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蓝皮书22:提出基于水质的水资源模型

时间:2008-12-09 13:42

作者:陈吉宁 傅涛

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编者按:本文为水业高级战略沙龙系列《清华水业蓝皮书》之二十二。

基于水质的水资源模型与水质经济学框架

陈吉宁  傅 涛

一、中国水资源的认识与反差

谈到中国的水资源,最常见的官方论点就是:中国是一个干旱缺水的国家,淡水资源总量约为27000亿立方米,人均约2000立方米,仅为世界平均水平的1/4,在世界上名列约120位。

这样的一个结论是在传统水资源总量定义的基础上得到的,即评价区内当地降水形成的地表、地下产水总量,由地表水资源量与地下水资源量相加、并扣除两者之间互相转化的重复计算量而得。该方法中不考虑评价区之外的客水资源,其理由是一个地区的发展应该立足于自产水资源保障可持续发展,统计客水会影响客区的发展权。

这个“科学”的计算方式,在应用与实践中却造成一些困惑。分析以此计算方法为基础的各地水资源公告,我们发现上海的人均水资源量为200 m3/人,仅为北京人均水资源量的2/3,是世界平均水平的1/40;位于江南水乡的江苏省的人均水资源量只有630 m3/人,属于严重缺水地区;而在干旱的新疆,其人均水资源量是4120m3/人,按照联合国的标准则属于富水地区。显然,这样的评价结果有悖于人们感官的基本常识。

但是,这个形成中国缺水总体认识的评价方法却是国家众多需水战略工程论证和实施的最为重要的前提和基础,包括数十个大城市的远距离调水,以及规模宏大的南水北调工程等。此外,以此评价方法为基础,还包括许多以地区水资源承载力为基础的经济发展规划,以及投资巨大的重点流域水资源规划等。

另一方面,我们又看到,这个运用于需水规划的评价和指导方法在具体城市的用水规划中,却有另外一番天地。事实上,大城市几乎无一例外地在各自的城市用水规划中考虑并使用了客水,如北京利用了河北的客水,而长江沿线的城市几乎无一例外都不同程度地利用了长江的客水。

现在,是否该对传统的水资源计算方法提出挑战,需要先从水资源的特性谈起。

二、城市水资源的核心是水质问题

水资源与石油、矿产资源一样是宝贵的自然资源,但是水资源因为具有循环再生的根本属性,使其有别于石油、矿产等不可再生资源。但是,这种循环再生性质受制于水的自然循环和社会循环特征。

在水的自然循环之中,水以不同的形态存在于不同的空间,而水资源则是在水的自然循环各环节中所呈现的人类可以利用的部分。人类对于水资源的提取、净化、利用、排放作为社会循环,则容纳于自然大循环之中。

水的再生主要有两种形式实现,一是在自然循环过程中通过汽态、液态状态的转变实现了自然再生,这个循环受制于气候的变化规律,二是在液态状态下由于水质的变化而实现的污染与净化再生,这个循环受制于社会循环和自然循环的共同作用,是本文讨论的关键。

在多种形式的水资源人类利用中,农业灌溉与利用,与水的自然循环相互交融,利用过程中并行着水的吸收、渗透、蒸发等自然循环现象。农业用水所提取的水量一般不直接返回水体,而是通过土壤渗透、植物吸收、蒸发等过程转移,这样就造成了水资源在农业利用中流失的感官印象,所以一般通过水的加碱计算来农业水资源利用总量。从这种角度理解,农业利用可以作为水资源自然循环的子系统。

但是,人类以城市用水和工业用水为代表的社会用水却有很大的不同。社会用水的大部分活动在封闭管道体系中进行,人类社会在进行自然中取水、用水的过程时,与自然循环有着较为清晰的界限。用水主体对水资源的取用不会消耗水资源的“量”,也不会改变水本身基本的化学物理特性,所改变的是水的“质”,这也是水资源区别于石化资源的关键点。

在城市用水和工业用水比例高的区域,其水资源的总量计算,就已经跳出简单、静态的不同区域和不同类型的水量加减概念。对于水资源社会利用角度而言,水量盈缺仅是在一定的时间和空间尺度内所形成的结果,在长期的时间尺度以及整体流域的范围之内,水资源会保持一定“量”的稳态供应。

一般而言,由于城市用水并非完全封闭,城市取用一吨原水净化为自来水使用后,80%的用水量形成污水(这也是我们规划中通常采取的计算标准),其它的水量则通过其它不同渠道返回自然循环。

以量为指标,来衡量不可再生资源是可行的,我们可以通过总量的稀缺程度来衡量其资源价值;但是,对于具有循环再生的水资源来说,以量为唯一指标的资源评价模式并不适合,尤其是针对城市用水问题。而中国缺水的难点和重点恰恰是在城市。

由此,我们对水资源的认识概念提出新的挑战——中国以城市发展为重心的水资源稀缺从本质上来说,是一种“水质”的缺失,水资源的再生特性从根本上也是水“质”的问题,水质成为评价水资源的决定因素。#NEWPAGE#

三、决定水资源再生循环的要素

水资源水质再生的核心是让使用后的改变了水质的水通过净化再次具有自然原水的水质特征。要想达到水资源的水质再生循环,就需要有时间、空间、温度等要素的保证,这些要素来自自然和人工两个方面。

(1)水资源循环自然再生的生态环境要素

“流水不腐”正是告诉我们水质修复的自然规律,而水资源也是一个具备“时间”和“空间”的概念,“流水”就是水自净、去除污染物、恢复水质要求的一个过程。

水资源的水质循环是一个以水质变化为核心的修复过程。在人类活动对水资源扰动小的地区和时期,自然修复是完成水质再生的主导因素。水体的自然净化需要一定的水生态系统、动态流量、温度和时间作为保证。中国特有的河流长流经、大流域、高落差、高流动性特点,又赋予了中国河流水资源良好的自然水质修复特性,为水资源的水质再生和多次循环利用提供了良好的前提条件。

(2)水资源的人工水质修复——污水处理

但是,随着人类取水量的加大、排水水质成分的复杂化和日益恶化、尤其是工业废水中所产生的大量自然难以消纳的污染物质,人类活动对自然水资源造成的污染扰动日益加大,仅仅靠水体的自然净化已经难以实现水资源的水质恢复。因此,污水处理作为一种人工强化的水质修复过程,开始进入水质循环的环节当中。污水人工处理的本质就是要通过来自人工外力的帮助来缩短水资源水质循环和修复的自然空间尺度和时间尺度。

城市从自然水体中取水,净化为自来水,是一次水质净化过程;自来水经过使用转变为污水的排放过程是一次污染过程;而污水经过污水处理厂净化向自然水体排放则是一次消除污染的过程,污水处理厂排放的高度净化的处理水经过自然水体的进一步自净又成为再生的原水,这一完整的过程就形成了现代的水质再生循环。可见,污水处理是这一循环过程中的重要环节,处理后排放的水质标准越高,则对自然水体的再净化所要求的时间就越短、空间就越小。

四、基于水质的水资源模型

在强化了水资源的再生循环特性后,我们认为需要从“水质”的角度来评价水资源,并提出了基于水质的水资源模型。
基于水质的水资源模型基于以下假设和观点:

1、水资源作为一种重要的自然资源,在流域范围内其水量上保持相对稳定。

2、在以水质为核心的水循环过程中,人类对水资源的取用并非是简单的消耗,而是一个“借”与“还”的过程。

3、水资源的“借”与“还”受到不同因素的限制。“借”是指各用水主体通过不同形式取水,将受到总量的限制,限制的基数包括客水和上游用水主体返回的再生水;“还”是指各用水主体将水量返还水体,将受到水体能接纳的水质标准的限制。

4、为了能够达到接纳水体的水质要求,“借”水主体需要对使用后的水进行不同程度的人工处理,使其所“归还”的水量通过自然净化,可以最终实现水质的还原和水资源的再生。

由此,在基于水质的水资源模型假设之下,水量不再成为水资源稀缺的绝对约束条件。我们将水质平衡作为水资源模型的特征变量,将流域内各地区或城市可以利用的基本水量作为基数,把当地污水处理的技术水平和循环利用次数作为乘数,计算水资源的可利用总量,并计入传统水资源总量。在这里,可再生循环的基本水量(可用量)是评价地区或城市水资源丰度的基础值,它是一个城市可以提取的水资源总量,它以该区域包括客水在内的所有水资源为基数,其所占比例决定于流态和温度等因素,不同流域不同。

但是,任何模型的提出,均需要有一定的边际条件限制,基于水质的水资源模型适用于以下范围:

1、模型适用于总量稀缺的流域和地区;

2、模型针对城市用水提出,不适用农业用水的分析,因此适用于城市用水占主导的流域和地区;

3、由于“借”与“还”的数量并不完全等量,所以水质再生的次数会受到限制;

4、模型中水资源总量的核算单位为流域或城市群。

应用这一水资源模型,我们认为,在中国城市集中、人口密集的地区和流域,解决水资源问题的关键在于水质的控制,而不仅仅是水量的简单满足;如果能够实现最大限度的人工净化,就可以缩短水资源再生的时空尺度。在基本的水量保证的前提下,水资源是可以有限制地多次重复使用的。

为了保障基本水量,水利工程设施的建设和水量分配需要兼顾自然再生过程所需要的净化基本流量;水资源量的循环本质上是一个“好借好还”过程,上游用户排放的符合环境接纳要求的水质,是下游用户“好借”的基础。#NEWPAGE#

五、水资源模型应用的流域尺度

水资源的循环使用存在着家庭、小区、城市和流域不同的空间尺度。在家庭内部将洗涤用水用于冲厕,是一种家庭节水措施;在小区将“灰水”应用于小区绿化,是一种水的综合利用措施;在一个城市中将污水深度处理后回用于工业,是污水回用措施;在流域中上游的排水经过人工处理和自然净化成为下游的水源,这才是水资源的再生。

因此,从流域的上下游水资源共享与协同角度来看,流域尺度最符合自然水体的水质循环再生规律。首先,在自然状态下,水资源自上游流向下游水的总量保持一定平衡,取水、用水、排水所产生的变化主要是水质的变化;其次,上游用户的排水是下游用户取水的基础;第三,污染治理和再生复原环节由上游用户完成,下游用户受益。第四,流域协同才能有效保证水体的流态,下游用户的受益,也必然惠及上游用户。

如果不能在流域尺度上考虑水资源的循环再生,必然造成流域上下游各自为政,盲目拦截水资源,各个地方通过污水最大限度的回用实现本地区的水资源的闭合循环利用,没有提供给下游用户一定的水质再生基本流量,剥夺了下游用户的再生权利。离开流域协调,在单个城市实施的被称为“再生水”而实质上是污水回用的工程规划,只会考虑自身的环境利益和自己的资源利益,难以顾及下游的资源需要。

六、再生水战略的重新定位

极度缺水的以色列通过20多年的投资和努力,水的再生率达到70%,这受制于其有限的国土面积,没有实现再生所需要的足够空间,因此其只能加强人工处理,来最大限度地缩小再生所需要的空间要求。

相对而言,中国水资源水质再生的自然条件要优越的多,长流域、大水量都提供了非常好的水资源再生条件。但是有两种因素束缚了我们的水资源水质再生,一是不到位的污水处理排放,极大地降低了我们的再生能力,二是水资源管理的地域分割,缺乏流域协调。第一个因素容易理解,而第二个因素已经成为水资源再生利用的关键制约,因为实际工程规划和政策文件中,再生水战略已经被地区污水回用所替代。

污水回用不是真正达到水质目标或环境功能要求的再生水。污水回用将经过二级处理、符合基本环境标准的污水,纳入区域内直接回用,形成了“有借无还”的局面,造成了径流的进一步减少,虽然一定程度上控制了污染的转移,但无法满足再生水所需的水体自净基本流量,使河流失去新一轮循环再生的补给。随着河流生态净化基本流量的丧失,将进一步增加下游“借水”的再生复原的边际成本,导致全流域水资源的人为紧张。因此,污水回用(包括中水利用)实际是一种降低需求的措施,而再生水则是一种增加有效总量的措施和战略。

七、水质经济学的基本内涵

在基于水质的水资源模型之下,流域水资源总量不仅受制于传统水资源总量,而且受制于取水主体循环利用水资源的次数和利用量,而循环利用的次数,又取决于用水主体所排放水质的优劣以及水量损失的比例,而排出水质的优劣取决于处理单位的经济成本。

因此,水资源的核心是水质问题,而水质问题的核心是净化成本问题,净化成本是经济问题,我们将基于此模型的经济分析称为水质经济学。

在传统的水资源模型中,由于忽略水资源的水质循环再生属性,将水资源简化为单向取用,这种模型中水资源的价值由两个因素决定:一是水资源总量稀缺的程度,二是通过调水增加区域水量的经济成本。

而基于水质的水资源模型,则将水资源的循环再生量计入到水资源总量中;且流域越长,再生量所占比例越大。在这个模型中,水资源的稀缺不是简单水量的稀缺,而是附加在水量之内的水质变化所造成的可用水量的稀缺。

从这个角度来说,在流域水资源总量稀缺,但是能够满足单体取水不影响生态流量的背景下,水资源的价值并不仅由总体稀缺程度所决定,而由再生水所需基本净化流量的配置机会成本在内的全成本价值决定,也就是包括水质还原或部分还原的经济成本在内的全成本价值决定。

在已经总量稀缺达到不能满足单体取水的流域,才需要跨流域调水,在这种背景下,水资源价值首先取决于调水的成本,其次附加水质还原或部分还原的经济成本。

水质的还原价值,从系统热力学角度来看,由清变浊是一个系统熵值的增加过程,水质的还原则是一个通过外界能量的输入减少熵值的过程。因此,水质还原的经济价值本质上应是水质变化的能量消耗成本。#NEWPAGE#

八、基于水质经济学的服务和价格模型

水质经济学概念的提出还将促进城市水业产业性质的明确,因为城市水业所进行的正是水质净化的环境服务,其服务价格本质上并不受到水量的影响,而是受改变水质的成本影响。也就是说,城市水业产业链中的各个主体购买或者出售 “水”本身,而是转化“水质”的商业或者公共服务,污染了水质就需要付费,而净化了水质则获得收益,在此,服务收费的表现则是水价。

目前中国的水价结构中由三个部分组成,分别是基于稀缺的资源价格(水资源费)、基于成本的工程水价(引水和供水)和基于环境达标的环境水价(污水处理和污泥处理费)。

在水质经济学中,以水质变化为主线的水循环过程所发生的服务成本,将以新的组成内容统一纳入到水质经济学的价格体系中。它们分别是:通过人工污水处理,使水质还原到自然水体可以接受的成本价格(资源再生价格);水资源提取、净化和服务的工程服务价格(工程水价);水体再生水所需基本净化流量的配置调水直接成本和机会成本价格(流量补偿价格)。在这个价格模型下,服务企业或者机构根据服务的质量收取相应的价格。

九、水资源总量的理论值与经济值

按照给基于水质的水资源模型,如果包括客水的评价区的水资源总量能够满足城市或工业的单体取水总量要求,那末如果单体排出的水质和水量满足流域水质自然净化的需要,该区域不存在水资源量的制约,制约的只是水质净化和还原的经济成本。

但是在仅仅是个理论假设,实际应用基于水质的水资源模型进行实际水资源核算时,则需要考虑以下因素。首先是返回量的制约,即取用水量排回自然水体的比例,排回水量的减少,对下游单体取水量形成了制约;二是取水量的制约,即汲取水量所占总流量的比例,它决定了自然水体的自然水质净化到能力;三是空间制约,即上下游不同取水单体之间的距离,它也是自然水质再生的决定因素;四是排出水的水质,它决定了自然水质再生的时空要求;五是温度、地质、生态等自然因素的制约。共同考虑在这些制约因素的共同作用,我们可以计算出被评价区域的可利用水资源的理论值,也是生态允许的最高值。

这个实际值并不能在实践中简单应用,它还受到经济成本和水价等因素的制约。我们把考虑了经济成本因素的核算值称为水资源的经济值。一般而言,满足模型要求实现水质人工净化的成本越高,水价越低,水资源的经济值越小。

十、缺水等级划分的新思路

在基于水质的水资源模型之下,特定区域的水资源缺水等级将以新的方式进行划分。

在以水质为核心的水资源模型中,我们在不影响流域生态功能的前提下,将是否可以短期“借出”符合取水水质要求的、满足区域经济发展水量要求的水资源,作为流域内一定区域或城市是否缺水、是否需要跨流域调水的基础和评判标准。

在此基础上,将流域水体的净化(好借)成本和人工水质改善(好还)成本共同形成的全成本高低来表征流域水资源短缺的程度,并进一步用等级来划分水资源稀缺的等级。

因此,在具体划分等级时需要考虑两个方面的因素:一是满足地区需要取用的水资源总量的生态流量保障成本,包括可能的、适当的调水成本,这一成本将受到客水日最低流量的制约。二是污水处理还原成自然水质再生能够接纳用水的全成本,这一成本受到下游取水距离、生态流量、下游取水要求的制约。

十一、结语

基于水质的水资源模型和水质经济学针对目前水资源模型中社会属性关联度不足的问题,在特定的条件下,通过水质这一桥梁,实现了水的自然循环和社会循环的统一,实现了水在自然属性与社会属性的有机关联,也进而实现了水质与水量的统一。

但是,基于水质的水资源模型和水质经济学是刚刚提出的全新概念,其理论体系远未完善。我们希望和相信,这一针对中国水资源特征而提出的全新理念,会在关于水资源的经济、产业、管理以及环境政策领域中得到进一步的修正、发展和应用。

附:第二十二期水业战略沙龙“面向未来的中国水资源创新机制”

编辑:全新丽

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