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

　　摘要：本文回顧了城市水系統及其管理思想的發展歷史，分析了傳統的集中式城市水系統的缺點和局限性：城市水環境以及水文循環的破壞、污水處理的困難、巨大的資金需求和建設周期的漫長；指出了現代和未來城市水系統管理所面臨的挑戰和發展機遇：干旱和極端降水、城市化加劇、技術的進步和組織管理上的需求；闡述了未來城市水系統管理的思想，即必須用整體論的思想作指導，實行節約用水，進行全球性的資金、技術和經驗的共享。
　　關鍵詞：城市水管理；污水系統；集中式系統；整體論；節水；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，許許多多的歷史證據顯示，在所有的文明中都有如何實現供水，如何安全衛生地實現居民區雨水、固體和液體廢棄物排除的成功措施。但是，過去的工業革命和當今的社會巨變，導致了不可預測的城市化速度，使得我們不能再用傳統的措施解決問題。即使是西方國家從第一波工業化浪潮以來發展形成的思想，也不足以應付今天的問題；盡管這些思想曾經幫助一些水環境的質量恢復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，這些問題嚴重阻礙了健康的社會和社會結構的發展，特別是在工業化和城市化速度超出了社會財政和組織能力的地區更是如此。聯合國機構的統計報告顯示^[1]，世界上許多人沒有衛生的水供應和衛生設備；報告還顯示了這種缺乏城市基礎設施的悲哀后果：疾病、傳染病和高死亡率，特別是兒童的高死亡率。世界領袖們的千年宣言^[2]，以及部分地在約翰內斯堡峰會^[3]和京都會議^[4]上的論述對這種欠發達問題作出了回應，設定了發展目標，以求發展新的思想，展開新的行動，采取新的措施。
　　本文簡要討論城市水系統的管理，目的是對過去和現有思想的局限性進行探索，進而研究基于新技術條件下解決未來（應該說“已經開始的”未來）問題的新思想。

2 “歷史上的”挑戰¾解決早期城市化問題所形成的思想

　　19和20世紀，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，那就是通過巨大并持續增長的集中式系統，一直不斷地提供大量安全的飲用水。這種給水任務包括其實并不需要如此高質量水的用途，例如用于運輸居室廢物的用水。使用這種散漫的給水系統的后果就是必須再收集所有用過的水¾多數是和城市雨水一起收集，這導致了另一個巨大的基礎設施系統，即污水排放系統的建立。迄今，這種非常集中的城市水管理思想已經有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水環境的影響是災難性的：干凈水的汲取和廢水的再注入導致了嚴重的水體污染，從而明顯削弱了當地水的自然循環。因此，很快就發現，要實現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。比較可以發現，僅僅是運輸支出，即給水輸送和污水收集的消費也遠遠超過水質凈化的支出。如果用這種建設集中式基礎設施的思想解決問題，首先的問題便是設計和建設這種巨大網絡系統所需要的時間是很長的，阻礙了給水和污水處理任務的迅速完成。

圖1 傳統的重力驅動污水系統的歷史發展：最初起源于運輸生活污水到原來是天然水體的城市水體；后來系統被擴展延伸，加入了工業廢水的運輸；然后這些污水和廢水在充分混合的情況下被運輸到污水處理廠，經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管理的措施。在19世紀后期直到20世紀，這些措施對減輕工業化和城市化帶來的問題發揮了重要作用。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這些基礎設施系統。
　　這種思想帶來的明顯問題是，系統被擴展或曰濫用，進行生活污水（多數是來自天然的可生物降解的物質）之外的其它物質，例如含有通常有害的人造工業廢棄物的收集和去除。這種系統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內混合，來自工業源的優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改變了的和現代化的污水系統

　　多年以來的經驗表明，集中式水系統的一些嚴重的缺點可以歸納如下：
　　（1）　 在大的居民區內，更多的在城市、大城市和超大城市的周邊，水文循環和城市水源受到嚴重的破壞。
　　（2）　 永無止境增長的復雜城市系統使得對污水收集系統容量的要求不斷增加（對給水系統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設施的建設和管理同樣必須不斷增加，并且它們在許多方面相互影響。），多數或主要是由于不能滲透的排水面積的增加而導致的城市暴雨徑流量的增加。
　　（3）　 由于所有廢物成分在一個單一的系統中收集、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。
　　這導致了污水收集基礎設施系統的變化¾無疑也包括給水管網系統的變化，如圖2所示。

圖2 為補償現存系統缺陷的改進，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供水；（3）工業內部水處理和循環。但也應注意由于城市地下水的富集所造成的對破損的污水系統的滲漏

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設施的改進，不應看成是一次性的行動，而應當是一種持續不斷的過程。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的邊界條件和施加在這些系統上需求增加的變化似乎在超乎尋常地向相反的方向掙扎。比起其它領域，它們對城市基礎設施的需求更多,面臨的挑戰主要有以下的三個方面：
　　（1）　 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重。極端的降雨事件造成了污水收集和運輸的問題，而干旱造成了供水缺乏問題。
　　（2）　 為了不斷增長的世界人口提高日常生活對水質和水量的需要¾特別是日益增長的城市人口[5]（見圖3）帶來的居民生活、工業和農業用水需求的增加對水圈造成的壓力。大城市的增長已經超出了它們的“自然”邊界，而在給水和衛生管理方面尚無令人滿意思想準備的超大城市已經誕生。未來的主要任務之一是，從現有的城市增長和供需關系的角度發展居住區規模優化的策略。
　　（3）　 與挑戰性需求同步的技術和管理的發展。例如設想利用新的技術選擇，建立水循環幾乎封閉的居住區，或者設想出現提供給水和衛生服務財力的私營企業。

圖3 城市人口的持續增長：發達工業化國家如德國，其城市人口所占總人口比例仍在增加；發展中國家如中國，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發展，例如在水和污水運輸領域，不用重力驅動，而是用真空系統或壓力水管的（污）水系統；還有許多水處理新技術出現，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選擇的多重性，這些技術發展對所有現存的和將要建造的設施均具有重要意義。
　　另外，操作技術的日益提高，將會提高現有和新建處理廠的運行效率。我們將見證在營養元素強化去除、不完全消毒方式的建立或優先污染物控制水平提高方面設施的變化。因為這些新的發展，我們也能夠用分散式處理單元代替大型集中處理設施。相應地，在居民區或工業上，封閉的水循環可能建立起來。
　　為了改變現在的不利局面，工程師們更容易看到技術方面的選擇和發展，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展的潛力。表1試圖展示，在所有的領域都有所發展，非技術選擇看起來至少與技術選擇同樣數不勝數。

表1 在市政水系統管理方面，技術的、社會的和組織管理的狀況及發展趨勢

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

技術的 社會的 管理的

· 內容復雜性的增長

· 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

· 市政面臨多重任務但缺少資金

· 公共/私人參與在其它領域的成功例證

· 吸引私人資金的需要

· 工業管理專門知識的利用

5 未來該做什么

　　歷史學家告訴我們：分析過去就能知道未來，了解過去的發展成就和失誤，就能找到解決未來問題的辦法¾確認我們過去的成績和問題，經過演繹外推，我們就能得到以下的三條“規則”：
　　（1）　 需要一種“整體論”的思想路線解決給水和衛生管理方面的所有問題。
　　（2）　 用水原則必須用“節約”的原則來支配。
　　（3）　 必須“共享”資金、技術和操作經驗。
　　讓我們來具體看一下這些規則的內涵。首要地，將城市水系統管理作為一個整體來處理。這意味著從組織上、建設上或操作上不再把給水和污水收集分開，我們要學會將這些任務象圖4描繪的那樣按照完全質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流進入市政規劃區域，而所有的這些物質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于給水和衛生管理分離的措施和對策。我們不得不分析和優化總體的市政水循環，就象“歐洲水框架指導”^[6]所要求的那樣。此外，也不能再沿用以前根據給水需求來支配水管理以及為保護人類需求為優先的思想。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]，保護整個的水生態系統才是面向未來的整體水管理的正確道路，德國關于不同層次水環境，如對養魚、娛樂、生活給水等的定義，進一步顯示了這一思想本質。

圖4 城市區域總體物質流分析和平衡：無數水流和其它物質流或者以循環的方式被利用，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

　　第二條規則，盡可能地節約用水，即使在沒有直接缺水問題的區域也要節約用水，盡管并非人人都這么認為。遵循這一規則有許多方面。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設施的問題，而不是可用水總量的問題。在這種情況下，我們更應當考慮節省運輸，通過技術進步，利用可行的分散式供水和衛生設施來避免昂貴的管網運輸。工業水管理證明了這種捷徑式或封閉式水循環的可能性和界限。另一方面，未來農業用水更有可能極大地增加，因此在這樣的區域，不僅有極大的節水需求，而且有極大的節水潛力。需要發展這樣一種農業生產計劃：我們不用吃“冬天的草莓”而活著，亦即不要在最缺水的地區生產、出口和運輸這樣的產品到無論是水資源還是財力都很奢華的地區去。
　　因此，未來城市水管理的目標，節約用水將通過以下途徑實現：
　　（1）　 不在水資源分布不均衡的地區間進行用水量巨大的農產品的進出口。
　　（2）　 降低污水收集和運輸的財政和其它的努力，特別是在水資源缺乏而又缺少城市基礎設施建設的地區。
　　今天有許許多多的選擇來實現上述的策略，一系列的可能如圖5所示，主要的措施有兩個：
　　（1）　 水組分的下級循環和傳統的小處理廠（圖中左部分）。
　　（2）　 所有物質流的分開收集和建立擴展的封閉循環（圖中右部分）。
　　當然，在居民區和城市水管理中，在“走向更封閉的水循環”上可以有各種變化和組合。

圖5 在居民區和城市水管理中走向封閉的水循環已經有各種可能的途徑，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用于飲用水之外的目的。用現有的技術都能實現這兩種方式

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

　　第三條規則，進行水管理資金、技術和操作經驗的國際“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濟的考量，這已經形成國際共識。為了實現這一切，特別是在開發他們所有的資源來試圖滿足人口增長需求的國家和地區中，需要共享資金、技術和操作經驗。許多“水管理有問題的地區”缺乏資金、技術和操作經驗，但是這些資源可以從其它地區獲得。此外，許多國家的經驗表明，即使在用水力度很強的情況下，也能保護好水環境和與之密切相關的人類健康。
　　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這種需求的可能性。這種共享能夠而且必須在不同的區域和國家間發生。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對挑戰的一個例子是辨別、確認這一領域的所有角色，他們是：（1）水的用戶，也是污水生產者；（2）保護水資源的當局；（3）設計、建設和操作機構。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 規劃、建筑和操作機構

消費者和生產者希望和需要資訊：

· 無限制可用的成本（可能的削減）

· 當前可用的技術標準

· 質量和安全需要

· 無限制供應和衛生的益處

市政和國家需要資訊和關心：

· 對所有的消費者均等的機會

· 現在和未來消費者的需求

· 沿岸上游和下游的利益沖突

· 管理決策的衛生學后果

規劃、建筑和操作工程師保證：

· 技術可行性和適用性

· 成本的回收和資金

· 明顯可確定的收益

· 操作者開發和使用

· 新的技術、組織和資金選擇

6 結語

　　本文簡要討論的目的是揭示我們如何能夠和必須從過去城市水管理的經驗和教訓中學習。面向未來的城市水管理思想，可以定義為三條規則或曰指南，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，這也是其它規則的指南。
　　有許多關于“水的戰爭”的公開討論，因它們是可以預見的。這種表述無疑顯示了問題的嚴重程度。已經有諸如造成許多犧牲品的“無聲戰爭”：象世界衛生組織統計的那樣，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。作為結論，我們應該意識到，城市水管理是當代最具挑戰性的任務之一，也是最具回報的任務之一。我們可以征服月球，但是我們還沒有管理好我們的后花園，使之達到應有的狀態。
　　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：衛生學的挑戰。如今，這一問題再次出現了。歷史告訴我們，給水和污水間的短路會導致傳染病。我們已經看到了集中給水和排水系統的功效，但我們沒有時間和資金來將這種傳統的措施應用到其它地區去。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的時候，我們必須記取過去的教訓：衛生健康不是自然而然的質量保證，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