虽然中国首都北京在经济上已经取得了巨大成就,但是,这座超大城市依然被有限的水资源所困,在很大程度上仍是限制今后经济增长的瓶颈。郝晓地对这个城市水资源的现状以及未来进行评价和展望。
北京乃目前中国对GDP(国内生产总值)贡献最大的地区。但就水资源而言,北京却是世界上最匮乏的地区之一。北京目前常住人口已突破2 000万,而人均水资源量却少于100 m3/人,所以,水资源已经严重制约了北京的经济发展。未来,北京的经济命运将在很大程度上取决于可获得的水资源是否能够满足日常生活和经济发展。因此,北京眼下最重要的是需要重塑以用水为中心的城市,城市的基础设施应及时升级改造,以使水的利用和获得更具可持续性特点。

北京,一座处处需要水的超大城市。
经济数据(图1)显示了2011年北京的GDP增长是一个何等令人震惊的数字(12 447美元/人),这近乎已经达到了世界上最裕的国家水平,而且,北京仍具有保持其经济继续增长上的势头。然而,为了让这样的经济增长成为现实,北京需要解决许多问题,其中,首当其冲的就是水。北京目前已经成为世界级超大城市,其常住人口在2011年已攀升至2 000万。可惜的是,为了维持数字如此巨大的人口生存,北京人均水资源量仅为100 m3/人,是中国平均值的1/24和世界平均水平的1/90。因此,“旱城(韩国首都之前名字——‘汉城’的谐音)”这个绰号冠与目前的北京最为形象!
北京全市总面积为16 800 km2(其中,10 400 km2为山地,仅6 400 km2才是平原);北京地处半温带和半干旱地区,同时又受温和的季风气候影响。北京年平均温度为11-14 ℃(1月最冷:平均-4.6℃;7月最热:平均25.8 ℃),年均降雨量585 mm(雨季出现在6-9月间,集中了85%的年均降雨量);陆地与水面年均蒸发量分别为467 mm和947mm。水的消耗和产生(图2)揭示,虽然北京年用水量正在逐年减少,但水的产生远滞后于对它的消耗,例如,2009年总用水量为36亿m3(地下水占62%,地表水占20%,循环水占18%),而总产水量仅为22亿m3,这就导致14亿m3的水赤字。这一赤字一般靠两种途径来寻求平衡:或者通过行政命令引邻居之水,或者超采地下水。由于过度开采,地下水位近12年以1.1 m/年的速度已从-11.9 m降至-24.9m。
早先一个生态支撑北京的用水平衡计算表明,北京到2020年勉强可支撑1 800万人口的用水需求。然而,这一数字出乎意料地已被2011年激增至2 000万的人口所改变。作为中国的首都城市,北京的政治地位毋庸置疑,它的经济发展速度也没有显现出任何减缓的趋势,水之地位必将成为北京未来经济发展的重中之重。作为对策,北京市政府已经采取了一些必要的手段来试图缓解如此严重的缺水现状。此外,时刻强调节水与雨水收集、水循环、远距离调水计划也相继实施;海水淡化作为一种潜在替补方案也正在被政府考量和评估之中。

图1:北京GDP增长趋势(1美元=6.4元人民币)。
节水与定额
北京的用水组成大致集中于3个方面:生活用水(即,家庭、公共服务和维持生态系统)、农业用水和工业用水。所收集的这三方面用水数据(图2)显示,农业用水量已经下降,从1999年的19亿m3降至2010年的12亿m3,降幅37%。工业用水同样下降,2010年已降至5.2亿m3(1999年为11亿m3,降幅51%)。然而,生活用水量却在增加,2010年已达19亿m3(1999年为13亿m3,增幅33%),显然,这归咎于常住人口的持续增加。在过去的12年间,生活、农业和工业用水量平均所占比例分别为总用水量的40%、38.8%、20.1%。
在三种用水目的中,生活用水所占比例最大,其次是农业用水。中国人的节俭习惯已帮助他们节省了很多的水;北京居民用水量标准是85-140 L/人×日,较美国(300-375 L/人×日)和欧洲(135-200 L/人×日)标准而言,已是非常之低;每月10 m3用水在北京已经足够支撑一个三口之家的用水量。现在,85%(到2015年将升至95%)的家庭和公共服业均已安装了节水器具。况且,一个针对公共服务业较为严格的用水定额在1998年便已出台;2006年,针对办公室、宾馆、学校和医院等公共场所的用水定额也已获北京人民代表大会通过。这些节水措施已几近完善,很难从生活用水中再发掘出太大节水潜力。因此,任何有效的其它节水措施不得不在其它方面寻找。
农业用水中下降35%归因于3种途径:退耕还林、旱作农业及安装节水设备。过去12年间,70 000公顷的农田已退耕还林。水稻种植已被完全禁止;小麦种植已由原来的166 667公顷降至目前的33 000公顷;靠雨水浇灌的玉米种植至已从2009年扩增至目前的56 667公顷。进言之,85%的农田已安装了节水浇灌器具,如,滴灌和微灌。这些举措已使每公顷农田平均用水量降至2 640 m3/公顷,水的利用系数增至0.68(原为0.55)。与此同时,农业净产值已从2001年的93亿人民币(15亿美元)增至2008年的113亿人民币(18亿美元)。农业上的节水空间未来仍具可能,可以通过潜在的中水灌溉来实现。

图2:1999-2010年间北京水的使用与产生。
工业节水已通过工业结构调整得以实现。水定额制度已在工业部门完全推开,任何高耗水的工业都完全被禁止。每万元(1 585美元)工业产值耗水量已减少到2008年的33.5 m3(2001年为137 m3),这是全国平均值的1/7,贡献299元人民币(47.4美元)GDP/ m3(2001年为82元人民币(13美元)GDP/ m3)。现在的北京工业用水循环率已经达到93%,工业用水的零增长在今后将会继续维持。这就是说,在2008年所形成的5.2 亿m3工业用水量将会永久维持下去。然而,如果继续保持每年10%的经济增长率,每万元工业产值(GDP)耗水量到2015年将会进一步被降低至12.7 m3。因此,仅在微观尺度存在工业节水的可能性。
雨水收集
理论上说,雨水收集、利用是一种很好的弥补用水赤字的办法;在市区内(四环以内:300 km2;五环以内:750 km2)每年可以收集2.3亿m3的雨水 ,这相当于该区域总用水量20~25%(市区总用水量为10 亿m3/年)。雨水收集可以同径流污染控制和洪涝控制相结合,因此,可以被发展为多用途技术。正因如此,基于雨水收集、径流污染控制和洪涝控制的研发项目在北京发展迅速,相应扶持政策也已由政府发布。
到2009年底,北京已安装了约1 200个雨水收集、径流污染控制和洪涝控制设施,现在,每年有0.5亿m3的雨水可被用来灌溉、渗透、补充水景、洗车和清洁道路、冲厕等。然而,雨水的处理和贮存将是一个需要考虑的问题。所以,雨水直接被用于洗车和冲厕是不太可靠的事情。雨水在利用之前需要适当的处理,且需要预先设置较大的贮存空间。正因如此,雨水被用来灌溉、渗透和补充水景不失为一种最佳的选择。到2015年北京将会有93个大型贮水设施埋设于地下,用于雨水收集和和洪涝控制。
水回用
北京的供水系统标准已经很高。目前北京拥有22座自来水处理厂,在6个主要城区日供水能力已达310万m3/日,总服务面积1 000 km2、服务人口1 200万。到2015年,北京日供水量将达到460万m3/日。
与给水系统相对应的污水收集、污水管网、污水处理厂目前已具有380万m3/日的处理能力。在2010年,6.8亿m3/年处理后的中水已被再利用,占总供水量的18%(2008年仅占8%)。到2015年,6个主要城区的所有22个污水处理厂将被升级改造为可生产中水的处理厂。另外,还将兴建30座新的污水处理厂,届时将总共处理并循环使用10亿m3/年的中水,将之用作补充水体景观(4.2亿m3/年)、农业灌溉(3.5亿m3/年)、工业循环水(1.6亿m3/年)和市政用水(0.7亿m3/年),形成1/3的城市总供水能力。
南水北调工程
尽管存在上述多种节水措施和途径,但北京仍处于严重缺水状态。因此,从北京之外引水进京势在必行。一个经历了几乎半个世纪讨论与评估的浩大工程——南水北调在已在2003年开始动工,预计到2014年将全面竣工。这一从位于汉江(长江支流)上的丹江口水库一直延伸至北京的调水工程,管线总长度设计为1 277 km(图3)。但是,即使到了2014年,南水北调总共95亿m3/年的输水量可分配给北京的也仅为10亿m3/年,这只相当于北京每年过度开采的地下水量。

图3:南水北调路线图
再者,有关南水北调的费用和安全性方面,不同的声音也悄然而至。粗略估计,南水北调的输水价格至少6元人民币(1美元)/m3以上,已超过现在北京市居民用水价格4元人民币(1美元)/m3。当南水北调之水进入沿途5个省、市时,很难避免复杂的地质条件、自然灾害和水污染问题(包括供水源头出现干旱现象、沿途洪涝灾害等问题)。因此,可以预料,这些因素将威胁供水安全。
海水淡化
海水淡化作为南水北调的备选方案目前已被建议和讨论了很多年。近年,存在两种因素加速了对这一方案的广泛兴趣:一是南水北调的高额输水费用,最终会导致居民用水价格上升至10元人民币(1.6美元)/m3;再就是,在北京附近已建成一座海水淡化处理厂。这个海水淡化厂目前的处理成本在6元人民币(1美元)/m3,日产水量5万m3/日。目前,这个淡化厂已经开始为北京以东230 km处的曹妃甸首钢新厂供水。一个更大规模的海水淡化厂在不久的将来将会在曹妃甸兴建,到那时,处理成本将会降至5元人民币(0.8美元)/m3,下降幅度达20%。即使加上230 km铺设管道向北京输水的成本,淡化后的水被输送至北京,其价格也不过6元人民币(1美元)/m3,远远低于南水北调所导致的10元人民币(1.6美元)/m3用水价格。
如果海水淡化可以与风能利用和和盐业化工有机结合(图4),那么这将对环境的综合影响不言而喻。沿海地区存在着潜在的风能,而且海水淡化后形成的浓缩液可以用作海盐生产的浓缩原液,以增加晒盐的生产效率。总之,这个被建议的海水淡化工艺是一个三位一体的零污染排放生态工艺。

图4:建议中的与风能发电和盐业化工三位一体的海水淡化方案。
总结
如今北京的GDP水平已经趋于其他富裕国家。北京定会继续保持它的经济增长势头,而且为实现变成世界城市目标已制定了更为长远的计划。然而,北京的经济瓶颈在于水的供应和它的高效管理之上。数据和分析显示,为了维系可持续市政供水存在两种主要的途径:减少内部消耗以及从外部引水进京。
节约用水是一个永恒的话题。虽然工业节水在微观方面还存在潜力,但就宏观而言,节水也只能寄希望于农业生产,因为工业用水总量已基本固定,而日常居民用水因居民业已形成的节俭习惯已不大可能再有节水余地。因此,污水处理后灌溉农田将是唯一的潜在节水方式。与水的赤字相比,雨水利用只不过是节水环节一个很小的实践范例。南水北调将会以高昂的代价为北京注入有限之水。从长计议,海水淡化将逐渐成为北京可持续的可靠水资源。
致谢
本文是在北京市教委人才强教——高层次人才计划(PHR20100508)支持下完成的。文章撰写于美国奥本(Auburn)大学Samuel Ginn工程学院(P-1-01678)。
关于作者
郝晓地,中国北京建筑工程学院教授;担任国际水协(IWA)着名学术期刊——《Water Research》区域主编(Editor)。
Email:xdhao@hotmail.com