陈吉宁谈城市水系统的规划与设计

清华大学陈吉宁副校长在2007水业高级技术论坛上

　　在8月3日由清华大学环境科学与工程系和中国水网共同主办的2007水业高级技术论坛上，清华大学副校长陈吉宁做重点发言，阐述了在城市水系统规划方面的新观念、新思路，强调以可持续的理念来设计水系统。

　　以下内容根据录音整理（未经本人审核）。

　　坦率地讲，水的行业是一个非常不注重技术的一个行业，从历史发展就是这样，唯一比水行业差的可能是高速公路。所以水的技术发展，在过去上百年的历史里，是一个比较缓慢的过程。但是最近20年，有了比较大的进展。水的战略论坛是起始于体制、战略、投融资的基层，后来又产生了技术沙龙。今天的2007城市水业高级技术论坛，是第一次这样大规模的关于水的技术的论坛。技术会在水行业里面发挥越来越重要的作用，这也是国内各个投资商充分认识到的一个非常重要的约束的条件。所以，我想，有这么一个非常好的时机，有必要来举行这样的一个技术论坛。在论坛上，大家对于水的一些技术进行深入的讨论，形成我们行业的共识，推动我们行业的发展。

　　今天我讲的题目是关于“水系统的规划”，从系统的观点来谈一下，我们应该做怎样的规划。我想谈两个方面的问题。

　　第一个，过去的15年里面，我们对水系统大概有一个什么样的理念的变革。我刚才讲了，过去大概20几年里，水的技术有了一个比较大的发展，但是规划上的一些理念，并没有非常大的突破，所以现在到了这样一个理念变革的特殊时期。
　　第二个，要实现这样的变化，在规划上面需要有一些工具来完成你的设想。那么怎么样建设这样的工具，来支持变化的理念。我今天主要讲这两个方面。
从理念来看，对于水系统大规模的反思来自于上个世纪90年代初。进入新的世纪的时候，我们看成是变化的时候，想到了水的问题。在这个过程之中，自然而然非常大的问题，就是关于千年目标实现的问题。那么千年目标实现其中很重要的一点就是2015年的时候，要把不能获得安全饮用水的人口比例削减一半，大家非常担忧现在实现不了。实现不了的过程之中，就产生了大量的讨论和争论，在国际上有包括效率的问题和私人部门介入的问题，还有政府的作用。但是，大部分是在政治层面讨论这个问题。
　　在这个过程之中，就有很多的思考：过去几百年，我们到底做得对不对？这样引发了一些比较长时期的历史的回顾。在这个回顾的过程之中，发现了非常突出的问题，从大的格局上来讲，我们在水系统的规划和设计上没有处理好。
　　第一个就是19世纪水大规模进入城市里面，这解决了什么问题呢？解决了城市的卫生问题，就是没有流行疾病在城市里面大规模蔓延，带来的好处是人的寿命大幅度提高，这是变革性的东西。水大规模进入城市之后，以水做介质，不仅是饮用、使用，还把水作为传输工具，把污染物带出去。在区域上，有一个氮和磷的不平衡问题。氮和磷是在农田里面通过植物把它带到城市里面，人排泄之后还有相当一部分进入到环境中。如果从短的尺度上看没有问题，但是从上百年的历史看，这是一个非常非常大的问题。因为造成了非常大的区域上的营养物质的不平衡，这里面有很多大的问题。
　　第二个问题，就是从20世纪开始，大规模水利设施的建设。这些水利设施建设解决了什么问题呢？解决了局部水的有效利用的问题，以及一些防涝的问题。这样，在一个局部上，在一个空间点上，可以很好地处理水给人类带来的问题。但是长期这样下去之后，我们又发现，由于在流域上，更大尺度上带来的是生态的破坏。那么带来了一系列非常严重的水的问题，相关的更大的问题。所以，当我们看过去200年历史的时候就发现，在200年处理水的过程之中，都出了问题。那么都出了问题之后，大家得出一个很重要的结论，就是水的系统，它是不可持续的，我们必须改变今天用水的这样一个方式，必须改变我们城市水系统设计的一些理念。

　　这个过程之中，我觉得有两个方面根本性的转变。
　　一个就是寻求跟自然的和谐。自然有它的很重要的波动，人类建设各种各样的设施的目的是把自然的所有的波动给消除掉。那么今天，我们希望城市能够把自然的某些不必要的波动给消除掉，但是要保存它最基本的一些变动的频率。
　　第二个很大的变化，就是从上世纪60、70年代开始，决策的科学化和民主化。特别强调设计的系统性的问题，这里面强调的是人与人之间的和谐还有系统与人之间的和谐。大家要知道20世纪基本上是科学主导发展的社会，就是科学单独作用于社会。科学说的什么都是对的，这个社会我们是被动地接收。到了20世纪末的时候，大家觉得这个过程并不对，因为科学带来的很多的东西从短时间尺度看是对的，但是长时间尺度上看有非常非常多的问题。比如说转基因的问题、伦理的问题、生态伦理的问题，在这个过程中涉及到一个怎么样看待科学、怎么样看待系统工程的问题，这不是科学家和工程师说了算，而需要全民族、全社会说了算，是需要当地的人民说了算的过程。所以，这个理念的变化是一个非常非常大的变化，这个问题在国内可能体会得不是特别深。
　　那么由于这两个变化，一个是寻求跟自然的和谐，一个是寻求与社会的和谐，水的系统也发生了一些系统性的变化。
　　比如说第一个，大家开始非常注重能不能在源头上进行分离。那么这个好处是什么呢？可以改变城市区域营养物质不平衡的问题。有很多的专家现在预测，大概再经过30到50年的时间，我们的城市水系统会发生非常大的深刻的变化。这个变化就是源分离技术会普遍地使用，会彻底地改变我们今天城市水系统的状态。源分离技术有很多很多方面的东西，这里面给大家举一个简单的例子。
　　这是传统的水系统，从污染物产生到排放，也可能中间会有遗留的过程。那么如果在源头上大小便进行分离的话，氮和磷大概70%以上是来自于小便的。如果在楼宇系统有一个储存的设备，你就可以收集这一天小便的排放量。大家知道半夜凌晨2点多钟或者是1点多钟的时候，地下水道基本上是空的时候，可以有一个控制阀把它放开。放开之后含有氮和磷的物质会向下游流去，然后可以做化肥使用。这没有脱磷除氮的问题。所以，这个变革是非常革命性的，这会取代我们30年到50年以后的设施。欧洲现在已经开始有试点工作。
　　清华大学最近有一个环境系的楼宇，是新建的，其中就采用了真空的收集系统，我们想通过这样的系统推动国内变化的机会。
　　那么第二个方面就是要更加注重节水、污水回用和雨水平衡的技术。减少城市对自然水循环的依赖和影响。那么大家其实可以看到，我们用水的技术在过去的15年里，发生的非常非常大的变化，那么这种变化需要一个时期，我们今天没有那么深的体会到，是因为需要一个技术的替代。每一个技术大概都有一个它的生命周期，它的生命周期结束之后就会有新的代替，这可能有5年、10年，甚至更长的周期。我们在5到15年之后会看到这个深刻的变化。
　　比如说我们洗手的水龙头，现在最好的技术节水效果非常的好，这个在以后会大规模地应用，对于城市节水是大规模的改变，这会影响今天各种各样的设计和各种各样设备的运行。大家知道水系统的设备运行是20年、50年，甚至更长时间的使用。我们必须看到技术的变化对我们带来的影响。
　　第三个变化是，水的系统开始非常关注技术的发展，特别是关注运行技术能力的提高。那么这种关注带来非常重要的影响，其中有两个技术对于我们水系统的影响是非常非常大的。一个是膜技术，一个是控制的技术。其中一个很重要的方面，就是过去是集中式的、大规模的水厂建设，可能会走向一个小型的，或者是组团式的布局。这样的布局为什么会产生呢？主要是膜技术大规模应用之后，它的成本下降之后，带来的一个问题是规模经济效益从过去的比较高的水平，可以大规模地缩减。我们知道水厂的设计和规划是取决于规模效益，当你把规模效益压下去之后，你的结构会发生很大的变化。那么为什么过去没有发生变化呢？一个是膜材料成本过贵，还有就是没有人愿意在污水厂工作，如果有过多的小的污水厂的话，就带来非常严重的运行问题。现在网络的技术和控制的技术非常发达，可以让你的公司在一个地方，对全国的污水厂进行监控和运行，现场只要有一个工程师进行适当地监控就可以，这样会对整个运行的体制有一个非常大的突破。
　　十几年前，我在英国的时候，就有英国公司已经开始在做。在英国怎么控制南非的污水处理厂的运行？当时网络的速度并不是很快，但是已经可以实现实时控制了。所以这个变化是一个非常大的变化。污水厂的设计，由于这两个技术的推动，从集中式处理走向规模更适当的组团式的系统。这个系统对于污水回用，对于更适合地设计，对于投资，对于风险控制都有非常非常多的好处。
　　那么最后一个就是，水系统的设计更考虑因地制宜和多样性，过去考虑更多是翻指南和翻标准，但是现在大家觉得指南和标准过于严格和泛泛，它不能和当地的情况很好地结合起来。所以，我们开始向一个怎么样风险控制的角度发展。那么包括排出体制的选择，我们过去比较推崇完全分流式的，那么有一些地方是一定要分流式，但是有一些地方不一定分流式的比较好。这里面出现的问题是，现在发现分流式的管网侵蚀的速度比我们想象的快得多，生命周期短一些。如果完全分流式，如果你管网寿命周期短的话，带来的投资是非常大的。所以，人们也重新考虑哪些地方用分流式，哪些地方用合流式。
　　这是法国的一个设计，这是运动场和公园结合起来。这个是马赛的一个公园和运动场结合起来，这涉及到城市的水系统如何跟城市的其他用地结合起来，跟城市其他的基础设施更好地结合起来。
　　其实大家发现，水的问题不仅仅是是在工程本身的问题，更多地是用什么方式规划和设计这样整体的一个系统。水的系统问题，出现了一个系统性的问题。所以，现在更多的人在关心，我们怎么样从系统的角度看待城市，这不是单一技术而是集成技术的问题。只有在这个层次上，你才能最大可能地节约你的费用，最大可能地优选你的方案。

　　那么要实现系统的规划，实际上有两个方面核心的东西需要解决。
　　第一个，你要有数据；第二个你要有工具。那么过去可能更多地关注的是有什么样的工具。实际上，很大的一个问题是忽视了基础数据的采集和积累。基础数据采集包括两个方面，一个是共性基础数据采集，还有一个是规划区本身数据采集。你用什么样的数据才能采用什么样的技术，不是说你用最好的技术就可以做出好的规划。所以，我们在过去的10年里面，一直在做这两方面的工作，特别是花了大量的时间做共性基础数据的收集。在这个基础上，我们构建了一个城市水系统规划技术平台。
　　这包括三个方面，一个是数据源系统，一个是基础公用平台，一个是专用的模块。我先讲一下数据源系统，我们每年在进行各种各样的大量的数据的采集。比如说家庭用的水的设施的设备，那么到底这么多年是怎么变化的，老百姓的意愿是什么样的？对于我们来说，怎样保证城市蓄水量，怎样设计你的系统，用更长的时期来看，这些数据有非常大的帮助。
　　基本上从1985年到2000年，我国的用水量是增加的，那么这个增加的过程，主要的问题是在于用电设备、用电器还有淋浴设备的增加，其他的设备实际上是在减少。这样跟城市化和生活改善的时期相对应，但是要看到，用不同的技术，用水量会有比较大的减少。可能会减少到40%，也可能会减少到80%的水平。看今天政府采用什么样的引导政策，那么这个政策会对我们城市的用水情况有非常大的影响。
　　另外，我们做了5个工业行业用水量非常详细的调查。占工业取水量的60%到80%，到每一个产品到每一个工艺，每一个用水量的情况，这个数据我们现在已经建完了。从这里面你可以看到，过去20年里面，每一个行业用水的效率是如何变化的，那么这些变化的趋势是什么，让你更好地了解工业部门用水的需求是什么样的状况。
　　此外，我们这个系统需要一个平台，一个GIS数据集成管理平台，对不同空间的数据进行管理和整合。从大区域到局域的启动整合。

　　下面介绍公用的基础平台。其实水最麻烦的事情在于管网，如果有一个非常好的管网的分析工具，对于做系统的规划和方案的处理是非常必要的，所以我们开发了基于GIS的管网汇水区的管理。比如说可以进行自动划分还可以通过任何节点的变化，了解汇水区的一些影响。你可以把这些划分，给它做一个模拟，模拟完了之后你可以有各种各样的表征。当你修改你任何一个方案的时候，这个系统可以自动地告诉你，你这个管网哪一块会受到影响，当你改变任何一个节点设计的时候，整个系统有一个相应地变化，保证你规划的过程是对的，是合理的，而不是管网之间出现不对称的问题。还有一个，你可以进行数据管理，可以进行三维的表征。比如说可以做地面数据的表征，也可以做地下管网数据的表征。

　　第三个方面是开发各种各样的模块，实际上是帮你认识城市水系统复杂的关系。

　　下面还有一点时间，我讲两个案例，让大家知道我们是怎么处理这些问题的。
　　一个是深圳地区的水的评估，这个核心问题是关于深圳河流域那么它到底采用什么样的排水体制。当时产生了两个：一个是布局规划方案，这基本上是一个组团式的，深入处理之后排到深圳湾；还有一个是把所有的污水截流之后排到珠江流域。那么这两个方案，在2005年的时候引起了非常大的争议，是我们行业内部最大的争议。怎么解决这个问题？我们被邀请做这样一个评估，其实这个排水方案需要一个综合的考虑，需要考虑三方面的情况。要考虑水资源的情况，要考虑对河流的水质影响的情况，尤其是这个地方有比较敏感的生态问题，那么要考虑生态的问题，最后你还要考虑到底花多少钱解决这个问题。
　　根据这样的情况和前面开发的系统，我们就构建了这样一个评估的体系。核心的问题实际上是关于遗留、截流的影响的问题。
　　那么这是它河网概况的示意图。这样可以通过遥感数据提取深圳市不同的河流的情况，你可以统计分析，你可以提取地势因子，你可以知道河网的情况和水的流动情况。
整个的技术过程，我在这里不做过多的介绍，只是给大家一个结论。
　　一个是发现布局规划方案产生的污染负荷明显少于大截排方案，还有河流水质的波动性小于大截排方案，还也一个是水质的情况也比较好。如果深圳不能保证一定的激流，深圳的红树林要受到很大的影响。那么最后是一个经济的评估，布局规划方案所需费用也比大截排要少很多。这个仗打下来之后，最后建议采用了布局的方案，而不是大截排的方案。我觉得这样的方案，对于我们未来的城市水系统的设计是一个非常好的引导的作用，它避免了我们大收集、大处理、大排放的跟未来技术发展非常不吻合的状况。
　　那么第二个案例，是奥林匹克公园的情况。大家知道奥林匹克核心的问题是水怎么样保护的问题。北京是一个缺水的城市，奥运公园只有在奥运期间可以用自来水，其他的时间都要用再生水。如果要用再生水，水质目标大概是保持在3类到4类。主要是氮和磷在有一些时段达不到要求。这就是怎么样保证要求用再生水的时候，主湖水的目标保持在3类到4类之间。我们设计了一个水维护系统平台，包括这个水到水底之后如何优化的评估。我们根据景观规划师的要求，划分为556个单独的网格。因为它对湖水的水质有比较大的影响，所以我们根据高层的情况，勾画出汇水区的面积是多少，对于湖泊水区有什么影响。还有大概要补多少水，其他的水要进多少，你要根据北京的气候条件计算一下补水量是怎么样的，大概每年的3月份到6月份都是补水期。
　　在这个过程中有大量的方案提出来：我们到底怎么样保证这样的水质。
　　其中一个方案就是直接用再生水放到湖里面可以不可以。这个回答是不可以，水质一定会恶化出问题。
　　第二个是能不能把再生水处理之后进入湖体，在系统里面设计一些湿地系统。我们发现里面也出现了氮和磷的问题，也是不可接受的系统。
　　还有一个方案是湖水要有一定的循环，那么循环多少？最终认为每天达到1万吨的水的循环，基本可以保证水质的要求。
　　这个是最后设计的再生水的补给点，这是再生水循环的路径在这里面。这样的话，我们可以评估，这个方案中到底氨氮是怎么变化的？比如说夏天会出现4类水体的情况，一般是3类的情况。那么总氮很大的情况下出现4类的情况，个别地方水质是达不到4类的要求。那么总磷的情况也是，到夏天个别的时段的时候会出现一定的问题，其他的时段水质比较好。
　　这是我们通过这样的方式，选定这个系统的设计，大概它的主要的规定参数是怎么样的。除此之外，景观规划师要求湖泊的景观要满意于形状，会非常好看。但是这个湖底有一些死区和敏感区，如果按照规划师做，会带来一些问题，我们通过这样的系统可以发现哪些是死区，那么这些死区出现了之后，我们要怎么样调整它、运行它，可以调整这个节点或者是进一步优化这一块的水质。
　　除此之外根据这个方案可以做生态湿地的设计，对于循环水和中水产生一定的方案，这样你可以在空间进行各种方案的优化在这个布局里面。
　　最后给大家看两张图，这个是奥运主湖的景观的设计，在这个里面是一些驳岸的设计，利用生态驳岸的设计避免氮磷对生态的影响。这个是湿地系统，怎么样跟景观更好地结合。最后要有一个比较高效的对中水的温室处理的系统。（完）
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编辑：全新丽