国内外城市节水技术概述

龙腾锐 　何 强
重庆建筑大学

　　1. 节水概论

　　随着社会和经济的不断发展，环境和资源问题日益突出，水便是其中的主要问题之一。1997年联合国水资源会议曾郑重向全世界发出警告：“水，不久将成为继石油危机之后的下一个社会危机”。我国是一个缺水的国家，人均水资源拥有量仅为2150m³/a （按13亿人计），不到世界人均水平的四分之一，排在世界第109位。特别是“三北”（东北、华北和西北）地区和经济发达的沿海地区，水的供需矛盾已十分突出。有关资料表明，我国每年因缺水而影响工业产值已达2300多亿元。预计到本世纪末，全国年总需水量将达到700亿m³，而缺水量也将达到70亿m³，水资源短缺已成为制约我国经济和社会发展的重要因素。
　　1.1 节水的内涵
　　英文表达节水的概念有两个，即“Saving Water”和“Water Conservation”。但两个的意义有所不同。前者指较为具体的节约用水，后者的含义比较广泛，不同的学者或研究机构有不同的理解，但都倾向于采用经济的、社会的和技术的手段，以满足社会利益为目标，提高水资源的利用效率，保持水资源的可持续利用。我国《节水型城市目标导则》（1997）中对节水作了如下定义：“节约用水指通过行政、技术、经济等管理手段加强用水管理，调整用水结构，改进用水工艺，实行计划用水，杜绝用水浪费，运用先进的科学技术建立科学的用水体系，有效地使用水资源，保护水资源，适应城市经济和城市建设持续发展的需要”。这里，节约用水的含义已经超越了节省用水量的意义，它内容更广泛，还包括有关水资源立法、水价、管理体制等一系列行政管理措施。
　　1.2 节水的意义
　　节水是一个全球性的问题，即使是水资源相对丰富的国家，如美国，也经常发生供水不足问题，自本世纪30年代至90年代，美国用水人口增加了一倍，而水资源产量却没有增加，1990年前后，约22%的大型系统出现了供水短缺。供水不足带来的损失是巨大的，世界有些城市为了满足干旱期间的城市用水，不得不关闭城市周围的农场，工业生产也受到影响。例如美国加利福尼亚的一次干旱中，仅一个县的损失就数亿美元。目前我国每年因缺水造成了工业产值的损失外，农业损失更是不计其数。另外，全球范围内的气候异常及水体污染，特别是人为造成的水污染，更加剧了本已十分紧缺的水资源。在这种情况下，节水具有非常重要的意义：
　　（1）可以减少当前和未来的用水量，维持水资源的可持续利用；
　　（2）节约当前给水系统的运行和维护费用，减少水厂的建设数量，或降低水厂建设的投资；
　　（3）减少污水处理厂的建设数量或延缓污水处理构筑物的扩建，使现有系统可以接纳更多用户的污水，从而减少受纳水体的污染，节约建设资金和运行费用；
　　（4）增强对干旱的预防能力，短期节水措施可以带来立竿见影的效果，而长期节水则因大大降低了水资源的消耗量而能够提高正常时期的干旱防备能力；
　　（5）具有社会意义，通过用水审计及其它措施，可以调整地区间的用水差异，避免用水不公及其它与用水相关的社会问题；
　　（6）具有明显的环境效益，除了对野生生物、湿地和环境美化等方面的效益外，还有维护河流生态平衡、避免地下水过度开采而带来地下水污染等方面的效益。

　　2. 国外节水技术概况

　　无论是美国、欧洲一些相对丰水的国家，还是阿拉伯海湾地区等贫水国家，节水作为水资源管理的一项重要活动和内容，已在世界范围内得到了广泛的实施，并形成了一些成熟的节水方法和技术，主要包括工业节水、生活用水节水、供水系统节水和其他节水技术。
　　美国是世界上节水研究最多的国家。早些时候，节水就已经成为干旱和意外缺水的应急措施。到了七十年代，受电力部门节约用电的影响，节水在硬件设备和公众教育等方面都得到了大大的发展，并成为基本的水管理措施。进入八十年代后，虽然还没有建立起专门的节水机构或立法机构，但各州已纷纷开展了节水运动。1990年，美国召开了由各州主要供水公司参加的“CONSERV90”节水会议，成为首次全国性的节水会议和美国节水史上的里程碑，这次会议对有关节水的诸多问题，包括物理的、经济的、政治的、政策的等均进行了研究和讨论，由此节水成为了供水管理的一个可行的和永久性的组成部分。目前，各州普遍将节水和用水量管理视为水资源总体规划（Integrated Water Resources Planning）的一个部分。
　　欧洲国家大范围地实行节水要晚一些，例如英国比美国晚5～10年左右，英国在1988年建立了“节水者”公司（Company of Water Conservators），旨在促进节水和环境管理的发展，满足公众需求。但直到1996年，才正式规定将节水纳入供水规划中。之后，英国全国各地的公共供水公司纷纷对其用水量和给水规划进行评估，节水工作全面展开。
　　阿拉伯海湾地区的国家是众所周知的缺水国家，自1978年以来，海湾合作委员会（GCC）的成员国采用了诸如废水回用和海水脱盐等昂贵的替代技术，以满足不断增长的需水量，沙特、科威特、卡塔尔和巴林等国由于长期、过量取用地下水，已导致了地下水源过分开采和水质变坏等问题。饱受缺水之苦的这些阿拉伯海湾国家都一致在寻求以节约用水为原则来指导给水规划和管理的途径。目前节水已涉及到农业、生活和工业等领域。

　　实例一：Delaware河流流域节水实践
　　Delaware河流流域是美国一个包括了四个州的较大流域。长期以来，流域取水主要用于发电，其次是居民生活用水、工业用水、高尔夫球场浇灌、畜牧场用水及造雪等。通常取水量为13.3m³/s，6月份高峰取水量达到26.5m³/s。面对这样大的供水量，Delaware河流流域内设立了一个专职部门，即Delaware河流流域委员会--- DRBC（Delaware River Basin Commission），总体负责协调和解决区域性水资源矛盾问题。自80年代起，节水已成为DRBC在四个州的河流流域供水管理策略的一个有机组成部分。1983年4月，DRBC建立了一个节水咨询委员会––––WCAC（Water Conservation Advisory Committee），要求它在以下三方面为DRBC提供咨询：
　　（1）流域内四个州制定的“意外干旱形势对策”的理由；
　　（2）干旱期间降低用水量的可能方案；
　　（3）控制每天用水量的长期节水方案。
　　WCAC的成员不仅有来自供水公司的代表，而且包括了其他代表各方面利益的代表。1983至1985年间，WCAC对DRBC所分配的两项干旱任务予以关注，对干旱防备计划进行了考察，干旱防备计划包括鉴别基本用水量、干旱期间应急用水规定、大宗用户干旱应急准备和要求、提议的或现存的可以采取节水措施的法律机构及公众信息服务等。WCAC的资料表明，1985年高峰用水期间，仅非基本用水一项就达到了15%的节水效果。1985年后，WCAC的工作重点转到了第三项，即推荐一个长期节水计划以控制每日用水量。长期节水措施包括立法和教育。DRBC已制订了6项节水法规：水源计量（Source Metering）、服务计量（Service Metering）、漏水检测及其修复（Leakage Detection and Repair）、室内给排水设备节水性能（Performance of Plumbing）、节水计划（Conservation Planning）和水价结构（Rate Structures）等，预计到2020年，整个河流流域可以节水15.55～26.8万m³/d。1988年节约供水和污水处理费用2.5～4亿美元。

　　实例二：Kansas州Wichita的节水实践

　　节水和需水量管理是Wichita城市水资源计划的一个有机组成部分。城市节水项目已经帮助该市延缓了供水量的增加，并减少了新的水源开发，节省了本地区现有的水资源。节水活动包括公众宣传教育、公布景观浇水条例（以降低浇水量）、公布更新室内用水设备条例（以减少生活用水量）、鼓励工业冷却水的回用、加强漏水检测和修复等。同时实施新的水价体系，即逐级上升的水价结构体系（Inverted water rates structure），用水量每提高一级，单位水费也随之提高一级。该市的节水措施预期可以节约平均日综合用水量的13%
　　2.1 国外工业节水技术
　　城市工业用水在城市用水中占有较大比例，有时甚至高达70％。因此工业节水对于城市节水具有重大意义。国外发达国家城市工业节水主要在于循环水和冷却水。
　　2.1.1 循环用水
　　循环用水在美国工业中得到了广泛应用，据报道，加利福尼亚的San Jose在1988和1989年有15个工业行业，包括食品工业、金属精加工、纸张再处理、电子工业等，采用循环用水，总节水量达56万m³/a，总经济效益为200万美元。在这些循环用水工艺中，有些将工艺过程中的用水回收循环利用，有些则在排放下水道前经预处理后回收利用。事实证明，一个工厂之内的循环用水，允许有较大的水质波动范围（回用于不同的生产工序），因此是首先应该考虑的节水措施。
　　2.1.2 冷却塔回用水
　　国外很多公司通过改进冷却塔给水系统而节约用水，也有一些大公司如Exel微电子公司、Intel公司等采用臭氧对空调用水或其它轻度污染水进行处理回用，明显地减少了废水排放量。另外，很多工厂通过改进生产工艺和生产设备达到节约生产用水的目的。
　　2.1.3 设备改进
　　很多工厂通过改进生产工艺的设备而减少用水量。许多公司采用反渗透生产去离子水时，通过采用新材料和改变运行参数大大减少了反渗透工艺中的流量。Dyna-Craft公司在电镀部分安装空气刀（Air Knife），将电镀的废酸洗液吹回到工艺池中，从而减少了清洗水。
　　2.1.4 用水监测和雇员教育
　　资料表明，国外十分重视用水量监测，大部分工业监测设备较为完善，确保了节水措施发挥作用，同时促进降低漏损和杜绝其它浪费用水。除此之外，国外极其重视对雇员进行节水教育，雇员是节水运动的主体，他们节水意识的提高对保证节水效果是极其重要的。
　　实例三：工业用水节水––––美国California的工业节水
　　在美国California，平均有18%的城市供水进入制造业，还有12%的供水进入商业和服务设施。由于节水对降低生产成本有潜在作用，许多工业厂家开始加强厂内用水管理和减少用水量。1988～1989年间，California San Jose城有15家工业开展了节水。这些工业大致可分为四种类型：食品工业、金属表面处理、纸张再处理、及电子制造等。这些公司节水总量达1.5亿加仑/年，节水产生的经济效益达200万美元/年。
　　2.2 国外生活用水节水及其它节水技术
　　城市生活用水在城市用水中占有较大份额，例如沙特阿拉伯占47%左右，具有较大的节水潜力，其节水技术也研究得最为成熟。目前国外城市生活用水节水主要注重以下几个方面。
　　2.2.1 城市生活用水监测和用水量估计
　　实行用水量监测，是为了了解实际的用水量和用水方式，进而得知供水系统的运行状况，为合理、公正地确定水价提供依据。用水量估计主要是通过调查和评估用水现状，按照节水原则合理估计将来的生活用水量。
　　2.2.2 采用节水型家庭卫生器具
　　节水型卫生器具一般是低流量或超低流量的卫生器具，研究表明，这种器具节水效果明显，用以代替低用水效率的卫生器具可平均节省32%的生活用水。节水型卫生器具包括节水型便具、节水型洗涤器具、节水型淋浴器具等。
　　 2.2.3 家庭草坪浇灌节水技术
　　据统计，美国大约有50%的拥有草坪的居民过量浇水，因此具有较大的节水潜力。该技术通过改进浇水方式、建立不同季节的浇水规定、控制浇水时间、选择抗旱草种等达到节水目的。1990年美国曾开发了一个试验程序，以降雨量和草坪跟部深度为主要影响因素，控制浇水量，结果证明该程序是可信的。
　　2.2.4 水价结构和漏水控制
　　城市生活用水的水价结构反映了水的制造成本、销售效益和其它效益。居民生活用水的水价是大多数公司首先关注的问题，因为其份额大且使用群体稳定。节水型水价的研究在美国进行得很多。国外研究证明，漏水控制的节水效果也是相当明显的，英国北爱尔兰在未实行漏水控制之前，每幢建筑物平均漏水量为23-40L/h，在实行漏水控制后，平均漏水降至8～11L/h。
　　2.3 国外其它节水途径
　　国外其它节水技术还包括供水厂节水、供水系统漏水控制、用水审计、雨水管理、废水回用、节水经济激励、立法、公众宣传、水资源一体化规划等。
　　供水厂的自用水量一般为5%～10%，主要用于滤池和沉淀池冲洗以及厂区生活用水，当水厂规模大时，这部分排水量是相当大的。David A.Comwell等人对水厂废水循环利用的可行性进行了研究，结果表明，通过适当处理，将生产过程中的废水回用到某些位置是可行的，但要注意对 TOC的检测。
　　漏水的位置主要在主干管、蓄水池、配水管、连接管、卫生器具等，同时管网压力也是一个重要因素，美国和英国都有专门培训的技术人员对漏水进行管理和控制。
　　1989年，加利福尼亚Concord Constra Costa的供水管理区进行了用水审计，既包括检漏等工程措施，也包括使用户明白自己的用水量和节水量等综合性内容，该措施的节水效果估计为3.8万m³/年。
　　实例四：正确选择水表大小Boston（Massachusetts）节水实例
　　Boston水和废水委员会––––BWSC（Boston Water and Sewer Commission）为Boston一百多万人提供水和废水服务。Boston是Massachusetts水资源管理局––––MWRA（Massachusetts Water Resources Authority）的最大用户，其需水量达到该局总售水量的40%，因此Boston的用水给MWRA带来相当大的压力。虽然采取了多种节水措施，用水量连续下降，但未计量用水（Unaccounted-for Water）依然高得惊人。统计数据表明，对于较老的一些城区，高达20%～30%的未计入水量已是相当普遍。1990年MWRA组成了一个“未计量用水任务行动组”，对未计量用水和不正确计量用水进行了综合性考察，结果表明，水表的正确计量范围、读表、滑动、修复和更换等对用水影响甚大，其中最关键的是正确计量。为此，该行动小组专门成立了一个“水表计量范围降低项目组”，通过减少400多个1.5英寸以上水表的尺寸，节水量达到43万加仑/d。除了降低了未计量用水外，仅减小水表尺寸便可取得200万美元/年的经济效益。

　　3. 国内节水技术概况

　　国内的节水运动始于八十年代初期，经过近二十年的努力，取得了较大进展，城市节水累计达220多亿m³。以北京市为例，北京市城市自来水需水量五十年代平均增长了28.98%，六十年代为4.29%，七十年代为6.74%，八十年代为3.1%，91至96年为5.8%，数据充分说明，八十年代开始的节水措施效果是明显的。
　　3.1 国内工业节水技术
　　鉴于大量工业废水除少数污染很严重外，大部分经简单处理后可重复使用，因此工业节水也是国内城市节水的重点。1990年我国城市工业万元产值取水量为245 m³/万元，1996年已降至198 m³/万元，北京、天津、大连、青岛等城市，工业万元产值取水量已低于100 m³/万元，但还有不少城市高达数百立方米，这表明我国工业节水工作尽管已取得了一定成就，但从整体来看，工业用水水平还比较低，同发达国家的20～30 m³/万元相比差距很大。
　　在具体节水技术上，国内主要注重重复用水技术，包括冷却水的循环节水、一般循环水节水（指循序用水、闭路用水等）和工艺节水（包括冷却工艺改革、无水少水工艺等）等，这些技术在火电、钢铁、石化、化工、印染、造纸等行业都有成功应用的例子。
　　宝钢二期工程，按95%的循环重复利用率设计水厂规模为20万m³/d，若采用直流供水系统，则设计规模需要380～400万m³/d，节水效果十分明显。石家庄市在纺织行业普遍采用溴化锂制冷空调用水闭路循环系统，如棉纺二厂投资496万元分两期建成闭路循环系统，实现节水406万m³/年，水的重复利用率达到81.8%，直接经济效益37万元/年。
　　兰州炼油化工厂在炼油工艺中，用混合空气冷却代替水冷却换热设备，在常减压、气体精馏、丙烷脱沥青等装置上都安装了干湿式联合空气冷却器，通过可行性论证，对其他部分装置的用水工艺也采取了上述措施，使生产装置的空气冷却设备占44%，因而在不增加供水设备的情况下，节约循环水量4200m³/h，保证了新建扩建装置的正常生产。
　　3.2 国内生活用水节水及其它节水技术
　　国内城市生活用水（大生活用水）一般占城市总用水量的30%左右，包括城市居民住宅用水（小生活用水）和公共用水两部分。但随着社会经济的快速发展，城市生活用水量将迅速增加，因此就节水而言，也大有潜力可挖。
　　目前国内主要节水措施有：
　　（1）水表安装与计量。城市生活用水的经验表明，有水表比无水表用水节约，而一户一表用水比一单元装总表节水。山西大同7个大型企业改包费制为计量收费制后，生活用水节约75.3%，每月节水87万m³。
　　（2）采用节水型器具，包括节水型便具、节水型淋浴器具和洗涤器具等，但这些器具要真正做到既方便使用，又具节水效果，且能普及应用尚需时日。
　　（3）城市节水灌溉。随着人民生活水平的提高，城市绿化面积不断增加，城市灌溉用水量逐年增长。目前我国着重推广喷灌、微喷灌和滴灌等新技术，比原来的地面灌节水30%～50%，同时节省了大量劳力。
　　国内其它节水技术和措施还包括中水道技术、城市污水回用技术、海水利用、地下水利用与保护、调整水价、开展节水教育提高节水意识等。

　　4. 石家庄市节水技术建议

　　石家庄市是河北省省会所在地，其城市性质为：重要的交通枢纽、工业门类较为齐全、第三产业发达的沿海省会城市。目前已基本形成了以纺织、医药、电子、机械、化工、建材、食品等行业为主，门类比较齐全的工业体系，农业装备水平较高，乡镇企业发展迅速。规划2000年全市总人口394.5万，城市总用水量5.78亿m³，工农业总产值632.6亿元；规划2010年全市总人口501万，城市总用水量7.84亿m³，工农业总产值1559亿元。
　　石家庄市的水资源有地表水资源和地下水资源，据石家庄市建委的研究，全市地表水可利用量是：平水年为4.13亿m³，特旱年为3.26m³。地下水可采总量为9.26亿m³。石家庄市规划设计院的研究表明，该市可供城市利用的地表水资源为1.27亿m³/a，地下水量为2.4~2.5亿m³/a，据此推算，石家庄市的水资源量仅为3.7亿m³/a，与2000和2010年的需水量相比，尚差2.08亿m³和4.14亿 m³。因此，石家庄市的缺水形势相当严峻，节水极具现实意义。鉴于这种形势，本研究建议：
　　（1）必须充分认识到该市缺水的严重性和危害性，水量短缺和水质污染不但影响了人们的日常生活，而且已成为全市社会经济发展的制约因素。
　　（2）节水是个综合性的问题，必须调动一切有效的行政手段和技术手段，如工程技术、立法法制、机构建设、经济刺激和社会手段等联合应用。
　　（3）充分重视工业节水，石家庄是个工业相对发达的城市，但工业万元产值用水量1989年达313m³，规划2000年为120m³/万元，在北方水资源相近的城市中最高，因此具有很大的节水潜力。
　　（4）生活用水的节约也应该得到重视，石家庄市的人均生活用水量在河北省属中偏高，90年达137L/（人.d），规划2000年为200 L/（人.d），仍具节水潜力。同时必须加强节水宣传和教育，特别要对在校学生进行节水观念教育。
　　纵上所述，石家庄市水资源短缺形势是十分严峻的，同时也可以看出其节水潜力很大，因此石家庄市作为节水示范城市进行试点很具代表性，也很有意义。分析城市的节水潜力，借鉴国内外节水经验与技术，搞好我国示范城市的节水工作，对缓解我国水资源短缺必将产生深远的影响。建议对具体节水项目进行立项和示范工程建设。