基于ET约束下的城市废污水再生利用研究
1前言
海河流域是我国政治文化中心和经济最发达地区之一，也是我国水资源十分缺乏的地区，流域内人均水资源量仅293m3，不足全国平均水平的1/7和世界平均水平的1/24，远远低于国际公认的人均1000m3水资源紧缺标准。随着流域经济社会的高速发展，水资源供需矛盾加剧和过度开发，导致了河流干涸断流，地面不断沉降，水体污染严重，湿地面积萎缩，河口生态退化等一系列生态环境问题。
城市废污水具有不受气候的影响，水量稳定可靠，保证率高等优点，可以回用于城市景观用水、绿化用水、冲刷街道、工业用水和郊区农业灌溉等对水质要求不高行业，自上世纪80年代以来流域内一些城市相继建设了污水处理与回用工程，城市污水被作为了第二水源进行开发利用。
城市废污水再生利用对于缓解一个城市或地区水资源紧张状况和促进水环境的改善起到了积极的作用。然而，由于缺乏统一的废污水再生利用规划，城市废污水再生利用却进一步打破了流域水资源的自然循环，加大了水资源开发利用程度，使得上下游之间的水资源的纷争更加严重，流域水资源的紧张状况加剧，下游地区因资源性缺水引发的生态环境恶化愈演愈烈。如何确定合理的城市废污水的再生利用量成为海河流域一个迫切需要解决的问题。
1.1 ET控制与污水再生利用
1.1.1 ET的定义
ET是蒸散发量英文Evapotranspiration的缩写，是蒸发和蒸腾量的总称。狭义的ET是指植物生长过程中通过蒸腾蒸发消耗的水分量。
本文所指ET是在自然水文循环过程中蒸散发和人类在水资源开发利用过程中蒸腾蒸发消耗的水资源量，是离开陆地水文水资源循环而人类无法在进行利用的水资源量。对于不同的用水户而言，根据其内部对水源的不同要求和供用水方式，可以概化为生活ET、工业ET、农业ET、人工生态ET和天然生态ET，还包括土壤水蒸发，以及降水产生的植被截流蒸发和地表填洼水等的蒸发。
ET涉及水循环过程、能量循环过程和物质循环过程，并伴随着物理反应、化学反应和生物反应，是地表热量平衡和水量平衡的重要组成部分，水资源研究的重要内容之一[2]。ET作为区域水量平衡和能量平衡的主要成分，不仅在水循环和能量循环过程中具有极其重要的作用，而且也是生态过程与水文过程的重要纽带。开展以ET为核心的水资源管理的研究，对区域社会人水和谐发展具有重要的意义。
1.2 ET的形成与测定
在人类活动未涉及之前，ET是自然水循环过程的一部分，其形成完全依靠太阳辐射到地球表面的能量。在人类活动的影响作用下，人为改变了原有的ET的形成过程，特别是城市化的进程发展，城市水资源系统用水部门多，用水过程复杂，用水管网密集，组成的系统庞大，引水、用水、排水过程基本自成体系，城市陆面结构的变化和大量能源(如电、煤炭、石油和天然气等)的集中消耗，使ET的形变得更加复杂。
国际上对ET的测定和计算方法的研究已取得了一系列成果。比较有代表性的如:Bowen在1926年提出的利用地表能量平衡方程计算得到蒸发量的鲍恩比－能量平衡法(BREB法)；Thornthwait和Holzman利用边界层相似理论计算蒸发量的空气动力学方法；Monteith于1963年通过引入“表面阻力”的概念导出的计算蒸发量的Penman－Monteith(P-M)公式；Swinbank于1955年提出用涡旋相关技术直接测量并计算蒸发(散)量的涡旋相关法等。从上世纪70年代，国外相继开始了用卫星遥感技术计算区域蒸散发量的研究工作，至今已取得了一系列成果。
迄今为止，国内外在植物生长过程中蒸散发消耗水分量研究方面，特别是在农业节水灌溉领域，已经积累了大量有价值的成果，技术方法也日趋成熟。对于城市ET的测量，目前国内外对其不同的组成部分计算已有初步的研究，尚无成功完全计算城市ET的方法。荷兰人W.G.M.Bastiaanssen认为大城市的环境ET一般在200mm左右。谢新民等对河南省安阳市水资源评价中，通过水平衡分析该市的气压、气温、湿度、风力、太阳辐射和降水等气象因素和水资源开发利用情况，认为安阳市区（郊）ET为607.81mm。
本文根据水资源开发利用的过程，将ET分为环境ET（包括城市城区环境和农村区域的农业及自然环境）、生活ET和工业ET，分别采用遥感监测和数理统计分析的方法计算。环境ET利用遥感监测和SEBAL模型进行计算，SEBAL模型利用卫星遥感图像，通过陆地表面能量平衡法，计算陆地复杂表面的ET，相对精度维持在85%左右。SEBAL模型不足在于不能计算由生物能（人、动物自身的热量）、矿物能（如煤炭、石油、天然气等）、电能所产生的ET，以及雨后植被冠层产生的ET。对于城市生活ET和工业ET的计算采用数理统计分析的方法，随着城市化进程和大中城市管网改造更新步伐的加快，城市供排设施日趋完善，供水、用水、排水统计数据较为准确，计算也相对较为准确，同时弥补SEBAL模型在这方面的不足。对于传统的城市水工业产品（如饮用纯净水、啤酒、饮料等）所消耗的水资源量，由于在流域内的生产和排放基本处于动态平衡状态，从流域层面来看可以忽略。
1.3 ET与污水再生利用
废污水作为水资源系统的一个组成部分，通过城市水资源的优化配置，为城市工业、河湖景观、绿化以及农业灌溉等对水质要求较低的行业或部门提供了稳定的水源，在解决城市水资源供需紧张方面发挥了重要的作用，一直以来被认为是城市节水的主要措施之一。然而，工业（火电、钢铁等）、河湖景观、绿化以及农业灌溉等是ET产生较多部门和行业，污水再生利用的过程中不可避免的要产生大量的ET。在水资源总量不变的前提下，污水再生利用是通过加大水资源开发利用的程度，增加本地区水资源的消耗量，而提高了一个城市或一个地区的水资源的保证率，并非真实意义的节水，如图1所示。
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污水再生利用实质上是改变了水资源自然再生过程，通过人工强化与辅助，而缩短了自然再生复原的周期，总体上增加水资源多次利用的频率和保障。污水再生的利用过程必然使原本还可以排到下游的水量，随着上游水资源消耗量的加大而逐渐减少，而影响到下游河道生态及其它用户用水。
基于ET控制的理念，开展城市污水再生利用，需要从流域的视角出发，在提高城市自身水资源保障的同时，通过调整水资源配置中不合理的部分，实现分质供水，优水优用，减少城市对于新鲜淡水的取用量，控制城市水资源开发利用过程中的ET总量，实现真实意义的节水，进而保证下游地区水质水量。
海河流域的废污水再生利用从上世纪80年代的污水回用起步，发展到今天已经不能完全等同于污水回用，也不应继续停留在单一城市再生利用的层面，需要从流域的视角基于ET控制的理念，重新认识和探析废污水再生利用问题，废污水再生利用实质上是流域水资源的合理开发利用的战略，是建立在流域水资源的需求与水资源良性循环基础上的一种战略措施。
2 研究案例－以北京市实例
2.1研究范围
选取2005年作为基准年，研究范围选择北京市区和以市区排水为灌溉水源的农业区。由于城市用水保证率高，城市排水水量受自然条件的影响较小，所以利用市区排水进行灌溉的农业区用水保障率高，种植密度大，产生的ET值也比其它地区高，对下游的出境水量影响相对较大。
2.2污水再生利用现状
北京市年排放污水达13亿m3，污水再生利用开展起步早，发展快，污水再生利用率较高。从2003年，开始大力推进再生水在工业、农业、环境及市政杂用等领域的应用，到2005年底，北京市市区已建成污水处理厂9座，污水处理能力248万m3/d，污水处理率70%。郊区建成污水处理厂和污水处理设施76座，污水处理能力81万m3/d，污水处理率40%。全市建成5座再生水厂，建成再生水供水干线240km，再生水回用能力达到50万m3/d。建成建筑中水设施300套，处理能力5万m3/d。
2005年污水再生利用量为2.6亿m3，其中工业回用0.9亿m3，河湖景观及市政回用0.5亿m3，农业回用1.2亿m3。2007年污水再生利用量达到4.95亿m3，利用率超过50%，再生水已经成为北京市水资源的重要组成部分。
2.3 污水再生利用规划
北京市污水再生利用规划按照“重点发展工业用户、扩大农业灌溉、增加河湖景观用水、推进市政杂用”的原则，2010年规划污水再生利用量为6.45亿m3，其中农业回用2.5亿m3，河湖环境回用2.7亿m3，工业回用1.0亿m3，市政杂用及居住中水回用0.25亿m3；2020年规划污水再生利用量为8.72亿m3，比2010年增加2.27亿m3，工业用水由南水北调工程配置，用量维持2010年水平不变，农业回用增加到3.8亿m3，河湖景观回用增加到3亿m3。3 污水再生利用的影响分析
3.1 ET的确定
环境ET的确定采用中科院遥感所的研究成果，根据北京市2004年土地利用情况，利用2005年遥感监测和SEBAL模型计算得到，北京市区环境ET为238.43mm，郊区为576.65mm。生活ET的确定根据北京市2005年统计年鉴和水资源公报统计数据，扣除城市供水管网漏损的水量，确定城市生活耗水系数为0.1，即生活ET是城市生活用水量的10%。工业ET的确定根据北京市2005年统计年鉴和水资源公报统计数据，以及工业的用水特点和用水结构，扣除城市管网漏损消耗的水量，确定城市工业耗水系数为0.2，即工业ET是城市工业用水量的20%。
3.2水平衡分析
根据图1所示ET与污水再生利用的关系，污水再生利用对区域ET总量的影响，可以利用水平衡分析，通过区域排水量和排水率反映出来。
水平衡公式：
P + I + CS = ET + O （1）
式中，P：降水量(mm)；I：外来供水量，包括地表水和地下水(m3)；CS：本地水资源蓄变量，包括湖库蓄水、土壤水和地下水(m3)；O：外排水量(m3)；ET：蒸发蒸腾量(mm)。
由于市区的地面、道路、广场，甚至河道均被硬化了，降水所产生的水量除去被蒸发蒸腾以外，全部形成地表径流排出，对地下水的补给甚微；本地地表水、地下水与土壤水蓄变量多年平均变化不大，可视为CS等于0。
则公式（1）变形为：O = P + I － ET 排水系数：η= O/（P + I）
根据2010年和2020年北京市城市发展、城市供水和污水再生利用规划，确定未来北京市城市用水量和污水再生利用量，如表1所示。为充分反映污水再生利用对未来排水的影响，假定2010年和2020年气象条件与2005年相同，即市区与郊区的降水量和环境ET不变，利用水平衡公式，得到未来研究区域的排水量和排水系数，结果如表1所示。
由水平衡分析结果可以看出，在相同的自然条件下，虽然未来随着北京市用水量的增加，下游出境水量在增加。但是随着污水再生利用量的增加，区域内消耗的ET总量在增加，区域排水系数在逐步减小，污水再生利用量在解决本地区水资源短缺的同时，影响到了下游地区生态和用户的发展。
根据《北京市环境保护生态建设规划》，2010年市区公共绿地将由目前的600多hm2增加到1100hm2。2020年城市绿地率达到44%～48%，绿化覆盖率达到46%～50%；人均绿地面积40～45m2，人均公共绿地面积15～18m2。2010市区新增生态公园46个，人均水面面积将达到4m2，2020年在2010年基础上继续增加部分水面面积。河湖景观再生水利用量将增加到2.7亿m3和3亿m3。研究表明，北京市草坪年灌水量一般在0.6～1.0m3/m2左右，水面多年平均蒸发量在1200mm左右。未来北京市城市绿化、河湖景观以及农业灌溉面积增加以后，市区及郊区的环境ET总量会比2005年增加10%，排水系数还会进一步减小。
以上分析说明，在没有外调水源的情况下，单纯依靠污水再生利用解决本地水资源短缺问题，在总用水量增加的同时，区域ET总量同时增加，区域水资源的消耗量的增加，会进一步打破流域水资源的可持续利用，使得上下游水资源紧张的局面更加严峻。
4 措施及建议
基于ET控制的城市污水再生利用，本质是在流域水资源优化配置的基础上，实现水资源的“优质优用、低质低用”，减少城市新鲜淡水的开采量，把城市消耗量的ET总量控制在合理的水平，促进流域水资源的可持续发展和水环境改善，减少社会经济发展对外界水资源的依赖和对自然生态的干扰。
4.1 制定流域统一的污水再生利用规划
海河流域水资源严重短缺，水环境污染日益严重，水资源承载能力不能满足流域经济社会发展的需要，水资源问题已经成为制约流域经济社会可持续发展的瓶颈。世行GEF海河流域水资源和水环境综合管理项目将废污水再生利用提升到战略高度，使之成为解决流域水资源问题的重要出路之一，成功关键在于污水再生利用规划能否突破传统的理解和约束。这就需要从流域的视角出发，制定统一的污水再生利用规划，将再生水纳入流域水资源统一管理之中，以流域水资源配置为基础，以省界水质水量控制为约束，合理控制省市水资源消耗的ET总量，否则即使污水处理率达到100%，理论上也难以解决海河流域的水资源与水环境问题。
4.2 污水再生利用与流域水生态修复相结合
南水北调工程对于缓解海河流域的水资源和生态危机具有十分重要的意义]。南水北调工程原则上不能直接向河流补充生态用水，解决海河流域河流生态问题，只能通过流域水资源配置和城市污水再生利用共同完成。城市污水再生利用对于解决河流生态水质和水量问题具有重要的作用。目前，海河流域河流生态修复工作尚缺乏统一的规划部署，制定流域统一的污水再生利用规划需要与流域水生态修复相结合，才能有效的解决流域水资源和生态的危机。
4.3 污水再生利用与流域水环境治理相结合
海河流域受气候等自然条件的限制，河流自身的纳污能力低、水环境容量小，河流水环境质量标准与目前我国污水排放标准之间有较大的差距。污水再生利用可以有效减少污染物入河量，确保实现水功能区水质目标，是水资源与水环境管理的交叉点。流域废污水再生利用应该与水环境治理，水功能区水质达标相结合，才能真正在流域水资源和水环境综合管理发挥应用的作用。
4.4 污水再生利用于城市生态应考虑气候条件
城市绿化和河湖景观是污水再生利用的主要方向之一。随着生态城市建设的发展，城市生态用水量逐年提高。海河流域地处半湿润半干旱气候区，多年平均降雨量只有550mm，水面蒸发量却高达1000mm以上，生态城市建设应适应流域气候和水资源的特点，不应以水资源的高消耗为代价，城市河湖景观和绿化应改变以往的发展模式，向“节水型”景观过度，走持续健康的发展道路，美国内华达州的“沙漠景观”很值得我们借鉴。
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