蓝皮书22：提出基于水质的水资源模型

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编者按:本文是水利行业高级战略沙龙出版的《清华水利蓝皮书》第22辑。

基于水质和水质经济学框架的水资源模型

陈吉宁符涛

一、对中国水资源的认识和对比

谈到中国的水资源，最常见的官方说法是中国是一个干旱缺水的国家。淡水资源总量约27000亿立方米，人均约2000立方米，仅为世界平均水平的1/4，居世界第120位。

这一结论是在传统的水资源总量定义的基础上得出的，即评价区内局部降水产生的地表水和地下水总量是通过将地表水资源量和地下水资源量相加，并扣除它们之间相互转化的重复计算而得到的。该方法不考虑评价区域外的客水资源。原因是一个地区的发展应该以自产水资源为基础，以保证可持续发展，而客水的统计会影响客区的发展权。

这种“科学”的计算方法在其应用和实践中造成了一些混乱。通过对基于该计算方法的水资源公告的分析，我们发现上海人均水资源量为200m3/人，仅为北京人均水资源量的2/3和世界平均水平的1/40。江苏省位于长江以南，人均水资源量仅为630m3/人，是一个严重缺水地区。在干旱的新疆，人均水资源量为4120立方米/人，根据联合国标准，这是一个水资源丰富的地区。显然，这样的评价结果违背了人们感官的基本常识。

然而，这种形成中国水资源短缺总体认识的评价方法，是许多国家水资源需求战略项目论证和实施的最重要的前提和基础，包括几十个大城市的长距离调水和大型南水北调工程。此外，基于该评价方法，还包括基于区域水资源承载力的多项经济发展规划，以及投资巨大的重点流域水资源规划等。

另一方面，我们可以看到，这种应用于需水量规划的评价和指导方法在具体城市的需水量规划中有着另一个世界。事实上，几乎无一例外，大城市都在自己的城市用水规划中考虑和使用客运用水。例如，北京使用河北的客运水，而长江沿岸的城市几乎无一例外都不同程度地使用客运水。

现在，是否要挑战传统的水资源计算方法，需要从水资源的特点入手。

第二，城市水资源的核心是水质

水资源像石油和矿产资源一样，是宝贵的自然资源。然而，水资源不同于不可再生资源，如石油和矿物资源，因为它们具有循环利用的基本性质。然而，这种循环特性受到水的自然和社会循环特性的限制。

在水的自然循环中，水在不同的空以不同的形式存在，水资源是人类在水的自然循环的各个环节中可以利用的部分。作为一个社会循环，水资源的提取、净化、利用和排放都包含在自然循环中。

实现水再生有两种主要方式。一是在自然循环过程中，通过气态和液态的变化实现自然再生，这是受气候变化的影响。二是由于水质在液态时的变化，实现污染和净化再生。这一循环受社会循环和自然循环的共同作用，这是本文的重点。

在人类对水资源的各种利用形式中，农业灌溉和利用与水的自然循环融为一体，在利用过程中，水的吸收、渗透、蒸发等自然循环现象是并行的。从农业用水中提取的水量一般不直接返回水体，而是通过土壤渗透、植物吸收、蒸发等过程转移。，这造成了水资源在农业利用中流失的感觉。因此，农业水资源的总利用量一般是通过向水中添加碱来计算的。从这个角度看，农业利用可以看作是水资源自然循环的一个子系统。

然而，以城市用水量和工业用水量为代表的社会用水量却大相径庭。大多数社会用水活动都是在封闭的管道系统中进行的。当人类社会在自然界取水和用水时，它与自然循环有着明确的界限。用水者对水资源的使用不会消耗水资源的“数量”，也不会改变水本身的基本化学和物理特性，而是改变水的“质量”，这也是区分水资源和石化资源的关键点。

在城市用水和工业用水比例较高的地区，水资源总量的计算跳出了简单的静态概念，即在不同地区、不同类型之间进行加减水。就水资源的社会利用而言，水资源的过剩和短缺只是一定时期内和空.形成的结果在长期时间尺度和整个流域范围内，水资源将保持一定“量”的稳定供给。

一般来说，由于城市用水量不是完全封闭的，一吨原水净化成自来水后，80%的用水量将形成污水(这是我们规划中通常采用的计算标准)，其余将通过其他不同渠道回到自然循环。

以数量为指标来衡量不可再生资源是可行的，可以用总量的稀缺性来衡量其资源价值；然而，对于循环水资源，以数量为唯一指标的资源评价模型并不适用，尤其是对于城市用水。中国缺水的难点和焦点在城市。

因此，我们对水资源的概念提出了新的挑战&中国水资源的稀缺性，其重点在于城市发展，实质上是“水质”的缺失，而水资源的再生特性也从根本上是水质问题，水质已成为评价水资源的决定性因素。#新页面#

三、确定水资源再生循环的要素

水资源再生的核心是通过净化使水质发生变化的用过的水重新具有天然原水的水质特性。为了实现水资源的水质再生循环，需要保证时间、空房间、温度等因素，这些因素来自自然和人工两个方面。

(1)水资源循环利用和自然再生的生态环境要素

“流水不腐”告诉我们水质恢复的自然规律，水资源也有“时间”和“空室”的概念。“流水”是水的自净、污染物去除和水质恢复的过程。

水资源的水质循环是一个以水质变化为核心的恢复过程。在人类活动对水资源干扰很小的地区和时期，自然恢复是完成水质再生的主导因素。水体的自然净化需要一定的水生态系统、动态流量、温度和时间作为保证。中国独特的河流长流量、大流域、高落差和高流动性的特点，赋予了中国河流水资源良好的自然水质恢复特性，为水质再生和水资源的多重循环利用提供了良好的前提条件。

(2)水资源人工水质修复——污水处理

然而，随着人类取水量的增加、排水水质成分的复杂化和恶化，特别是工业废水中产生的大量污染物，人类活动对自然水资源的污染扰动日益加剧，仅靠水体的自然净化难以恢复水质。因此，污水处理作为一种人工强化的水质恢复过程，开始进入水质循环。人工污水处理的实质是借助人工外力缩短水资源和水质循环与恢复的自然空尺度和时间尺度。

这个城市从天然水中取水，并将其净化成自来水，这是一个水净化的过程。从自来水到污水的排放过程是一个污染过程。污水经污水处理厂净化后排入自然水体，是一个消除污染的过程。污水处理厂排放的高净化处理水经天然水进一步自净后成为再生原水。这一完整的过程形成了现代水质再生循环。由此可见，污水处理是这个循环中的一个重要环节。处理后排放的水质标准越高，天然水再净化所需的时间越短，空.越小

4.基于水质的水资源模型

在强化了水资源的循环特性后，我们认为有必要从“水质”的角度对水资源进行评价，并提出了基于水质的水资源模型。
基于水质的水资源模型基于以下假设和观点:

1.水资源作为一种重要的自然资源，在流域内保持相对稳定。

2.在以水质为核心的水循环过程中，人类获取水资源不是简单的消耗，而是一个“借”和“还”的过程。

3.借用和归还水资源受到不同因素的限制。“借用”是指每个用水者以不同的形式取水，这将受到总量的限制。有限基础包括上游用水户返回的客水和中水；“返回”是指每个用水者将水返回到水体，这将受到水体可接受的水质标准的限制。

4.为了满足受纳水体的水质要求，“借用”水体需要对使用过的水进行不同程度的人工处理，使“返回”的水得到自然净化，最终水质得以恢复，水资源得以再生。

因此，在基于水质的水资源模型假设下，水量不再是水资源稀缺的绝对约束条件。我们以水质平衡作为水资源模型的特征变量，以流域内各地区或城市的基本可利用水量为基础，以当地污水处理技术水平和循环次数为乘数，计算出可利用水资源总量，并将其纳入传统水资源总量。这里，可再生循环的基本水量(可利用量)是评价一个地区或城市水资源丰富程度的基本值。它是一个城市能够提取的水资源总量。它基于该区域的所有水资源，包括客水，其比例取决于不同流域的不同因素，如水流模式和温度。

然而，任何模型都必须受到某些边际条件的限制。基于水质的水资源模型适用于以下领域:

1.该模型适用于总量稀少的流域和地区；

2.该模型适用于城市用水，不适用于农业用水分析，因此适用于城市用水占主导地位的流域和地区；

3.“借”与“还”的次数不完全相等，因此水质再生的次数将是有限的；

4.模型中水资源总量的核算单位是流域或城市群。

利用这一水资源模型，我们认为解决中国城市和人口密集地区及流域水资源问题的关键在于控制水质，而不仅仅是简单的满足水量；如果能实现最大限度的人工净化，就能缩短水资源再生的时间/规模。在保证基本水量的前提下，水资源可以有限地多次重复利用。

为了保证基本水量，水利设施建设和配水需要考虑自然再生过程所需的基本净化流量；水资源的循环本质上是一个“借井还井”的过程，上游用户排放的水质满足环境验收要求是下游用户“借井”的基础。#新页面#

5.流域尺度水资源模型的应用

家庭、社区、城市和流域在水资源循环利用方面存在不同的空尺度。在家里用洗涤水冲厕所是一种家庭节水措施；“灰水”在住宅绿化中的应用是水的综合利用措施；城市污水深度处理后回用是一种污水回用措施。流域中上游的排水经过人工处理和自然净化后成为下游水源，是水资源的再生。

因此，从流域上下游水资源共享与协调的角度来看，流域规模最符合自然水体的水质循环规律。首先，在自然状态下，从上游流向下游的水量总量保持一定的平衡，取水、用水和排水引起的变化主要是水质的变化；其次，上游用户的排水是下游用户取水的基础；第三，污染控制、再生和恢复由上游用户完成，而下游用户受益。第四，流域协调可以有效地保证水体的流态，下游用户的利益必然会使上游用户受益。

如果不能在流域尺度上考虑水资源的循环利用，将不可避免地导致流域上下游各行其是，盲目截流水资源，通过最大限度地重复利用各地的污水，实现区域内水资源的封闭循环，而没有为下游用户提供一定的水质再生基本流量，从而剥夺了下游用户的再生权利。如果没有流域协调，在单个城市实施的实际上是污水回用的“再生水”项目规划将只考虑自身的环境利益和资源利益，很难考虑下游的资源需求。

六.中水战略的重新定位

经过20多年的投资和努力，水资源极度匮乏的以色列的水资源再生率达到了70%，这是受到其有限的土地面积和没有enough/きだよきだよきだよきだよききよよ|12的限制

相对而言，中国水资源再生的自然条件优越得多，长流域和大量的水为水资源再生提供了非常好的条件。然而，有两个因素限制了我们水资源的再生。一是污水处理和排放不足，这大大降低了我们的再生能力。二是水资源管理的地域划分和流域协调的缺乏。第一个因素很容易理解，而第二个因素已经成为水资源循环利用的关键制约因素，因为在实际的项目规划和政策文件中，再生水战略已经被区域污水循环利用所取代。

废水回用不是真正满足水质目标或环境功能要求的再生水。污水回用将符合基本环境标准的二级处理污水引入该区域直接回用，形成“借而不还”的局面，导致径流进一步减少。虽然污染的转移在一定程度上得到控制，但它不能满足再生水要求的水体自净的基本流量，这使得河流失去了新一轮循环利用的供给。随着河流生态净化基本流量的丧失，将进一步增加下游“借水”再生和恢复的边际成本，造成整个流域水资源的人为短缺。因此，污水回用(包括中水利用)实际上是一种减少需求的措施，而中水是一种增加有效总量的措施和策略。

七、水质经济学的基本内涵

在基于水质的水资源模型下，流域水资源总量不仅受传统水资源总量的限制，还受用水户回收水资源的数量和利用的限制，回收的数量取决于用水户排放的水质和水损失的比例，而排放水的质量取决于处理单位的经济成本。

因此，水资源的核心是水质，而水质的核心是净化成本，这是一个经济问题。我们称基于这一模型的经济分析为水质经济学。

在传统的水资源模型中，由于忽略了水质的循环特性，水资源被简化为单向获取。该模型中的水资源价值由两个因素决定:一是水资源总量的稀缺性，二是通过调水增加区域水量的经济成本。

在基于水质的水资源模型中，水资源的循环再生包含在水资源总量中；分水岭越长，再生的比例越大。在该模型中，水资源的稀缺性不是简单的水量的稀缺性，而是由水质变化所引起的可利用水量的稀缺性依附于水量。

从这个角度来看，在流域水资源总量稀缺，但单个取水口不能影响生态流量的背景下，水资源的价值不仅取决于整体的稀缺程度，还取决于包括再生水所需的基本净化流量的配置机会成本在内的全部成本价值，即包括水质恢复或部分恢复的经济成本在内的全部成本价值。

只有当总量不足以满足单次取水时，才需要跨流域调水。在这种背景下，水资源的价值首先取决于调水成本，然后加上水质恢复或部分恢复的经济成本。

从系统热力学的角度来看，水质降低值是增加系统熵值的过程，水质降低原理是通过输入外部能量来降低熵值的过程。因此，水质降低的经济价值实质上应该是水质变化的能源消耗成本。#新页面#

八、基于水质经济学的服务和价格模型

水质经济学的概念也将促进城市水业产业性质的澄清，因为城市水业是在进行水净化的环境服务，其服务价格本质上不受水量的影响，而是受水质变化的成本的影响。也就是说，城市水产业链中的每一个主体都是买卖“水”本身，而是一种改变“水质”的商业或公共服务。如果它污染了水质，它需要付费，而如果它净化了水质，它将获得收入。这里，服务费的表现是水价。

目前，我国的水价结构由三部分组成，即基于稀缺资源的水价(水资源费)、基于成本的工程水价(引水和供水)和基于环境标准的环境水价(污水处理和污泥处理费)。

在水质经济学中，以水质变化为主线的水循环过程中的服务成本将以新的成分融入水质经济学的价格体系中。它们是:通过人工污水处理，水质恢复到可接受的天然水成本价格(资源再生价格)；水资源提取、净化和服务的工程服务价格(工程水价)；水体中水基本净化流量的分配调水的直接成本和机会成本价格(流量补偿价格)。在这种价格模式下，服务企业或机构根据服务质量收取相应的价格。

九、水资源总量的理论价值和经济价值

根据基于水质的水资源模型，如果评价区域的水资源总量(包括客水)能够满足城市或行业对单体水总量的需求，那么如果单体排放的水质和水量能够满足流域内自然水净化的需求，则该区域的水资源没有限制，只有水净化和削减的经济成本。

然而，当它只是一个理论假设，基于水质的水资源模型被应用于实际的水资源核算时，应考虑以下因素。一是回水量的限制，即回水量占天然水体的比例，以及回水量的减少，限制了下游单体的取水量；二是取水限制，即取水量占总流量的比例，决定了天然水体的天然净水能力；三是空的限制，即上下游不同取水单元之间的距离，这也是自然水质再生的决定性因素；第四是出水水质，它决定了天然水质再生的时间空要求；第五，受温度、地质、生态等自然因素的制约。考虑到这些约束的共同作用，我们可以计算出评价区域内可利用水资源的理论值，这也是生态学允许的最高值。

这一实际价值不能简单地应用于实践，还受到经济成本和水价等因素的制约。我们把考虑经济成本因素的会计价值称为水资源的经济价值。一般来说，成本越高，水价越低，水资源的经济价值越小。

十、缺水等级划分的新思路

在基于水质的水资源模型下，将对特定区域的缺水等级进行新的划分。

在以水质为核心的水资源模型中，在不影响流域生态功能的前提下，能否在短期内“借出”满足水质和区域经济发展要求的水资源，是判断流域内某个地区或城市是否缺水，是否需要跨流域调水的依据和标准。

在此基础上，利用流域水净化总成本(良好借贷成本)和人工水质改善总成本(良好回报成本)来表征流域缺水程度，并进一步对缺水程度进行分级。

因此，在具体分类时需要考虑两个因素:第一，满足该区域所需水资源总量的生态流量保证成本，包括可能和适当的调水成本，这将受到日最小客流的限制。第二，当污水处理恢复到自然水质时，可以接受用水的全部成本，这受到下游取水距离、生态流量和下游取水要求的限制。

XI。结论

水资源模型和基于水质的水质经济学针对当前水资源模型中社会属性关联度不足的问题。在特定条件下，通过水质的桥梁，实现水的自然循环和社会循环的统一，实现水的自然属性和社会属性的有机关联，进而实现水质和水量的统一。

然而，基于水质和水质经济学的水资源模型是刚刚提出的新概念，其理论体系还很不完善。我们希望并相信，这一根据中国水资源特点提出的全新概念将在水资源经济、产业、管理和环境政策领域得到进一步的修正、发展和应用。

附件:第22届水产业战略沙龙:“面向未来的中国水资源创新机制”