生态城市与水利现代化
摘要:对天津及其滨海新区生态城市水利建设进行了分析。研究了在淡水资源极度匮乏的条件下,有效开发利用非常规水资源的必要性、重要性和现实性。认为天津市对水资源应遵循节水、治污、高效配置,妥善处理生活、生产、生态之间的关系,力求平衡调配。供水水源应是多元的,增加非常规水资源(污水、海/ 咸水、雨/ 洪水) 的利用,同时增加可用地下水,外调来水等,逐步进入可持续发展配置。
关键词:生态城市;生态水利;非常规水资源;污水资源化;海/ 咸水利用;洪水资源化
1 研究背景
现今国内一些主要城市以及部分省份已提出了建立生态城市或省的目标,天津市是国务院批准的第一个省级实施生态建设的城市。生态城市这一概念最早是前苏联生态学家亚尼茨基提出的。它是区域发展循环经济的重要模式,是一个复合生态系统,是对未来城市发展方向的认识。生态城市是资源高效利用、环境和谐、经济高效、发展持续的社会-自然-经济以及人与自然和谐统一的人类居住区。生态城市是经济、社会、文化和自然的高度协同、和谐的复合生态系统,具有物质循环再生、能源充分利用、信息反馈调节、经济效益最好、社会高度和谐、人与自然和谐共生的机能城市[1] 。
水是城市生存和发展的必需品、最大消费品和污染传输和转化的载体。城市水系统是生态城市的重要支撑系统和保障系统,也就是生命线系统,因而也是生态安全最大风险源。因此,在这种概念下的生态城市的水利也必须是生态的。提高水资源利用效率,实现节水型社会,这也是现代化水利目标的诉求。刘树坤[2] 指出:生态水利是以提高水资源和水环境承载力为前提的,以恢复和维护区域环境为基础,经济、社会高度协同、人与自然和谐为目标,综合运用各种(工程或非工程) 措施,合理地开发、利用和保护水资源,科学地防治各种水灾害,确保水资源可持续利用,是经济和社会可持续发展的需要和保障,实践人口、资源、环境大系统的有效统一。天津市水资源极度匮乏,九河下梢,有河皆污,水环境状况极度恶化,早已成为社会经济可持续发展的瓶颈(表1) 。从“城市水资源匮乏的实际出发”到“水资源可持续利用”,关键性环节就是“节能和环保”,建成节水、防污、高效节水、用水的生态城市。天津市水资源匮乏,主要是资源性的,但也有水质性和管理性缺水的特点,重要的是天津的非常规水资源开发和利用极有潜力,足以使天津市成为有足够可用淡水资源的城市。在这种情况下,天津需要外凋水(还有当地的部分地表水和地下水) 的常规水资源,作为基本安全保证水源,非常规水资源——污水和洪水资源化也是重要的,其次是海减水利用,综合集成达到最有效利用。
国家现代化从原始到现代的发展促进了水利事业发展的现代化的讨论。资源水利是工程水利的发展、提高和延伸,其本质特征是人与自然和谐,经济和社会可持续发展,是和生态城市的构想和目标一致的。有生态城市构想,就有生态水利的联想和期冀。生态水利实践不但要有新观念,还要有经济、先进技术和管理做支撑。国家现代化对水利现代化的作用主要表现为保障和推动;水利现代化对国家现代化的作用主要表现为支撑和带动。
水利事业的发展分几个阶段[3] : (1) 以单目标开发为主的水利建设时期,GDP 约在1 000 美元以下;(2) 以多目标为主的大规模水利建设时期,GDP 约在4 000～7 000 美元; (3) 以现代水管理为中心的综合治理时期,GDP 约在10 000 美元; (4) 人与水协调的可持续发展时期,GDP 约在20 000～30 000 美元。预计,天津滨海新区2010 年常住人口180 万(城市化率90 %) ,总产值3 200 亿元。天津滨海新区应当有一个高标准的水利建设,其内涵应当是生态水利或现代化的。
生态水利,把握要点就是循环。循环是循环经济的核心内容,没有循环再生,就失掉生态城市的主要机能。天津市及天津滨海新区水利建设所面对的就是这个关键。
2 天津及其滨海新区基本情况
自然状况
距今约10 000 年,渤海还是陆地,由于大气候变化,海平面上升,陆地变渤海[4] 。经四次海进海退,在4 000～5 000 年前,退至大港大苏庄附近。3 100 年前商殷后期,黄河在天津决溢数百年,形成大量洼地,沧海桑田数千年。500～600 年前形成现在的态势。
20 世纪初,天津水域面积达5 247km2 ,占全区总土地面积 % ,水域连片、河流纵横,湖泊、坑塘星罗棋布。以海河干流为界,北部分布着里自沽洼、黄庄洼、大黄堡洼、七里海等湿地;南部湿地与河北省三大水乡连接成片(图1) 。近100 年天津市湿地面积持续减少,由20 世纪初占总面积 %减少到2000 年的 %。1963 年大水以后有着根本性的变化,上游已建成149 座大中型水库,总库容364亿m3 ;大型骨干泄洪通道(新河、减河) 9 条,泄洪能力由4 600m3/s 增大到24 680m3/s ;九河下梢的天津,平常年已无多少水过境。
规划前景
天津全市面积11 000km2 ,滨海新区规划土地面积2 270km2 (中心区350km2 ) ,其中陆地占75 % ,滩涂占25 %。全区有荒地120km2 ,这些荒地和滩涂至今开发尚不足3 % ,滨海新区人口密度相对较低。现在泰达母区33km2 ,开发前基本上是无人区。预计规划目标,到2020 年国民总产值达到10 000亿元人民币,常住人口300 万。
水利特征
“九河下梢”、“河海要冲”、“山河湖海平原”协调共生,湿地众多。流经天津市域的一级河道有19条, 二级河道79条, 总长度分别达到1 和1 。全市现状湿地总面积1 ,其中河湖水面1 ,近海湿地 。滨海新区现在基本水源是引滦水和少量地下水,供给新区局部区域,水利设施薄弱。到2020 年,预计用水亿m3/年。现在供水能力亿m3/年,缺水已成为区域发展瓶颈。在农业上,久负盛名的小站稻,由于无水,产量已经很少。淡水资源极度短缺,水污染严重,两大基础因素交互影响,已形成恶性循环。生态用水严重匮乏,导致水环境承载力下降,加剧了区域水资源支撑能力的不足。地下水超采,加剧地面沉降15～45mm/年,湿地萎缩。
3 非常规水资源利用
污水资源化
生态水利最重要特征是水的循环利用,这也是生态城市物质再生利用的重要特征。污水资源化具有投资相对较小、周期短、水量稳定、水源可靠以及不受气候影响等优点。污水回用世界各国都非常重视,据报导,日本在深入研究和工程示范的基础上,在严重缺水的地区广泛推广污水回用技术,使日本近年来的取水量逐年减少,节水很有成效。濑户内海地区污水回用量已达到该地区淡水总用量的2/3 ,新鲜水取水量仅为淡水用量的1/3。
从环境保护或非常规水资源利用的角度,污水资源化对天津市区和滨海新区生态环境建设都非常重要。天津市区及滨海新区用水规划目标与日本濑户内海地区达到的用水目标基本一致。2005 年,天津市污水排放总量为亿m3 (工业废水和生活污水各半) ,量比较大,此外还有过境污水。滨海新区承担市区及郊区,以至外来污水排入渤海湾的任务,入境9条河中,8条为污水河,过境水虽然减少,但仍有相当多的过境水由新区入海。1990～2000 年,年平均 亿m3 ,1995 年最多,为50 亿m3 。滨海区域过境水,基本上是待处置的污水。渤海湾已没有接纳更多污水的能力。天津现有五大污水处理厂,日处理能力149 万m3/d ,城市污水达标排放处理率己达80 % ,拥有较先进处理技术和水平,如天津经济技术开发区(TEDA) 的10 万m3/d 新型污水处理厂,技术先进,运行良好,对滨海新区大规模的非常规水源建设有重要示范作用。
根据规划,到2010 年,天津市中心城区再生水供应能力将达到 万m3/d ,污水回用率达到30 %以上,实现全市生活节水30 %的目标,滨海新区污水处理率要达到80 %。再生水将大大缓解天津水资源极度短缺的压力。从生态城市建设观点,污水资源化是非常规水资源利用之首选。
海水/苦咸水利用和淡化
天津滨海新区地处渤海湾,拥有丰富海水资源,海水资源的利用有着广阔的前景。海水利用国际上早已时兴,例如,沙特海水淡化日产万m3 。海水淡化是增加新的淡水资源的有效途径。还有,以海水代替淡水直接用做冷却用水;海水用于工业生产工艺用水;用于生活冲厕杂用水;用于市政用水;用于工程建设;用于农业生产等。《天津市海水淡化发展规划》提出,经过5年努力将天津市建成我国海水淡化关键技术研发中心、海水淡化设备制造基地和国家级海水淡化与综合利用示范城市,规划目标是25万m3/d(2010年) 和50 万m3/d(2020年)。
天津市浅层地下咸水分布面积近9 000km2 ,占全市总面积2/3 以上( %) 。《天津市咸水资源调查研究报告》指出,天然补给资源约为 亿m3/年,天然储存资源约为 亿m3/年,可利用资源十分丰富(表2) 。作为新水源,除了工农业直接利用,城乡咸水净化或淡化的产业化意义重大。从经济角度,比海水淡化工程前后处理简单,可遍地开花,节省投资、节能,运行费用低(表3) 。从环境和生态角度,开发地下咸水,降低地下水位、腾出空间接受降雨入渗补给,善利改土、改水、改造盐咸地。全国沿海地区,天津在农业上微咸水利用有些经验,苦咸水利用较迟缓。
天津在海水/苦咸水利用和淡化技术方面有比较好的基础,建成了千吨级膜法海水淡化与利用试验基地,将成熟的水处理和膜分离技术等科技成果与引进外国先进技术相结合建成了千吨级反渗透示范工程。
洪水资源化
天津市年平均降雨量约600mm ,年平均降水量约67亿m3 (1964 年最多为107 亿m3,1997 年最少为40 亿m3) ,可获水量为32亿m3/年。现在全市用水量约为24 亿m3/年(城市和农村各半) 。洪水有效利用,颇有潜力。洪水具有灾害的属性,也具有资源属性,即淡水资源、生态资源、肥力资源、动力资源,是非常规水资源。在天津,一年的降水多集中在“七下八上”,甚至在一、二场暴雨之中,随时排走,失去水资源功能。近十几年来,洪水加上过境水,从滨海新区入海水量超过亿m3/年,多为雨洪所生。另一方面,全市河网、湖洼密布,13个大型蓄滞洪区都是洪水资源化的最有利的硬件系统。分析天津市北系河网洪水资源利用的研究成果(图2 和表4) [5] ,天津市及滨海地区洪水资源化,富有潜力,特别是湿地保护和建设,洪水资源将是重要利用水源。
4 生态环境建设
湿地保护与建设
湿地是自然界最丰富的生物多样性景观和人类最重要生存环境之一。天津湿地有几类: (1) 近海及海岸湿地。主要在滨海新区,面积 ,占全市湿地总面积 % ,为典型的非沙淤泥质湿地。(2) 河流湿地。天津98 条河道,1 级河道1 ,河道湿地主要分布于周边,占全市湿地 %。(3) 湖泊湿地。包括100 余座大中小型水库湿地和永久性淡水湖湿地,占 %。(4)沼泽和沼泽化湿地,占 %。天津市古海岸与湿地国家级自然保护区、北大港湿地自然保护区、团泊洼鸟类自然保护区和东丽湖自然保护区,都是地处滨海新区和近海湿地,具有控制地域洪水、调节径流、蓄洪防旱、控制污染、调节气候、控制水土、美化环境等作用,是天津13 个蓄滞洪区的一部分。湿地是天津特有的宝贵生态资源,得天独厚,但现在,污染、退化严重。北大港(230km2) 和七里海(215km2) 已列入到2010 年首先恢复和建设的315 km2湿地。从流域角度,与滨海新区密切相关的湿地应纳入统一规划和建设范围,湿地对天津和滨海新区生态水利建设也极为重要。
水是湿地的生命,没有水就没有湿地。在湿地三个主要特性(水、土壤、植被) 中,水是湿地生态系统形成和演替的最主要因素。没有水,湿地就会消亡。湿地恢复建设,需要洪水资源化、污水资源化和综合开发多种水源。天津要恢复和建设的西七里海和北大港两个重要湿地,一南一北,可以收受雨洪、境外来水、中水。在实施过程中,应结合蓄滞洪区和水利工程措施(图3) ,联合运用。实施的关键是对新区生态的贡献和所付出的代价之间的平衡。分析天津北系洪水资源化研究得出的启动洪水资源化方案的经济指标(表4) ,其主要着眼于蓄滞洪区启用的经济损失、蓄水效益和优选方案,但从湿地修复和维护角度,其研究的重要意义在于洪水资源化足以提供这块湿地的水源,从而减少再生水用量,而把这些水供给要求“以丰补歉”的湖、洼、河网小片湿地。实施中小洪水引蓄存储,对湿地保护、沟通天津南北区域水资源不平衡和天津市及其滨海新区生态城市建设具有重要意义。
海挡综合开发利用建设规划
由于蓄滞洪区和城市防洪圈的建成,天津市防洪硬件基本完成(图3) ,但东部海岸防线尚有缺欠。海挡总体布局:海岸线长 ,现状海挡-0m 等深线。规划目标:提高滨海新区的防潮标准达到200 年一遇,结合海挡综合开发利用建设,营造内海泻湖和半岛陆地,实现天津市近海水域“低潮不露滩、浅滩变陆岛,深滩变泻湖”,使近海岸变为蓝色海湾和绿色海岸带。同时为滨海新区的经济发展提供丰富的土地资源、洁净的海水资源、水源地和良好的环境资源。
5 多水源配置
生活生产需水量和生态环境需水量应当是平等的,但配置起来极为复杂。应遵循节水、治污、高效配置,妥善处理生活、生产(工、农业) 、生态之间的关系,力求平衡调配。鉴于天津及滨海新区的历史和现状,供水水源应是多元的:常规与非常规;污水、海/咸水、雨/洪水的利用;可用地下水;外调来水等,所以,其开发、利用、管理、配置和保护至关重要。过去的以需定供、以供定需、市场调控,都不完全合适,又都要顾及,逐步进入可持续发展配置。但是,天津市水管理体制是“多龙治水”,难负重任。根据生态城市的基本要求建设好多水源、循环利用、优化配置、安全可靠的新型的水源-供水-用水-排水系统体系,任重道远。
天津及其滨海新区的生态水利系统,规模宏大、子系统多、交互复杂,影响深刻,因而所面临的风险种类繁多,各种风险之间的相互关系错综复杂。处理开放的复杂巨系统的方法,是从定性到定量的综合集成法,己有用于这些方面的实际经验,会科学地解决这些问题。
6 结语
生态城市和一些现代化水利建设理论,对缺乏淡水的城市和新区开发具有重要意义。在常规水资源极度匮乏的天津及其滨海新区,非常规水资源具备可用的条件,不能算为完全的资源性缺水,具有污染、管理性(水质型) 、综合性缺水的特点。因此在天津市的水利规划中应增加非常规水资源(污水、海/咸水、雨/洪水) 的利用,同时增加可用地下水,外调来水等。根据循环经济、生态经济理论建立水循环利用机制,非常规水资源可以资源化,化作可用水源,根据深处理程度进入生活、生产、环境用水系统。构建多水源开发、循环再生利用、优化配置、可靠度高的源-供-用-排的水生态体系。
致谢:感谢天津市水科所张相峰教授级高级工程师和天津大学杨敏教授的帮助。
参考文献:
[1]雷彩红,孙颖. 生态城市建设中的水系统规划[J] . 水利科技与经济,2006 ,12 (3) :150 - 152.
[2]刘树坤,中国生态水利建设[M] . 北京:人民日报出版社,2004.
[3]顾浩,矫勇,张国良,等. 中国水利现代化研究[M] . 北京:中国水利水电出版社,2004.
[4]张光辉,费宇红,刘克岩. 海河平原地下水演变与对策[M] . 北京:科学出版社,2004 ,4.
[5]涂向阳,高学平,等. 天津市洪沥水资源化存储研究[J] . 自然资源学报,2006 ,21 (3) : 333 - 340.
作者简介:高学平(1962-) ,男,天津宁河人,教授,主要从事工程水力学和环境水力学的研究。
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