美国加州水资源开发利用模式研究

发布时间:2021-02-07

来源:亚博投注安全

编者按:水是区域经济社会可持续发展的战略性基础资源,也是区域生态环境持续良性循环的控制性要素。成都在紧抓成渝地区双城经济圈建设重大机遇,加快建设践行新发展理念的公园城市示范区的进程中,随着人口规模和经济体量的急剧增长,水资源约束日益趋紧,破解水资源短缺困局已成为成都当下亟待解决的问题之一。面对同样的水资源困局,美国加州经历了从蓄水和调水为主的水资源管理模式向以节水优先为核心的水资源综合管理模式的转变,支撑了区域经济产业快速发展,很好地推动经济、社会、生态和环境的全面协调和健康持续。本文通过水源保障、蓄调水工程体系以及节水措施三个维度,系统分析加州的成功经验,为下一步成都解决水资源供需问题、提高水资源承载力提供参考借鉴。

1. 研究背景与意义

水是区域经济社会可持续发展的战略性基础资源,也是区域生态环境持续良性循环的控制性要素,科学合理的区域水战略决策及其成功有效实施对区域的发展至关重要。

美国加州水资源条件与成都较为相似。加州水资源呈现北多南少、冬夏时间分布不均,年际波动大的特征。成都水资源同样呈现西多东少,冬夏分布不均的特征。加州多年平均人均水资源量约为2271立方米,成都约为552立方米,加州人均水资源大约是成都的四倍,但却仅为美国的六分之一。

在有限的水资源条件下,加州实现人口经济的全面快速发展。在加州崛起的过程中,随着经济的繁荣发展,人口大量向加州南部和中南部沿海水资源较为缺乏的地区汇聚。水资源的可持续利用问题成为加州发展一直需要解决的首要挑战。为满足经济和人口发展的水资源需求,加州经历了从蓄水和调水为主的水资源管理模式向以节水优先为核心的水资源综合管理模式的转变,支撑了区域经济产业快速发展,很好地推动经济、社会、生态和环境的全面协调和健康持续,使得加州在近四十年中经济总量、农业生产和出口、人口总量均位居美国首位。

学习加州成功的经验,对解决当前资源约束问题,实现高质量发展具有重要意义。近三年,成都市人口规模保持年均50万的增长速度快速集聚,随着人口、经济的进一步扩大,资源环境约束日益趋紧,尤其是水资源。成都水资源西多东少,总量不足,地区之间、季节之间、年际之间具有明显差异性。立足于当今时代之大变局,紧抓成渝地区双城经济圈建设的时代机遇,加快建设体现新发展理念的公园城市示范区的进程中,学习并借鉴加州破解水资源短缺资源约束的成功经验,解决水资源时空分布不均的问题,是实现经济社会持续高质量发展的重要保障。

2. 美国加州水资源开发利用模式经验借鉴

2.1 提升水资源承载力支撑持续高速的人口经济发展

在城市和农业用水总量基本稳定的情况下,水资源承载能力增强,支撑人口经济的持续增长。20世纪中叶,加州的总用水量随人口、经济的增长而迅速增加。自1975年以来,随着农业种植方式的变化、灌溉效率的提升、产业转型的发展,加州城市和农业用水趋于稳定,到20世纪末达到顶峰。此后20年内城市用水和农业用水基本维持稳定。在城市和农业用水总量稳定的情况下,加州实现了人口持续的快速集聚,工业和农业齐头并进、迅速发展的可能,近20年中,人口增长了近1000万人,国内生产总值增加了约2万亿。

产业结构转型、农业灌溉提效、生活节水推广,促使区域水资源承载能力不断提升。在探索高附加值、低水耗产业发展模式过程中,加州经历了从农业生产为主的产业结构,到工业生产为主转变,最终形成高新技术、影视业和高等教育为主的产业结构转型,实现生产用水不断降低。在高新技术产业的支撑下,加州农业节水技术不断提高,相比于20世纪60年代,农业用水万元产值水耗降低90%以上。在生活用水上,大力推广节水器具,颁布政策法令,改变人们的用水习惯,加州人均生活用水量仅为美国平均水平的四分之一。单位产值水耗和人均用水量的降低,在有限的水资源基础上,极大地提升了水资源承载能力。

1612679245133562.jpg

图1 加州人口、GDP、用水量变化趋势

2.2 以多元化水源保障推动差异化供水支撑

在长期水资源开发利用实践中,面对水资源时空分布不均,沿海及南加州水资源短缺的现实,加州积极开发多样水源保障,按照不同地区、不同行业合理配给水资源。

(1)多元化水源结构

天然来水、工程调水、地下水、回用水、再生水构成的水源结构。经过长期发展,加州大力开发利用区域内天然来水,开展跨流域调水工程,实施地下水开采,充分挖掘常规水源;同时推进回用水和再生水等非常规水源的利用,形成了以天然来水、工程调水、地下水、回用水、再生水为主的多样化水源结构。近18年,加州的平均供水量为998亿立方米,其中32.06%取自天然河流、20.91%来自地下水、17.47%来自回用水、27.45%来自工程调配水,各水源供水情况相对稳定,说明加州的供水体系基本完善,能够支撑地区发展。

加州农业需水量趋势呈现下降趋势,但城市用水需求明显增长,在灌溉面积和人口变化因素的驱动下,到2050年用水需求与供应之间的差异将在2.5-7.4亿立方米之间。未来加州工程调水、地下水和天然河流可新增的供水水量有限,因此将主要依靠再生水和回用水比例调整实现供需平衡。

1612679245129551.png

图2 1998年—2016年加州的供水结构比例图

(2)区域供水差异化

区域的差异化形成供水的差异化。加州不同区域因水资源本底条件、水利工程建设、用水特点的不同,地区之间主要供水水源差异明显。南加州地区水资源短缺,主要以跨流域调水和地下水供水为主。北加州地区水资源较为丰富主要以流域内地表水供给为主。河谷农业区域因农业灌溉需求量大,回用水多用于此区域。

旧金山、洛杉矶、中央河谷区域差异明显。旧金山地区三面环海,重大调水工程补给有限,因此旧金山主要以购买的其他区域水资源、本地流域内的调水工程和地下水支为供水水源,其中以购买的水资源为主。而洛杉矶、圣地亚哥地区主要以跨流域调水和地下水供给为主,跨流域调水占该区总供水量的47.12%,地下水供给占该区总供水量的33.58%。中央河谷地区以地下水和回用水供给为主,两者的供水量占总量的五成以上。

(3)行业供水差异化

新鲜水重点保障城市用水。地下水作为新鲜水源主要保障城市用水,大约85%的加利福尼亚人口依赖于地下水供给。

回用水大规模用于农业灌溉。回用水是指通过收集城市生活污水,经过简单处理后直接用于农业灌溉,再生水是指收集的污水经过处理达到相关行业标准后用于市政和工业的用水。加州回用水主要用于农业灌溉,约90%以上的回用水用于中央河谷地区和东南角的谷地农业的农业灌溉。

再生水多用于市政等用途。加州再生水利用量较高的地方主要是发达的城市地区,以洛杉矶的再生水总体规划最为著名,预计在2035年洛杉矶再生水利用量将达到1.1亿立方米,再生水利用主要用途为市政、地下水补给、阻止海水入侵等方面。再生水集中用于部分工业园区生产。加州主要的工业为炼油和食品加工,且工业园区集中分布于南加州海岸,再生水在工业上的使用,集中分布于南加州的炼油工业园区中。

1612679245670865.png 

图3 回用水供应分布图

 1612679246985384.png

图4 再生水供应分布图

2.3 以跨流域调水工程和蓄水工程,实现匹配人口经济发展的水资源再分配

通过蓄积、控制和调度水资源来配合区域经济、人口的增长。20世纪后期以前,加州的水资源管理方向是建设完善的水利工程系统,解决水资源空间和时间分布不均的问题,最大限度的蓄积、控制和调度水资源来配合区域经济、人口的增长。经过几十年的发展,全州现共有水坝和水库1200多座、引水渠多条、调节水库若干的蓄水工程体系,拦截地表径流,最大限度的蓄积丰水期的水资源。同时形成中央河谷水利工程、加州水利工程、科罗拉多河水道工程三大跨流域调水工程,实现北水南调,解决南加州和沿海区域水资源短缺的问题。水利工程间通过共用设施、制定年度合作协议保障协调运行。

中央河谷水利工程主要用于解决农业灌溉和防洪问题。中央河谷水利工程修建的主要目的是解决中央河谷地区农业灌溉用水、防洪及环境等问题,目前该工程灌溉了加州近一半的农用地,促使加州成为全美农业生产和农产品出口第一州。工程包括20座水库、11座发电站和约800公里的运河、管道。年供水能力约为84亿立方米,平均每年为加州供应了79亿立方米的水量,其中供应中央河谷地区的水量约占工程总供水量的89.75%,供应旧金山湾区的水量约占2.8%。至2018年,中央河谷水利建设总费用约110亿美元,年均运行管理投入约2亿美元。

科罗拉多河水道工程为洛杉矶地区影视与文化产业发展提供水资源保障。科罗拉多河水道工程解决了洛杉矶20世纪20年代随着影视与文化产业的蓬勃发展而引发的水资源短缺问题,支撑了洛杉矶地区经济发展。工程由2个水库,5个泵站,100公里的运河,148公里的隧道及135公里的地下管道和虹吸管组成。设计年供水能力为15亿立方米。从1998年到2016年,科罗拉多河水道工程平均每年供应洛杉矶、圣地亚哥地区的水量为14亿立方米。

加州水利工程解决南加州地区水资源供需矛盾的问题,支撑了南加州地区在第三次科技革命中的快速发展。得益于此调水工程,20世纪50年代洛杉矶打破了经济进一步发展的水资源瓶颈,实现成为美国名列前茅的超级大都市。该工程包括29座水库、18座抽水站,10座发电站和约1086公里的运河、管道。州水利工程每年的设计可供水量约为52亿立方米,但由于实际建设中部分设施未落地,平均每年仅能够供应28亿立方米。该水利工程每年工程运行、维护、供电和更换设备的支出约每年6.5亿美元。

2.4 面对水资源瓶颈,大力提升节水水平,开发非常规水源

随着通过水利工程的调蓄增加水资源可利用量的潜力逐渐枯竭,挖掘水资源总量不变情况下的节水潜力和开拓非常规水源成为了加州新的水资源战略。

在工业上,以经济鼓励推动工业节水,降低万元产值耗水量。工业上通过推行节水的技术和管理降低单位产值水耗。实施用水效率奖励方法,鼓励商业、工业和机构客户实施节水,对进行节水改造的企业,每节水1233立方米提供195美元的奖金。加州在2000年的工业用水单位产值耗水量已低至15立方米/万美元,而成都2018年工业用水单位产值耗水量为81.7立方米/万美元,是20年前加州的五倍多。

农业上以技术革新推动灌溉提效,农业灌溉效率达到90%以上。首先用高价值、低水耗的作物逐渐代替低价值、高水耗的作物,从1960年到2009年,水果、坚果和蔬菜的种植面积几乎翻了一番。加州农业灌溉节水的核心在于灌溉技术的科技化,灌溉环节采用地面灌水技术、激光平整等技术,灌溉水利用效率到达90%以上。目前加州平均亩均灌溉用水量约200-300立方米,2019年成都平均亩均灌溉用水量为533立方米,灌溉水有效利用率仅为54%,农业节水还有较大提升空间。

生活上以奖惩结合的方式改变人们的用水习惯,限制人均生活用水量。颁布新的室内水使用标准法案,法案规定到2035年人均每日用水上限为190升,如果超过规定将会采取罚款的措施予以警告。推广可智能检测用水效率的节水设施、器具等,基于智能水表数据制定新的水价机制,根据不同用户的特征指定用水量,并及时将用水量和水费等信息反馈给用户,协助用户完成相应的节水计划。

在开源方面,率先开展再生水利用,提出分质供水体系标准。2013年再生水利用量达2.6×106立方米/天,其中60%被用于农业灌溉,30%被用于工业用水,其余再生水则被主要用于城市杂用与地下水源补给等方面。洛杉矶编制再生水利用规划,严格控制源水水质,制定简单易操作的再生水水质标准,明确管理责任,建立完备的风险控制体系。

3 对成都水资源开发利用的启示

3.1 随着科技的进步,不断提高用水效率,可以做到在水资源承载能力范围实现经济人口的持续增长

加州在城市和农业用水总量变化不大的情况下,人口增长近1000万人,国内生产总值增加约2万亿,说明在科学技术的支撑下,推广节水技术,提高各行业水资源利用效率,提升区域水资源承载能力,可以实现经济人口的持续增长。以先进的科技支撑水资源回用和再利用,最大限度的降低人均用水定额,优化用水结构,提高用水效率才是破解水资源制约难题的关键。

3.2 完善水利基础设施,制定匹配人口经济发展的水资源再分配计划

加州20世纪系统的蓄水和调水工程建设是其实现跨越式高速发展的重要举措。推进东进战略的发展中,应首先解决区域水资源时空分布不均的问题,重点完善龙泉山东侧和南拓区域调水工程,实现水资源跨区域平衡;建立完善蓄水工程体系,在不破坏生态的前提下最大限度蓄积丰水期地表径流,实现水资源冬夏平衡,优先和超前发展蓄水和调水等水利公用基础设施。

3.3 加快构建多元水源结构,实施区域差异化供水和行业差异化供水

目前成都的用水绝大多数依靠都江堰水利工程调水,水源单一。随着都江堰水利工程水资源开发潜力达到上限,可新增供给成都的水量有限,因此成都未来需积极探索新的供水水源,挖潜其他流域的水资源开发利用潜能,寻找可持续的地下水利用方式,探讨跨区域水权购买的可能。其中应重点探索龙泉山东侧沱江流域纳入水资源结构的可行性,着力提高污水处理技术投入提高循环水和再生水使用比例。

加快推进区域差异化供水,根据当地水资源条件和发展情况,实施龙泉山东侧和西侧,主城区和农业为主的区县的差异化供水保障。积极研究将沱江纳入供水水源的技术操作性和可行性。探索再生水分质供水方案,根据66个产业功能区的行业特征和空间分布,实施精准水量水质配给。

3.4 经济、政策的创新与技术的变革是提高节水效能的关键

2018年成都GDP水耗36.51立方米每万元,远高于深圳(8.41立方米)、青岛(8.55立方米)和广州(19.14立方米)等城市。农业用水占比虽然从2000年的75%下降到2018年的55%,但农业用水总量绝对值有所上升,亩均灌溉用水略有增加,灌溉水有效利用率为54%。人均生活用水量为175升每人每天,国家标准为160升每人每天,人均生活用水潜力不大。

因此,成都未来节水方向应集中于农业灌溉和工业生产上。进一步完善节水立法及政策制度,形成合理的水价机制,明确节水职责。进一步加强节水内生动力,通过财税引导和激励政策,激发用户的自主节水投入和创新意识。进一步提升节水设施水平,提高农业灌溉效率、提升工业生产工艺水平、降低城镇管网漏损率、推广并普及节水设施与器具。进一步加强节水监管能力,建立水分析网络,精准核算水量使用,完善节水产品技术标准体系,加强节水管理结构与队伍建设。

 

(报告组成员:吴善荀、张智郡、黄俊、龙昕)

 

参考文献

【1】     Survey, U.S. Department of the Interior;U.S. Geological, Water-Use Trends in the Desert Southwest—1950–2000. Ground-Water Resources Program, 2004.

【2】     杨茂钢;赵树旗;王乾勋; 陈淑珍, 国外再生水利用进展综述. 海河水利, 2013. 000(004): p. 30-33.

【3】     陈卫平, 美国加州再生水利用经验剖析及对我国的启示. 环境工程学报, 2011.

【4】     周彬, 美国加利福尼亚水资源开发及高产值利用. 中国水利, 1986(04): p. 46-47.

【5】     Rodman, K.E.; Cervania, A.A.; Budig-Markin, V.; Schermesser, C.F.; Rogers, O.W.; Martinez, J.M.; King, J.; Hassett, P.; Burns, J.; Gonzales, M.S.; Folkerts, A.; Duin, P.; Virgil, A.S.; Aldrete, M.; Lagasca, A.; Infanzon-Marin, A.; Aitchison, J.R.; White, D.; Boutros, B.C.; Ortega, S.; Davis, B.; Tran, V.N.; Achilli, A, Coastal California wastewater effluent as a resource for seawater desalination brine commingling. Water, 2018. 10(3): p. 322.

【6】     Szeptycki, L., E. Hartge, N. Ajami, A. Erickson, W. N. Heady, L. LaFeir, B. Meister, L. Verdone, and J. R. Koseff, Marine and coastal impacts of ocean desalination in California. Dialogue Report. Stanford, CA: Stanford Program for Water in the West and the Woods Institute for the Environment, Stanford Univ, 2016.

【7】     欧阳琪; 张远东, 加利福尼亚州水资源调配工程. 南水北调与水利科技, 2006. 4(006): p. 1-12.

【8】     Cooley, Heather;Rapichan Phurisamban; Peter Gleick, The cost of alternative urban water supply and efficiency options in California. Environmental Research Communications, 2019. 1(4): p. 042001.

【9】     吴连芹, 美国加州农业节水灌溉的启示.黑龙江水利, 2008. (010) : p. 26-27.

【10】   Cohen, Ronnie;Kristina Ortez; Crossley Pinkstaff, Increasing water efficiency in California's commercial, industrial, and institutional (CII) sector. 2009.

【11】   Jessup, K., and J. R. DeShazo, Turf replacement program impacts on households and ratepayers: An analysis for the City of Los Angeles. Los Angeles: UCLA Luskin Center for Innovation, 2016.


友情链接:www.yc-bz.com