溫度為11-14 ℃（1月最冷：平均-4.6℃；7月最熱：平均25.8 ℃），年均降雨量585 mm（雨季出現(xiàn)在6-9月間，集中了85%的年均降雨量）；陸地與水面年均蒸發(fā)量分別為467 mm和947mm。水的消耗和產(chǎn)生（圖2）揭示，雖然北京年用水量正在逐年減少，但水的產(chǎn)生遠(yuǎn)滯后于對它的消耗，例如，2009年總用水量為36億m3（地下水占62%，地表水占20%，循環(huán)水占18%），而總產(chǎn)水量僅為22億m3，這就導(dǎo)致14億m3的水赤字。這一赤字一般靠兩種途徑來尋求平衡：或者通過行政命令引鄰居之水，或者超采地下水。由于過度開采，地下水位近12年以1.1 m/年的速度已從-11.9 m降至-24.9m。
早先一個生態(tài)支撐北京的用水平衡計算表明，北京到2020年勉強可支撐1 800萬人口的用水需求。然而，這一數(shù)字出乎意料地已被2011年激增至2 000萬的人口所改變。作為中國的首都城市，北京的政治地位毋庸置疑，它的經(jīng)濟發(fā)展速度也沒有顯現(xiàn)出任何減緩的趨勢，水之地位必將成為北京未來經(jīng)濟發(fā)展的重中之重。作為對策，北京市政府已經(jīng)采取了一些必要的手段來試圖緩解如此嚴(yán)重的缺水現(xiàn)狀。此外，時刻強調(diào)節(jié)水與雨水收集、水循環(huán)、遠(yuǎn)距離調(diào)水計劃也相繼實施；海水淡化作為一種潛在替補方案也正在被政府考量和評估之中。
圖1：北京GDP增長趨勢（1美元=6.4元人民幣）。
節(jié)水與定額
北京的用水組成大致集中于3個方面：生活用水（即，家庭、公共服務(wù)和維持生態(tài)系統(tǒng)）、農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水。所收集的這三方面用水?dāng)?shù)據(jù)（圖2）顯示，農(nóng)業(yè)用水量已經(jīng)下降，從1999年的19億m3降至2010年的12億m3，降幅37%。工業(yè)用水同樣下降，2010年已降至5.2億m3（1999年為11億m3，降幅51%）。然而，生活用水量卻在增加，2010年已達(dá)19億m3（1999年為13億m3，增幅33%），顯然，這歸咎于常住人口的持續(xù)增加。在過去的12年間，生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水量平均所占比例分別為總用水量的40%、38.8%、20.1%。
在三種用水目的中，生活用水所占比例最大，其次是農(nóng)業(yè)用水。中國人的節(jié)儉習(xí)慣已幫助他們節(jié)省了很多的水；北京居民用水量標(biāo)準(zhǔn)是85-140 L/人×日，較美國（300-375 L/人×日）和歐洲（135-200 L/人×日）標(biāo)準(zhǔn)而言，已是非常之低；每月10 m3用水在北京已經(jīng)足夠支撐一個三口之家的用水量。現(xiàn)在，85%（到2015年將升至95%）的家庭和公共服業(yè)均已安裝了節(jié)水器具。況且，一個針對公共服務(wù)業(yè)較為嚴(yán)格的用水定額在1998年便已出臺；2006年，針對辦公室、賓館、學(xué)校和醫(yī)院等公共場所的用水定額也已獲北京人民代表大會通過。這些節(jié)水措施已幾近完善，很難從生活用水中再發(fā)掘出太大節(jié)水潛力。因此，任何有效的其它節(jié)水措施不得不在其它方面尋找。
農(nóng)業(yè)用水中下降35%歸因于3種途徑：退耕還林、旱作農(nóng)業(yè)及安裝節(jié)水設(shè)備。過去12年間，70 000公頃的農(nóng)田已退耕還林。水稻種植已被完全禁止；小麥種植已由原來的166 667公頃降至目前的33 000公頃；靠雨水澆灌的玉米種植至已從2009年擴增至目前的56 667公頃。進言之，85%的農(nóng)田已安裝了節(jié)水澆灌器具，如，滴灌和微灌。這些舉措已使每公頃農(nóng)田平均用水量降至2 640 m3/公頃，水的利用系數(shù)增至0.68（原為0.55）。與此同時，農(nóng)業(yè)凈產(chǎn)值已從2001年的93億人民幣（15億美元）增至2008年的113億人民幣（18億美元）。農(nóng)業(yè)上的節(jié)水空間未來仍具可能，可以通過潛在的中水灌溉來實現(xiàn)。
圖2：1999-2010年間北京水的使用與產(chǎn)生。
工業(yè)節(jié)水已通過工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整得以實現(xiàn)。水定額制度已在工業(yè)部門完全推開，任何高耗水的工業(yè)都完全被禁止。每萬元（1 585美元）工業(yè)產(chǎn)值耗水量已減少到2008年的33.5 m3（2001年為137 m3），這是全國平均值的1/7，貢獻299元人民幣（47.4美元）GDP/ m3（2001年為82元人民幣（13美元）GDP/ m3）。現(xiàn)在的北京工業(yè)用水循環(huán)率已經(jīng)達(dá)到93%，工業(yè)用水的零增長在今后將會繼續(xù)維持。這就是說，在2008年所形成的5.2 億m3工業(yè)用水量將會永久維持下去。然而，如果繼續(xù)保持每年10%的經(jīng)濟增長率，每萬元工業(yè)產(chǎn)值（GDP）耗水量到2015年將會進一步被降低至12.7 m3。因此，僅在微觀尺度存在工業(yè)節(jié)水的可能性。
雨水收集
理論上說，雨水收集、利用是一種很好的彌補用水赤字的辦法；在市區(qū)內(nèi)（四環(huán)以內(nèi)：300 km2；五環(huán)以內(nèi)：750 km2）每年可以收集2.3億m3的雨水 ，這相當(dāng)于該區(qū)域總用水量20~25%（市區(qū)總用水量為10 億m3/年）。雨水收集可以同徑流污染控制和洪澇控制相結(jié)合，因此，可以被發(fā)展為多用途技術(shù)。正因如此，基于雨水收集、徑流污染控制和洪澇控制的研發(fā)項目在北京發(fā)展迅速，相應(yīng)扶持政策也已由政府發(fā)布。
到2009年底，北京已安裝了約1 200個雨水收集、徑流污染控制和洪澇控制設(shè)施，現(xiàn)在，每年有0.5億m3的雨水可被用來灌溉、滲透、補充水景、洗車和清潔道路、沖廁等。然而，雨水的處理和貯存將是一個需要考慮的問題。所以，雨水直接被用于洗車和沖廁是不太可靠的事情。雨水在利用之前需要適當(dāng)?shù)奶幚恚倚枰A(yù)先設(shè)置較大的貯存空間。正因如此，雨水被用來灌溉、滲透和補充水景不失為一種最佳的選擇。到2015年北京將會有93個大型貯水設(shè)施埋設(shè)于地下，用于雨水收集和和洪澇控制。
水回用
北京的供水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)很高。目前北京擁有22座自來水處理廠，在6個主要城區(qū)日供水能力已達(dá)310萬m3/日，總服務(wù)面積1 000 km2、服務(wù)人口1 200萬。到2015年，北京日供水量將達(dá)到460萬m3/日。
與給水系統(tǒng)相對應(yīng)的污水收集、污水管網(wǎng)、污水處理廠目前已具有380萬m3/日的處理能力。在2010年，6.8億m3/年處理后的中水已被再利用，占總供水量的18%（2008年僅占8%）。到2015年，6個主要城區(qū)的所有22個污水處理廠將被升級改造為可生產(chǎn)中水的處理廠。另外，還將興建30座新的污水處理廠，屆時將總共處理并循環(huán)使用10億m3/年的中水，將之用作補充水體景觀（4.2億m3/年）、農(nóng)業(yè)灌溉（3.5億m3/年）、工業(yè)循環(huán)水（1.6億m3/年）和市政用水（0.7億m3/年），形成1/3的城市總供水能力。
南水北調(diào)工程
盡管存在上述多種節(jié)水措施和途徑，但北京仍處于嚴(yán)重缺水狀態(tài)。因此，從北京之外引水進京勢在必行。一個經(jīng)歷了幾乎半個世紀(jì)討論與評估的浩大工程——南水北調(diào)在已在2003年開始動工，預(yù)計到2014年將全面竣工。這一從位于漢江（長江支流）上的丹江口水庫一直延伸至北京的調(diào)水工程，管線總長度設(shè)計為1 277 km（圖3）。但是，即使到了2014年，南水北調(diào)總共95億m3/年的輸水量可分配給北京的也僅為10億m3/年，這只相當(dāng)于北京每年過度開采的地下水量。
圖3：南水北調(diào)路線圖
再者，有關(guān)南水北調(diào)的費用和安全性方面，不同的聲音也悄然而至。粗略估計，南水北調(diào)的輸水價格至少6元人民幣（1美元）/m3以上，已超過現(xiàn)在北京市居民用水價格4元人民幣（1美元）/m3。當(dāng)南水北調(diào)之水進入沿途5個省、市時，很難避免復(fù)雜的地質(zhì)條件、自然災(zāi)害和水污染問題（包括供水源頭出現(xiàn)干旱現(xiàn)象、沿途洪澇災(zāi)害等問題）。因此，可以預(yù)料，這些因素將威脅供水安全。
海水淡化
海水淡化作為南水北調(diào)的備選方案目前已被建議和討論了很多年。近年，存在兩種因素加速了對這一方案的廣泛興趣：一是南水北調(diào)的高額輸水費用，最終會導(dǎo)致居民用水價格上升至10元人民幣（1.6美元）/m3；再就是，在北京附近已建成一座海水淡化處理廠。這個海水淡化廠目前的處理成本在6元人民幣（1美元）/m3，日產(chǎn)水量5萬m3/日。目前，這個淡化廠已經(jīng)開始為北京以東230 km處的曹妃甸首鋼新廠供水。一個更大規(guī)模的海水淡化廠在不久的將來將會在曹妃甸興建，到那時，處理成本將會降至5元人民幣（0.8美元）/m3，下降幅度達(dá)20%。即使加上230 km鋪設(shè)管道向北京輸水的成本，淡化后的水被輸送至北京，其價格也不過6元人民幣（1美元）/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于南水北調(diào)所導(dǎo)致的10元人民幣（1.6美元）/m3用水價格。
如果海水淡化可以與風(fēng)能利用和和鹽業(yè)化工有機結(jié)合（圖4），那么這將對環(huán)境的綜合影響不言而喻。沿海地區(qū)存在著潛在的風(fēng)能，而且海水淡化后形成的濃縮液可以用作海鹽生產(chǎn)的濃縮原液，以增加曬鹽的生產(chǎn)效率。總之，這個被建議的海水淡化工藝是一個三位一體的零污染排放生態(tài)工藝。
圖4：建議中的與風(fēng)能發(fā)電和鹽業(yè)化工三位一體的海水淡化方案。
總結(jié)
如今北京的GDP水平已經(jīng)趨于其他富裕國家。北京定會繼續(xù)保持它的經(jīng)濟增長勢頭，而且為實現(xiàn)變成世界城市目標(biāo)已制定了更為長遠(yuǎn)的計劃。然而，北京的經(jīng)濟瓶頸在于水的供應(yīng)和它的高效管理之上。數(shù)據(jù)和分析顯示，為了維系可持續(xù)市政供水存在兩種主要的途徑：減少內(nèi)部消耗以及從外部引水進京。
節(jié)約用水是一個永恒的話題。雖然工業(yè)節(jié)水在微觀方面還存在潛力，但就宏觀而言，節(jié)水也只能寄希望于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因為工業(yè)用水總量已基本固定，而日常居民用水因居民業(yè)已形成的節(jié)儉習(xí)慣已不大可能再有節(jié)水余地。因此，污水處理后灌溉農(nóng)田將是唯一的潛在節(jié)水方式。與水的赤字相比，雨水利用只不過是節(jié)水環(huán)節(jié)一個很小的實踐范例。南水北調(diào)將會以高昂的代價為北京注入有限之水。從長計議，海水淡化將逐漸成為北京可持續(xù)的可靠水資源。
致謝
本文是在北京市教委人才強教——高層次人才計劃（PHR20100508）支持下完成的。文章撰寫于美國奧本（Auburn）大學(xué)Samuel Ginn工程學(xué)院（P-1-01678）。
關(guān)于作者
郝曉地，中國北京建筑工程學(xué)院教授；擔(dān)任國際水協(xié)（IWA）著名學(xué)術(shù)期刊——《Water Research》區(qū)域主編（Editor）。
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