雖然中國首都北京在經濟上已經取得了巨大成就，但是，這座超大城市依然被有限的水資源所困，在很大程度上仍是限制今后經濟增長的瓶頸。郝曉地對這個城市水資源的現狀以及未來進行評價和展望。
北京乃目前中國對GDP（國內生產總值）貢獻最大的地區。但就水資源而言，北京卻是世界上最匱乏的地區之一。北京目前常住人口已突破2 000萬，而人均水資源量卻少于100 m3/人，所以，水資源已經嚴重制約了北京的經濟發展。未來，北京的經濟命運將在很大程度上取決于可獲得的水資源是否能夠滿足日常生活和經濟發展。因此，北京眼下最重要的是需要重塑以用水為中心的城市，城市的基礎設施應及時升級改造，以使水的利用和獲得更具可持續性特點。
北京，一座處處需要水的超大城市。
經濟數據（圖1）顯示了2011年北京的GDP增長是一個何等令人震驚的數字（12 447美元/人），這近乎已經達到了世界上最裕的國家水平，而且，北京仍具有保持其經濟繼續增長上的勢頭。然而，為了讓這樣的經濟增長成為現實，北京需要解決許多問題，其中，首當其沖的就是水。北京目前已經成為世界級超大城市，其常住人口在2011年已攀升至2 000萬。可惜的是，為了維持數字如此巨大的人口生存，北京人均水資源量僅為100 m3/人，是中國平均值的1/24和世界平均水平的1/90。因此，“旱城（韓國首都之前名字——‘漢城’的諧音）”這個綽號冠與目前的北京最為形象！
北京全市總面積為16 800 km2（其中，10 400 km2為山地，僅6 400 km2才是平原）；北京地處半溫帶和半干旱地區，同時又受溫和的季風氣候影響。北京年平均溫度為11-14 ℃（1月最冷：平均-4.6℃；7月最熱：平均25.8 ℃），年均降雨量585 mm（雨季出現在6-9月間，集中了85%的年均降雨量）；陸地與水面年均蒸發量分別為467 mm和947mm。水的消耗和產生（圖2）揭示，雖然北京年用水量正在逐年減少，但水的產生遠滯后于對它的消耗，例如，2009年總用水量為36億m3（地下水占62%，地表水占20%，循環水占18%），而總產水量僅為22億m3，這就導致14億m3的水赤字。這一赤字一般靠兩種途徑來尋求平衡：或者通過行政命令引鄰居之水，或者超采地下水。由于過度開采，地下水位近12年以1.1 m/年的速度已從-11.9 m降至-24.9m。
早先一個生態支撐北京的用水平衡計算表明，北京到2020年勉強可支撐1 800萬人口的用水需求。然而，這一數字出乎意料地已被2011年激增至2 000萬的人口所改變。作為中國的首都城市，北京的政治地位毋庸置疑，它的經濟發展速度也沒有顯現出任何減緩的趨勢，水之地位必將成為北京未來經濟發展的重中之重。作為對策，北京市政府已經采取了一些必要的手段來試圖緩解如此嚴重的缺水現狀。此外，時刻強調節水與雨水收集、水循環、遠距離調水計劃也相繼實施；海水淡化作為一種潛在替補方案也正在被政府考量和評估之中。
圖1：北京GDP增長趨勢（1美元=6.4元人民幣）。
節水與定額
北京的用水組成大致集中于3個方面：生活用水（即，家庭、公共服務和維持生態系統）、農業用水和工業用水。所收集的這三方面用水數據（圖2）顯示，農業用水量已經下降，從1999年的19億m3降至2010年的12億m3，降幅37%。工業用水同樣下降，2010年已降至5.2億m3（1999年為11億m3，降幅51%）。然而，生活用水量卻在增加，2010年已達19億m3（1999年為13億m3，增幅33%），顯然，這歸咎于常住人口的持續增加。在過去的12年間，生活、農業和工業用水量平均所占比例分別為總用水量的40%、38.8%、20.1%。
在三種用水目的中，生活用水所占比例最大，其次是農業用水。中國人的節儉習慣已幫助他們節省了很多的水；北京居民用水量標準是85-140 L/人×日，較美國（300-375 L/人×日）和歐洲（135-200 L/人×日）標準而言，已是非常之低；每月10 m3用水在北京已經足夠支撐一個三口之家的用水量。現在，85%（到2015年將升至95%）的家庭和公共服業均已安裝了節水器具。況且，一個針對公共服務業較為嚴格的用水定額在1998年便已出臺；2006年，針對辦公室、賓館、學校和醫院等公共場所的用水定額也已獲北京人民代表大會通過。這些節水措施已幾近完善，很難從生活用水中再發掘出太大節水潛力。因此，任何有效的其它節水措施不得不在其它方面尋找。
農業用水中下降35%歸因于3種途徑：退耕還林、旱作農業及安裝節水設備。過去12年間，70 000公頃的農田已退耕還林。水稻種植已被完全禁止；小麥種植已由原來的166 667公頃降至目前的33 000公頃；靠雨水澆灌的玉米種植至已從2009年擴增至目前的56 667公頃。進言之，85%的農田已安裝了節水澆灌器具，如，滴灌和微灌。這些舉措已使每公頃農田平均用水量降至2 640 m3/公頃，水的利用系數增至0.68（原為0.55）。與此同時，農業凈產值已從2001年的93億人民幣（15億美元）增至2008年的113億人民幣（18億美元）。農業上的節水空間未來仍具可能，可以通過潛在的中水灌溉來實現。
圖2：1999-2010年間北京水的使用與產生。
工業節水已通過工業結構調整得以實現。水定額制度已在工業部門完全推開，任何高耗水的工業都完全被禁止。每萬元（1 585美元）工業產值耗水量已減少到2008年的33.5 m3（2001年為137 m3），這是全國平均值的1/7，貢獻299元人民幣（47.4美元）GDP/ m3（2001年為82元人民幣（13美元）GDP/ m3）?，F在的北京工業用水循環率已經達到93%，工業用水的零增長在今后將會繼續維持。這就是說，在2008年所形成的5.2 億m3工業用水量將會永久維持下去。然而，如果繼續保持每年10%的經濟增長率，每萬元工業產值（GDP）耗水量到2015年將會進一步被降低至12.7 m3。因此，僅在微觀尺度存在工業節水的可能性。
雨水收集
理論上說，雨水收集、利用是一種很好的彌補用水赤字的辦法；在市區內（四環以內：300 km2；五環以內：750 km2）每年可以收集2.3億m3的雨水 ，這相當于該區域總用水量20~25%（市區總用水量為10 億m3/年）。雨水收集可以同徑流污染控制和洪澇控制相結合，因此，可以被發展為多用途技術。正因如此，基于雨水收集、徑流污染控制和洪澇控制的研發項目在北京發展迅速，相應扶持政策也已由政府發布。
到2009年底，北京已安裝了約1 200個雨水收集、徑流污染控制和洪澇控制設施，現在，每年有0.5億m3的雨水可被用來灌溉、滲透、補充水景、洗車和清潔道路、沖廁等。然而，雨水的處理和貯存將是一個需要考慮的問題。所以，雨水直接被用于洗車和沖廁是不太可靠的事情。雨水在利用之前需要適當的處理，且需要預先設置較大的貯存空間。正因如此，雨水被用來灌溉、滲透和補充水景不失為一種最佳的選擇。到2015年北京將會有93個大型貯水設施埋設于地下，用于雨水收集和和洪澇控制。
水回用
北京的供水系統標準已經很高。目前北京擁有22座自來水處理廠，在6個主要城區日供水能力已達310萬m3/日，總服務面積1 000 km2、服務人口1 200萬。到2015年，北京日供水量將達到460萬m3/日。
與給水系統相對應的污水收集、污水管網、污水處理廠目前已具有380萬m3/日的處理能力。在2010年，6.8億m3/年處理后的中水已被再利用，占總供水量的18%（2008年僅占8%）。到2015年，6個主要城區的所有22個污水處理廠將被升級改造為可生產中水的處理廠。另外，還將興建30座新的污水處理廠，屆時將總共處理并循環使用10億m3/年的中水，將之用作補充水體景觀（4.2億m3/年）、農業灌溉（3.5億m3/年）、工業循環水（1.6億m3/年）和市政用水（0.7億m3/年），形成1/3的城市總供水能力。
南水北調工程
盡管存在上述多種節水措施和途徑，但北京仍處于嚴重缺水狀態。因此，從北京之外引水進京勢在必行。一個經歷了幾乎半個世紀討論與評估的浩大工程——南水北調在已在2003年開始動工，預計到2014年將全面竣工。這一從位于漢江（長江支流）上的丹江口水庫一直延伸至北京的調水工程，管線總長度設計為1 277 km（圖3）。但是，即使到了2014年，南水北調總共95億m3/年的輸水量可分配給北京的也僅為10億m3/年，這只相當于北京每年過度開采的地下水量。
圖3：南水北調路線圖
再者，有關南水北調的費用和安全性方面，不同的聲音也悄然而至。粗略估計，南水北調的輸水價格至少6元人民幣（1美元）/m3以上，已超過現在北京市居民用水價格4元人民幣（1美元）/m3。當南水北調之水進入沿途5個省、市時，很難避免復雜的地質條件、自然災害和水污染問題（包括供水源頭出現干旱現象、沿途洪澇災害等問題）。因此，可以預料，這些因素將威脅供水安全。
海水淡化
海水淡化作為南水北調的備選方案目前已被建議和討論了很多年。近年，存在兩種因素加速了對這一方案的廣泛興趣：一是南水北調的高額輸水費用，最終會導致居民用水價格上升至10元人民幣（1.6美元）/m3；再就是，在北京附近已建成一座海水淡化處理廠。這個海水淡化廠目前的處理成本在6元人民幣（1美元）/m3，日產水量5萬m3/日。目前，這個淡化廠已經開始為北京以東230 km處的曹妃甸首鋼新廠供水。一個更大規模的海水淡化廠在不久的將來將會在曹妃甸興建，到那時，處理成本將會降至5元人民幣（0.8美元）/m3，下降幅度達20%。即使加上230 km鋪設管道向北京輸水的成本，淡化后的水被輸送至北京，其價格也不過6元人民幣（1美元）/m3，遠遠低于南水北調所導致的10元人民幣（1.6美元）/m3用水價格。
如果海水淡化可以與風能利用和和鹽業化工有機結合（圖4），那么這將對環境的綜合影響不言而喻。沿海地區存在著潛在的風能，而且海水淡化后形成的濃縮液可以用作海鹽生產的濃縮原液，以增加曬鹽的生產效率。總之，這個被建議的海水淡化工藝是一個三位一體的零污染排放生態工藝。
圖4：建議中的與風能發電和鹽業化工三位一體的海水淡化方案。
總結
如今北京的GDP水平已經趨于其他富裕國家。北京定會繼續保持它的經濟增長勢頭，而且為實現變成世界城市目標已制定了更為長遠的計劃。然而，北京的經濟瓶頸在于水的供應和它的高效管理之上。數據和分析顯示，為了維系可持續市政供水存在兩種主要的途徑：減少內部消耗以及從外部引水進京。
節約用水是一個永恒的話題。雖然工業節水在微觀方面還存在潛力，但就宏觀而言，節水也只能寄希望于農業生產，因為工業用水總量已基本固定，而日常居民用水因居民業已形成的節儉習慣已不大可能再有節水余地。因此，污水處理后灌溉農田將是唯一的潛在節水方式。與水的赤字相比，雨水利用只不過是節水環節一個很小的實踐范例。南水北調將會以高昂的代價為北京注入有限之水。從長計議，海水淡化將逐漸成為北京可持續的可靠水資源。
致謝
本文是在北京市教委人才強教——高層次人才計劃（PHR20100508）支持下完成的。文章撰寫于美國奧本（Auburn）大學Samuel Ginn工程學院（P-1-01678）。
關于作者
郝曉地，中國北京建筑工程學院教授；擔任國際水協（IWA）著名學術期刊——《Water Research》區域主編（Editor）。
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