未来城市水系统如何破局？行业专家提出五种重构模式

导读

在城市化进程不断加速、环境问题日益凸显的当下，城市水系统的可持续发展成为备受瞩目的焦点。清华大学教授、秀钟书院院长胡洪营以“未来城镇水系统升级重构的几种可能模式及其技术需求”为题作主旨报告，犹如一场及时雨，为城市水系统的未来发展指明了方向。他从“结构重构”与“边界重构”两大维度出发，提出了五大创新模式，并深入梳理了新模式落地所需突破的关键技术，为解决城市水系统面临的诸多难题提供了全新的思路和解决方案。

一、城市水系统及其面临的发展课题

（一）城市水系统的重要性、复杂性

城市水系统，作为城市的生命线，宛如城市的血脉，为城市的正常运转提供着基础保障。从水源地到供水、排水、用水，直至最终排入环境，这些环节紧密相连，构成了一个庞大而复杂的系统。它不仅仅是一项基础设施，更是与社会及自然生态紧密交织在一起，用“Nexus（扭连）”一词来形容其相互关系恰如其分。

水系统的影响力远不止于水资源本身，它还涉及到能量管理、物质循环等多个维度。国际上常提及的“Energy - Water - Food Nexus”（能源 - 水 - 食物扭联关系），深刻揭示了这些要素之间的相互依存关系。例如，在农业生产中，灌溉需要大量的水资源，而农业又消耗能源，同时农产品的生产也与食物供应紧密相关。因此，我们必须从能源、物质、社会和自然的全方位视角来审视城市水系统，才能全面把握其运行规律和发展需求。

（二）新时期审视城市水系统的新视角

在可持续发展成为全球共识、碳达峰碳中和成为重要战略目标的新发展阶段，审视城市水系统需要全新的视角。在2021年第五届全国水处理循环利用学术会议上，“未来沙龙”讨论会专门聚焦未来城市水系统的发展方向。清华大学的刘书明教授和董欣副教授提出了从八个视角审视城市水系统的框架与新型城市水系统的内涵，极大地拓宽了我们对城市水系统的认知维度和边界。

从结构要素来看，要实现水资源的循环利用，打破传统的线性用水模式；从边界性能方面，要注重区域协调，考虑不同地区之间的水资源分配和利用；从认知角度，要追求高效，提高水资源的利用效率；从技术管控上，要实现绿色环保和智能化，采用先进的技术手段和管理模式；从内涵上，要更加丰富多元，满足城市不同领域和人群的需求。这八个视角为我们全面、深入地理解城市水系统提供了有力的工具。

（三）现有供排水系统面临的发展问题

本次报告重点围绕结构和边界这两个视角，深入探讨现有供排水系统存在的问题。

在结构方面，传统的水系统基本流程是取水、供水、排放、处理、再排放，形成了一个类似“流域工程系统”的循环。这种系统高度依赖域外水源，上游取水、用水后，经处理直接排放到下游。其韧性较差，一旦上游水源出现问题，下游城市将面临严重的水资源短缺危机。同时，水资源利用率较低，大量水资源在取水、输送、使用和排放过程中被浪费，资源能源消耗较大，属于高碳、低效的灰色基础设施系统。

边界方面则蕴含着多重内涵。首先是水源边界，城市用水虽然主要在当地，但涉及的流域范围却非常广泛，甚至跨越国界。例如，北京市用水的一部分来自千里之外的丹江口，这种跨区域的水源依赖使得城市水系统的稳定性和安全性受到外部因素的较大影响。其次是能源边界，北京70%的电力来自外调，其中传统水电约占外调电力的60%，绿电占40%。这意味着大部分电力依赖外部供应，碳排放也随之转移到外部，给城市水系统的能源供应和碳排放管理带来了挑战。最后是物质边界，水含有各种有机物和矿物质，这些物质来源于我们日常食用的粮食和蔬果，并最终通过粪便排泄进入下水道。粮食和蔬果的来源地广泛，形成了物质循环的边界。

现有水系统的“物质”边界问题尤为突出。这种模式相当于源源不断地把从土壤中汲取的矿物质开发到下游，却无法使其返回原产地的土壤，导致土壤贫瘠化，微量元素含量逐年减少，影响植物的生长。目前，植物所需养分主要通过化肥补充，但主要局限于氮、磷、钾，全面补充微量元素存在现实困难。这一现状对人类健康及水务系统同样构成冲击，导致人体摄入的微量元素不足，引发隐性饥饿和健康问题；由于这些元素最终都排入了水体，导致水体富营养化；而现有处理系统是单一的线性模式，污水处理厂也难以有效回收这些元素。面对这些系统性问题，我们必须进行系统性思考，进行结构化、系统性的升级和重构。

二、城市水系统升级重构的可能模式

（一）多类水源分级供水系统

多类水源分级供水系统是一种创新的水资源管理模式。水源种类丰富多样，包括水源地、城市河湖、再生水、雨水和海水等；用水途径也涵盖饮用水、市政用水、生态用水、工业用水等多个领域。根据不同的用水需求，通过多重管网系统进行分级供水，能够实现水资源的优化利用。

根据清华大学董欣副教授团队的测算，如果能够实现水资源的完全循环利用，城市可用水资源量可以放大到6.7倍，这将彻底改变城市水资源利用的格局。这种模式已经有多处实践案例，以义乌市为例，其水源分为饮用水源、再生水源和江水水源三类。江水水源的水质无法达到饮用水源地标准，因此不能用作饮用水。在这三种类型水源的基础上，义乌市分别建立了工业分质供水、居民分质供水和市政分质供水系统，实现了全域的多水源分质供水。这种模式不仅提高了水资源的利用效率，还降低了供水成本，为城市的可持续发展提供了有力支持。

（二）多类水源同质供水系统

多类水源分级供水系统虽然具有诸多优势，但也存在一些潜在问题，如管网系统复杂、难以平衡不同用水需求的水质及水量等。而“多水源统一供水”模式则提供了另一种解决方案。无论水源来自哪里——水源地、河湖、再生水还是雨水，只要处理到规定的水质标准，就可以进入统一的管网系统进行统一调配。这种模式的优势在于只需要单一的管网系统，就能实现水资源的统一管理和调配，大大简化了供水系统的复杂性。

美国已有将再生水直接接入饮用水管网的实践。虽然这种方式前期处理费用较高，但从长期来看，可以节省管网建设费用，具有一定的经济效益优势。然而，这种模式也面临着公众接受度等方面的挑战，需要通过加强宣传教育、提高水质保障水平等措施来逐步推广。

（三）非常规水的地下回灌与循环利用

对于部分公众来说，将非常规水源直接接入饮用水管网可能难以接受。对此，可以将处理后的水回灌至地下水源地或水库，再从水源地取水，以实现不同水源的统一水质供水。这种模式对于污水处理厂的工程建设及运营，将产生新的场景和需求。

再生水回灌地下水值得积极开展研究和工程示范。通过将再生水回灌到地下，不仅可以补充地下水资源，还可以改善地下水水质。同时，这种模式也为污水处理厂提供了新的发展方向，促进了水资源的循环利用。然而，在实施过程中，需要充分考虑回灌水的水质要求、对地下水环境的影响等因素，确保回灌过程的安全性和有效性。

（四）水的区域生态循环系统

通过构建“区域生态循环系统”（再生水区域循环利用），代替当前的“流域工程循环系统”，能够有效提高水资源的利用率，增强水系统韧性，并降低能耗和用水成本。这里的“区域”不局限于城市内部，而是在不受上游限制、不影响下游的情形下，在一定区域内实现水资源的自给自足。

具体而言，可以在取水用水及处理后，将排水排入一定区域内自己的水体，并将其作为新水源进行再利用。在这一模式下，城市河湖水体的功能定位将从景观水体向“城市第二水源”拓展，促进长效的运营和管理。此外，该模式还兼有促进三水统筹治理、促进处理标准制定的推动作用，实现“一地一水一策”。目前，生态环境部已经开展了区域再生水循环利用相关的试点工作，涉及38个城市，该模式的完善与发展值得期待。

（五）区域水与营养元素双生态循环系统

我们不仅需要关注水资源本身的循环，还需要考虑物质元素的循环。例如，从源头分离黑水，将其资源化后用于农田改良及作物种植，以同时实现水循环和元素循环的双重目标。在这一过程中，城市、生态和农业的结合不可或缺，将农业纳入城市生态系统，是一种较为理想的解决方案。

这种模式能够实现水资源的可持续利用和营养元素的有效循环。通过将黑水进行资源化处理，不仅可以减少对环境的污染，还可以为农业生产提供有机肥料，促进农业的可持续发展。同时，这种模式也有助于提高城市生态系统的稳定性和韧性，实现城市与自然的和谐共生。

三、城市水系统升级重构的技术需求

在讨论技术需求之前，我们需要进行系统性的思考与规划。首先要明确城市水系统的内涵与外延，界定其概念与边界，以便更好地把握其发展方向和重点。其次，要重点考虑城市水系统的主要问题，包括模式、系统、政策和管理等方面，找出问题的根源和关键所在。最后，要思考变革的方向是什么，并据此变革理念，之后才能谈及政策、规划和技术支持。

未来的城市会是什么样子，目前难以准确描述。前述的五个创新模型，是从结构和边界的视角来审视水系统得出的启发，从其他视角来看，或将能看到更多元的模式。对于前述五种模式，在具体选择时，需要考虑地域特点、资源禀赋、城市规模、经济条件等因素，并根据模式的不同，对相应的短板进行研究开发。

例如，多类水源分质供水系统目前已经有比较成熟的技术和经验，但在实际应用中还需要进一步优化和完善管网系统，提高水资源的分配效率。多类水源的同质供水系统还需要大量的研究支撑，包括水质处理技术、管网建设技术等方面的研究，以确保供水水质的安全和稳定。非常规水的地下回灌与循环利用技术方面，美国已经做了不少探索，中国也开展了一些小规模试点，具备开展大规模示范、推广应用的基础，但还需要进一步研究回灌水的水质变化规律、对地下水环境的影响等问题。对于区域再生水循环利用系统，需要重新思考城市水体的定位，加强水体的生态修复和管理，提高水体的自净能力。要实现水与营养元素双生态循环，需要在污水源头进行分类收集，建立多元循环体系，同时确保排泄物的安全处置，这些都是资源化技术升级的抓手。

总体来看，未来我们需要在城市水系统中统筹考虑水、能源、物质元素流，并开展新型城市水系统的综合试点和示范，通过实践来验证和不断完善。只有通过不断地探索和创新，才能实现城市水系统的可持续发展，为城市的繁荣和人民的幸福提供坚实的保障。