五种模式重构城市水系统
在5月21日举行的“以未来新水务服务美丽中国建设”专题论坛中，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，从“结构重构”与“边界重构”两大维度提出五大创新模式，并梳理新模式落地需突破的关键技术。
胡洪营
本文根据嘉宾发言内容整理。
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，是城市发展的基础保障。城市水系统在支撑现代城市运行的同时，也正面临新的挑战，存在许多亟待解决的发展问题。
从水源地到供水、排水、用水，直至环境，这些环节彼此紧密相连。城市水系统不仅是一项基础设施，它与社会及自然生态紧密相连。换言之，它与我们的生产和生活、生态息息相关。我认为用“Nexus（扭连）”一词形容较为准确，它形象地表达了事物之间紧密相连的关系，而不是简单的关联或偶然的联系。
此外，水系统不仅关乎水资源本身，它还涉及能量管理、物质循环等多个维度。国际上常提及的“Energy-Water-FoodNexus”（能源-水-食物扭联关系），正是强调了这些要素间的相互依存。因此，我们需要从能源、物质、社会和自然的视角全面审视城市水系统。
（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新的视角。在2021年第五届全国水处理循环利用学术会议上，我们组织了一个名为“未来沙龙”的讨论会，专门探讨未来城市水系统的发展方向，当时，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，拓宽了维度和边界。需要从结构要素、边界性能、认知、技术管控等审视城市水系统。关于发展方向，他们认为，在结构上要实现循环利用，要素上要考虑空间布局，边界上要注重区域协调，性能上要提升韧性，认知上要追求高效，技术上要绿色环保，管控上要智能化，内涵上要更加丰富多元。我完全赞同他们的观点。
（三）现有供排水系统面临的发展问题
本次报告重点围绕其中两个视角——结构和边界，谈谈个人的一些思考。
结构方面，大家熟悉的传统水系统基本流程是：取水、供水、排放、处理、再排放。我将其称为“流域工程循环系统”。因为它的运行模式是：上游取水、用水后，经处理后直接排放到下游，形成了一个人工的流域循环。这种系统高度依赖域外水源，即上游水系统；系统韧性较差，水资源利用率较低，资源能源消耗较大，属于高碳、低效的灰色基础设施系统。
边界方面则有多重内涵。一是水源边界。城市用水在当地，但涉及的流域范围却非常广泛，其影响延伸至外流域，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。二是能源边界。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，我们大部分的电力依赖外部供应，碳排放也随之转移到外部，这构成了水系统的能源边界。三是物质边界。水含有各种有机物和矿物质，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。粮食和蔬果来源于当地，也来源于遥远的外地，这形成了物质循环的边界。
现有水系统的“物质”边界（有机物、矿物质的来源、去向）
通过这三个边界，我们可以更全面地理解城市水系统的复杂性和相互关联性。如，这个系统相当于源源不断地把从土壤中汲取的矿物质排放到下游，返回不到原产地的土壤。这种模式显然不可持续，必然导致土壤贫瘠化，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，因而导致水体富营养化；由于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。
面对以上系统性问题，我们需要进行系统性思考，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
我梳理了几个供讨论的解决方案：
一是多类水源分级供水系统。水源种类包括水源地、城市河湖、再生水、雨水和海水，用水途径包括饮用水、市政用水、生态用水、工业用水等。根据不同的用水需求，通过多重管网系统进行分级供水，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，从而彻底改变城市水资源利用的格局。
这种水资源管理模式已有多处实践案例。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。其中，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。
二是多类水源同质供水系统。前述多类水源分级供水系统虽然能够有效放大水资源管理效能，但存在管网系统复杂、难以平衡不同用水需求的水质及水量等潜在问题。“多水源统一供水”模式也许有它的优势。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。其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。这种方式虽然前期处理费用较高，但可以节省管网建设费用，从长期看，有其经济效益优势。
三是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、新的需求。再生水回灌地下水值得积极开展研究、工程示范。
四是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，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。
五是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，通过人工设施和补给供水系统来实现其循环，也需要考虑物质元素的循环。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。
三、城市水系统升级重构的技术需求
在讨论技术需求之前，需要我们进行系统性的思考与规划：要明确城市水系统的内涵与外延，界定其概念与边界；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；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。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；多类水源的同质供水系统，还需要大量的研究支撑；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；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；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。