雖然中國(guó)首都北京在經(jīng)濟(jì)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(jì)增長(zhǎng)的瓶頸。郝曉地對(duì)這個(gè)城市水資源的現(xiàn)狀以及未來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)和展望。
北京乃目前中國(guó)對(duì)GDP（國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值）貢獻(xiàn)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(wàn)，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(jì)發(fā)展。未來(lái)，北京的經(jīng)濟(jì)命運(yùn)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(jì)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(shí)升級(jí)改造，以使水的利用和獲得更具可持續(xù)性特點(diǎn)。
北京，一座處處需要水的超大城市。
經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)（圖1）顯示了2011年北京的GDP增長(zhǎng)是一個(gè)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(guó)家水平，而且，北京仍具有保持其經(jīng)濟(jì)繼續(xù)增長(zhǎng)上的勢(shì)頭。然而，為了讓這樣的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)成為現(xiàn)實(shí)，北京需要解決許多問(wèn)題，其中，首當(dāng)其沖的就是水。北京目前已經(jīng)成為世界級(jí)超大城市，其常住人口在2011年已攀升至2 000萬(wàn)。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?jī)H為100 m3/人，是中國(guó)平均值的1/24和世界平均水平的1/90。因此，“旱城（韓國(guó)首都之前名字——‘漢城’的諧音）”這個(gè)綽號(hào)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(shí)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(duì)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?jī)H為22億m3，這就導(dǎo)致14億m3的水赤字。這一赤字一般靠?jī)煞N途徑來(lái)尋求平衡：或者通過(guò)行政命令引鄰居之水，或者超采地下水。由于過(guò)度開(kāi)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(gè)生態(tài)支撐北京的用水平衡計(jì)算表明，北京到2020年勉強(qiáng)可支撐1 800萬(wàn)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(wàn)的人口所改變。作為中國(guó)的首都城市，北京的政治地位毋庸置疑，它的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度也沒(méi)有顯現(xiàn)出任何減緩的趨勢(shì)，水之地位必將成為北京未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重中之重。作為對(duì)策，北京市政府已經(jīng)采取了一些必要的手段來(lái)試圖緩解如此嚴(yán)重的缺水現(xiàn)狀。此外，時(shí)刻強(qiáng)調(diào)節(jié)水與雨水收集、水循環(huán)、遠(yuǎn)距離調(diào)水計(jì)劃也相繼實(shí)施；海水淡化作為一種潛在替補(bǔ)方案也正在被政府考量和評(píng)估之中。
圖1：北京GDP增長(zhǎng)趨勢(shì)（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(gè)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(guò)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(guó)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(guó)（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(gè)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(gè)針對(duì)公共服務(wù)業(yè)較為嚴(yán)格的用水定額在1998年便已出臺(tái)；2006年，針對(duì)辦公室、賓館、學(xué)校和醫(yī)院等公共場(chǎng)所的用水定額也已獲北京人民代表大會(huì)通過(guò)。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(guò)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(lái)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(kuò)增至目前的56 667公頃。進(jìn)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(shí)，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(lái)仍具可能，可以通過(guò)潛在的中水灌溉來(lái)實(shí)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(guò)工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整得以實(shí)現(xiàn)。水定額制度已在工業(yè)部門(mén)完全推開(kāi)，任何高耗水的工業(yè)都完全被禁止。每萬(wàn)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(guó)平均值的1/7，貢獻(xiàn)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(zhǎng)在今后將會(huì)繼續(xù)維持。這就是說(shuō)，在2008年所形成的5.2 億m3工業(yè)用水量將會(huì)永久維持下去。然而，如果繼續(xù)保持每年10%的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率，每萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值（GDP）耗水量到2015年將會(huì)進(jìn)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(shuō)，雨水收集、利用是一種很好的彌補(bǔ)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(xiàng)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(gè)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(lái)灌溉、滲透、補(bǔ)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(gè)需要考慮的問(wèn)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(lái)灌溉、滲透和補(bǔ)充水景不失為一種最佳的選擇。到2015年北京將會(huì)有93個(gè)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(lái)水處理廠，在6個(gè)主要城區(qū)日供水能力已達(dá)310萬(wàn)m3/日，總服務(wù)面積1 000 km2、服務(wù)人口1 200萬(wàn)。到2015年，北京日供水量將達(dá)到460萬(wàn)m3/日。
與給水系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的污水收集、污水管網(wǎng)、污水處理廠目前已具有380萬(wàn)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(gè)主要城區(qū)的所有22個(gè)污水處理廠將被升級(jí)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(shí)將總共處理并循環(huán)使用10億m3/年的中水，將之用作補(bǔ)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(jìn)京勢(shì)在必行。一個(gè)經(jīng)歷了幾乎半個(gè)世紀(jì)討論與評(píng)估的浩大工程——南水北調(diào)在已在2003年開(kāi)始動(dòng)工，預(yù)計(jì)到2014年將全面竣工。這一從位于漢江（長(zhǎng)江支流）上的丹江口水庫(kù)一直延伸至北京的調(diào)水工程，管線總長(zhǎng)度設(shè)計(jì)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(guò)度開(kāi)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(fèi)用和安全性方面，不同的聲音也悄然而至。粗略估計(jì)，南水北調(diào)的輸水價(jià)格至少6元人民幣（1美元）/m3以上，已超過(guò)現(xiàn)在北京市居民用水價(jià)格4元人民幣（1美元）/m3。當(dāng)南水北調(diào)之水進(jìn)入沿途5個(gè)省、市時(shí)，很難避免復(fù)雜的地質(zhì)條件、自然災(zāi)害和水污染問(wèn)題（包括供水源頭出現(xiàn)干旱現(xiàn)象、沿途洪澇災(zāi)害等問(wèn)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(duì)這一方案的廣泛興趣：一是南水北調(diào)的高額輸水費(fèi)用，最終會(huì)導(dǎo)致居民用水價(jià)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(gè)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(wàn)m3/日。目前，這個(gè)淡化廠已經(jīng)開(kāi)始為北京以東230 km處的曹妃甸首鋼新廠供水。一個(gè)更大規(guī)模的海水淡化廠在不久的將來(lái)將會(huì)在曹妃甸興建，到那時(shí)，處理成本將會(huì)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(jià)格也不過(guò)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(jià)格。
如果海水淡化可以與風(fēng)能利用和和鹽業(yè)化工有機(jī)結(jié)合（圖4），那么這將對(duì)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(gè)被建議的海水淡化工藝是一個(gè)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(guó)家。北京定會(huì)繼續(xù)保持它的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)勢(shì)頭，而且為實(shí)現(xiàn)變成世界城市目標(biāo)已制定了更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的計(jì)劃。然而，北京的經(jīng)濟(jì)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(jìn)京。
節(jié)約用水是一個(gè)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?yàn)楣I(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(guò)是節(jié)水環(huán)節(jié)一個(gè)很小的實(shí)踐范例。南水北調(diào)將會(huì)以高昂的代價(jià)為北京注入有限之水。從長(zhǎng)計(jì)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(qiáng)教——高層次人才計(jì)劃（PHR20100508）支持下完成的。文章撰寫(xiě)于美國(guó)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(guó)北京建筑工程學(xué)院教授；擔(dān)任國(guó)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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