編者按：本文為水業(yè)高級戰(zhàn)略沙龍系列《清華水業(yè)藍(lán)皮書》之二十二。

基于水質(zhì)的水資源模型與水質(zhì)經(jīng)濟學(xué)框架

陳吉寧  傅 濤

一、中國水資源的認(rèn)識與反差

談到中國的水資源，最常見的官方論點就是：中國是一個干旱缺水的國家，淡水資源總量約為27000億立方米，人均約2000立方米，僅為世界平均水平的1／4，在世界上名列約120位。

這樣的一個結(jié)論是在傳統(tǒng)水資源總量定義的基礎(chǔ)上得到的，即評價區(qū)內(nèi)當(dāng)?shù)亟邓纬傻牡乇?、地下產(chǎn)水總量，由地表水資源量與地下水資源量相加、并扣除兩者之間互相轉(zhuǎn)化的重復(fù)計算量而得。該方法中不考慮評價區(qū)之外的客水資源，其理由是一個地區(qū)的發(fā)展應(yīng)該立足于自產(chǎn)水資源保障可持續(xù)發(fā)展，統(tǒng)計客水會影響客區(qū)的發(fā)展權(quán)。

這個“科學(xué)”的計算方式，在應(yīng)用與實踐中卻造成一些困惑。分析以此計算方法為基礎(chǔ)的各地水資源公告，我們發(fā)現(xiàn)上海的人均水資源量為200 m³/人，僅為北京人均水資源量的2/3，是世界平均水平的1/40；位于江南水鄉(xiāng)的江蘇省的人均水資源量只有630 m³/人，屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)；而在干旱的新疆，其人均水資源量是4120m³/人，按照聯(lián)合國的標(biāo)準(zhǔn)則屬于富水地區(qū)。顯然，這樣的評價結(jié)果有悖于人們感官的基本常識。

但是，這個形成中國缺水總體認(rèn)識的評價方法卻是國家眾多需水戰(zhàn)略工程論證和實施的最為重要的前提和基礎(chǔ)，包括數(shù)十個大城市的遠(yuǎn)距離調(diào)水，以及規(guī)模宏大的南水北調(diào)工程等。此外，以此評價方法為基礎(chǔ)，還包括許多以地區(qū)水資源承載力為基礎(chǔ)的經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃，以及投資巨大的重點流域水資源規(guī)劃等。

另一方面，我們又看到，這個運用于需水規(guī)劃的評價和指導(dǎo)方法在具體城市的用水規(guī)劃中，卻有另外一番天地。事實上，大城市幾乎無一例外地在各自的城市用水規(guī)劃中考慮并使用了客水，如北京利用了河北的客水，而長江沿線的城市幾乎無一例外都不同程度地利用了長江的客水。

現(xiàn)在，是否該對傳統(tǒng)的水資源計算方法提出挑戰(zhàn)，需要先從水資源的特性談起。

二、城市水資源的核心是水質(zhì)問題

水資源與石油、礦產(chǎn)資源一樣是寶貴的自然資源，但是水資源因為具有循環(huán)再生的根本屬性，使其有別于石油、礦產(chǎn)等不可再生資源。但是，這種循環(huán)再生性質(zhì)受制于水的自然循環(huán)和社會循環(huán)特征。

在水的自然循環(huán)之中，水以不同的形態(tài)存在于不同的空間，而水資源則是在水的自然循環(huán)各環(huán)節(jié)中所呈現(xiàn)的人類可以利用的部分。人類對于水資源的提取、凈化、利用、排放作為社會循環(huán)，則容納于自然大循環(huán)之中。

水的再生主要有兩種形式實現(xiàn)，一是在自然循環(huán)過程中通過汽態(tài)、液態(tài)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變實現(xiàn)了自然再生，這個循環(huán)受制于氣候的變化規(guī)律，二是在液態(tài)狀態(tài)下由于水質(zhì)的變化而實現(xiàn)的污染與凈化再生，這個循環(huán)受制于社會循環(huán)和自然循環(huán)的共同作用，是本文討論的關(guān)鍵。

在多種形式的水資源人類利用中，農(nóng)業(yè)灌溉與利用，與水的自然循環(huán)相互交融，利用過程中并行著水的吸收、滲透、蒸發(fā)等自然循環(huán)現(xiàn)象。農(nóng)業(yè)用水所提取的水量一般不直接返回水體，而是通過土壤滲透、植物吸收、蒸發(fā)等過程轉(zhuǎn)移，這樣就造成了水資源在農(nóng)業(yè)利用中流失的感官印象，所以一般通過水的加堿計算來農(nóng)業(yè)水資源利用總量。從這種角度理解，農(nóng)業(yè)利用可以作為水資源自然循環(huán)的子系統(tǒng)。

但是，人類以城市用水和工業(yè)用水為代表的社會用水卻有很大的不同。社會用水的大部分活動在封閉管道體系中進行，人類社會在進行自然中取水、用水的過程時，與自然循環(huán)有著較為清晰的界限。用水主體對水資源的取用不會消耗水資源的“量”，也不會改變水本身基本的化學(xué)物理特性，所改變的是水的“質(zhì)”，這也是水資源區(qū)別于石化資源的關(guān)鍵點。

在城市用水和工業(yè)用水比例高的區(qū)域，其水資源的總量計算，就已經(jīng)跳出簡單、靜態(tài)的不同區(qū)域和不同類型的水量加減概念。對于水資源社會利用角度而言，水量盈缺僅是在一定的時間和空間尺度內(nèi)所形成的結(jié)果，在長期的時間尺度以及整體流域的范圍之內(nèi)，水資源會保持一定“量”的穩(wěn)態(tài)供應(yīng)。

一般而言，由于城市用水并非完全封閉，城市取用一噸原水凈化為自來水使用后，80%的用水量形成污水（這也是我們規(guī)劃中通常采取的計算標(biāo)準(zhǔn)），其它的水量則通過其它不同渠道返回自然循環(huán)。

以量為指標(biāo)，來衡量不可再生資源是可行的，我們可以通過總量的稀缺程度來衡量其資源價值；但是，對于具有循環(huán)再生的水資源來說，以量為唯一指標(biāo)的資源評價模式并不適合，尤其是針對城市用水問題。而中國缺水的難點和重點恰恰是在城市。

由此，我們對水資源的認(rèn)識概念提出新的挑戰(zhàn)——中國以城市發(fā)展為重心的水資源稀缺從本質(zhì)上來說，是一種“水質(zhì)”的缺失，水資源的再生特性從根本上也是水“質(zhì)”的問題，水質(zhì)成為評價水資源的決定因素。#NEWPAGE#

三、決定水資源再生循環(huán)的要素

水資源水質(zhì)再生的核心是讓使用后的改變了水質(zhì)的水通過凈化再次具有自然原水的水質(zhì)特征。要想達(dá)到水資源的水質(zhì)再生循環(huán)，就需要有時間、空間、溫度等要素的保證，這些要素來自自然和人工兩個方面。

（1）水資源循環(huán)自然再生的生態(tài)環(huán)境要素

“流水不腐”正是告訴我們水質(zhì)修復(fù)的自然規(guī)律，而水資源也是一個具備“時間”和“空間”的概念，“流水”就是水自凈、去除污染物、恢復(fù)水質(zhì)要求的一個過程。

水資源的水質(zhì)循環(huán)是一個以水質(zhì)變化為核心的修復(fù)過程。在人類活動對水資源擾動小的地區(qū)和時期，自然修復(fù)是完成水質(zhì)再生的主導(dǎo)因素。水體的自然凈化需要一定的水生態(tài)系統(tǒng)、動態(tài)流量、溫度和時間作為保證。中國特有的河流長流經(jīng)、大流域、高落差、高流動性特點，又賦予了中國河流水資源良好的自然水質(zhì)修復(fù)特性，為水資源的水質(zhì)再生和多次循環(huán)利用提供了良好的前提條件。

（2）水資源的人工水質(zhì)修復(fù)——污水處理

但是，隨著人類取水量的加大、排水水質(zhì)成分的復(fù)雜化和日益惡化、尤其是工業(yè)廢水中所產(chǎn)生的大量自然難以消納的污染物質(zhì)，人類活動對自然水資源造成的污染擾動日益加大，僅僅靠水體的自然凈化已經(jīng)難以實現(xiàn)水資源的水質(zhì)恢復(fù)。因此，污水處理作為一種人工強化的水質(zhì)修復(fù)過程，開始進入水質(zhì)循環(huán)的環(huán)節(jié)當(dāng)中。污水人工處理的本質(zhì)就是要通過來自人工外力的幫助來縮短水資源水質(zhì)循環(huán)和修復(fù)的自然空間尺度和時間尺度。

城市從自然水體中取水，凈化為自來水，是一次水質(zhì)凈化過程；自來水經(jīng)過使用轉(zhuǎn)變?yōu)槲鬯呐欧胚^程是一次污染過程；而污水經(jīng)過污水處理廠凈化向自然水體排放則是一次消除污染的過程，污水處理廠排放的高度凈化的處理水經(jīng)過自然水體的進一步自凈又成為再生的原水，這一完整的過程就形成了現(xiàn)代的水質(zhì)再生循環(huán)?？梢?，污水處理是這一循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)，處理后排放的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)越高，則對自然水體的再凈化所要求的時間就越短、空間就越小。

四、基于水質(zhì)的水資源模型

在強化了水資源的再生循環(huán)特性后，我們認(rèn)為需要從“水質(zhì)”的角度來評價水資源，并提出了基于水質(zhì)的水資源模型。
基于水質(zhì)的水資源模型基于以下假設(shè)和觀點：

1、水資源作為一種重要的自然資源，在流域范圍內(nèi)其水量上保持相對穩(wěn)定。

2、在以水質(zhì)為核心的水循環(huán)過程中，人類對水資源的取用并非是簡單的消耗，而是一個“借”與“還”的過程。

3、水資源的“借”與“還”受到不同因素的限制?！敖琛笔侵父饔盟黧w通過不同形式取水，將受到總量的限制，限制的基數(shù)包括客水和上游用水主體返回的再生水；“還”是指各用水主體將水量返還水體，將受到水體能接納的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的限制。

4、為了能夠達(dá)到接納水體的水質(zhì)要求，“借”水主體需要對使用后的水進行不同程度的人工處理，使其所“歸還”的水量通過自然凈化，可以最終實現(xiàn)水質(zhì)的還原和水資源的再生。

由此，在基于水質(zhì)的水資源模型假設(shè)之下，水量不再成為水資源稀缺的絕對約束條件。我們將水質(zhì)平衡作為水資源模型的特征變量，將流域內(nèi)各地區(qū)或城市可以利用的基本水量作為基數(shù)，把當(dāng)?shù)匚鬯幚淼募夹g(shù)水平和循環(huán)利用次數(shù)作為乘數(shù)，計算水資源的可利用總量，并計入傳統(tǒng)水資源總量。在這里，可再生循環(huán)的基本水量（可用量）是評價地區(qū)或城市水資源豐度的基礎(chǔ)值，它是一個城市可以提取的水資源總量，它以該區(qū)域包括客水在內(nèi)的所有水資源為基數(shù)，其所占比例決定于流態(tài)和溫度等因素，不同流域不同。

但是，任何模型的提出，均需要有一定的邊際條件限制，基于水質(zhì)的水資源模型適用于以下范圍：

1、模型適用于總量稀缺的流域和地區(qū)；

2、模型針對城市用水提出，不適用農(nóng)業(yè)用水的分析，因此適用于城市用水占主導(dǎo)的流域和地區(qū)；

3、由于“借”與“還”的數(shù)量并不完全等量，所以水質(zhì)再生的次數(shù)會受到限制；

4、模型中水資源總量的核算單位為流域或城市群。

應(yīng)用這一水資源模型，我們認(rèn)為，在中國城市集中、人口密集的地區(qū)和流域，解決水資源問題的關(guān)鍵在于水質(zhì)的控制，而不僅僅是水量的簡單滿足；如果能夠?qū)崿F(xiàn)最大限度的人工凈化，就可以縮短水資源再生的時空尺度。在基本的水量保證的前提下，水資源是可以有限制地多次重復(fù)使用的。

為了保障基本水量，水利工程設(shè)施的建設(shè)和水量分配需要兼顧自然再生過程所需要的凈化基本流量；水資源量的循環(huán)本質(zhì)上是一個“好借好還”過程，上游用戶排放的符合環(huán)境接納要求的水質(zhì)，是下游用戶“好借”的基礎(chǔ)。#NEWPAGE#

五、水資源模型應(yīng)用的流域尺度

水資源的循環(huán)使用存在著家庭、小區(qū)、城市和流域不同的空間尺度。在家庭內(nèi)部將洗滌用水用于沖廁，是一種家庭節(jié)水措施；在小區(qū)將“灰水”應(yīng)用于小區(qū)綠化，是一種水的綜合利用措施；在一個城市中將污水深度處理后回用于工業(yè)，是污水回用措施；在流域中上游的排水經(jīng)過人工處理和自然凈化成為下游的水源，這才是水資源的再生。

因此，從流域的上下游水資源共享與協(xié)同角度來看，流域尺度最符合自然水體的水質(zhì)循環(huán)再生規(guī)律。首先，在自然狀態(tài)下，水資源自上游流向下游水的總量保持一定平衡，取水、用水、排水所產(chǎn)生的變化主要是水質(zhì)的變化；其次，上游用戶的排水是下游用戶取水的基礎(chǔ)；第三，污染治理和再生復(fù)原環(huán)節(jié)由上游用戶完成，下游用戶受益。第四，流域協(xié)同才能有效保證水體的流態(tài)，下游用戶的受益，也必然惠及上游用戶。

如果不能在流域尺度上考慮水資源的循環(huán)再生，必然造成流域上下游各自為政，盲目攔截水資源，各個地方通過污水最大限度的回用實現(xiàn)本地區(qū)的水資源的閉合循環(huán)利用，沒有提供給下游用戶一定的水質(zhì)再生基本流量，剝奪了下游用戶的再生權(quán)利。離開流域協(xié)調(diào)，在單個城市實施的被稱為“再生水”而實質(zhì)上是污水回用的工程規(guī)劃，只會考慮自身的環(huán)境利益和自己的資源利益，難以顧及下游的資源需要。

六、再生水戰(zhàn)略的重新定位

極度缺水的以色列通過20多年的投資和努力，水的再生率達(dá)到70%，這受制于其有限的國土面積，沒有實現(xiàn)再生所需要的足夠空間，因此其只能加強人工處理，來最大限度地縮小再生所需要的空間要求。

相對而言，中國水資源水質(zhì)再生的自然條件要優(yōu)越的多，長流域、大水量都提供了非常好的水資源再生條件。但是有兩種因素束縛了我們的水資源水質(zhì)再生，一是不到位的污水處理排放，極大地降低了我們的再生能力，二是水資源管理的地域分割，缺乏流域協(xié)調(diào)。第一個因素容易理解，而第二個因素已經(jīng)成為水資源再生利用的關(guān)鍵制約，因為實際工程規(guī)劃和政策文件中，再生水戰(zhàn)略已經(jīng)被地區(qū)污水回用所替代。

污水回用不是真正達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)或環(huán)境功能要求的再生水。污水回用將經(jīng)過二級處理、符合基本環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的污水，納入?yún)^(qū)域內(nèi)直接回用，形成了“有借無還”的局面，造成了徑流的進一步減少，雖然一定程度上控制了污染的轉(zhuǎn)移，但無法滿足再生水所需的水體自凈基本流量，使河流失去新一輪循環(huán)再生的補給。隨著河流生態(tài)凈化基本流量的喪失，將進一步增加下游“借水”的再生復(fù)原的邊際成本，導(dǎo)致全流域水資源的人為緊張。因此，污水回用（包括中水利用）實際是一種降低需求的措施，而再生水則是一種增加有效總量的措施和戰(zhàn)略。

七、水質(zhì)經(jīng)濟學(xué)的基本內(nèi)涵

在基于水質(zhì)的水資源模型之下，流域水資源總量不僅受制于傳統(tǒng)水資源總量，而且受制于取水主體循環(huán)利用水資源的次數(shù)和利用量，而循環(huán)利用的次數(shù)，又取決于用水主體所排放水質(zhì)的優(yōu)劣以及水量損失的比例，而排出水質(zhì)的優(yōu)劣取決于處理單位的經(jīng)濟成本。

因此，水資源的核心是水質(zhì)問題，而水質(zhì)問題的核心是凈化成本問題，凈化成本是經(jīng)濟問題，我們將基于此模型的經(jīng)濟分析稱為水質(zhì)經(jīng)濟學(xué)。

在傳統(tǒng)的水資源模型中，由于忽略水資源的水質(zhì)循環(huán)再生屬性，將水資源簡化為單向取用，這種模型中水資源的價值由兩個因素決定：一是水資源總量稀缺的程度，二是通過調(diào)水增加區(qū)域水量的經(jīng)濟成本。

而基于水質(zhì)的水資源模型，則將水資源的循環(huán)再生量計入到水資源總量中；且流域越長，再生量所占比例越大。在這個模型中，水資源的稀缺不是簡單水量的稀缺，而是附加在水量之內(nèi)的水質(zhì)變化所造成的可用水量的稀缺。

從這個角度來說，在流域水資源總量稀缺，但是能夠滿足單體取水不影響生態(tài)流量的背景下，水資源的價值并不僅由總體稀缺程度所決定，而由再生水所需基本凈化流量的配置機會成本在內(nèi)的全成本價值決定，也就是包括水質(zhì)還原或部分還原的經(jīng)濟成本在內(nèi)的全成本價值決定。

在已經(jīng)總量稀缺達(dá)到不能滿足單體取水的流域，才需要跨流域調(diào)水，在這種背景下，水資源價值首先取決于調(diào)水的成本，其次附加水質(zhì)還原或部分還原的經(jīng)濟成本。

水質(zhì)的還原價值，從系統(tǒng)熱力學(xué)角度來看，由清變濁是一個系統(tǒng)熵值的增加過程，水質(zhì)的還原則是一個通過外界能量的輸入減少熵值的過程。因此，水質(zhì)還原的經(jīng)濟價值本質(zhì)上應(yīng)是水質(zhì)變化的能量消耗成本。#NEWPAGE#

八、基于水質(zhì)經(jīng)濟學(xué)的服務(wù)和價格模型

水質(zhì)經(jīng)濟學(xué)概念的提出還將促進城市水業(yè)產(chǎn)業(yè)性質(zhì)的明確，因為城市水業(yè)所進行的正是水質(zhì)凈化的環(huán)境服務(wù)，其服務(wù)價格本質(zhì)上并不受到水量的影響，而是受改變水質(zhì)的成本影響。也就是說，城市水業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中的各個主體購買或者出售 “水”本身，而是轉(zhuǎn)化“水質(zhì)”的商業(yè)或者公共服務(wù)，污染了水質(zhì)就需要付費，而凈化了水質(zhì)則獲得收益，在此，服務(wù)收費的表現(xiàn)則是水價。

目前中國的水價結(jié)構(gòu)中由三個部分組成，分別是基于稀缺的資源價格（水資源費）、基于成本的工程水價（引水和供水）和基于環(huán)境達(dá)標(biāo)的環(huán)境水價（污水處理和污泥處理費）。

在水質(zhì)經(jīng)濟學(xué)中，以水質(zhì)變化為主線的水循環(huán)過程所發(fā)生的服務(wù)成本，將以新的組成內(nèi)容統(tǒng)一納入到水質(zhì)經(jīng)濟學(xué)的價格體系中。它們分別是：通過人工污水處理，使水質(zhì)還原到自然水體可以接受的成本價格（資源再生價格）；水資源提取、凈化和服務(wù)的工程服務(wù)價格（工程水價）；水體再生水所需基本凈化流量的配置調(diào)水直接成本和機會成本價格（流量補償價格）。在這個價格模型下，服務(wù)企業(yè)或者機構(gòu)根據(jù)服務(wù)的質(zhì)量收取相應(yīng)的價格。

九、水資源總量的理論值與經(jīng)濟值

按照給基于水質(zhì)的水資源模型，如果包括客水的評價區(qū)的水資源總量能夠滿足城市或工業(yè)的單體取水總量要求，那末如果單體排出的水質(zhì)和水量滿足流域水質(zhì)自然凈化的需要，該區(qū)域不存在水資源量的制約，制約的只是水質(zhì)凈化和還原的經(jīng)濟成本。

但是在僅僅是個理論假設(shè)，實際應(yīng)用基于水質(zhì)的水資源模型進行實際水資源核算時，則需要考慮以下因素。首先是返回量的制約，即取用水量排回自然水體的比例，排回水量的減少，對下游單體取水量形成了制約；二是取水量的制約，即汲取水量所占總流量的比例，它決定了自然水體的自然水質(zhì)凈化到能力；三是空間制約，即上下游不同取水單體之間的距離，它也是自然水質(zhì)再生的決定因素；四是排出水的水質(zhì)，它決定了自然水質(zhì)再生的時空要求；五是溫度、地質(zhì)、生態(tài)等自然因素的制約。共同考慮在這些制約因素的共同作用，我們可以計算出被評價區(qū)域的可利用水資源的理論值，也是生態(tài)允許的最高值。

這個實際值并不能在實踐中簡單應(yīng)用，它還受到經(jīng)濟成本和水價等因素的制約。我們把考慮了經(jīng)濟成本因素的核算值稱為水資源的經(jīng)濟值。一般而言，滿足模型要求實現(xiàn)水質(zhì)人工凈化的成本越高，水價越低，水資源的經(jīng)濟值越小。

十、缺水等級劃分的新思路

在基于水質(zhì)的水資源模型之下，特定區(qū)域的水資源缺水等級將以新的方式進行劃分。

在以水質(zhì)為核心的水資源模型中，我們在不影響流域生態(tài)功能的前提下，將是否可以短期“借出”符合取水水質(zhì)要求的、滿足區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水量要求的水資源，作為流域內(nèi)一定區(qū)域或城市是否缺水、是否需要跨流域調(diào)水的基礎(chǔ)和評判標(biāo)準(zhǔn)。

在此基礎(chǔ)上，將流域水體的凈化（好借）成本和人工水質(zhì)改善（好還）成本共同形成的全成本高低來表征流域水資源短缺的程度，并進一步用等級來劃分水資源稀缺的等級。

因此，在具體劃分等級時需要考慮兩個方面的因素：一是滿足地區(qū)需要取用的水資源總量的生態(tài)流量保障成本，包括可能的、適當(dāng)?shù)恼{(diào)水成本，這一成本將受到客水日最低流量的制約。二是污水處理還原成自然水質(zhì)再生能夠接納用水的全成本，這一成本受到下游取水距離、生態(tài)流量、下游取水要求的制約。

十一、結(jié)語

基于水質(zhì)的水資源模型和水質(zhì)經(jīng)濟學(xué)針對目前水資源模型中社會屬性關(guān)聯(lián)度不足的問題，在特定的條件下，通過水質(zhì)這一橋梁，實現(xiàn)了水的自然循環(huán)和社會循環(huán)的統(tǒng)一，實現(xiàn)了水在自然屬性與社會屬性的有機關(guān)聯(lián)，也進而實現(xiàn)了水質(zhì)與水量的統(tǒng)一。

但是，基于水質(zhì)的水資源模型和水質(zhì)經(jīng)濟學(xué)是剛剛提出的全新概念，其理論體系遠(yuǎn)未完善。我們希望和相信，這一針對中國水資源特征而提出的全新理念，會在關(guān)于水資源的經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)、管理以及環(huán)境政策領(lǐng)域中得到進一步的修正、發(fā)展和應(yīng)用。

附：第二十二期水業(yè)戰(zhàn)略沙龍“面向未來的中國水資源創(chuàng)新機制”

編輯：全新麗