編者按：本文為水業高級戰略沙龍系列《清華水業藍皮書》之二十二。

基于水質的水資源模型與水質經濟學框架

陳吉寧  傅 濤

一、中國水資源的認識與反差

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。

這樣的一個結論是在傳統水資源總量定義的基礎上得到的，即評價區內當地降水形成的地表、地下產水總量，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化的重復計算量而得。該方法中不考慮評價區之外的客水資源，其理由是一個地區的發展應該立足于自產水資源保障可持續發展，統計客水會影響客區的發展權。

這個“科學”的計算方式，在應用與實踐中卻造成一些困惑。分析以此計算方法為基礎的各地水資源公告，我們發現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；位于江南水鄉的江蘇省的人均水資源量只有630 m³/人，屬于嚴重缺水地區；而在干旱的新疆，其人均水資源量是4120m³/人，按照聯合國的標準則屬于富水地區。顯然，這樣的評價結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識的評價方法卻是國家眾多需水戰略工程論證和實施的最為重要的前提和基礎，包括數十個大城市的遠距離調水，以及規模宏大的南水北調工程等。此外，以此評價方法為基礎，還包括許多以地區水資源承載力為基礎的經濟發展規劃，以及投資巨大的重點流域水資源規劃等。

另一方面，我們又看到，這個運用于需水規劃的評價和指導方法在具體城市的用水規劃中，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。

現在，是否該對傳統的水資源計算方法提出挑戰，需要先從水資源的特性談起。

二、城市水資源的核心是水質問題

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

在水的自然循環之中，水以不同的形態存在于不同的空間，而水資源則是在水的自然循環各環節中所呈現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，則容納于自然大循環之中。

水的再生主要有兩種形式實現，一是在自然循環過程中通過汽態、液態狀態的轉變實現了自然再生，這個循環受制于氣候的變化規律，二是在液態狀態下由于水質的變化而實現的污染與凈化再生，這個循環受制于社會循環和自然循環的共同作用，是本文討論的關鍵。

在多種形式的水資源人類利用中，農業灌溉與利用，與水的自然循環相互交融，利用過程中并行著水的吸收、滲透、蒸發等自然循環現象。農業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、蒸發等過程轉移，這樣就造成了水資源在農業利用中流失的感官印象，所以一般通過水的加堿計算來農業水資源利用總量。從這種角度理解，農業利用可以作為水資源自然循環的子系統。

但是，人類以城市用水和工業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物理特性，所改變的是水的“質”，這也是水資源區別于石化資源的關鍵點。

在城市用水和工業用水比例高的區域，其水資源的總量計算，就已經跳出簡單、靜態的不同區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所形成的結果，在長期的時間尺度以及整體流域的范圍之內，水資源會保持一定“量”的穩態供應。

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（這也是我們規劃中通常采取的計算標準），其它的水量則通過其它不同渠道返回自然循環。

以量為指標，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，對于具有循環再生的水資源來說，以量為唯一指標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，我們對水資源的認識概念提出新的挑戰——中國以城市發展為重心的水資源稀缺從本質上來說，是一種“水質”的缺失，水資源的再生特性從根本上也是水“質”的問題，水質成為評價水資源的決定因素。#NEWPAGE#

三、決定水資源再生循環的要素

水資源水質再生的核心是讓使用后的改變了水質的水通過凈化再次具有自然原水的水質特征。要想達到水資源的水質再生循環，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）水資源循環自然再生的生態環境要素

“流水不腐”正是告訴我們水質修復的自然規律，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、恢復水質要求的一個過程。

水資源的水質循環是一個以水質變化為核心的修復過程。在人類活動對水資源擾動小的地區和時期，自然修復是完成水質再生的主導因素。水體的自然凈化需要一定的水生態系統、動態流量、溫度和時間作為保證。中國特有的河流長流經、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修復特性，為水資源的水質再生和多次循環利用提供了良好的前提條件。

（2）水資源的人工水質修復——污水處理

但是，隨著人類取水量的加大、排水水質成分的復雜化和日益惡化、尤其是工業廢水中所產生的大量自然難以消納的污染物質，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難以實現水資源的水質恢復。因此，污水處理作為一種人工強化的水質修復過程，開始進入水質循環的環節當中。污水人工處理的本質就是要通過來自人工外力的幫助來縮短水資源水質循環和修復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，是一次水質凈化過程；自來水經過使用轉變為污水的排放過程是一次污染過程；而污水經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代的水質再生循環。可見，污水處理是這一循環過程中的重要環節，處理后排放的水質標準越高，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、基于水質的水資源模型

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

1、水資源作為一種重要的自然資源，在流域范圍內其水量上保持相對穩定。

2、在以水質為核心的水循環過程中，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。“借”是指各用水主體通過不同形式取水，將受到總量的限制，限制的基數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標準的限制。

4、為了能夠達到接納水體的水質要求，“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，可以最終實現水質的還原和水資源的再生。

由此，在基于水質的水資源模型假設之下，水量不再成為水資源稀缺的絕對約束條件。我們將水質平衡作為水資源模型的特征變量，將流域內各地區或城市可以利用的基本水量作為基數，把當地污水處理的技術水平和循環利用次數作為乘數，計算水資源的可利用總量，并計入傳統水資源總量。在這里，可再生循環的基本水量（可用量）是評價地區或城市水資源豐度的基礎值，它是一個城市可以提取的水資源總量，它以該區域包括客水在內的所有水資源為基數，其所占比例決定于流態和溫度等因素，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；

2、模型針對城市用水提出，不適用農業用水的分析，因此適用于城市用水占主導的流域和地區；

3、由于“借”與“還”的數量并不完全等量，所以水質再生的次數會受到限制；

4、模型中水資源總量的核算單位為流域或城市群。

應用這一水資源模型，我們認為，在中國城市集中、人口密集的地區和流域，解決水資源問題的關鍵在于水質的控制，而不僅僅是水量的簡單滿足；如果能夠實現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使用的。

為了保障基本水量，水利工程設施的建設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；水資源量的循環本質上是一個“好借好還”過程，上游用戶排放的符合環境接納要求的水質，是下游用戶“好借”的基礎。#NEWPAGE#

五、水資源模型應用的流域尺度

水資源的循環使用存在著家庭、小區、城市和流域不同的空間尺度。在家庭內部將洗滌用水用于沖廁，是一種家庭節水措施；在小區將“灰水”應用于小區綠化，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，是污水回用措施；在流域中上游的排水經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同角度來看，流域尺度最符合自然水體的水質循環再生規律。首先，在自然狀態下，水資源自上游流向下游水的總量保持一定平衡，取水、用水、排水所產生的變化主要是水質的變化；其次，上游用戶的排水是下游用戶取水的基礎；第三，污染治理和再生復原環節由上游用戶完成，下游用戶受益。第四，流域協同才能有效保證水體的流態，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本地區的水資源的閉合循環利用，沒有提供給下游用戶一定的水質再生基本流量，剝奪了下游用戶的再生權利。離開流域協調，在單個城市實施的被稱為“再生水”而實質上是污水回用的工程規劃，只會考慮自身的環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，水的再生率達到70%，這受制于其有限的國土面積，沒有實現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，中國水資源水質再生的自然條件要優越的多，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，缺乏流域協調。第一個因素容易理解，而第二個因素已經成為水資源再生利用的關鍵制約，因為實際工程規劃和政策文件中，再生水戰略已經被地區污水回用所替代。

污水回用不是真正達到水質目標或環境功能要求的再生水。污水回用將經過二級處理、符合基本環境標準的污水，納入區域內直接回用，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再生的補給。隨著河流生態凈化基本流量的喪失，將進一步增加下游“借水”的再生復原的邊際成本，導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略。

七、水質經濟學的基本內涵

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

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

在傳統的水資源模型中，由于忽略水資源的水質循環再生屬性，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，二是通過調水增加區域水量的經濟成本。

而基于水質的水資源模型，則將水資源的循環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的水質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的全成本價值決定，也就是包括水質還原或部分還原的經濟成本在內的全成本價值決定。

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

水質的還原價值，從系統熱力學角度來看，由清變濁是一個系統熵值的增加過程，水質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，水質還原的經濟價值本質上應是水質變化的能量消耗成本。#NEWPAGE#

八、基于水質經濟學的服務和價格模型

水質經濟學概念的提出還將促進城市水業產業性質的明確，因為城市水業所進行的正是水質凈化的環境服務，其服務價格本質上并不受到水量的影響，而是受改變水質的成本影響。也就是說，城市水業產業鏈中的各個主體購買或者出售 “水”本身，而是轉化“水質”的商業或者公共服務，污染了水質就需要付費，而凈化了水質則獲得收益，在此，服務收費的表現則是水價。

目前中國的水價結構中由三個部分組成，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）和基于環境達標的環境水價（污水處理和污泥處理費）。

在水質經濟學中，以水質變化為主線的水循環過程所發生的服務成本，將以新的組成內容統一納入到水質經濟學的價格體系中。它們分別是：通過人工污水處理，使水質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、凈化和服務的工程服務價格（工程水價）；水體再生水所需基本凈化流量的配置調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，服務企業或者機構根據服務的質量收取相應的價格。

九、水資源總量的理論值與經濟值

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

但是在僅僅是個理論假設，實際應用基于水質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，它也是自然水質再生的決定因素；四是排出水的水質，它決定了自然水質再生的時空要求；五是溫度、地質、生態等自然因素的制約。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域的可利用水資源的理論值，也是生態允許的最高值。

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

十、缺水等級劃分的新思路

在基于水質的水資源模型之下，特定區域的水資源缺水等級將以新的方式進行劃分。

在以水質為核心的水資源模型中，我們在不影響流域生態功能的前提下，將是否可以短期“借出”符合取水水質要求的、滿足區域經濟發展水量要求的水資源，作為流域內一定區域或城市是否缺水、是否需要跨流域調水的基礎和評判標準。

在此基礎上，將流域水體的凈化（好借）成本和人工水質改善（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：一是滿足地區需要取用的水資源總量的生態流量保障成本，包括可能的、適當的調水成本，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、生態流量、下游取水要求的制約。

十一、結語

基于水質的水資源模型和水質經濟學針對目前水資源模型中社會屬性關聯度不足的問題，在特定的條件下，通過水質這一橋梁，實現了水的自然循環和社會循環的統一，實現了水在自然屬性與社會屬性的有機關聯，也進而實現了水質與水量的統一。

但是，基于水質的水資源模型和水質經濟學是剛剛提出的全新概念，其理論體系遠未完善。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，會在關于水資源的經濟、產業、管理以及環境政策領域中得到進一步的修正、發展和應用。

附：第二十二期水業戰略沙龍“面向未來的中國水資源創新機制”

編輯：全新麗