基于ET約束下的城市廢污水再生利用研究
1前言
海河流域是我國政治文化中心和經濟最發達地區之一，也是我國水資源十分缺乏的地區，流域內人均水資源量僅293m3，不足全國平均水平的1/7和世界平均水平的1/24，遠遠低于國際公認的人均1000m3水資源緊缺標準。隨著流域經濟社會的高速發展，水資源供需矛盾加劇和過度開發，導致了河流干涸斷流，地面不斷沉降，水體污染嚴重，濕地面積萎縮，河口生態退化等一系列生態環境問題。
城市廢污水具有不受氣候的影響，水量穩定可靠，保證率高等優點，可以回用于城市景觀用水、綠化用水、沖刷街道、工業用水和郊區農業灌溉等對水質要求不高行業，自上世紀80年代以來流域內一些城市相繼建設了污水處理與回用工程，城市污水被作為了第二水源進行開發利用。
城市廢污水再生利用對于緩解一個城市或地區水資源緊張狀況和促進水環境的改善起到了積極的作用。然而，由于缺乏統一的廢污水再生利用規劃，城市廢污水再生利用卻進一步打破了流域水資源的自然循環，加大了水資源開發利用程度，使得上下游之間的水資源的紛爭更加嚴重，流域水資源的緊張狀況加劇，下游地區因資源性缺水引發的生態環境惡化愈演愈烈。如何確定合理的城市廢污水的再生利用量成為海河流域一個迫切需要解決的問題。
1.1 ET控制與污水再生利用
1.1.1 ET的定義
ET是蒸散發量英文Evapotranspiration的縮寫，是蒸發和蒸騰量的總稱。狹義的ET是指植物生長過程中通過蒸騰蒸發消耗的水分量。
本文所指ET是在自然水文循環過程中蒸散發和人類在水資源開發利用過程中蒸騰蒸發消耗的水資源量，是離開陸地水文水資源循環而人類無法在進行利用的水資源量。對于不同的用水戶而言，根據其內部對水源的不同要求和供用水方式，可以概化為生活ET、工業ET、農業ET、人工生態ET和天然生態ET，還包括土壤水蒸發，以及降水產生的植被截流蒸發和地表填洼水等的蒸發。
ET涉及水循環過程、能量循環過程和物質循環過程，并伴隨著物理反應、化學反應和生物反應，是地表熱量平衡和水量平衡的重要組成部分，水資源研究的重要內容之一[2]。ET作為區域水量平衡和能量平衡的主要成分，不僅在水循環和能量循環過程中具有極其重要的作用，而且也是生態過程與水文過程的重要紐帶。開展以ET為核心的水資源管理的研究，對區域社會人水和諧發展具有重要的意義。
1.2 ET的形成與測定
在人類活動未涉及之前，ET是自然水循環過程的一部分，其形成完全依靠太陽輻射到地球表面的能量。在人類活動的影響作用下，人為改變了原有的ET的形成過程，特別是城市化的進程發展，城市水資源系統用水部門多，用水過程復雜，用水管網密集，組成的系統龐大，引水、用水、排水過程基本自成體系，城市陸面結構的變化和大量能源(如電、煤炭、石油和天然氣等)的集中消耗，使ET的形變得更加復雜。
國際上對ET的測定和計算方法的研究已取得了一系列成果。比較有代表性的如:Bowen在1926年提出的利用地表能量平衡方程計算得到蒸發量的鮑恩比－能量平衡法(BREB法)；Thornthwait和Holzman利用邊界層相似理論計算蒸發量的空氣動力學方法；Monteith于1963年通過引入“表面阻力”的概念導出的計算蒸發量的Penman－Monteith(P-M)公式；Swinbank于1955年提出用渦旋相關技術直接測量并計算蒸發(散)量的渦旋相關法等。從上世紀70年代，國外相繼開始了用衛星遙感技術計算區域蒸散發量的研究工作，至今已取得了一系列成果。
迄今為止，國內外在植物生長過程中蒸散發消耗水分量研究方面，特別是在農業節水灌溉領域，已經積累了大量有價值的成果，技術方法也日趨成熟。對于城市ET的測量，目前國內外對其不同的組成部分計算已有初步的研究，尚無成功完全計算城市ET的方法。荷蘭人W.G.M.Bastiaanssen認為大城市的環境ET一般在200mm左右。謝新民等對河南省安陽市水資源評價中，通過水平衡分析該市的氣壓、氣溫、濕度、風力、太陽輻射和降水等氣象因素和水資源開發利用情況，認為安陽市區（郊）ET為607.81mm。
本文根據水資源開發利用的過程，將ET分為環境ET（包括城市城區環境和農村區域的農業及自然環境）、生活ET和工業ET，分別采用遙感監測和數理統計分析的方法計算。環境ET利用遙感監測和SEBAL模型進行計算，SEBAL模型利用衛星遙感圖像，通過陸地表面能量平衡法，計算陸地復雜表面的ET，相對精度維持在85%左右。SEBAL模型不足在于不能計算由生物能（人、動物自身的熱量）、礦物能（如煤炭、石油、天然氣等）、電能所產生的ET，以及雨后植被冠層產生的ET。對于城市生活ET和工業ET的計算采用數理統計分析的方法，隨著城市化進程和大中城市管網改造更新步伐的加快，城市供排設施日趨完善，供水、用水、排水統計數據較為準確，計算也相對較為準確，同時彌補SEBAL模型在這方面的不足。對于傳統的城市水工業產品（如飲用純凈水、啤酒、飲料等）所消耗的水資源量，由于在流域內的生產和排放基本處于動態平衡狀態，從流域層面來看可以忽略。
1.3 ET與污水再生利用
廢污水作為水資源系統的一個組成部分，通過城市水資源的優化配置，為城市工業、河湖景觀、綠化以及農業灌溉等對水質要求較低的行業或部門提供了穩定的水源，在解決城市水資源供需緊張方面發揮了重要的作用，一直以來被認為是城市節水的主要措施之一。然而，工業（火電、鋼鐵等）、河湖景觀、綠化以及農業灌溉等是ET產生較多部門和行業，污水再生利用的過程中不可避免的要產生大量的ET。在水資源總量不變的前提下，污水再生利用是通過加大水資源開發利用的程度，增加本地區水資源的消耗量，而提高了一個城市或一個地區的水資源的保證率，并非真實意義的節水，如圖1所示。
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污水再生利用實質上是改變了水資源自然再生過程，通過人工強化與輔助，而縮短了自然再生復原的周期，總體上增加水資源多次利用的頻率和保障。污水再生的利用過程必然使原本還可以排到下游的水量，隨著上游水資源消耗量的加大而逐漸減少，而影響到下游河道生態及其它用戶用水。
基于ET控制的理念，開展城市污水再生利用，需要從流域的視角出發，在提高城市自身水資源保障的同時，通過調整水資源配置中不合理的部分，實現分質供水，優水優用，減少城市對于新鮮淡水的取用量，控制城市水資源開發利用過程中的ET總量，實現真實意義的節水，進而保證下游地區水質水量。
海河流域的廢污水再生利用從上世紀80年代的污水回用起步，發展到今天已經不能完全等同于污水回用，也不應繼續停留在單一城市再生利用的層面，需要從流域的視角基于ET控制的理念，重新認識和探析廢污水再生利用問題，廢污水再生利用實質上是流域水資源的合理開發利用的戰略，是建立在流域水資源的需求與水資源良性循環基礎上的一種戰略措施。
2 研究案例－以北京市實例
2.1研究范圍
選取2005年作為基準年，研究范圍選擇北京市區和以市區排水為灌溉水源的農業區。由于城市用水保證率高，城市排水水量受自然條件的影響較小，所以利用市區排水進行灌溉的農業區用水保障率高，種植密度大，產生的ET值也比其它地區高，對下游的出境水量影響相對較大。
2.2污水再生利用現狀
北京市年排放污水達13億m3，污水再生利用開展起步早，發展快，污水再生利用率較高。從2003年，開始大力推進再生水在工業、農業、環境及市政雜用等領域的應用，到2005年底，北京市市區已建成污水處理廠9座，污水處理能力248萬m3/d，污水處理率70%。郊區建成污水處理廠和污水處理設施76座，污水處理能力81萬m3/d，污水處理率40%。全市建成5座再生水廠，建成再生水供水干線240km，再生水回用能力達到50萬m3/d。建成建筑中水設施300套，處理能力5萬m3/d。
2005年污水再生利用量為2.6億m3，其中工業回用0.9億m3，河湖景觀及市政回用0.5億m3，農業回用1.2億m3。2007年污水再生利用量達到4.95億m3，利用率超過50%，再生水已經成為北京市水資源的重要組成部分。
2.3 污水再生利用規劃
北京市污水再生利用規劃按照“重點發展工業用戶、擴大農業灌溉、增加河湖景觀用水、推進市政雜用”的原則，2010年規劃污水再生利用量為6.45億m3，其中農業回用2.5億m3，河湖環境回用2.7億m3，工業回用1.0億m3，市政雜用及居住中水回用0.25億m3；2020年規劃污水再生利用量為8.72億m3，比2010年增加2.27億m3，工業用水由南水北調工程配置，用量維持2010年水平不變，農業回用增加到3.8億m3，河湖景觀回用增加到3億m3。3 污水再生利用的影響分析
3.1 ET的確定
環境ET的確定采用中科院遙感所的研究成果，根據北京市2004年土地利用情況，利用2005年遙感監測和SEBAL模型計算得到，北京市區環境ET為238.43mm，郊區為576.65mm。生活ET的確定根據北京市2005年統計年鑒和水資源公報統計數據，扣除城市供水管網漏損的水量，確定城市生活耗水系數為0.1，即生活ET是城市生活用水量的10%。工業ET的確定根據北京市2005年統計年鑒和水資源公報統計數據，以及工業的用水特點和用水結構，扣除城市管網漏損消耗的水量，確定城市工業耗水系數為0.2，即工業ET是城市工業用水量的20%。
3.2水平衡分析
根據圖1所示ET與污水再生利用的關系，污水再生利用對區域ET總量的影響，可以利用水平衡分析，通過區域排水量和排水率反映出來。
水平衡公式：
P + I + CS = ET + O （1）
式中，P：降水量(mm)；I：外來供水量，包括地表水和地下水(m3)；CS：本地水資源蓄變量，包括湖庫蓄水、土壤水和地下水(m3)；O：外排水量(m3)；ET：蒸發蒸騰量(mm)。
由于市區的地面、道路、廣場，甚至河道均被硬化了，降水所產生的水量除去被蒸發蒸騰以外，全部形成地表徑流排出，對地下水的補給甚微；本地地表水、地下水與土壤水蓄變量多年平均變化不大，可視為CS等于0。
則公式（1）變形為：O = P + I － ET 排水系數：η= O/（P + I）
根據2010年和2020年北京市城市發展、城市供水和污水再生利用規劃，確定未來北京市城市用水量和污水再生利用量，如表1所示。為充分反映污水再生利用對未來排水的影響，假定2010年和2020年氣象條件與2005年相同，即市區與郊區的降水量和環境ET不變，利用水平衡公式，得到未來研究區域的排水量和排水系數，結果如表1所示。
由水平衡分析結果可以看出，在相同的自然條件下，雖然未來隨著北京市用水量的增加，下游出境水量在增加。但是隨著污水再生利用量的增加，區域內消耗的ET總量在增加，區域排水系數在逐步減小，污水再生利用量在解決本地區水資源短缺的同時，影響到了下游地區生態和用戶的發展。
根據《北京市環境保護生態建設規劃》，2010年市區公共綠地將由目前的600多hm2增加到1100hm2。2020年城市綠地率達到44%～48%，綠化覆蓋率達到46%～50%；人均綠地面積40～45m2，人均公共綠地面積15～18m2。2010市區新增生態公園46個，人均水面面積將達到4m2，2020年在2010年基礎上繼續增加部分水面面積。河湖景觀再生水利用量將增加到2.7億m3和3億m3。研究表明，北京市草坪年灌水量一般在0.6～1.0m3/m2左右，水面多年平均蒸發量在1200mm左右。未來北京市城市綠化、河湖景觀以及農業灌溉面積增加以后，市區及郊區的環境ET總量會比2005年增加10%，排水系數還會進一步減小。
以上分析說明，在沒有外調水源的情況下，單純依靠污水再生利用解決本地水資源短缺問題，在總用水量增加的同時，區域ET總量同時增加，區域水資源的消耗量的增加，會進一步打破流域水資源的可持續利用，使得上下游水資源緊張的局面更加嚴峻。
4 措施及建議
基于ET控制的城市污水再生利用，本質是在流域水資源優化配置的基礎上，實現水資源的“優質優用、低質低用”，減少城市新鮮淡水的開采量，把城市消耗量的ET總量控制在合理的水平，促進流域水資源的可持續發展和水環境改善，減少社會經濟發展對外界水資源的依賴和對自然生態的干擾。
4.1 制定流域統一的污水再生利用規劃
海河流域水資源嚴重短缺，水環境污染日益嚴重，水資源承載能力不能滿足流域經濟社會發展的需要，水資源問題已經成為制約流域經濟社會可持續發展的瓶頸。世行GEF海河流域水資源和水環境綜合管理項目將廢污水再生利用提升到戰略高度，使之成為解決流域水資源問題的重要出路之一，成功關鍵在于污水再生利用規劃能否突破傳統的理解和約束。這就需要從流域的視角出發，制定統一的污水再生利用規劃，將再生水納入流域水資源統一管理之中，以流域水資源配置為基礎，以省界水質水量控制為約束，合理控制省市水資源消耗的ET總量，否則即使污水處理率達到100%，理論上也難以解決海河流域的水資源與水環境問題。
4.2 污水再生利用與流域水生態修復相結合
南水北調工程對于緩解海河流域的水資源和生態危機具有十分重要的意義]。南水北調工程原則上不能直接向河流補充生態用水，解決海河流域河流生態問題，只能通過流域水資源配置和城市污水再生利用共同完成。城市污水再生利用對于解決河流生態水質和水量問題具有重要的作用。目前，海河流域河流生態修復工作尚缺乏統一的規劃部署，制定流域統一的污水再生利用規劃需要與流域水生態修復相結合，才能有效的解決流域水資源和生態的危機。
4.3 污水再生利用與流域水環境治理相結合
海河流域受氣候等自然條件的限制，河流自身的納污能力低、水環境容量小，河流水環境質量標準與目前我國污水排放標準之間有較大的差距。污水再生利用可以有效減少污染物入河量，確保實現水功能區水質目標，是水資源與水環境管理的交叉點。流域廢污水再生利用應該與水環境治理，水功能區水質達標相結合，才能真正在流域水資源和水環境綜合管理發揮應用的作用。
4.4 污水再生利用于城市生態應考慮氣候條件
城市綠化和河湖景觀是污水再生利用的主要方向之一。隨著生態城市建設的發展，城市生態用水量逐年提高。海河流域地處半濕潤半干旱氣候區，多年平均降雨量只有550mm，水面蒸發量卻高達1000mm以上，生態城市建設應適應流域氣候和水資源的特點，不應以水資源的高消耗為代價，城市河湖景觀和綠化應改變以往的發展模式，向“節水型”景觀過度，走持續健康的發展道路，美國內華達州的“沙漠景觀”很值得我們借鑒。
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