第1章水问题： 水再生和回用的现状及作用 专用术语 4 1-1 术语定义 5 1-2 可持续水资源管理的原则 6 可持续性的原则 6 可持续性的工作定义 6 可持续性面临的挑战 6 可持续水资源管理的标准 7 环境伦理 10 1-3 现在和未来潜在的全球性水短缺 12 现在和预测的世界人口对水资源的影响 12 潜在的全球水短缺 15 水缺乏 15 美国大陆中潜在的区域性水短缺 16 1-4 水再生和回用的重要作用 18 水回用的类型 18 水资源的整体规划 19 人员需求/可持续工程 21 处理和技术的需要 21 基础设施和规划问题 22 1-5 水再生和水回用及其未来 24 实施中的障碍 24 公众的支持 24 水再生和回用的接受性取决于机会和必要性 25 从受污染水源地供水 25 水再生技术的进展 25 水再生和回用面临的挑战 25 问题和讨论 26 参考文献 26 水再生和回用的现状及作用专用术语术 语定 义农业用水农作物和家禽牲畜的用水。含水层包含和运输地下水的地质结构。有益利用水有多种利用方式，包括人们直接利用，或者为了整体利益的用水。例如，市政用水、农业和工业应用、航海、渔业以及增强野生动物栖息地和某些水上娱乐用水等。消耗性用水通过蒸发损失掉的，被农作物吸收掉，被人类或牲畜消耗掉的，或者以其他方式从水环境中损失掉的水分。直接饮用回用见饮用水回用，直接回用。家庭用水家庭用水包括常规的生活用水，比如饮用、做饭、洗澡、洗衣服、洗盘子、冲厕所，以及浇草坪、花园等。生态效率环境资源用来生产单位经济效益的效率。环境伦理一系列与环境有关的道德上的责任及伦理。土壤水分蒸发损失量是一个集合术语，包括水从土壤中蒸发或从植物体内蒸腾而损失掉的水分。全球水循环水以各种形式在全球范围内的每年的循环量。地下水水位以下的土壤中的水，是井水和泉水的源水。地下水回灌将自然水或者再生水渗透或注入含水层中，用于补充地下水或者防止海水入侵。非直接饮用水回用见饮用水回用，非直接的。工业用水用于工业运行和过程中的水。主要的工业用水户是热能和原子能生产企业。灌溉用水人工用于土地中的水，用来帮助农作物和牧草的生长，或者维持娱乐用地中植物的生长，如公园和高尔夫球场。综合用水资源规划促进协调发展和水、土地管理的用水采用公平和可持续的方式，使相关资源实现最大的经济和社会效果。景观灌溉用于高尔夫球场、公园、操场、校园以及运动场地的灌溉系统。市政用水城市居民、城镇、房地产，以及生活、公共服务及企业的用水，也包括直接供应城市居民需求的高质量的来自于城市供水管网的水。非饮用回用所有非直接或间接饮用之外的回用应用。人均用水在标准的单位时间内，经常是1d中，每个人的平均用水量。饮用水适合于人饮用的无有害健康风险的水。饮用水这个术语是容易被大部分公众理解的一个很好的术语。饮用水回用，直接处理过的高质量再生水直接进入水处理厂下游的饮用水管网，或者进入水处理厂上游的源水中(见第24章). 饮用水回用，非直接再生水进入源水供应系统中，如饮用水水库或者地下水层，通过水的混合和同化，提供一个环境缓冲(见第23章和第24章). 公共水供应通过公共或私人水供应者取水，并传输给多种用户，作为生活、商业、工业和热电用水。再生水市政污水通过各种处理工艺使其满足特定的水标准，可以被有益利用的水(如灌溉). 续表术 语定 义可再生水资源进入一个国家地表和地下系统的水。并不是所有的这些水都可以利用，因为一个地方的采伐量或时间限制了开发，即使建设了在经济上和技术上完全可行的储水和输水设施。回流从用水点释放出来到达一个地下或地表水源中，因此将来可以利用的水。径流部分降雨形成的地表水流，与不被人工输送、储备或其他干预的溪流一样。可持续性优化现在系统的利益，而不减少将来系统同样利益的原则。可持续发展既满足当代人的需求，又不损害后代人满足自己需要的发展。蒸发土壤小孔中的水经过液相变为气相进入大气中，而造成的土壤中水去除的过程。废水生活、商业、城市、工业和农业排放的用过的水。比如城市污水、工业废水和雨雪水。水再生对废水进行处理使其能够重新利用，并且具有确定的处理可靠性及满足适当的水质标准。水回用对处理过的水重新利用，比如农业灌溉和工业冷却。分水岭一个自然土地分类单元，在那里来自直接降雨、融雪和其他收集处的水沿着下坡流到出口处，进入另外一个水体中，如溪流、河流、湿地、湖泊或海洋。取水从地表或者直接从河流和湖泊中输水以供利用。 提供满足社会需求的、充足的和质量可靠的水，其可行性和可靠性受到许多因素的影响，包括地理的、水力的、经济的和社会的因素。全球人口的空前增长，特别是在城市地区，加剧了人们对水供应的担忧；在不断增加的复杂的环境、经济和社会背景下，尤其如此。一些重要的问题和担心包括： (1)现存的水资源可以维持多长时间？ (2)如何保证现在和将来水资源的可靠性？(3)从哪里找到下一代的水资源，以满足不断增长的人口需要，满足农业和工业的需要； (4)怎样解决环境保护和水资源有益开发之间的矛盾？为了解决社会、经济和环境对水资源发展的影响，避免水资源短缺的恶劣前景，非常需要重新评价现在的水资源规划、建设和管理的方法。 现在可持续的水资源管理范例，强调从系统整体上可靠地、充分地满足当代人和下代人的需求。理解可持续的水资源管理，是水再生和回用的基础，是非常重要的。因此，这一章简介的目的就是提供以下几方面的内容： (1)这一章用到的专用术语的定义； (2)可持续水管理的原则； (3)现在和将来潜在的水资源短缺； (4)水再生和回用的重要作用； (5)水再生和回用的未来。这一章的目的是激励读者以一种更持久和深入的方式，思考未来水资源的发展和管理，使将来水资源更加可持续和综合地发展和管理，使水再生和回用成为一项可行的选择。 1-1 术语定义 要描述水及废水形式及它们的后续处理和回用，我们可以用很多不同的术语。为方便与水再生及回用相关的不同学科之间的交流，建立一个被广泛认同的水处理与回用领域的术语体系是很重要的。有关水再生和回用的常用术语已经在第一章列出，后面几章中也会提及。 为了使水回用得到更广泛的认同，1995年，美国加利福尼亚修订了现存的水法中的规定，以循环水代替回用水，回用改为循环(Stete of California, 2003)。水循环是指污水经处理后可直接被有益利用或者被可控利用。但是，考虑到水再生和回用的实施方面的用语习惯，回用水和循环水在本书中同时使用。应当注意到，上面给出的术语，是从水和废水处理中发展而来的，也从一些水回用的法律法规，以及对回用水用户和公众提出问题的回应中发展而来的。 1-2 可持续水资源管理的原则 历史上，水资源管理把注意力集中到对人类活动的水供应问题上，并认为技术进步会解决持续增长的用水需求和逐步严格的水质要求。过去水资源发展建立在控制自然水力循环的基础上，要实现这一点就必须平衡在该地区所处的社会背景下，固有的可用水与该地区的经济、人口，以及城市化进程之间的关系(Baumann et al.,1998;Thompson,1999; Bouwer,2000)。过去，水资源的发展受社会、经济、环境及潜在的水资源短缺状况的影响；现在发展出了一个新的基于可持续发展和环境伦理原则的水资源发展和管理理念。这部分进一步阐述了可持续性和环境伦理。 可持续性的原则 可持续性原则作为布伦特兰委员会报告的基础，在“我们共同的未来”(WCED,1987)中被这样定义： “人类有能力使自己保持持续发展，既满足当代人的需求，又不对后代人满足其需求的能力构成危害地发展”。可持续性已经成为政治、经济和社会发展的关键原则，并且已经被公众接受。但是，关于什么是可持续性，怎样实现可持续性，以及可持续性到底是为了谁，还存在着争论(Wilderer et al., 2004; Sikdar, 2005). 可持续性的工作定义 可持续性可用于人类活动的一系列领域，如可持续的农业或整个人类社会。从环境的角度来讲，人类活动不是可持续性的，如果他们不可避免地在使生命必需的自然生态系统退化。在经济上，可持续性可以这样定义，例如， "……社会的代表性成员福利永不降低……" (Pezzey,1992)。尽管对于什么是可持续性还存在着分歧，并且在不同的领域有着不同的解释，但是，有一个基本的认识是一致的，就是从整体的、长远的观点来评价和实施可持续性，尤其是在水资源管理方面更为突出。在该书中，可持续性被定义为： 在不损害后代人获得相似利益能力的前提下，能够使当代人的利益最大化。 可持续性面临的挑战 可持续性水资源发展和管理的目标是，设计完整适用的系统，提高水利用率，不懈地保护和修复自然生态系统，以此来可靠地、平等地满足当代及后代人的用水需求。向一个可持续性的社会过渡，会遇到大量的技术方面的和社会方面的挑战。技术革新对于提高所谓的人类活动的生态效益是很有帮助的。我们已经意识到水资源是有限，虽然现在及未来的技术能够不断提高水的利用效率，但是，整体的对资源的可持续利用非常重要。除非人口增长和消费速度减缓下来，否则，技术进步也只能够延迟坏结果的到来时间(Huesemann,2003)。今天，对于可持续性的考虑必须包括很多方面的因素，既包括时间上的，又包括空间上的；既要考虑能源和资源的使用，又要考虑环境污染(Hermanowicz, 2005). 可持续水资源管理的标准 新出现的可持续的水资源管理范例，已经被不同的利益获得者按不同方式解释。美国土木工程协会(ASCE, 1998)为可持续水资源系统提出这样的定义： “可持续性水资源系统，就是被设计和管理为始终最大限度地满足社会目标，同时维持生态、环境和水力的整体性的管理系统。”事实上，有关水资源管理的可持续性的延伸，需要用相关的标准来衡量。常用来判断可持续水资源管理的标准如表1-1所示。表1-1 可持续水资源管理的标准a目 标行 动满足人类对水的基本需要向人类提供充足的、质量上能够保证公共健康的水，而且不会对环境质量造成影响。维持长期的可再生通过回流到环境中来补充新鲜水保护生态环境管理社会活动和敏感生态系统之间的影响；保证生态环境中水的平衡；努力实现废水的零排放目标。促进资源的有效利用优化能量、材料、水的利用，控制温室气体的排放鼓励水资源保护保证用户知道水资源保护的好处；发展新的方法来保护水资源；采用激励方法促进水资源保护。鼓励水再生和回用保护高质量的水源水以备他用；发展新的方法进行水再生和回用；通过闭环管理处理过的废水来防止对环境的破坏。强调水质量在多种用途中的重要性识别在污染控制、工业用水的有效管理、废水处理以及水的替代利用之间的联系，努力实现废水的零排放目标。检查水资源需求的必要性和机遇，并建立一致性包括公共的和个人的股东在规划、决策、平等的分配投资和利益设计的弹性和可适应性 发展设计策略，以能够吸收处理不确定性、风险和社会价值转变的机制 a来自不同的材料， 包括： ASCE(1998); Gleick(1998 and 2000); Braden and Vanlerland(1999); Loucks(2000); Asano(2002); Baron et al.(2002). 水资源发展的传统方法，主要是通过建筑水坝和水库来改变水的储存和流动形式，或者设计跨流域取水系统来保证供水(见图1-1)。在很多情况下，发展水资源是为了满足表1-1中所示的第一条(为了满足人类对水的基本需要)。但是，在越来越多的情况下，可用水不能满足人类基本的需求，世界范围内的水资源短缺就是一个强有力的证据。新的可被开发的投资效益高的水资源，在很多发展中国家的城市地区是不存在的。成本效益高的水资源，已经被开发了或者正在被开发。已经开发的水资源，已经被全部分配完，甚至被过度分配。 图1-1 沙斯塔大坝，位于加利福尼亚州雷丁市附近的萨克拉门托河上，其主要功能为控制洪水，存储多余的冬季径流作为萨克拉门托及圣华金谷地区的灌溉用水，维持航运水流，存储渔业用水及市政与工业用水，保护萨克拉门托及圣华金三角地区免受海水入侵，并水力发电(由U.S. Department of the Interior, Bureau of Reclamation Coordianates提供). (地点： N40.718, W122.420) 另外，由于对生态和社会的影响，以及遵守环境法规的经济代价，水坝和水库这些建筑的可行性越来越小。因此，在很多地方，现在额外的饮用水供应只能通过重新分配来获得，比如现在的农业灌溉用水，或者使用替代水源，比如有咸味的水或者雨水和回用水。在遵循可持续性水资源管理的原则下，需求量管理，例如水储存，被用于满足基本的用水需求。有些人认为，采用更高效的水资源管理措施，就可以避免开发新的水资源需求(Vickers, 1991; Gleick, 2002)。还有一些观点认为，要实现水资源的可持续性，就需要多种方法结合使用，包括水的再生及回用、水储存等(如表1-1 所列). 节水 节水这种方法，历史上被水工业者看作是一个备用或者临时的措施，它只用于干旱或者其他紧急的水资源短缺的情况下。节水作用的这种局限性的观点正在改变，先驱们对节水的利用已经表明，这是一个可行的能长期供水的方法(Vickers,2001)。节水可以为水的使用、环境以及人类带来很多益处，包括减少能量消耗和水处理过程的化学物质的输入，减少或者减缓水处理设施的扩展，并且减少废水管理的成本和影响。 一般的节水措施包括： 消费者有关水使用习惯的教育、节水设施、节水绿化带、水的计量、经济上的激励以及水使用的限制项目(Maddaus,2001)。在美国 ，每年平均42%的用水是室内用水，58%是室外用水(Mayer et al.,1999)。居民室内用水，可以通过安装节水型用具来减少用水量，比如低冲水量厕所。表1-2中列出了美国典型的居民室内用水，以及可通过节水而实现的节水潜能。表1-2表明，通过保存水可以减少每人每天32%的室内用水。除了室内用水以外，居民室外的用水，如绿化带灌溉、洗车，以及其他一些清洗和娱乐活动等室外用水，也可以受益于水保存的实施。 水再生和回用 水再生是指通过对废水处理，使水能够重新使用的过程，水再生要具有确切的处理可靠性并满足水质标准。水回用是指将处理的废水重新有益使用的过程，比如农业灌溉、工业冷却等。与处理来自农业的径流、暴雨及工业废水相比，处理市政污水是获得再生水的一种更表1-2 典型的单个家庭用水(有水储存与无水储存的家庭)a水 用 处典型的单个家庭水用量没有水储存的家庭有水储存的家庭L/(人·d)比例/%L/(人·d)比例/%冲厕水76.127.736.319.3洗衣水57.220.940.121.4淋浴47.717.337.920.1水龙头42.015.340.921.9滴漏37.913.818.913.8其他民用5.72.15.73.1洗浴4.51.64.52.4洗盘碟用水3.81.33.82.0合计274.4100187.8100 a部分数据来自： AWWA Research Foundation(1999). 可靠的、更具有重要意义的途径。由于联邦清洁水法和一些相关的法规制定，集中废水处理，已经成为美国城市地区普遍的水处理方法(参考2-2节)。有关废水分散处理和卫星处理的新技术，已经研发并应用了(参见第12章和第13章)。因此，本书重点放在市政废水再生和回用的计划和实施。表1-3中总结了废水再生和回用的利益以及未来的驱动因素。表1-3 水回用和再生： 基本原理、潜在的好处以及驱使进一步利用的因素a水回用和再生的基本原理 水是有限的资源，社会再也不可能奢侈地将水只用一次，就排放掉。  承认水循环正在发生，并使之更多更好。  再生水的质量可以满足很多非饮用水的需要，比如灌溉、工业冷却水和清洗水，因此这就提供了补充的水源，并能够使水资源更有效地利用。  为了实现水资源可持续的目标，保证水的高效利用是非常有必要的。  水的再生和回用可以实现能源和资源的更有效利用， 通过制定处理要求来服务终端水用户。  通过减少排入受纳水体的废水量，水回用可以保护环境。水再生和回用的潜在好处 保护新鲜水源。  管理能导致环境恶化的营养物质。  通过减少废水排放，可以提高对敏感水环境的保护。  通过减少对水源和相关基础设施的需求，可以实现更好的经济利益。  在城市附近实施水再生是可行的，因为那里水供应的可靠性非常重要，而且水价最高。  回用水中的营养物质可以减少对肥料的需求，因此节约能源。来自处理过的废水的再生水含有营养物质；如果这些再生水用于农业土地的灌溉，那么植物的生长对肥料的需求就会减少。减少流入排水道中的营养物质，对旅游和渔业也是很有好处的。驱使将来水再生和回用的因素 可行性： 回用水在城市附近实施已经可行，因为那里对水资源的需求最大，并且水价较高。  可靠性： 再生水提供了可靠的水源，即使在干旱年份，作为城市废水的产物也比较稳定。  多样性： 在经济上和技术上证明，废水处理工艺可以实现再生水的非饮用应用，可以生产满足饮用水质量要求的饮用水。续表驱使将来水再生和回用的因素 安全： 在美国和其他发达国家，非饮用水回用系统已经运行了40多年，而没有影响公共健康的报道。  水资源的竞争需求： 人口的增长和农业用水的增加，使现存的水资源压力不断增加。  财政的责任： 水和废水的管理者，对再生水在经济上和环境上的优点认识的不断提高。  公众的利益： 公众对过度用水对环境影响的认识不断提高，对水再生和回用概念的热情不断提高。  传统水源供水对环境和经济的影响： 更加认识到储水设施如大坝和水库对环境的影响及经济成本。  更精确的水费用： 新的水费安排的简介(如全费用价格)更精确地反映了输水到用户的全部费用，和对费用安排的不断增加。  更加严格的水质标准： 不断升级废水处理设施来满足更高的排水的质量，而导致相关费用增加。  需求和机遇： 促使发展水再生和回用的因素，如干旱，水短缺，防止海水入侵，对废水排放的限制，以及经济的、政治的和技术上的情况有利于水再生和回用的实施。 a来自不同的材料，包括Asano (1998);Queensland Water Recycling Strategy(2001); Mantovani et al.(2001); Simpson(2006)由于很多地区面临现有水供应的限制，废水再生和回用成为维持和扩增现有供水的最具吸引力的选择： (1)将回用水用于那些对水质要求不高的地方； (2)扩增水源或提供一个可供选择的供应源，以满足现在及将来的用水需求； (3)通过减少淡水的调水，降低水中的营养物质其他有毒污染物进入水体的量，可以保护水生态系统； (4)减少控水设施的需要； (5)通过更好地管理水消费及污水排放，以满足环境法规的要求。 水回用： 问题、技术与实践第1章 水问题： 水再生和回用的现状及作用在现有供水设施被过度利用的地区，以及在不能满足由于社区增加带来的用水需求增加的地区，水回用是极具吸引力的方式。水再也不会被人们奢侈地只用一次就排放掉了。水保存和回用的典型例子见图1-2. 图1-2 警示牌的例子 (a) 水资源保护； (b) 水回用 水回用可以提供一个可选择的、用于各种有益用水的水源，这一水源在城市地区是可以持续使用的，甚至在干旱的年份。但是，由于这些废水来源于市政污水(传统认为是城市排水)，废水再生要作为可选择的水源被人们接受，就必须要克服特定的障碍。在美国和其他发达国家，再生水有严格的水质控制措施以保证水质中不含有毒物质以及病原微生物，但是饮用水依然存在潜在的威胁。在水再生和回用的实施过程中，必须考虑人类健康和安全。我们发现，在世界很多地方水再生和回用工程的成功，都有赖于他们对水的迫切需求所带来的发展水回用系统的机会。 环境伦理 环境伦理涉及与自然环境管理有关的道德责任。与可持续性原则相似，环境伦理的出现是对一系列环境退化的响应，这种环境退化是由各种社会活动引起的，比如自然资源的过分开采。有一些环境伦理的原理用来描述人类保护自然系统的义务。以人类为中心的观点强调环境保护只不过是为了保护人类的生存和人类的利益。以自然为中心的观点认为人类只不过是广阔自然系统中的一部分，人类的道德责任应建立在自然的内在价值和权力上。 公平的水分配 社会是否有责任满足所有人和生态系统的基本用水需求，是水资源管理上一直有争论的问题。由于人口在地理上分布的差异，以及可用水资源及经济发展不同，要保证水资源的公平和平衡分配是很困难的。由于复杂的科学定义生态系统需求，对生态价值认识的广泛认同，以及水资源缺乏的严重后果，要平衡社会用水需求和生态用水就具有更大的挑战性(Harremoes,2002). 预防原理 另外一个伦理问题就是，如果某些人类活动对环境或公共健康存在潜在的，未经证明的威胁，那么这样的活动能否继续进行。20世纪70年代的后期，预防性原则进入欧洲环境政策中，这一原则在该地区既引发了争议又提供一些指导(Foster et al.,2000;Krayer von Krauss et al.,2005)。预防性原则在1990年的第三次北海会议(Third North Sea Conference)上，定义为“要采取措施避免某些具有持久的、有毒的、可生物积累物质潜在危害，即使在没有科学证据来证明这些物质和影响效果之间存在关系”(Harremoes et al.,2001)。预防性措施的核心就是“最好的防护胜于事后遗憾”，但是毫无疑问，有人认为，如果有这样的想法，其他事情将无法进行。 与可持续性的发展类似， 预防性原则要作为一项政策工具，面临最大的困难就在于解释上的多样性。这种原则可以解释为在任何行动采取之前需要完全安全的证据，也可以解释为对成本效益分析和自由的判断打开了大门，如Rio de Janeiro Declaration所叙述的(United Nations, 1992; Foster et al.,2000)。最后一个具有挑战性的问题是，怎样在政策中使用不确定信息。所以要解决这个问题还需要更多的研究(Krayer von Krauss et al.,2005). 1-3 现在和未来潜在的全球性水短缺 在全球水循环的过程中，可再生的淡水是维持当前人口所需水量的好几倍。但是，由于地理或季节因素的影响，只有31%的可再生水可以被人们使用(Postel, 2000; Shiklomanov, 2000)。在全球范围内，人类用水的65%以上是用于灌溉的，占到3800m3中的2500m3。工业用水占到20%，市政用水为10%(Cosgrove and Rijsberman, 2000). 北美和中东国家，特别是埃及和阿拉伯，可用淡水资源是世界上最少的(见图1-3和图1-4)。相反，冰岛、荷兰、圭亚那、几内亚、加蓬、加拿大和新西兰，却拥有丰富的淡水资源(WRI,2000). 图1-3 在埃及塞加拉(埃及北部的一个村庄，译者注)附近人们用木桶运水。在世界其他许多地方水资源基础设施也十分有限 图1-4 预计2025年全球水资源的稀缺性(引自： IWWI, 2000)。在全球范围内，北非、中东、巴基斯坦、印度以及中国北部地区，预计将面临严重缺水 水的再生和回用项目的实施，主要是被一些贫水国家的现存的水短缺所驱使。其他的影响因素，如防止沿海地区的海水进入淡水中，禁止废水排放到环境敏感的水体中，也会影响水回用的决策。下面讨论将会简单介绍现在和未来人口数量、用水需求、潜在的全球或地区水资源短缺等因素的影响。 现在和预测的世界人口对水资源的影响 在2002年，世界人口已经达到62亿，并以每年1.2%的速度增长，也就是每年要增加7700万人。我们以最近几年的增长情况做一下说明，在1900年世界人口仅有16亿，到了1950年就增长到25亿。预计在2050年，世界人口将达到79亿～103亿(United Nation,2003). 工业国家的增长率很好地控制在每年1%以下。但是，在发展中国家每年的增长率则超过2%，在非洲、亚洲以及中东的某些国家每年则超过3%。所以未来人口的增长90%以上会发生在发展中国家(United Nations,2003). 现在，6个国家每年的人口增长占到世界人口增长的一半： 印度、中国、巴基斯坦、尼日利亚、孟加拉国和印度尼西亚。美国人口在2001年达到了2.85亿，并以每年1%的增长率增长(U.S. Census Bureau,2003). 城市化 在1950年，纽约是世界上唯一一个人口在1000万以上的城市。到1975年，超过1000万的城市就增加到5个；到2001年达到17个，预计到2015年会增加到21个。世界城市人口在2000年为29亿，而预计到2030年人口会增加21亿，稍低于世界人口增长速度(United Nations, 2002)。在1950、1975、2001、2015年拥有1000万以上居民的城市列于表1-4。预计非洲和亚洲将会拥有比其他地区更多的城市居民，而亚洲在2030年将会拥有世界城市人口的54%. 尽管城市化进程在发展中国家更为突出，发达国家的城市人口也在不断增加。在美国大都市，1990至1998年之间，人口增长率平均每年增长1.14%，而非大城市地区则以088%的速度增长，这表明人口正在由农村向城市转移。1998年，占全国人口28.1%的人口居住在人口超过500万的大都市。1990到1998年间，在超过500万人口以上的大都市地区，旧金山-奥克兰-圣何塞地区，洛杉矶-河畔-橘县地区增长最快，年增长率达1.08%，稍低于美国大城市地区的增长速度(Mackun and Wilson,2000)。大于500万的美国大都市列于表1-5中。表1-4 1950、1975、2001和2015年人口超过千万的城市的人口增加1950197520012015城市人口 /百万城市人口 /百万城市人口 /百万城市人口 /百万New York12.3Tokyo19.8Tokyo26.5Tokyo27.2New York15.9Sao Paulo18.3Dhaka22.8Shanghai11.4Mexico City18.3Mumbai22.6Mexico City10.7New York16.8Sao Paulo21.2Sao Paolo10.3Mumbai16.5Delhi20.9Los Angeles13.3Mexico City20.4Calcutta13.3New York17.9Dhaka13.2Jakarta17.3Delhi13.0Calcutta16.7Shanghai12.8Karachi16.2Buenos Aires12.1Lagos16.0Jakarta11.4Los Angeles14.5Osaka11.0Shanghai13.6Beijing10.8Buenos Aires13.2Rio de Janeiro10.8Metro Manila12.6Karachi10.4Beijing11.7Metro Manila10.1Rio de Janeiro11.5Cairo11.5Istanbul11.4Osaka11.0Tianjin10.3 引自： United Nations (2002). 表1-5 1990-1998年美国超过500万人口的城市地区a城 市 地 区1998年人口人口从1990到1998年的变化数量百分比New York-Northern New Jersey-Long Island, NY-NJ201261505589392.9Los Angeles-Riverside-Orange County, CA1578127312497448.6Chicago-Gary-Kenosha, IL-IN-WI88098465700266.9Washington-Baltimore-Northern Virginia, DC-MD-VA72852065588118.3San Francisco-Oakland-San Jose, CA68160475385228.6Philadelphia-Wilmington-Atlantic City, PA-NJ-DE5988348953291.6Boston-Worcester-Lawrence-Southern Maine and New Hampshire, MA-NH-ME56330601776573.3Detroit-Ann Arbor-Flint, MI54575832704125.2 a引自： Mackun and Wilson (2000). Original source: U.S. Census Bureau, Population Estimates Program. 都市化加强了由人口增长引起的用水压力，带来了用水需求和水源之间的不平衡。另外，在农村，农业和城市之间的用水模式存在很大的差别。因此，人口增长和城市化为全世界的水源管理带来了重大的挑战。 灌溉水使用 由人口增长引起的灌溉用地的增加，是世界用水总量增加的最大因素之一。1995年，超过65%的全球人类用水是用于灌溉的，既包括农业灌溉，也包括非居民的景观用水。灌溉通过从水库、沟渠及土壤中蒸发，以及植物的吸收和蒸腾中消耗掉了大量的水。消费性用水是指由于蒸发蒸腾、作物或庄稼吸收、被人类或牲畜消耗掉的，或者直接从水环境中去除的水分。由于技术和管理上的不同，与灌溉相关的消费用水中占到总开采水量的30%～90%(Cosgrove and Rijsberman,2000). 没有被消耗的水，要么回灌地下，要么重新回到下水道或河流。这些水可以回用，但是回流水通常含有较高的盐浓度，并且很容易被营养物质、沉积物以及杀虫剂或其他化学物质污染，这种水有益的回用，必须经过预处理。 居民和工业用水 农田转化为居民区或者工业区导致农业用水的减少，同时使居民和工业用水增加。大部分的家庭、服务及工业用水(在总用水量很高的地区占90%)，使用后作为废水排放。然而，家庭和工业用水的绝大部分以废水形式被收集，这些废水在被重新使用及排放之前是要经过处理的。 潜在的全球水短缺 由于全球人口的不断增长以及人口和水源的分布不均，在未来的数十年里，水资源在很多国家和地区都面临着前所未有的压力。尽管可以获得干净水的人口数量已经增加，但2000年，大概11亿人，占世界人口18%的人，还不能获得干净的饮用水，24亿的人没有足够的卫生用水(WHO,2000)。发展中国家迅速增长的人口加剧了用水供应的压力。城市地区的人口密度进一步加剧了水需求与地区可用水之间的矛盾。 水缺乏 当一个国家每年的可用淡水供应量少于每人1000m3时，我们就认为这个国家处于缺水状态(Falkenmark and Widstrand,1992; Falkenmark and Lindh,1993)。这样的国家将经历长期的不断扩大的水资源短缺，这样就会严重影响国家的发展和福利。就全球范围而言，水资源短缺会引起各种危机，比如食品短缺、区域间的用水冲突、限制经济发展和环境退化(Postel,2000)。这些问题使近几十年来，州、国家(美国)和国际上都在努力解决淡水问题。 我们可以定义两种水资源短缺的类型。(1)物理性缺水，某些国家即使采取了很高的水生产和利用效率，也没有足够的水可以满足未来农业、人们生活以及工业和环境的用水需求，这样的缺水我们称为物理性缺水。(2)经济性缺水，某些国家有充足的水源，但是缺少资金，或者面临严重的财政和发展问题，而无法开发这些水资源，这样的情况我们称为经济性缺水。这些国家要满足他们在2025年的用水需求，就需要通过增加储存和运输设施，使水供应量在1995年的基础上增长25%或者更多。预计到2025年全球性缺水见图1-4。北非和中东国家，如巴基斯坦、印度和中国北部，将面临严重的缺水问题(IWMI, 2000). 图1-4的数据表现出全球的水资源状况，但是要将这些信息应用于一个地区的或者流域中就很难。例如，中国有一半的人口居住在南方潮湿地区，主要在长江流域；而另一半的人口居住在干旱的北部地区，主要在黄河流域。印度也是这样一种状况，大约50%的人居住在干旱的西北和东北地区；而其余的人则居住在潮湿的地区(IWMI,2000)。在很多国家，可用水源和人口中心的距离是相当远的，由于缺少必需构筑物和基础设施，所以不能将水从水源地调到所需的地方。另外，还有环境、社会和经济的影响，运水的可行性受到限制。因此，我们应该把注意力集中到水资源管理上，以确保供水的可持续性，这样才能满足21世纪的用水需求 (Rogers et al., 2006)。执行水回收和回用的价值，已经在水资源管理中被认可，因为市政废水产生在城市地区，是水需求量最大、价格最高的地方。 美国大陆中潜在的区域性水短缺 美国平均的区域水消费和再生的水供应对比见图1-5。可再生水的供应是降水和输入水的总和，减去水的输出和蒸发等不可用水的净值。可再生水的供应，取决于一个地区可消费水量的上限。为了保证航海、水力发电、渔业和其他用水需要，至少需要维持河流在最低流量要求，因此限制了可再生水的利用量。另外，地面水供应的总的增长，也是不可能的，因为随着更多水库的建成，蒸发损失的水量越来越多。但是，与消费性利用水量相比，可再生水资源的供应是已经开发水资源的指标(USGS, 1984;Adams, 1998). 在水供应方面，存在潜在的水量和可靠性限制的地区包括： 格兰德河地区、 密苏里州、 得克萨斯州、 美国科罗拉多河流域、大盆地和加利福尼亚，见图1-5。从水供应的角度看，这些地方主要的区域已经超过了它们现有的水源可以支撑的范围。一些地区完全依赖于地下水供应。其他一些用地表水的地区，可以通过正常和多雨年份相对高的水储量，来满足不断增长的水需求。依据美国地质调查局供水第2250号文U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 2250 (USGS, 1984)，将各地区确认的水源问题总结如下。 图1-5 美国20个水资源地区的平均用水量及再生水供应的比较(引自： USGS, 1948，更新至1995的估计用水量)。图中每个水资源地区的数字分别为用水量/可再生水资源量，单位为106m3/d，图例中的数字为用水量与再生水的百分比 中央大盆地 中央大盆地依靠外来水源输入该地区。主要的横贯盆地的输水系统是从科罗拉多河取水输送到大盆地的沟渠。在这个地区灌溉用水是主要的终端用水，而且需求一直在增长(尽管一些地方用水正在从农业转向城市发展用水)。最大的地区问题是地区供水余量缺少。例如，来自阿肯色州河的水经过不同州，服务多种水用户，从而导致这一地区在有限的地下和地表水分配上产生很多冲突，而导致许多法律上的诉讼。 中西部的东部 中西部的东部包括国内的一些大型的水系，这一地区也受干旱和洪水的强烈影响。干旱带来了水流的减少和地下水的消耗。洪水导致庄稼和财产的损坏、腐蚀和地面的沉降。另外，在墨西哥湾地区，区域的农业径流导致水体缺氧(由于水中的氧浓度降低到了生物无法存活的浓度)。然而，洪水通过稀释农业径流及增加水中溶液氧的浓度，从而对鱼类有利。一般来说，这一地区有充足的水量，但是输水的效率随着季节在变化，导致了干旱时缺水。 五大湖 五大湖流域，占有美国新鲜地表水量的95%，与加拿大一起分享水资源。水量、水质的恶化，相关的生态系统和海岸线是两国关心的。该地区需要一系列可持续性的考虑，制定强有力的水管理计划，包括地下水供应、水质和生态系统对大湖流域的影响评价。 东部沿海大城市，纽约 尽管在这个地区的许多社区有自己的水供应系统，但是和纽约的相比，它们的规模都很小。从这些地区排放的废水水质在过去有显著改善。一般来说，随着发展，需要新制度的形成和改变，以及新的基础设施系统，来解决水质量下降和水量需求增加的问题。 中大西洋 中大西洋地区是个气候变化明显的脆弱地区。在过去的几十年中，由于冬天的风雪及夏天的飓风，这个地区经历了严重的干旱和洪水。这个地区，包括依赖水供应系统的一些大城市，对气候的改变非常敏感。很大一部分需从私人水井里取水。因此，在这个地区，干旱季节水资源的管理就是个主要问题。 格兰德河 对整个地区来说，水资源短缺都是一个困扰人的问题，而且，这个地区正在经历快速的城市化和人口增长。土著居民和其他社区的冲突问题正在增加，导致了许多的法律纠纷。沿着墨西哥边界的格兰德河水，正在被分配给农业用水，但是并没有制定干旱管理规划。由于内流量只有历史水平的20%，地区的生态系统受到了威胁。解决水供应问题的一个潜在的办法，就是加强农业用水的使用效率。 东南，包括大西洋沿岸 这个地区的水资源丰富，但是鉴于该地区将来发展的强大压力，水资源管理就非常重要。由于沿海岸的高人口密度和人口随季节大幅变化的原因，人口统计的影响在水资源管理和利用中起很大作用。农业、森林和生态系统，是该地区主要关心的问题，特别是水质和实用性。 佛罗里达州每年接纳雨水约1400mm，然而大部分降雨集中在3～4个月的时间内(雨季)。而一年的其他时候则相对干旱。水的利用模式颠倒了过来，在干旱季节(冬天)用水量较大，而在雨季(夏天)用水量较少。从农业到城市化用地模式的转变，导致了水资源的可用性和水使用的矛盾。另外，由于旅游和退休社区导致的季节性人口变化，对干旱季节的水资源产生了更大的压力。过量开采地下水也导致了土地的沉降。由于将来人口的增加，可选择的可靠的水资源来满足用水的需求非常必要。 防止西部的危机与冲突 西部地区长期的供水问题是美国未来几十年内要面临的最重要的挑战。美国内务部 2003年发表了一份报告，题目为“水2025: 防止西部的危机与冲突”，这份报告描述了引起西部地区水用户之间冲突的主要因素。这份报告里描述的明确的竞争性的因素包括： (1)西部城市地区人口的爆炸性增长; (2)出现的环境、娱乐用水的需求； (3)国内来自西部农场的食物和纤维，对全国有重要作用。“水2025”为公众提供了一个讨论西部所面临的现实的平台，因此，决策的时候可以适当提前考虑水危机。 1-4 水再生和回用的重要作用 水再生和回用需要考虑公共健康，也需要密切调查基础设施及设备规划、污水处理厂的选址、处理工艺的可靠性、经济和财务上的分析，以及水资源和再生水的有效综合管理。水回用是否合适，取决于是否仔细的考虑了经济性、回用水潜在的用途、公众健康的保护、严格的废物排放需要及公众政策，在那些愿意保持而不是开发现有水资源的地方，可能要克服一些障碍。另外，股东的各种各样的利益，包括那些代表环境的，必须被考虑。 水回用的类型 来自城市污水处理厂的回用水主要有几大类，如表1-6所示，按照水的用量递减排列。大部分的回用水项目是不可饮用水项目，比如农业和绿化灌溉以及工业用水(见图1-6和图1-7)。地下水回灌可以设计为非直接饮用的回用，地下水回灌可以利用再生水来补充饮用水。回用水应用技术方面的详细讨论，见本书的第4部分。表1-6 水回用的类型和典型应用类 型典 型 应 用农业灌溉农作物灌溉商业苗圃景观灌溉公园校园高速公路中线高尔夫球场墓地绿化带住宅区工业循环和回用冷却水锅炉水工艺用水建筑机械地下水回灌地下水补给盐水侵入控制沉陷控制娱乐/环境用水湖泊和池塘湿地强化流速增大用水渔业人工造雪非饮用的城市用水消防空调厕所冲洗水饮用水混合水库水源混合地下水直接管道供水水资源的整体规划 水资源的整体规划是一个需要促进水的同等开发和管理、土地和相关资源，并采用平等和可持续的方式，实现最大的经济和社会效益的过程。现在我们在水管理和规划上，没有考虑我们与后代的竞争利益。围绕环境和社会问题，需要一种新的可持续水开发的定义，来扩展传统的供应和需求途径。合适的方法来评价可持续的各个方面，特别是详细的工程分析，是很必要的。图1-6 再生水用于灌溉 (a) 草场； (b) 蔬菜作物； (c) 高尔夫球场； (d) 景观灌溉 图1-7 再生水的非灌溉利用 (a) 蒸发冷却塔； (b) 商业用洗车； (c) 地下水回灌； (d) 娱乐用水 尽管水回用的直接动机，可能在不同情况下有所不同，但是整体的目标，都是在当地非常小的范围内形成水循环。通过这样的方法，废水经过适当的处理，变成了有价值的资源，而不是作为垃圾被处置。在许多情况下，水回用都是可行的，但由于自然的、政治的或者经济的限制，其他的水源不可行，而且尝试减少用水也是不可行的。水资源可持续发展的一个重要突破，就是当水再生和回用被作为一种满足水需要的方法。水再生和回用在经济和技术上也是最具挑战性的方法，因为回用水的水源通常水质最差。因此，深度的处理被广泛的应用，经常超越纯粹的最终用水需求，最终用水的一个目标是减轻人们对健康的关心，使回用水对公众成为一个好的用水选择。再生水的要求(例如先进的处理和单独的分配系统)使水回用成本很高，从而限制了其广泛应用。 回用水代替非饮用用水 全世界不断增长的水资源管理趋势，是基于可获取性及水质对用水进行分级管理。通过可代替的水源，如再生水，应用到健康风险比较低的项目上，如灌溉农田和高尔夫球场，以保护高质量的饮用水源水。增加灌溉用水的生产力特别迫切，尤其是在一些易受水影响的地区。整合再生水回用到水资源管理中，可以使我们利用再生水代替非直接饮用的用水，从而来保护高质量的水源。 用水模式 为了评价水再生和水回用的作用，并提供一个评价水回用可行性的框架，关联主要的用水模式和潜在的回用水应用是非常重要的。比如在城市地区、工业、商业和非饮用城市用水的需要，占城市用水的绝大部分。在干旱和半干旱地区，灌溉用水占水需求的大部分。灌溉用水随着季节的变化也发生变化，而工业回用水就相对稳定。在一个特定的地区，水回用的程度取决于该流域在商业、工业和农业用水的需求模式。水回用的季节性改变，再生水的储存需求，以及供水设施将在第14章进行讨论。 人员需求/可持续工程 水资源的发展和管理在过去的30年里发生了重大的变化。20世纪的工程师和管理者被培养用来建设大坝、水库和给排水处理设施，今天的水专家面临着评价水的可持续性和对社会与环境的影响这样的复杂任务。除了考虑水管理项目经济和技术方面问题，今天的水专家正在成为现在和将来人类和环境水需求的管家。 超过1/4个世纪以来，在环境和水资源工程里一个连续的主题就是，提高城市污水处理出水质量，使其能够不被浪费而被利用(见图1-8)。这样的情况以及不断增长的水短缺和环境污染问题，提供了一个可行的框架，即在世界的许多地方，考虑将城市污水作为水资源的一部分。水污染控制所作的努力，使得处理过的城市污水厂出水能够成为一个可行的方法，来代替对现有供水的扩增，特别是可以避免新开发的水资源所需不断增长的成本及带来的环境破坏。 图1-8 马里兰州Harford县污水处理厂全景，该污水处理厂具有脱氮除磷功能，处理能力为76×103m3/d 处理和技术的需要 水回用的潜在应用和处理程度需要，一个重要决定性因素是来自各种市政用水的水质。通过市政用水后，水质量改变程度的概念性比较见图1-9。水处理技术被应用到源水，比如地表水、地下水或者海水来生产饮用水，从而满足饮用水的规定。相反，市政用水通过吸收和积累一些化学的、生物的及其他物质使水质变差。有必要来提升废水的质量，这是废水处理的基础。事实上，在一些立法机构保护环境的地方，包括水生态系统和受纳水体的有益利用，废水处理已开展起来。 图1-9 在城市用水过程中水质随时间的变化及水回用与再生概念 随着处理过的水质量接近未污染的水质量，水再生和回用的现实好处变得非常明显。处理的水平和处理水的质量，使处理水具有了经济价值而成为水资源的一部分。随着越来越多的先进技术应用于再生水中，如活性炭吸附、高级氧化和膜技术(见第9章和10章)，再生水的质量在所有可测指标上，已经能够达到或者超过传统的饮用水标准。当今，水再生或者纯化工艺，在技术上能够提供几乎所有理想水质的水，包括精密工业和医用的高纯水。 基础设施和规划问题 通常，再生水系统的设计和传统的饮用水处理系统设计一样。然而，由于水质、可靠性、水需求和供应的不同，以及再生水和新鲜水的其他区别，会产生一些特殊的问题。水再生和回用的工程问题一般可以分成以下几类： (1)水质； (2)公众健康保护； (3)废水处理的选择； (4)泵、储存和供水管网的选址和设计(见图1-10); (5)水回用地点的原位转换，比如饮用水和再生水垂直分离； (6)再生水供应和需求的匹配； (7)水供应的补充和后援。这本书回答了这些问题的许多方面。