Hermann H. Hahn¹，宋永會²
（1. 德國卡爾斯魯厄大學(xué)水環(huán)境工程研究所，德國 卡爾斯魯厄 D-76128；2. 中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012）

　　摘要：本文回顧了城市水系統(tǒng)及其管理思想的發(fā)展歷史，分析了傳統(tǒng)的集中式城市水系統(tǒng)的缺點和局限性：城市水環(huán)境以及水文循環(huán)的破壞、污水處理的困難、巨大的資金需求和建設(shè)周期的漫長；指出了現(xiàn)代和未來城市水系統(tǒng)管理所面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展機遇：干旱和極端降水、城市化加劇、技術(shù)的進步和組織管理上的需求；闡述了未來城市水系統(tǒng)管理的思想，即必須用整體論的思想作指導(dǎo)，實行節(jié)約用水，進行全球性的資金、技術(shù)和經(jīng)驗的共享。
　　關(guān)鍵詞：城市水管理；污水系統(tǒng)；集中式系統(tǒng)；整體論；節(jié)水；共享

Urban Water and Wastewater Systems - Yesterday, Today and Tomorrow Hermann H. Hahn¹, Yonghui Song²
(¹Institute of Aquatic Environmental Engineering, University of Karlsruhe, 76131 Karlsruhe, Germany; ²Chinese Academy of Environmental Sciences, 100012 Beijing, China)

Abstract: The historical development of urban water systems and their management concepts are reviewed, and the disadvantages and limits of the traditional centralized urban water systems are analyzed, which include the destroying of the urban water environment and the water cycle, the difficulties in wastewater treatment, the great financial demands and the long time of construction. The challenges and opportunities of the managements of urban water systems are pointed out, including the more frequent drought and extreme precipitation, the intensification of urbanization and the demands of progress of technologies and organization. The concept for the management of tomorrow’s urban water systems is expounded: the concept of viewing the management of urban water systems as a whole should be taken as the guidance, water saving must be practiced, the global finance, technologies and experiences in the field should be shared.
Keywords: Urban water management; Wastewater system; Centralized system; Viewing the situation as a whole; Water saving; Sharing

1 引言

　　城市水管理是一項由來已久的任務(wù)，許許多多的歷史證據(jù)顯示，在所有的文明中都有如何實現(xiàn)供水，如何安全衛(wèi)生地實現(xiàn)居民區(qū)雨水、固體和液體廢棄物排除的成功措施。但是，過去的工業(yè)革命和當(dāng)今的社會巨變，導(dǎo)致了不可預(yù)測的城市化速度，使得我們不能再用傳統(tǒng)的措施解決問題。即使是西方國家從第一波工業(yè)化浪潮以來發(fā)展形成的思想，也不足以應(yīng)付今天的問題；盡管這些思想曾經(jīng)幫助一些水環(huán)境的質(zhì)量恢復(fù)到了尚可接受的程度，但似乎也不再是在未來有希望的思想。
　　高度城市化所造成的問題在世界上許多地方是顯而易見的，這些問題嚴(yán)重阻礙了健康的社會和社會結(jié)構(gòu)的發(fā)展，特別是在工業(yè)化和城市化速度超出了社會財政和組織能力的地區(qū)更是如此。聯(lián)合國機構(gòu)的統(tǒng)計報告顯示^[1]，世界上許多人沒有衛(wèi)生的水供應(yīng)和衛(wèi)生設(shè)備；報告還顯示了這種缺乏城市基礎(chǔ)設(shè)施的悲哀后果：疾病、傳染病和高死亡率，特別是兒童的高死亡率。世界領(lǐng)袖們的千年宣言^[2]，以及部分地在約翰內(nèi)斯堡峰會^[3]和京都會議^[4]上的論述對這種欠發(fā)達(dá)問題作出了回應(yīng)，設(shè)定了發(fā)展目標(biāo)，以求發(fā)展新的思想，展開新的行動，采取新的措施。
　　本文簡要討論城市水系統(tǒng)的管理，目的是對過去和現(xiàn)有思想的局限性進行探索，進而研究基于新技術(shù)條件下解決未來（應(yīng)該說“已經(jīng)開始的”未來）問題的新思想。

2 “歷史上的”挑戰(zhàn)¾解決早期城市化問題所形成的思想

　　19和20世紀(jì)，隨著人口密度的增大，許多城市面臨著幾乎不可能完成的任務(wù)，那就是通過巨大并持續(xù)增長的集中式系統(tǒng)，一直不斷地提供大量安全的飲用水。這種給水任務(wù)包括其實并不需要如此高質(zhì)量水的用途，例如用于運輸居室廢物的用水。使用這種散漫的給水系統(tǒng)的后果就是必須再收集所有用過的水¾多數(shù)是和城市雨水一起收集，這導(dǎo)致了另一個巨大的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，即污水排放系統(tǒng)的建立。迄今，這種非常集中的城市水管理思想已經(jīng)有100多年的歷史了，人們可以說，這種直接供水然后再加以收集的任務(wù)是能夠完成的、可以控制的。
　　但是，這種方式對城市及其更廣泛地區(qū)水環(huán)境的影響是災(zāi)難性的：干凈水的汲取和廢水的再注入導(dǎo)致了嚴(yán)重的水體污染，從而明顯削弱了當(dāng)?shù)厮淖匀谎h(huán)。因此，很快就發(fā)現(xiàn)，要實現(xiàn)集中式給水和污水收集，必須對原水進行強化處理以獲得飲用水，而在污水排放到自然系統(tǒng)之前也必須進行處理。
　　給水輸送和廢水收集的支出是巨大的，給水凈化和污水處理也需要巨大的資金支持。比較可以發(fā)現(xiàn)，僅僅是運輸支出，即給水輸送和污水收集的消費也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水質(zhì)凈化的支出。如果用這種建設(shè)集中式基礎(chǔ)設(shè)施的思想解決問題，首先的問題便是設(shè)計和建設(shè)這種巨大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所需要的時間是很長的，阻礙了給水和污水處理任務(wù)的迅速完成。

圖1 傳統(tǒng)的重力驅(qū)動污水系統(tǒng)的歷史發(fā)展：最初起源于運輸生活污水到原來是天然水體的城市水體；后來系統(tǒng)被擴展延伸，加入了工業(yè)廢水的運輸；然后這些污水和廢水在充分混合的情況下被運輸?shù)轿鬯幚韽S，經(jīng)過那里被排放到天然水體中

Figure 1 Historical development of classical gravity driven sewer system, frequently originating with the inclusion of domestic wastewater into originally natural bodies of urban waters, then enlarged or extended with the addition of industrial wastewaters, all being transported in a completely mixed form to a wastewater treatment unit from where this is discharged into natural bodies of water

　　圖1所描繪的是歷史上城市污水系統(tǒng)管理的措施。在19世紀(jì)后期直到20世紀(jì)，這些措施對減輕工業(yè)化和城市化帶來的問題發(fā)揮了重要作用。但是必須注意，采取這些措施的前提條件是，必須有足夠的時間和足夠的財政支持來建設(shè)這些基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。
　　這種思想帶來的明顯問題是，系統(tǒng)被擴展或曰濫用，進行生活污水（多數(shù)是來自天然的可生物降解的物質(zhì)）之外的其它物質(zhì)，例如含有通常有害的人造工業(yè)廢棄物的收集和去除。這種系統(tǒng)的缺憾或曰失敗之處也在于此，源于城市雨水徑流和生活污水的各種污水流在系統(tǒng)內(nèi)混合，來自工業(yè)源的優(yōu)先控制污染物也被包含其中，極大地增加了處理難度。

3 過去缺點的改正¾改變了的和現(xiàn)代化的污水系統(tǒng)

　　多年以來的經(jīng)驗表明，集中式水系統(tǒng)的一些嚴(yán)重的缺點可以歸納如下：
　?。?）　 在大的居民區(qū)內(nèi)，更多的在城市、大城市和超大城市的周邊，水文循環(huán)和城市水源受到嚴(yán)重的破壞。
　?。?）　 永無止境增長的復(fù)雜城市系統(tǒng)使得對污水收集系統(tǒng)容量的要求不斷增加（對給水系統(tǒng)容量的要求也在不斷增加¾切記：與之平行的給水和污水基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和管理同樣必須不斷增加，并且它們在許多方面相互影響。），多數(shù)或主要是由于不能滲透的排水面積的增加而導(dǎo)致的城市暴雨徑流量的增加。
　?。?）　 由于所有廢物成分在一個單一的系統(tǒng)中收集、混合和運輸，使得污水處理和對污水中一些組分的回用變得極其困難。
　　這導(dǎo)致了污水收集基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的變化¾無疑也包括給水管網(wǎng)系統(tǒng)的變化，如圖2所示。

圖2 為補償現(xiàn)存系統(tǒng)缺陷的改進，包括：（1）通過滲濾將城市降水重新引入到地下水中；（2）用雨水部分地代替生活和工業(yè)供水；（3）工業(yè)內(nèi)部水處理和循環(huán)。但也應(yīng)注意由于城市地下水的富集所造成的對破損的污水系統(tǒng)的滲漏

Figure 2 Modification of existing system to compensate for the recognized shortcomings includes (1) re-introduction of urban rainfall into the groundwater through infiltration, (2) the substitution of domestic and industrial water supply in part by using precipitation and (3) the internal water treatment and recycling in industry. It is also indicated that there might be an adverse effect of such enrichment of urban groundwater resources in terms of increased seepage into faulty sewer systems

　　這種對已有城市基礎(chǔ)設(shè)施的改進，不應(yīng)看成是一次性的行動，而應(yīng)當(dāng)是一種持續(xù)不斷的過程。這一過程在強度和方向上會改變，一方面取決于技術(shù)進步，另一方面取決于財政和/或組織以及法律上的約束。

4 城市水管理變化的邊界條件

　　無論何時何地人們總是期待變化，然而決定城市水系統(tǒng)的邊界條件和施加在這些系統(tǒng)上需求增加的變化似乎在超乎尋常地向相反的方向掙扎。比起其它領(lǐng)域，它們對城市基礎(chǔ)設(shè)施的需求更多,面臨的挑戰(zhàn)主要有以下的三個方面：
　?。?）　 極端的降雨事件和干旱的周期。近年來，由于全球氣候變化所帶來的極端降雨和干旱問題正變得日益嚴(yán)重。極端的降雨事件造成了污水收集和運輸?shù)膯栴}，而干旱造成了供水缺乏問題。
　?。?）　 為了不斷增長的世界人口提高日常生活對水質(zhì)和水量的需要¾特別是日益增長的城市人口[5]（見圖3）帶來的居民生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水需求的增加對水圈造成的壓力。大城市的增長已經(jīng)超出了它們的“自然”邊界，而在給水和衛(wèi)生管理方面尚無令人滿意思想準(zhǔn)備的超大城市已經(jīng)誕生。未來的主要任務(wù)之一是，從現(xiàn)有的城市增長和供需關(guān)系的角度發(fā)展居住區(qū)規(guī)模優(yōu)化的策略。
　　（3）　 與挑戰(zhàn)性需求同步的技術(shù)和管理的發(fā)展。例如設(shè)想利用新的技術(shù)選擇，建立水循環(huán)幾乎封閉的居住區(qū)，或者設(shè)想出現(xiàn)提供給水和衛(wèi)生服務(wù)財力的私營企業(yè)。

圖3 城市人口的持續(xù)增長：發(fā)達(dá)工業(yè)化國家如德國，其城市人口所占總?cè)丝诒壤栽谠黾?；發(fā)展中國家如中國，到2015年其城市人口所占比例將接近世界平均水平

Figure 1 The growth of the urban population: in developed industrialized countries like Germany the ratio of the urban population is still increasing, and in developing countries like China the urban population ratio will reach the world average level in 2015

　　迄今，已有令人信服的技術(shù)發(fā)展，例如在水和污水運輸領(lǐng)域，不用重力驅(qū)動，而是用真空系統(tǒng)或壓力水管的（污）水系統(tǒng)；還有許多水處理新技術(shù)出現(xiàn)，例如改進的實用型膜工藝和高級氧化工藝。這說明未來給水和污水處理廠技術(shù)選擇的多重性，這些技術(shù)發(fā)展對所有現(xiàn)存的和將要建造的設(shè)施均具有重要意義。
　　另外，操作技術(shù)的日益提高，將會提高現(xiàn)有和新建處理廠的運行效率。我們將見證在營養(yǎng)元素強化去除、不完全消毒方式的建立或優(yōu)先污染物控制水平提高方面設(shè)施的變化。因為這些新的發(fā)展，我們也能夠用分散式處理單元代替大型集中處理設(shè)施。相應(yīng)地，在居民區(qū)或工業(yè)上，封閉的水循環(huán)可能建立起來。
　　為了改變現(xiàn)在的不利局面，工程師們更容易看到技術(shù)方面的選擇和發(fā)展，但是人們也越來越多地看到基于法律框架、組織、財政和操作等其它方面的需求和發(fā)展的潛力。表1試圖展示，在所有的領(lǐng)域都有所發(fā)展，非技術(shù)選擇看起來至少與技術(shù)選擇同樣數(shù)不勝數(shù)。

表1 在市政水系統(tǒng)管理方面，技術(shù)的、社會的和組織管理的狀況及發(fā)展趨勢

Table 1 Sociological, administrative and organisatorial conditions to be observed by the management of municipal water systems

技術(shù)的 社會的 管理的

· 內(nèi)容復(fù)雜性的增長

· 運輸危險性的增加

· 處理過程的小型化

· 自動化和控制的提高

· 城市化的加劇

· 期望值和需求的提高

· 為了更舒適的消費增加

· 分散式和人性化操作的需要

· 專門化和無名化對私人參與的阻礙

· 保證公共福利的必要性

· 市政面臨多重任務(wù)但缺少資金

· 公共/私人參與在其它領(lǐng)域的成功例證

· 吸引私人資金的需要

· 工業(yè)管理專門知識的利用

5 未來該做什么

　　歷史學(xué)家告訴我們：分析過去就能知道未來，了解過去的發(fā)展成就和失誤，就能找到解決未來問題的辦法¾確認(rèn)我們過去的成績和問題，經(jīng)過演繹外推，我們就能得到以下的三條“規(guī)則”：
　?。?）　 需要一種“整體論”的思想路線解決給水和衛(wèi)生管理方面的所有問題。
　?。?）　 用水原則必須用“節(jié)約”的原則來支配。
　?。?）　 必須“共享”資金、技術(shù)和操作經(jīng)驗。
　　讓我們來具體看一下這些規(guī)則的內(nèi)涵。首要地，將城市水系統(tǒng)管理作為一個整體來處理。這意味著從組織上、建設(shè)上或操作上不再把給水和污水收集分開，我們要學(xué)會將這些任務(wù)象圖4描繪的那樣按照完全質(zhì)量平衡的原理進行處理。圖中顯示，有各種水流和許多不同的物質(zhì)流進入市政規(guī)劃區(qū)域，而所有的這些物質(zhì)必須離開這個封閉的空間。
　　這意味著我們不能再沿用先前關(guān)于給水和衛(wèi)生管理分離的措施和對策。我們不得不分析和優(yōu)化總體的市政水循環(huán)，就象“歐洲水框架指導(dǎo)”^[6]所要求的那樣。此外，也不能再沿用以前根據(jù)給水需求來支配水管理以及為保護人類需求為優(yōu)先的思想。就象從德國水法（WHG¾Wasserhaushaltsgesetz）自1976年以來的第四次修訂的變化一樣^[7]，保護整個的水生態(tài)系統(tǒng)才是面向未來的整體水管理的正確道路，德國關(guān)于不同層次水環(huán)境，如對養(yǎng)魚、娛樂、生活給水等的定義，進一步顯示了這一思想本質(zhì)。

圖4 城市區(qū)域總體物質(zhì)流分析和平衡：無數(shù)水流和其它物質(zhì)流或者以循環(huán)的方式被利用，或者離開城市，亦即被排放掉

Figure 4 Overall mass flow analyses and balances in an urban region, pointing to the fact that there are numerous influxes of water and other matter that can either be used in cyclic fashion or must leave the city, i.e. be discharged

　　第二條規(guī)則，盡可能地節(jié)約用水，即使在沒有直接缺水問題的區(qū)域也要節(jié)約用水，盡管并非人人都這么認(rèn)為。遵循這一規(guī)則有許多方面。正如我們討論的那樣，居民用水需求通常更多的是一個基礎(chǔ)設(shè)施的問題，而不是可用水總量的問題。在這種情況下，我們更應(yīng)當(dāng)考慮節(jié)省運輸，通過技術(shù)進步，利用可行的分散式供水和衛(wèi)生設(shè)施來避免昂貴的管網(wǎng)運輸。工業(yè)水管理證明了這種捷徑式或封閉式水循環(huán)的可能性和界限。另一方面，未來農(nóng)業(yè)用水更有可能極大地增加，因此在這樣的區(qū)域，不僅有極大的節(jié)水需求，而且有極大的節(jié)水潛力。需要發(fā)展這樣一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)計劃：我們不用吃“冬天的草莓”而活著，亦即不要在最缺水的地區(qū)生產(chǎn)、出口和運輸這樣的產(chǎn)品到無論是水資源還是財力都很奢華的地區(qū)去。
　　因此，未來城市水管理的目標(biāo)，節(jié)約用水將通過以下途徑實現(xiàn)：
　?。?）　 不在水資源分布不均衡的地區(qū)間進行用水量巨大的農(nóng)產(chǎn)品的進出口。
　?。?）　 降低污水收集和運輸?shù)呢斦推渌呐Γ貏e是在水資源缺乏而又缺少城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的地區(qū)。
　　今天有許許多多的選擇來實現(xiàn)上述的策略，一系列的可能如圖5所示，主要的措施有兩個：
　　（1）　 水組分的下級循環(huán)和傳統(tǒng)的小處理廠（圖中左部分）。
　　（2）　 所有物質(zhì)流的分開收集和建立擴展的封閉循環(huán)（圖中右部分）。
　　當(dāng)然，在居民區(qū)和城市水管理中，在“走向更封閉的水循環(huán)”上可以有各種變化和組合。

圖5 在居民區(qū)和城市水管理中走向封閉的水循環(huán)已經(jīng)有各種可能的途徑，如圖所示有兩種選擇：（1）利用其它水源（如降雨）而減少管道控制水的輸入和輸出；（2）水的回用和建立近乎封閉的水循環(huán)用于飲用水之外的目的。用現(xiàn)有的技術(shù)都能實現(xiàn)這兩種方式

Figure 5 Moving towards a closed water cycle in domestic or urban water management has become possible in various ways, illustrated in this figure by two options: (1) minimizing pipe controlled water input and export by using additional sources (for instance precipitation) and (2) water re-use and establishing nearly closed water cycles for use beyond the drinking water use. Both types of solutions are made possible today by existing technology

　　第三條規(guī)則，進行水管理資金、技術(shù)和操作經(jīng)驗的國際“共享”。從全球來看，健康安全用水的缺乏是巨大的，解決這一問題取決于道德的和經(jīng)濟的考量，這已經(jīng)形成國際共識。為了實現(xiàn)這一切，特別是在開發(fā)他們所有的資源來試圖滿足人口增長需求的國家和地區(qū)中，需要共享資金、技術(shù)和操作經(jīng)驗。許多“水管理有問題的地區(qū)”缺乏資金、技術(shù)和操作經(jīng)驗，但是這些資源可以從其它地區(qū)獲得。此外，許多國家的經(jīng)驗表明，即使在用水力度很強的情況下，也能保護好水環(huán)境和與之密切相關(guān)的人類健康。
　　表2列舉了城市水管理的共享伙伴及其需求定向。對主要角色及其特點的列舉，證明了在定向上的不同和以不同的方式因應(yīng)這種需求的可能性。這種共享能夠而且必須在不同的區(qū)域和國家間發(fā)生。這方面的共享可以有很多途徑。在城市水管理方面，共享各種資源的可能性和應(yīng)對挑戰(zhàn)的一個例子是辨別、確認(rèn)這一領(lǐng)域的所有角色，他們是：（1）水的用戶，也是污水生產(chǎn)者；（2）保護水資源的當(dāng)局；（3）設(shè)計、建設(shè)和操作機構(gòu)。全球化城市水管理的最貼切意義是，這里的角色不必特指來自某一國家、地區(qū)或組織。

表2 在城市水管理方面的共享伙伴及其需求定向
Table 2 Sharing partners in urban water management and their demands orientation

水用戶 管理部門 規(guī)劃、建筑和操作機構(gòu)

消費者和生產(chǎn)者希望和需要資訊：

· 無限制可用的成本（可能的削減）

· 當(dāng)前可用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

· 質(zhì)量和安全需要

· 無限制供應(yīng)和衛(wèi)生的益處

市政和國家需要資訊和關(guān)心：

· 對所有的消費者均等的機會

· 現(xiàn)在和未來消費者的需求

· 沿岸上游和下游的利益沖突

· 管理決策的衛(wèi)生學(xué)后果

規(guī)劃、建筑和操作工程師保證：

· 技術(shù)可行性和適用性

· 成本的回收和資金

· 明顯可確定的收益

· 操作者開發(fā)和使用

· 新的技術(shù)、組織和資金選擇

6 結(jié)語

　　本文簡要討論的目的是揭示我們?nèi)绾文軌蚝捅仨殢倪^去城市水管理的經(jīng)驗和教訓(xùn)中學(xué)習(xí)。面向未來的城市水管理思想，可以定義為三條規(guī)則或曰指南，其中首要的是，要用整體論的思想解決城市給水和排水問題，這也是其它規(guī)則的指南。
　　有許多關(guān)于“水的戰(zhàn)爭”的公開討論，因它們是可以預(yù)見的。這種表述無疑顯示了問題的嚴(yán)重程度。已經(jīng)有諸如造成許多犧牲品的“無聲戰(zhàn)爭”：象世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計的那樣，許多人、年輕人死于供水不足和不健康廢物、廢水收集的危害。作為結(jié)論，我們應(yīng)該意識到，城市水管理是當(dāng)代最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一，也是最具回報的任務(wù)之一。我們可以征服月球，但是我們還沒有管理好我們的后花園，使之達(dá)到應(yīng)有的狀態(tài)。
　　在討論未來城市水管理的措施時，我們不能忽略的另一點是：衛(wèi)生學(xué)的挑戰(zhàn)。如今，這一問題再次出現(xiàn)了。歷史告訴我們，給水和污水間的短路會導(dǎo)致傳染病。我們已經(jīng)看到了集中給水和排水系統(tǒng)的功效，但我們沒有時間和資金來將這種傳統(tǒng)的措施應(yīng)用到其它地區(qū)去。因此，有必要重新評估收集、混合所有的廢物，然后基于分離的目的處理它們的思想和方式。但是在思考分散系統(tǒng)的時候，我們必須記取過去的教訓(xùn)：衛(wèi)生健康不是自然而然的質(zhì)量保證，必須不斷地為其付出努力。

參考文獻：

[1] The UN Millennium Project. Fast Facts: The Faces of Poverty. New York: United Nations, 2005
[2] United Nations. United Nations Millennium Declaration. New York: UN Department of Public Information, 2000
[3] United Nations. Report of the World Summit on Sustainable Development. New York: United Nations, 2002
[4] Michel D. Climate Policy for the 21st Century: Meeting the Long-term Challenge of Global Warming. Washington D C: Center for Transatlantic Relations, 2003
[5] United Nations. World Urbanization Prospects: The 2003 Revision. New York: UN Department of Economic and Social Affairs, Population Division, 2004
[6] Mostert E. European Water Framework Directive and River Catchment Management. Oxford: Pergamon Press, 2003
[7] Hofmann F. Wasserhaushaltsgesetz: Textausgabe mit Erläuterungen und Ausführungsvorschriften. Berlin: Erich Schmidt Verlag, 1999