未來城市水系統如何破局？行業專家提出五種重構模式

導讀

在城市化進程不斷加速、環境問題日益凸顯的當下，城市水系統的可持續發展成為備受矚目的焦點。清華大學教授、秀鐘書院院長胡洪營以“未來城鎮水系統升級重構的幾種可能模式及其技術需求”為題作主旨報告，猶如一場及時雨，為城市水系統的未來發展指明了方向。他從“結構重構”與“邊界重構”兩大維度出發，提出了五大創新模式，并深入梳理了新模式落地所需突破的關鍵技術，為解決城市水系統面臨的諸多難題提供了全新的思路和解決方案。

一、城市水系統及其面臨的發展課題

（一）城市水系統的重要性、復雜性

城市水系統，作為城市的生命線，宛如城市的血脈，為城市的正常運轉提供著基礎保障。從水源地到供水、排水、用水，直至最終排入環境，這些環節緊密相連，構成了一個龐大而復雜的系統。它不僅僅是一項基礎設施，更是與社會及自然生態緊密交織在一起，用“Nexus（扭連）”一詞來形容其相互關系恰如其分。

水系統的影響力遠不止于水資源本身，它還涉及到能量管理、物質循環等多個維度。國際上常提及的“Energy - Water - Food Nexus”（能源 - 水 - 食物扭聯關系），深刻揭示了這些要素之間的相互依存關系。例如，在農業生產中，灌溉需要大量的水資源，而農業又消耗能源，同時農產品的生產也與食物供應緊密相關。因此，我們必須從能源、物質、社會和自然的全方位視角來審視城市水系統，才能全面把握其運行規律和發展需求。

（二）新時期審視城市水系統的新視角

在可持續發展成為全球共識、碳達峰碳中和成為重要戰略目標的新發展階段，審視城市水系統需要全新的視角。在2021年第五屆全國水處理循環利用學術會議上，“未來沙龍”討論會專門聚焦未來城市水系統的發展方向。清華大學的劉書明教授和董欣副教授提出了從八個視角審視城市水系統的框架與新型城市水系統的內涵，極大地拓寬了我們對城市水系統的認知維度和邊界。

從結構要素來看，要實現水資源的循環利用，打破傳統的線性用水模式；從邊界性能方面，要注重區域協調，考慮不同地區之間的水資源分配和利用；從認知角度，要追求高效，提高水資源的利用效率；從技術管控上，要實現綠色環保和智能化，采用先進的技術手段和管理模式；從內涵上，要更加豐富多元，滿足城市不同領域和人群的需求。這八個視角為我們全面、深入地理解城市水系統提供了有力的工具。

（三）現有供排水系統面臨的發展問題

本次報告重點圍繞結構和邊界這兩個視角，深入探討現有供排水系統存在的問題。

在結構方面，傳統的水系統基本流程是取水、供水、排放、處理、再排放，形成了一個類似“流域工程系統”的循環。這種系統高度依賴域外水源，上游取水、用水后，經處理直接排放到下游。其韌性較差，一旦上游水源出現問題，下游城市將面臨嚴重的水資源短缺危機。同時，水資源利用率較低，大量水資源在取水、輸送、使用和排放過程中被浪費，資源能源消耗較大，屬于高碳、低效的灰色基礎設施系統。

邊界方面則蘊含著多重內涵。首先是水源邊界，城市用水雖然主要在當地，但涉及的流域范圍卻非常廣泛，甚至跨越國界。例如，北京市用水的一部分來自千里之外的丹江口，這種跨區域的水源依賴使得城市水系統的穩定性和安全性受到外部因素的較大影響。其次是能源邊界，北京70%的電力來自外調，其中傳統水電約占外調電力的60%，綠電占40%。這意味著大部分電力依賴外部供應，碳排放也隨之轉移到外部，給城市水系統的能源供應和碳排放管理帶來了挑戰。最后是物質邊界，水含有各種有機物和礦物質，這些物質來源于我們日常食用的糧食和蔬果，并最終通過糞便排泄進入下水道。糧食和蔬果的來源地廣泛，形成了物質循環的邊界。

現有水系統的“物質”邊界問題尤為突出。這種模式相當于源源不斷地把從土壤中汲取的礦物質開發到下游，卻無法使其返回原產地的土壤，導致土壤貧瘠化，微量元素含量逐年減少，影響植物的生長。目前，植物所需養分主要通過化肥補充，但主要局限于氮、磷、鉀，全面補充微量元素存在現實困難。這一現狀對人類健康及水務系統同樣構成沖擊，導致人體攝入的微量元素不足，引發隱性饑餓和健康問題；由于這些元素最終都排入了水體，導致水體富營養化；而現有處理系統是單一的線性模式，污水處理廠也難以有效回收這些元素。面對這些系統性問題，我們必須進行系統性思考，進行結構化、系統性的升級和重構。

二、城市水系統升級重構的可能模式

（一）多類水源分級供水系統

多類水源分級供水系統是一種創新的水資源管理模式。水源種類豐富多樣，包括水源地、城市河湖、再生水、雨水和海水等；用水途徑也涵蓋飲用水、市政用水、生態用水、工業用水等多個領域。根據不同的用水需求，通過多重管網系統進行分級供水，能夠實現水資源的優化利用。

根據清華大學董欣副教授團隊的測算，如果能夠實現水資源的完全循環利用，城市可用水資源量可以放大到6.7倍，這將徹底改變城市水資源利用的格局。這種模式已經有多處實踐案例，以義烏市為例，其水源分為飲用水源、再生水源和江水水源三類。江水水源的水質無法達到飲用水源地標準，因此不能用作飲用水。在這三種類型水源的基礎上，義烏市分別建立了工業分質供水、居民分質供水和市政分質供水系統，實現了全域的多水源分質供水。這種模式不僅提高了水資源的利用效率，還降低了供水成本，為城市的可持續發展提供了有力支持。

（二）多類水源同質供水系統

多類水源分級供水系統雖然具有諸多優勢，但也存在一些潛在問題，如管網系統復雜、難以平衡不同用水需求的水質及水量等。而“多水源統一供水”模式則提供了另一種解決方案。無論水源來自哪里——水源地、河湖、再生水還是雨水，只要處理到規定的水質標準，就可以進入統一的管網系統進行統一調配。這種模式的優勢在于只需要單一的管網系統，就能實現水資源的統一管理和調配，大大簡化了供水系統的復雜性。

美國已有將再生水直接接入飲用水管網的實踐。雖然這種方式前期處理費用較高，但從長期來看，可以節省管網建設費用，具有一定的經濟效益優勢。然而，這種模式也面臨著公眾接受度等方面的挑戰，需要通過加強宣傳教育、提高水質保障水平等措施來逐步推廣。

（三）非常規水的地下回灌與循環利用

對于部分公眾來說，將非常規水源直接接入飲用水管網可能難以接受。對此，可以將處理后的水回灌至地下水源地或水庫，再從水源地取水，以實現不同水源的統一水質供水。這種模式對于污水處理廠的工程建設及運營，將產生新的場景和需求。

再生水回灌地下水值得積極開展研究和工程示范。通過將再生水回灌到地下，不僅可以補充地下水資源，還可以改善地下水水質。同時，這種模式也為污水處理廠提供了新的發展方向，促進了水資源的循環利用。然而，在實施過程中，需要充分考慮回灌水的水質要求、對地下水環境的影響等因素，確?；毓噙^程的安全性和有效性。

（四）水的區域生態循環系統

通過構建“區域生態循環系統”（再生水區域循環利用），代替當前的“流域工程循環系統”，能夠有效提高水資源的利用率，增強水系統韌性，并降低能耗和用水成本。這里的“區域”不局限于城市內部，而是在不受上游限制、不影響下游的情形下，在一定區域內實現水資源的自給自足。

具體而言，可以在取水用水及處理后，將排水排入一定區域內自己的水體，并將其作為新水源進行再利用。在這一模式下，城市河湖水體的功能定位將從景觀水體向“城市第二水源”拓展，促進長效的運營和管理。此外，該模式還兼有促進三水統籌治理、促進處理標準制定的推動作用，實現“一地一水一策”。目前，生態環境部已經開展了區域再生水循環利用相關的試點工作，涉及38個城市，該模式的完善與發展值得期待。

（五）區域水與營養元素雙生態循環系統

我們不僅需要關注水資源本身的循環，還需要考慮物質元素的循環。例如，從源頭分離黑水，將其資源化后用于農田改良及作物種植，以同時實現水循環和元素循環的雙重目標。在這一過程中，城市、生態和農業的結合不可或缺，將農業納入城市生態系統，是一種較為理想的解決方案。

這種模式能夠實現水資源的可持續利用和營養元素的有效循環。通過將黑水進行資源化處理，不僅可以減少對環境的污染，還可以為農業生產提供有機肥料，促進農業的可持續發展。同時，這種模式也有助于提高城市生態系統的穩定性和韌性，實現城市與自然的和諧共生。

三、城市水系統升級重構的技術需求

在討論技術需求之前，我們需要進行系統性的思考與規劃。首先要明確城市水系統的內涵與外延，界定其概念與邊界，以便更好地把握其發展方向和重點。其次，要重點考慮城市水系統的主要問題，包括模式、系統、政策和管理等方面，找出問題的根源和關鍵所在。最后，要思考變革的方向是什么，并據此變革理念，之后才能談及政策、規劃和技術支持。

未來的城市會是什么樣子，目前難以準確描述。前述的五個創新模型，是從結構和邊界的視角來審視水系統得出的啟發，從其他視角來看，或將能看到更多元的模式。對于前述五種模式，在具體選擇時，需要考慮地域特點、資源稟賦、城市規模、經濟條件等因素，并根據模式的不同，對相應的短板進行研究開發。

例如，多類水源分質供水系統目前已經有比較成熟的技術和經驗，但在實際應用中還需要進一步優化和完善管網系統，提高水資源的分配效率。多類水源的同質供水系統還需要大量的研究支撐，包括水質處理技術、管網建設技術等方面的研究，以確保供水水質的安全和穩定。非常規水的地下回灌與循環利用技術方面，美國已經做了不少探索，中國也開展了一些小規模試點，具備開展大規模示范、推廣應用的基礎，但還需要進一步研究回灌水的水質變化規律、對地下水環境的影響等問題。對于區域再生水循環利用系統，需要重新思考城市水體的定位，加強水體的生態修復和管理，提高水體的自凈能力。要實現水與營養元素雙生態循環，需要在污水源頭進行分類收集，建立多元循環體系，同時確保排泄物的安全處置，這些都是資源化技術升級的抓手。

總體來看，未來我們需要在城市水系統中統籌考慮水、能源、物質元素流，并開展新型城市水系統的綜合試點和示范，通過實踐來驗證和不斷完善。只有通過不斷地探索和創新，才能實現城市水系統的可持續發展，為城市的繁榮和人民的幸福提供堅實的保障。