高光智 陈辅利 王 晶
【摘要】我国农业缺水严重,农村卫生条件、生活环境和基础设施差,农业城镇污水出路困难。水的城镇-农业大循序利用是解决农业缺水、提高农民生活环境质量的重大举措。本文论述了水的城镇-农业大循序利用的意义、可行性、技术内容、前期工作和建设原则。
【关键词】污水资源;农业城镇;城镇-农业;大循序利用
我国面临河湖污染、水资源短缺等多重压力,农业缺水更为严重,普遍存在城市与农业争水现象,农业城镇污水出路困难。农业是国民经济的根本和基础,国家提出了“米袋子”、“菜篮子”、“水杯子”、“钱夹子”工程。“米袋子”是关乎民族生存发展的基础工程,“菜篮子”是城市生活保障工程,“钱袋子”解决农民收入惠农工程,“水杯子”是提高农民生活水平的民生工程,是实实在在惠及9亿农民的重大决策。水的城镇-农业大循序利用是解决农业缺水、提高农民生活环境质量和建设“水杯子”工程的重大举措。本文全面论述这一重大举措。
本文所谓的“农业城镇”指村镇、乡镇、县镇和距离农田较近的中小城市,有时也简称为城镇。
1.农业缺水、环境条件差等多重压力
1.1 农业水资源压力
我国水资源严重短缺,人均水资源占有量不足世界平均水平的1/4,且时空分布不均匀,北方地区严重缺水,西北地区极度缺水。我国非常重视城市缺水问题,国家投资建设了南水北调工程等一批大型水源工程,大中缺水城市建设了远距离调水工程,大大缓解了城市水资源短缺的压力。建国以来,国家投资建设了一大批水利工程,这些水利工程发挥了发电、防洪、灌溉、航运等综合功能,促进了灌溉农业的发展。各地方大量建设的小型水利工程,在农业灌溉中也发挥了重要作用。但是,也应看到,与城市缺水相比,农业缺水更为严重,问题更为复杂,任务更为艰巨:
1.1.1 农业缺水严重
2003-2006年全国供水和用水情况示于表1。2003年以来,用水总量、农业用水量、工业用水量、生活用水量和生态用水量均逐年增加,其中农业用水增长最慢,比平均增长速度慢23%。正常年份全国缺水近400亿m3,每年有1-3亿亩农田受旱,农业缺水仍然是制约农业发展的重要课题。
1.1.2 国土辽阔,国情复杂
大、中、小型水利工程在灌溉农业中发挥了巨大作用,但是,覆盖面有限,大部分干旱半干旱地区农业缺水依然严重,靠天吃饭现象依然比较普遍。
1.1.3 地下水负担过重
广大非灌区农业依然靠天吃饭,随着全球变暖和温室效应,不正常天气过程增加,干旱灾害频繁,“天”更加靠不住。目前,广大干旱半干旱地区灌溉和饮水主要依靠地下水。2006年地下水总供水量1065.5亿吨,占农业用水的29%。在地下水中,深层地下水和承压地下水主要供大中城市用水;农业城镇规模小,主要使用潜水;农业灌溉和农村饮水主要使用表层潜水。可供农业灌溉的表层潜水不足地下水的1/3,约占农业用水的10%。也就是说10%的水量支持了30%以上的农业生产,可见地下水负担多重。表层潜水依靠天然降水补水,受天然降水的直接控制,发生干旱时水量急剧减少,以至于枯竭,不仅造成大面积农业减产,甚至威胁人畜饮水安全。
1.1.4 河流生态严重失衡
随着各种水利工程的建设,河流层层建坝蓄水,超量使用,干旱半干旱地区大部分河流发生间歇性断流或常年断流,河流功能衰减,部分河段功能甚至基本消失。各种水利工程对城市供水发挥了关键作用,对农业灌溉也发挥了较大的作用,但是,受害最大的也是农业,尤其是下游农业。
1.1.5 城市与农业争水现象严重
2006年全国城市用水量2037亿吨,是农业用水的55.6%。全国668座城市中有400余座供水不足,32个百万人口以上的特大城市中,有30个长期受缺水困扰。这些缺水城市主要依靠远距离调水满足城市用水。水资源量是一定的,且总量不足,大量向城市调水必然导致城市与农业争水。另一方面,除南水北调工程外,调水工程基本没有考虑农业用水,很少考虑农业城镇用水。很多城市以地下水为水源,取水半径数公里到数十公里,造成城市周围大面积地下水位大幅度下降,有的甚至超过了100米,大大减少了灌溉地下水量,增加了地下水灌溉成本。
1.1.6 极端天气加剧了水资源短缺
受全球气候变暖的影响,我国水资源条件发生明显变化,极端水旱灾害事件呈频发与并发趋势,水资源的形势更加严峻,尤其是农业用水面临更加严峻的挑战。
1.2 农业城镇居住环境差,污水出路困难
改善农村卫生条件和保证农村饮水安全是党和国家十分关切和重视的重大问题。广大农村居住分散,规模小,卫生条件恶劣,饮水安全性差,主要表现在旱厕、一户一圈、一家一禽舍、垃圾、雨水自然排放和分散饮用天然水。解决这些问题的重要途径是农村城镇化。在推进农村城镇化的过程中,如下问题应引起足够的重视:
1.2.1 生活用水自来水化
集中处理、集中供水、方便使用的自来水是饮水安全的根本保证,是提高农民生活水平的重大措施。例如:为了应对世界金融危机,国家出台了一系列拉动内需的政策,其中一项是国家给予13%的补助以鼓励农民购买洗衣机等家电;农村推广洗衣机的前提是有自来水和通畅的排水,否则,很难推广。
1.2.2 改厕
改旱厕为水厕,有条件时尽量做到水厕入户进家。
1.2.3 集中沼气和集中堆肥
粪便、饲养废弃物、生活垃圾等集中堆肥和生产沼气,改善卫生条件,辅助解决农肥和农村燃气。
1.2.4 太阳能热水
太阳能是清洁能源,在解决供水和排水的基础上推广太阳能热水,进一步提高农民生活水平。
1.2.5 排水
农村城镇化提高了农村卫生条件和生活质量,也增加了用水量。水的大量集中使用必然产生大量污水。必须首先解决室内排水,建设城镇排水管网系统。农业城镇的污水基本没有处理,如何解决农业城镇污水处理是我国农村城镇化的重大课题。我国村镇中,只有少部分靠近大中水体,绝大部分距离水体都比较远,污水出路非常困难,目前主要出路有渗坑、水塘、排洪沟等,是农村卫生条件差的重要表现,如何解决农业城镇污水出路也是我国农村城镇化的重大课题。
改善农村卫生和生活条件的核心问题之一是水,在解决供水的同时,必须解决排水问题,尤其是排水出路问题。
1.3 农业城镇污水资源化利用大有潜力
我国有9亿农民。如果全国农民都能用上自来水,将产生160-220亿吨生活污水。如果全国农民都能用上自来水和太阳能热水,将产生315亿吨生活污水。考虑到发展的不平衡性,到2020年,全国乡镇污水量至少将达到110亿吨以上。很多中小城镇,尤其是县级城镇,距离农田很近。考虑到这些城镇污水,到2020年,全国农业城镇污水量至少将达到180亿吨以上。这些污水是环境的主要污染源,同时也是非常宝贵的资源。如果这些污水全部用于农灌,可以提高农灌水量5%,对干旱地区,可以提高农灌水量20-30%,发挥巨大的作用。
2.水的城镇——农业大循序利用的概念和意义
“水的城镇-农业大循序利用”的概念是水在农业城镇与其周围地区农业之间循序使用,农业城镇使用后所产生的污水经因地制宜地处理,水质达到《城市污水再生利用农业用水水质》、《城市污水再生利用补充水源水质》、《农田灌溉水质标准》等标准的要求,用于农业城镇周围地区的农业灌溉。
水的城镇-农业大循序利用由农业城镇给水排水系统、循序处理系统和农业灌溉系统构成,如图1所示。农业城镇给水排水系统是水的一次使用,包括自来水供水系统、城镇居民使用(室内给水排水系统)和城镇排水系统。循序处理系统是水的一次使用和二次使用的连接点,其功能是将城镇污水处理成为满足《城市污水再生利用农业用水水质》、《城市污水再生利用补充水源水质》、《农田灌溉水质标准》等标准要求的二次使用水源。农业灌溉系统是水的二次使用。农业灌溉用水具有季节性的特点,冬季不用水;城镇污水则不分季节连续产生。农业灌溉系统应包括调节设施,其功能是调节控制水量,实现水量供需平衡。
我国水资源短缺,农业缺水更为严重,农村卫生和生活条件差,农业城镇污水出路困难。水的城镇-农业大循序利用是解决农业缺水、提高农民生活环境质量和建设“水杯子”工程的重大举措,意义非常重大:
2.1 保证了农业城镇饮水安全,提高生活质量
水的城镇-农业大循序利用的前提和基础内容是完善的自来水供水系统。集中处理、集中供水、方便使用的自来水是饮水安全的根本保证,是提高农民生活水平的重大措施。
2.2 有效改善农村卫生条件
卫生条件差的主要表现在旱厕、一户一圈、一家一禽舍、垃圾、雨水自然排放。水的城镇-农业大循序利用系统建设完善的排水体系和有机废弃物堆肥沼气系统,有效地解决了这些问题。
2.3 一水两用
水经过农业城镇一次使用,所产生的污水经过因地制宜的处理全部用于农业二次使用,一水两用,农业城镇用水基本不减少农业用水,彻底避免了城镇与农业争水。
2.4 农业城镇污水零排放
农业城镇使用后所产生的污水经过处理全部用于农业灌溉,通过作物吸收、渗透地下和蒸发,一部分补充地下水,一部分进入大气,全部进入了水的自然循环,真正实现了污水零排放。
2.5 改善民生,拉动经济发展
水的城镇-农业大循序利用是新农村建设的基础项目和公益项目,是扩大内需的重要项目,对改善民生,拉动经济发展意义重大。
3.水的城镇——农业大循序利用的可行性
3.1 自然条件优越,技术条件成熟
3.1.1 农业城镇地处农业区域之中,距离农田近,污水再生利用条件好,自然条件优越
3.1.2 污水量大
据初步测算,到2020年,全国农业城镇污水量至少将达到180亿吨以上,污水资源丰富。
3.1.3 技术成熟
城镇给水排水系统有国家规范,技术成熟。农业灌溉经过多年的发展,经验丰富。循序处理,包括污水一级处理、一级强化处理、二级处理和土地处理都有国家规范和很多成功的工程,技术也很成熟。
3.1.4 水质可靠
《室外排水设计规范》(GB50014-2006)
推荐污水量较小的城镇宜采用自然处理,污水深度处理和回用处理单元包括自然处理。土地处理是一种高效、节能、经济并符合生态学原理的污水处理和利用的自然处理技术,众多的工程实践表明土地处理出水水质稳定可靠。
3.1.5 系统安全
人们比较关心污水再生灌溉对地下水的影响。农业城镇的规模一般在数千户到数万户,相当于城市居民小区的规模。城市居民小区污水再生回用发展很快,取得了重大成果,以水循环利用系统为重点的大有恬园荣获了首届国家环境友好工程。大有恬园水循环利用系统如图2所示。[1]如果把浇灌绿地看作农灌,地表涵养水库看作农田,该系统与污水再生灌溉对地下水的影响具有很好的可比性。对大有恬园地表涵养水库的跟踪监测表明:地表涵养水库对有机污染物、NH3-N和NO2-N的净化能力都很强,且季节影响不明显,迅速降低到背景值。
3.2 政治和国力条件充分
农业是国家的根本,党和国家高度重视农业发展、农民生活提高和农村建设,制订了一系列方针政策,并付出了巨大努力。十七届三中全会通过了《中共中央关于推进农村改革发展若干重大问题的决定》,进一步表明了党和国家对农业和农村工作的高度重视和坚定决心。为了应对国际金融风暴,扩大国内需求,国家安排2009-2010年增加投资4万亿元,重点是农村基础和公益建设、改善农村卫生条件、保证饮水安全、保护生态环境,为推行水的城镇-农业大循序利用提供了空前的机遇。
水的城镇-农业大循序利用系统的主体是农业城镇基础建设的基本内容。较大规模的农业城镇应建设污水处理设施,水的城镇-农业大循序利用系统只需要增加调控设施和污水深度处理(主要是土地处理)及部分灌渠;较小规模的乡镇,规划可能没有建设污水处理设施的内容,需要增加建设循序处理和调控设施及部分灌渠。这些内容所增加的投资和运行费用在整个农业城镇基础和公益设施建设中所占的比例很少。初步测算,全面推广水的城镇-农业大循序利用,全国需要总投资700-900亿元,每年总运行费用不超过35亿元。我国GDP每年近30万亿元,国力足以支持水的城镇-农业大循序利用系统的投资和运营。
图2大有恬园水循环利用系统
Fig2 DYTY using system of water circulation
3.3 效益巨大
农业城镇污水用于农灌,可以提高全国农灌水量5%,对干旱地区,可以提高农灌水量20-30%,较大幅度地提高农业产量,直接经济效益巨大;真正实现农业城镇污水零排放,环境效益巨大;改善农村生活质量,改善民生,拉动经济发展,社会效益巨大。
3.4 建设和运营资金
水的城镇-农业大循序利用系统建设应纳入农村城镇化进程,纳入农业城镇基础和公益建设规划。系统建设总投资700-900亿元,宜列入农业城镇基础和公益建设计划,由国家投资,发达地区地方政府适当配套投入。枝灌渠可以由受益农民在政府的帮助下自建。水的城镇-农业大循序利用系统每年总运行费用不超过35亿元,宜列入支农公益项目,由国家补助。
4.主要建设内容和原则
水的城镇-农业大循序利用系统包括城镇给水排水系统、循序处理系统和农业灌溉系统,如图1所示。城镇给水排水系统是城镇建设的基本内容,这里不再赘述。
循序处理系统包括预处理和深度处理。处理工艺选择与处理规模关系密切。农业城镇污水量一般在每天数百吨到数千吨,较大的县级镇和中型城市可能超过万吨,一般不超过10万吨。规模小的村镇可以不进行预处理,经过化粪池的污水直接进行土地处理。一般规模的乡镇宜采用一级处理或一级强化处理作为预处理,然后进行土地处理。规模较大的城镇可以采用二级处理+土地深度处理工艺。土地处理是一种高效、节能、经济并符合生态学原理的处理技术,非常适用于循序处理系统。土地处理宜采用潜流式,表面仍然可以种植粮食作物、植树、作为蔬菜(大棚)基地。
调控设施是系统的关键和难点,处理不好投资较大。调控设施应因地制宜建设,可以利用现有农业水利设施、水塘、荒地、低洼地、废河道、沟壑等,尽量避免修建水池。灌溉干渠应在系统建设中统一考虑,枝灌渠可以统一规划,政府资助,受益农民自建。
水的城镇-农业大循序利用应做好如下前期工作:(1)开展水的城镇-农业大循序利用系统研究,制定地方规划、国家技术指南等技术支持文件,建立水的城镇-农业大循序利用技术体系;(2)制定水的城镇-农业大循序利用配套政策;(3)积极开展水的城镇-农业大循序利用系统建设试点、示范工程。
开展水的城市农业大循序利用应遵循如下主要原则:(1)投资主体以国家和地方专项投资为主,多方面开拓投资渠道;(2)支农惠农相结合,让农民得到实惠;(3)与农业水利工程相结合,发挥农业水利工程更大的作用;(4)因地制宜地开发土地处理等低成本技术;(5)禁止向农民集资、摊派、乱收费,不增加农民负担。
5.结论
5.1 我国农业缺水严重,农村卫生条件、生活环境和基础设施差,水的城镇-农业大循序利用是解决农业缺水、提高农民生活环境质量和建设“水杯子”工程的重大举措,具有重大和深远的战略意义、政治意义和现实意义
5.2 水的城镇-农业大循序利用的自然条件、技术条件、政治和国力条件成熟,效益巨大,时机成熟
5.3 水的城镇-农业大循序利用内容简单,易于实施,应加强研究,积极推进
参考文献
[1]陈辅利,高光智,巩晓东.生态居住小区的水循环利用系统[J].大连水产学院学报,2004,19(2):110-114.
基金项目:民盟中央重点调研项目。
作者简介:高光智(1956—),女,教授,现供职于大连水产学院环境与生物工程研究所,主要从事水处理研究。