基金项目:中国工程院战略研究与咨询项目(2022-XZ-38)
第一作者:文 刚(1983—),男,博士,教授,博士生导师,主要从事饮用水水源水质安全保障研究.E-mail:hitwengang@163.com
(西安建筑科技大学 环境与市政工程学院,陕西 西安 710055)
(School of Environmental and Municipal Engineering, Xi'an Univ. of Arch. & Tech., Xi'an 710055, China)
water resource; water environment; “the Belt and Road”; guarantee modes
DOI: 10.15986/j.1006-7930.2022.06.003
“一带一路”是2013年国家主席习近平提出建设“新丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”的合作倡议,是中国扩大对外开放的重大战略举措以及经济外交的顶层设计.“一带一路”基于古代丝绸之路,对东西方文化交融有着举足轻重的作用,是连接亚欧贸易的重要桥梁[1].
西部“一带一路”是指我国西北五省所处地区,其中包含以陕西西安为起点至新疆乌鲁木齐的各沿线城镇,大部分地区处于西北干旱半干旱区,以高原、盆地、山地为主,气温日较差、年较差大,太阳辐射强,风沙多.在当今,西部“一带一路”沿线城镇的经济发展相较于我国其他地区存在明显差距.由于西北地区深居内陆,其固有的自然环境与近年来人为过度开发导致了各种水资源与水环境问题,对沿线城镇发展产生了显著的制约.
本研究以西北五省各市作为西部“一带一路”沿线城镇水资源水环境制约的研究对象,如表1所示,数据来源主要为各省水利厅和生态环境厅近年发布的水资源公报及生态环境公报,全国水资源公报及生态环境公报,以及中国城市建设年鉴.
西部“一带一路”地区涵盖三江源、黄河中上游以及天山、昆仑山等著名高山冰川,是中华水系的一条重要脉络.三江源地区囊括长江总水量的25%,黄河的49%和澜沧江的15%,故有“中华水塔”之称[2-3].黄河流经青海、甘肃、宁夏、陕西,其流域面积涵盖西北五省57%的总人口以及60%的耕地,是西北地区的代表性河流和重要水源.冰川作为西北干旱区的固体水库,主要集中在祁连山、昆仑山、天山,融雪水是西北诸多河流的重要补给来源.
水资源总量.西部“一带一路”沿线五省土地面积占全国31.76%,但水资源总量仅占全国10.6%,水资源总量较少且分布不均,如图1所示.根据各省的水资源公报[4-6, 8, 10],一些沿线城市如陕西铜川市、宁夏银川市、甘肃嘉峪关市和金昌市,以及新疆克拉玛依市的水资源总量小于5亿m3,远远低于其他沿线城市,而宁夏回族自治区也是我国水资源最少的省区,仅有9.3亿m3[11].同时,各省会城市的水资源量在省内排名比较靠后,这些城市可能更加依赖异地调水和当地蓄水工程来保障供水量.水资源类型上,地表水为各沿线城镇主要的水资源形式,青海省地下水资源量占比高于其他省份,其中,海西州的地下水资源量约占总量的三分之一.分布上,陕西关中和陕北地区、宁夏中部和北部、甘肃中部和河西走廊以及新疆北部呈现一条明显的浅色缺水带(图2),这可能与该地带的地理特征有关,由东南至西北分别为黄土高原、河西走廊、准噶尔盆地,土地荒漠化严重.
图1 西部“一带一路”沿线城镇水资源总量及占全国水资源量比例
Fig.1 Total water resources of cities and towns along “the Belt and Road” in Western China and its proportion in the national water resources
图2 西部“一带一路”地区水资源量分布情况
Fig.2 Distribution of water resources in the Western “the Belt and Road” region
人均水资源量.根据中华人民共和国水利部2021年发布的水资源公报[11],全国人均水资源量为2 098.13 m3,西部“一带一路”沿线城镇中低于全国人均水资源量的城镇数量占比约为65%,水资源短缺形势严峻(图3).其中,宁夏全区的人均水资源量处于西北五省最低水平,仅为128.77 m3.按照国际公认的人均水资源标准,人均水资源量低于3 000 m3为轻度缺水,500~1 000 m3为重度缺水,低于500 m3为极度缺水,而低于300 m3是危及人类生活生存的最低标准[12],西部沿线城镇中超过一半城镇达到极度缺水状态,超过四分之一的城镇低于300 m3水平,严重制约了沿线城镇的城市化建设和居民日常生活.
西北缺水地区气候特点为干旱少雨、风大沙多、日照充足、蒸发强烈,尤其是黄土高原、河西走廊和北疆地区.根据全国和各省水资源公报[4-11],2021年全国平均年降水量为691.6 mm.西部沿线城镇中低于全国平均年降水量的城镇数量占比约为78.3%,平均降水量为全国的约59%.如图4和图5所示,各省份的年降水量排序为陕西、青海、甘肃、宁夏、新疆.空间分布上,沿西安往西北方向沿线城镇的降水量逐渐减少,特别是河西走廊前后临尤为严重的干旱少雨现状.除此之外,有限的降水主要集中在夏秋季节,且多暴雨,春冬季缺水十分严重(图4),水资源不仅难以满足农业灌溉和工业生产的需要,甚至许多地方人畜用水也存在困难.
图4 西部“一带一路”沿线城镇平均年降水量与降水季节分布情况
Fig.4 Average annual precipitation and seasonal distribution of precipitation in cities and towns along “the Belt and Road” in Western China
供水状况.2021年西部“一带一路”沿线城镇供水总量为848.95亿m3,其中地表水占总供水量的79%,地下水的20%,其他水源(包括再生水、集雨工程等)约1%(图6)[11].陕西省为供水结构相对多样化的省份,地下水和其他水源供水量占比为五省中最大,达37%,而宁夏则以地表水为主,占91%.五省中,青海省的供水总量最低,仅为24.55亿m3,新疆维吾尔自治区最高,达554.43亿m3.
图6 西部“一带一路”五省供水结构
Fig.6 Water supply pattern of five provinces along “the Belt and Road” in Western China
用水状况.2021年西部“一带一路”沿线城镇的用水总量为848.42亿m3[4-6, 8, 10],用水结构为农业用水占86%、工业用水占4%、生活用水占5%、城镇公共用水占1%以及生态环境占4%(图7).可见,各沿线城镇以农业用水为主,这与各地的特色产业密切相关,如喀什地区盛产甜杏、小茴香、石榴等作物和水果,以及阿克苏作为我国最重要的棉花生产基地,其棉花产量约占新疆的80%,导致农业用水量大.由于水源类型、产业结构、经济发展状况等的差异,不同城市用水量及用水结构明显不同,如西安、兰州、乌鲁木齐作为省会城市,人口基数较大,城市活动较丰富,生活用水量占比更高,农业用水占比更低,用水结构更均衡.
污水处理情况.污水处理率按式1计算.总体来看,除新疆乌苏市(48.4%)、奎屯市(88.4%)、阿图什市(91.2%)、沙湾市(93.3%),青海同仁市(86.8%)、茫崖市(92.3%)外,五省绝大部分城市的污水处理率均达到95%以上[14],基本满足生活污水处理需求,大大减轻了受纳水体的污染状况(见图8).值得注意的是,新疆乌苏市的污水处理率不仅是西北五省最低,也是全国最低的城市,仅为48.4%,根据相关资料显示,乌苏市无雨水管道,仅有1座污水处理厂,没有二、三级处理,且正处于改建期[14-15].
污水处理率(%)=(污水处理总量)/(污水排放量)(1)
再生水利用情况.城市再生水可用于市政杂用、绿化、景观河湖补水等方面[13],有助于缓解西北水资源短缺现状.目前,西北“一带一路”五省的再生水生产能力为452.7万m3/d,占全国的6.3%,各省份的再生水生产能力如表2所示[14].再生水利用率按照式2进行计算,各省再生水利用率如图9所示,陕西省、甘肃省、青海省的再生水利用率低于全国平均,新疆维吾尔自治区最高,达到45.9%,甘肃省最低,仅为15.5%.
再生水利用率(%)=(市政再生水利用量)/(污水处理总量)(2)
图8 西部“一带一路”各沿线城镇污水处理率
Fig.8 Sewage treatment rate of cities and towns along “the Belt and Road” in Western China
表2 再生水生产能力(单位:万m3/d)
Tab.2 Production capacity of reclaimed water(Unit: 104 m3/d)
西部“一带一路”五省份处于西北诸河流域和黄河流域中上游,有冰川、河流、湖泊和沼泽等多种水体形式.根据2021年全国生态环境公报[16],西北诸河水质基本为优,I-III类水质断面占96.3%,无劣V类; 黄河流域水质良好,I-III类水质断面占81.9%,劣V类占3.8%,干流水质为优,主要支流水质良好.根据2021年各省份生态环境公报[17-21],陕西红碱淖为重度污染[17],宁夏苦水河、都思兔河为劣V类水质,氟化物超标[18],甘肃马莲河部分河段为劣V类水质,主要污染源是六价铬,同时,肃北县城区饮用水源水质超标[19],新疆喀什噶尔河部分河段为中度污染,主要污染指标为化学需氧量、氟化物、高锰酸盐指数,乌伦古湖为重度污染,其中氟化物、化学需氧量、总磷超标,全湖呈中营养状态,此外,新疆29.2%的地下水监测点为V类水质,硫酸盐、氯化物、钠超标,6个水源地超标,硼、硫酸盐、溶解性总固体、总硬度超标[21],见图 10.
基于西部“一带一路”沿线城镇人均水资源量和年降水量数据[4-10],根据国家质检总局和国家标准委发布的《节水型社会评价指标体系和评价方法》(GB/T 28284—2012)中的划分标准[22],西部沿线城镇中丰水地区占11%,平水地区占33%,缺水地区占56%(见图 11),可见普遍处于干旱缺水状态.
由于干旱缺水,使得西北地区自然景观荒漠化和生态环境问题加剧,成为我国土地沙漠化、次生盐渍化、水土流失、草原旱化矮化的重灾地区.该地区地处内陆,远离海洋,受高山阻隔降水量少,有限的降水主要集中在夏秋季节,春冬季节缺水严重.沿线城镇耕地分布不平衡,有相当大一部分水资源分布在地势高寒、自然条件较差的人烟稀少地区及无人区,而自然条件较好,人口稠密且经济发达的绿洲地区水资源却十分有限,水资源利用难度大,导致经济社会发展及生态文明建设受到制约.
水资源承载力.水资源承载力对水资源、经济社会和生态环境存在驱动和制约关系,而后三者之间也存在相互支撑和限制等关系(图 12).吴明艳等[23]基于熵权TOPSIS模型对2004—2019年西北五省的水资源承载力进行评估,结果显示16年间西北五省区水资源承载力呈现逐年增长趋势,但五省区水资源承载力空间差异性明显.近年来,随着生态文明建设理念的不断深入,国家也相继出台“水十条”等水资源管理制度,其中指出“充分考虑水资源、水环境承载能力,严格控制缺水地区、水污染严重地区和敏感区域高耗水、高污染行业发展”[24],使水资源承载力得到提升.
万元GDP用水量.该指标是节水型社会的核心指标之一,其值越高说明地区发展技术水平低且节水意识淡薄.根据中华人民共和国水利部水资源公报(图 13),全国万元GDP用水量为57.2 m3,西部沿线城镇中高于全国平均的城镇数量占比约为58%,多为经济欠发达地区,甘肃河西走廊和新疆部分地区占比大.其中,新疆喀什、阿克苏、克州的万元GDP用水量远高于全国水平,达853~1 200 m3,说明这些地区急需进行节水改革,减缓水资源浪费现象.
图 12 水资源承载力对地区水资源、经济社会和生态环境的约束
Fig.12 Constraints of water resources carrying capacity on regional water resources, economic society and ecological environment
西部“一带一路”沿线城镇用水结构极不均衡,农业用水占总用水量的86%,而工业用水则不到5%(图7).从世界平均用水结构看,农业用水占65%,工业和城市用水分别为22%和7%,沿线城镇农业用水比例偏高,不仅说明水资源利用方式落后,利用效率差,同时也说明通过调整用水结构实现节约水量的潜力很大.
根据水资源开发利用程度分类[25],沿线城镇中,高水资源压力占71%,中高水资源压力占17%,中低水资源压力占8%,低水资源压力占4%(见图 14),说明当前西部沿线地区水资源呈现过度开发的现状; 而高水资源压力的城镇中包含古代丝绸之路上的重要城镇,即西安、河西走廊、乌鲁木齐,这无疑会成为制约西部“一带一路”沿线城镇社会经济和生态环境未来发展的重要因素.
根据《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》要求,到2025年,全国地级及以上缺水城市再生水利用率应达25%以上[26].可见,西北五省中,陕西(24.5%)、甘肃(15.5%)和青海(23.3%)在再生水利用方面仍需要加强(见图8).尤其是干旱缺水的甘肃省,其年污水处理总量达47 418万m3,但再生水回用量仅有7 328万m3,只占总处理水量的15.5%,而兰州市仅为4.1%[14].此外,西部沿线城镇目前对雨水的设计体系仍是“直接排放和疏导”的模式,雨水的收集利用管理和设施不完善,各级政府雨水利用意识薄弱,城区可渗水面积小,海绵城市建设落后,造成对雨水资源的长期浪费.
目前,西部沿线城镇仍有部分地区存在严重的水环境污染问题,根据各省生态环境公报,化学需氧量和氟化物为最常见的两类超标指标,此外,高锰酸盐指数、六价铬、总磷、硫酸盐、氯化物、钠、硼、硫酸盐、溶解性总固体、总硬度等指标也存在不同程度的超标[16-21, 27-30].水源地水质不达标主要原因有两方面,一方面是西北地区工矿业粗放式发展,产生大量的工业废水可能在处理未达标的情况下排入受纳水体,导致不同程度的地表水和地下水污染,直接或间接影响城市饮用水安全; 另一方面,西北地区是我国农业和养殖业的主要发展地,不少地方饮用水源保护区上游,甚至饮用水源附近村镇的农业污水以及养殖污水未经任何处理就直接排入水体中,造成水环境污染不断加剧.
国际水协会(IWA)于2016年发布《水智慧城市导则》,提出水智慧城市理念[31].该导则包括四个行动层次:有再生力的水服务、水敏城市设计、城市多流域相连和水智慧联盟.基于西部“一带一路”沿线城镇主要的水资源和水环境问题,结合IWA水智慧城市的理念,提出如下保障模式.
严格贯彻“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”原则.建设水资源水环境承载力监测预警机制,制定水资源与水环境承载力的统一评价方法,中华人民共和国水利部和各省水利厅在统计编撰水资源公报时应加入该指标的评价,指导构建与水资源水环境承载力相适应的现代产业体系; 同时,在城市建设规划过程中强调水的重要地位,根据水资源承载状况确定土地用途,将涉水系统置于城市各类基建的总体框架中.从未来的发展趋势看,水资源保护利用重点将从水资源单要素控制向“水资源-水环境-水生态-水灾害”统筹转变[32].
优化调度水资源.强化全流域水量统一调度,细化完善干支流水资源分配.合理确定黄河、长江及澜沧江等干支流及河湖的生态流量,以湟水河、渭河、石川河、丹江、嘉陵江等主要支流为重点,制定实施生态流量保障方案,加强生态流量动态监管.正在统筹设计的“红旗河”西部调水工程将青藏高原的水输送至西北干旱缺水地区,调水规模预计达每年600亿m3,该工程对西北地区生态的改善以及未来对中华水塔的涵养,都将充分体现其在西北生态治理方面的重要价值[33].
统筹配置水资源.目前,农业用水占西部干旱地区总用水量的绝大部分(86%),应推广农业节水技术、水权调配等方式适度将水资源向二、三产业进行调配,以支持地区工业发展和城镇化的推进.同时,可以尝试跨流域水权的交易进行水资源空间调配,或将某些高耗水产业向水资源丰富的地区进行转移.此外,由于西北地区地下水资源稀缺(图1),应开展地下水超采综合治理,保持重点区域地下水采补平衡.
深化开源节流战略.积极推动再生水、雨水、矿井水、苦咸水等非常规水源利用,统筹涉水基础设施水再生能力.以西北省会城市为首,开展污水资源化利用试点示范,宣传优秀工程案例,带动沿线城镇实现再生水规模化利用.以省会城市及工业用水占比高的城市为重点,实施高耗水行业节水改造,推广应用一批先进适用的工业节水工艺、技术和装备,同时,推进城镇节水降损工程建设,推广普及生活节水器具,积极开展政府机关、学校、医院等公共机构节水技术改造,推进节水型城市建设.
深化重点行业工业废水治理.提高西部“一带一路”沿线城镇污水处理率,持续实施煤化工、焦化、农药、农副食品加工、原料药制造等重点行业工业废水稳定达标排放治理,完善工业园区污水集中处理设施及进出水自动在线监控装置建设,加强园区内工业企业废水预处理监管,并与生态环境部门联网,推动工业园区工业废水应收尽收、稳定达标排放.
完善城镇污水、污泥收集处理设施.加大城镇污水管网建设力度,推进城镇污水管网全覆盖,大力推进城中村、老旧城区、城乡结合部污水管网建设,提升污水收集效能.因地制宜推进城镇雨污分流改造,除干旱地区外,新建污水管网应该全部实行雨污分流.加快完成污泥处理处置设施达标改造,压减污泥填埋规模,优先解决重点生态功能区、生态脆弱区和污泥产生量大、存在二次污染隐患地区的污泥处理处置问题.
推动城市美丽河湖水生态保护和建设.恢复并增加水空间,扩展城市及周边自然调蓄空间,注重维持河湖自然形态,恢复和保持城市及周边河湖水系的自然连通和流动性.在城市建设和更新中,应积极开展河岸生态缓冲带和水生植被恢复等活水保质与生态修复措施,提升水体自净能力.
全面保护饮用水水源安全.以县级及以上城市集中式饮用水水源地为重点,加强饮用水水源地规范化建设,开展不达标水源治理.加强城市应急或备用水源建设.到2025年,县级及以上城市集中式饮用水水源地水质达标率应不低于90%,并完成乡镇级集中式饮用水水源保护区划定与立标.到2030年,集中式饮用水水源安全得到全面有效的保障.
本研究介绍了西部“一带一路”沿线城镇的水资源与水环境现状,分析了存在的问题及制约因素,并提出了实现绿色更新发展的保障模式.各沿线城镇整体呈现水资源匮乏,分布不均且利用难度大的现状.农业用水占绝大部分用水量,用水结构极不均衡.同时,水资源压力高、用水效益低、非传统水资源利用不足以及污废水直排导致的水环境问题制约着沿线城镇的发展.基于以上问题,本研究强调贯彻“四水四定”原则、优化调度和统筹配置水资源、深化开源节流战略、加强水污染治理和水环境保护的保障模式,以推动西部“一带一路”沿线城镇的绿色更新发展.