德國(guó)地表水土地滲濾與供水安全簡(jiǎn)析
張健

摘要:本文簡(jiǎn)要介紹德國(guó)的供水水源分布，土地滲濾在供水中的作用與做法

一、德國(guó)供水水源概況
　　 德國(guó)自來(lái)水普遍是直接飲用，即我們常說(shuō)的直飲水。德國(guó)絕大多數(shù)自來(lái)水廠的處理工藝都比較簡(jiǎn)單，臭氧活性炭等深度處理在自來(lái)水廠的應(yīng)用比例相對(duì)較小，有的自來(lái)水廠甚至沒有消毒工藝。德國(guó)長(zhǎng)期實(shí)施土地過(guò)濾，這種接近自然的凈化水源的做法是其整個(gè)供水系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。
　　 上世紀(jì)早期德國(guó)水界也有過(guò)關(guān)于直接取地表水還是河床過(guò)濾的探討。土地滲濾作為一個(gè)安全自然的供水預(yù)處理系統(tǒng)在業(yè)界得到廣泛認(rèn)同和普及。雖然德國(guó)的一些地表水也經(jīng)歷了污染較嚴(yán)重的時(shí)期但是在供水水質(zhì)上一直得到了較好的保證。
　　 德國(guó)供水水源有62％來(lái)自真正意義上的地下水。即由自然水文循環(huán)，通過(guò)地表水下滲而產(chǎn)生的地下水。
　　 我們來(lái)看另外38％的水源的詳細(xì)組成（UBA：Versickerung und Nutzung von Regenwasser，2005）：

表1：德國(guó)地表水水源供水方式組成

　　我們看到在采用地表水作為水源供水中，直接使用河水的比例僅5％，河床及人工土地滲濾占43％。

二、地表水直接做水源供水
　　 巴登弗騰堡州的波登湖（Bodensee）供水系統(tǒng)是德國(guó)最大的地表水直接作為水源的供水系統(tǒng)，建立于上世紀(jì)五十年代。年供水量約1.7億噸水（www.zvbwv.de）服務(wù)人口約370萬(wàn)人，按德國(guó)人口8250萬(wàn)計(jì)，這相當(dāng)于表一中水源水庫(kù)、湖泊一項(xiàng)的41%。
　　 波登湖供水量是該湖進(jìn)水總量的約1/80，所以取水不會(huì)對(duì)湖泊原有的水文循環(huán)產(chǎn)生影響。取水處湖水深約250米，取水口設(shè)在60m深度，水溫5℃，從而避免湖表面層水質(zhì)及底泥的影響。湖水經(jīng)過(guò)濾、臭氧氧化、沙濾、加氯消毒，輸水，供斯圖加特等地區(qū)用水。
　　 波登湖在上世紀(jì)七十年代也出現(xiàn)了明顯的富營(yíng)養(yǎng)化等污染，污染主要是農(nóng)業(yè)面源（化肥、農(nóng)藥）的污染，鐵路周邊使用的除草劑，生活廢水中的含磷、含氮物質(zhì)。通過(guò)廣泛的控制措施（包括污水處理）湖水水質(zhì)得到有效改善。
　　 9．11事件后，波登湖供水的防、反恐又是人們關(guān)注的議題。其實(shí)早在七、八十年代“紅色旅”（RAF，德國(guó)恐怖組織）時(shí)期就制定和實(shí)施了廣泛的安全措施。也有人認(rèn)為，系統(tǒng)從取水和處理的設(shè)計(jì)上有對(duì)供水安全性方面詳盡的考慮，“即使投毒，作案者也要開著卡車投毒才能對(duì)此系統(tǒng)構(gòu)成威脅”，而嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)、監(jiān)控措施應(yīng)該能及時(shí)檢測(cè)、發(fā)現(xiàn)和報(bào)警。
　　 盡管如此，上個(gè)月（05年11月）報(bào)紙報(bào)導(dǎo)有人宣稱將農(nóng)藥倒進(jìn)湖里，造成了媒體一個(gè)不小的驚慌。
　　 波登湖供水聯(lián)合體自五十年代成立以來(lái)已發(fā)展到170多個(gè)縣、市。極端情況下，成員單位可啟動(dòng)其加盟以前的供水系統(tǒng)。

三、河床過(guò)濾
　　 河床過(guò)濾在萊茵河、Elbe河等周邊供水采用的較普遍。其做法是不直接取河水而是在河岸邊打井取水，嚴(yán)格講應(yīng)是河水與地下水的混合。
　　 地表水（河水、湖水）靠水的壓力下滲（見圖1示意）。河水與地下水的比例受季節(jié)（水位）和取水量的影響。污染物在過(guò)濾中的去除主要通過(guò)吸附，生物降解。河岸過(guò)濾已經(jīng)使用了幾十年，早期對(duì)污染物的去除機(jī)理并沒有很多認(rèn)識(shí)，更多來(lái)自對(duì)自然過(guò)程的模擬。有關(guān)于萊茵河河岸過(guò)濾的研究顯示，在出現(xiàn)突發(fā)性水污染事件后，河岸過(guò)濾可以起到天然屏障的作用，污染物的穿透率可減至河水高峰濃度的1-2％。
　　 除了河岸土地過(guò)濾外，湖邊土地過(guò)濾的一個(gè)十分典型的例子筆者在另一短文中曾作了介紹，這里不再展開（張健,2005，城市污水控制與水資源若干問題反思，www.wxjxgy.cn.cn）

圖1河岸土地過(guò)濾示意圖

　　除了直接地利用河岸的土地過(guò)濾之外，在自然河岸過(guò)濾通量不夠或其他方面不具備條件時(shí)，人工的地表水反滲地下水成為重要的補(bǔ)充方案。

四、人工滲濾地下水
　　 用主要成份為雨水和污水處理廠出水的河水經(jīng)處理后反滲地下水，西柏林的Jungfernheide水廠算是一個(gè)典型的例子。
　　 由于過(guò)量開采地下水，上世紀(jì)六十年代西柏林地下水水位下降了1.5米。為保持地下水位，西柏林開始系統(tǒng)實(shí)施地表水反滲地下水工程。1966年起開始用流經(jīng)市區(qū)的Spree河水在給水廠周邊設(shè)反滲廠來(lái)制備地下水。最初是用篩濾（60um）來(lái)去除藻類和顆粒物。與此同時(shí)河水水質(zhì)不斷下降，磷、藻類濃度逐年上升，特別是干旱季節(jié)，河水中含污水處理廠出水已達(dá)50%，所以到了上世紀(jì)八十年代不得不對(duì)河水作進(jìn)一步的處理（混凝絮凝、沉淀、二次混凝和多介質(zhì)過(guò)濾）。處理后的水經(jīng)滲濾場(chǎng)（圖2）和人工溝渠濕地制備地下水。取水點(diǎn)處設(shè)有水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)，在污染物含量高時(shí)（如船只漏油）取水停止。

圖2：Jungfernheide 人工滲場(chǎng)（Baerthel：Wasser fuer Berlin，1996）

　　上世紀(jì)八十年代西柏林共建了四個(gè)類似的地表水處理廠，用于補(bǔ)充地下水源，其中Tegel地表水處理廠出水先作為湖水（浴場(chǎng)、景觀）然后補(bǔ)充地下水。
　　這些地下水補(bǔ)充設(shè)施所補(bǔ)充的地下水占地下水開采總量的約1/5。雖然總量有限，但它避免了1）地下水水位下降2）用地表水作為水源。

五、雨水回滲地下水
　　 城市區(qū)域雨水對(duì)地下水的補(bǔ)充的意義在上世紀(jì)七十年代后得到廣泛共識(shí)與重視，但德國(guó)雨水管理的歷史更久遠(yuǎn)。城市區(qū)域最早實(shí)施雨水分片蓄積的思考是為了消減暴雨徑流對(duì)城市管網(wǎng)的沖擊。七十年代后普及分散雨水蓄積、回滲地下水的做法除生態(tài)意義外，同樣重要的原因是出于排水管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，因?yàn)檫M(jìn)入七十年代后歷史上修建的城市管網(wǎng)進(jìn)入了翻新、擴(kuò)建的高峰期。
　　 雖然城市區(qū)域雨水回滲地下水對(duì)維護(hù)地下水源的貢獻(xiàn)量尚未見到系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)，但相關(guān)案例的研究已充分說(shuō)明其生態(tài)和經(jīng)濟(jì)意義。圖3顯示漢諾威一個(gè)新建居住區(qū)的雨水去處分布比較（Landeshauptstadt Hannover， Regenwassernutzung，2000)，通過(guò)系統(tǒng)的雨水管理工程，雨水在城市化后下滲量可以達(dá)到城市化前的通量。

六、相關(guān)議題
　　 通過(guò)土地的滲濾對(duì)地表水進(jìn)行凈化在德國(guó)過(guò)去幾十年得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)業(yè)內(nèi)的研究越來(lái)越熱，可以體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　1．盡管這一做法已經(jīng)很普及而且已經(jīng)有幾十年的使用歷史，但是污染物的去除機(jī)理方面仍然有很多不明白的地方，包括不同物質(zhì)在不同pH值、含氧量、微生物濃度、種類等情況下的作用機(jī)理。
　　2．“盡管一些工業(yè)國(guó)家在給水處理上非常注重高技術(shù)裝備的應(yīng)用，但仍然存在很多頭疼的問題，而河床過(guò)濾給我們提供了更自然、穩(wěn)定、安全的有效凈化途徑”，這一觀點(diǎn)較能代表德國(guó)業(yè)內(nèi)的共識(shí)。
　　3．有不少學(xué)者認(rèn)為這一天然的處理思路更應(yīng)該在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū)得到應(yīng)用，特別是當(dāng)河流接納較多未經(jīng)處理的污水的地區(qū)，河岸過(guò)濾可以經(jīng)濟(jì)地提高供水安全性。德國(guó)及其他歐盟國(guó)家的學(xué)者目前在跟印度、巴西等國(guó)家展開合作進(jìn)行研究和示范。

后記：
　　 幾年前在德國(guó)接待國(guó)內(nèi)一位同行朋友時(shí)我們就河岸過(guò)濾與河水直接深度處理的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了探討，特別是在德國(guó)這樣一個(gè)盛產(chǎn)水技術(shù)與設(shè)備的國(guó)家為什么自然過(guò)濾先于深度處理？哈爾濱水源污染事件后業(yè)內(nèi)對(duì)供水安全展開了一些討論，于是想到把上面一些的情況寫下來(lái)，也許是對(duì)開闊討論議題的一點(diǎn)啟發(fā)。