美國加州水資源開發利用模式研究

編者按:水是區域經濟社會可持續發展的戰略性基礎資源,也是區域生態環境持續良性循環的控制性要素。成都在緊抓成渝地區雙城經濟圈建設重大機遇,加快建設踐行新發展理念的公園城市示範區的進程中,隨著人口規模和經濟體量的急劇增長,水資源約束日益趨緊,破解水資源短缺困局已成爲成都當下亟待解決的問題之一。面對同樣的水資源困局,美國加州經曆了從蓄水和調水爲主的水資源管理模式向以節水優先爲核心的水資源綜合管理模式的轉變,支撐了區域經濟産業快速發展,很好地推動經濟、社會、生態和環境的全面協調和健康持續。本文通過水源保障、蓄調水工程體系以及節水措施三個維度,系統分析加州的成功經驗,爲下一步成都解決水資源供需問題、提高水資源承載力提供參考借鑒。

1. 研究背景与意义

水是區域經濟社會可持續發展的戰略性基礎資源,也是區域生態環境持續良性循環的控制性要素,科學合理的區域水戰略決策及其成功有效實施對區域的發展至關重要。

美國加州水資源條件與成都較爲相似。加州水資源呈現北多南少、冬夏時間分布不均,年際波動大的特征。成都水資源同樣呈現西多東少,冬夏分布不均的特征。加州多年平均人均水資源量約爲2271立方米,成都約爲552立方米,加州人均水資源大約是成都的四倍,但卻僅爲美國的六分之一。

在有限的水資源條件下,加州實現人口經濟的全面快速發展。在加州崛起的過程中,隨著經濟的繁榮發展,人口大量向加州南部和中南部沿海水資源較爲缺乏的地區彙聚。水資源的可持續利用問題成爲加州發展一直需要解決的首要挑戰。爲滿足經濟和人口發展的水資源需求,加州經曆了從蓄水和調水爲主的水資源管理模式向以節水優先爲核心的水資源綜合管理模式的轉變,支撐了區域經濟産業快速發展,很好地推動經濟、社會、生態和環境的全面協調和健康持續,使得加州在近四十年中經濟總量、農業生産和出口、人口總量均位居美國首位。

學習加州成功的經驗,對解決當前資源約束問題,實現高質量發展具有重要意義。近三年,成都市人口規模保持年均50萬的增長速度快速集聚,隨著人口、經濟的進一步擴大,資源環境約束日益趨緊,尤其是水資源。成都水資源西多東少,總量不足,地區之間、季節之間、年際之間具有明顯差異性。立足于當今時代之大變局,緊抓成渝地區雙城經濟圈建設的時代機遇,加快建設體現新發展理念的公園城市示範區的進程中,學習並借鑒加州破解水資源短缺資源約束的成功經驗,解決水資源時空分布不均的問題,是實現經濟社會持續高質量發展的重要保障。

2. 美國加州水資源開發利用模式經驗借鑒

2.1 提升水资源承载力支撑持续高速的人口经济发展

在城市和農業用水總量基本穩定的情況下,水資源承載能力增強,支撐人口經濟的持續增長。20世紀中葉,加州的總用水量隨人口、經濟的增長而迅速增加。自1975年以來,隨著農業種植方式的變化、灌溉效率的提升、産業轉型的發展,加州城市和農業用水趨于穩定,到20世紀末達到頂峰。此後20年內城市用水和農業用水基本維持穩定。在城市和農業用水總量穩定的情況下,加州實現了人口持續的快速集聚,工業和農業齊頭並進、迅速發展的可能,近20年中,人口增長了近1000萬人,國內生産總值增加了約2萬億。

産業結構轉型、農業灌溉提效、生活節水推廣,促使區域水資源承載能力不斷提升。在探索高附加值、低水耗産業發展模式過程中,加州經曆了從農業生産爲主的産業結構,到工業生産爲主轉變,最終形成高新技術、影視業和高等教育爲主的産業結構轉型,實現生産用水不斷降低。在高新技術産業的支撐下,加州農業節水技術不斷提高,相比于20世紀60年代,農業用水萬元産值水耗降低90%以上。在生活用水上,大力推廣節水器具,頒布政策法令,改變人們的用水習慣,加州人均生活用水量僅爲美國平均水平的四分之一。單位産值水耗和人均用水量的降低,在有限的水資源基礎上,極大地提升了水資源承載能力。

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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

在長期水資源開發利用實踐中,面對水資源時空分布不均,沿海及南加州水資源短缺的現實,加州積極開發多樣水源保障,按照不同地區、不同行業合理配給水資源。

(1)多元化水源結構

天然來水、工程調水、地下水、回用水、再生水構成的水源結構。經過長期發展,加州大力開發利用區域內天然來水,開展跨流域調水工程,實施地下水開采,充分挖掘常規水源;同時推進回用水和再生水等非常規水源的利用,形成了以天然來水、工程調水、地下水、回用水、再生水爲主的多樣化水源結構。近18年,加州的平均供水量爲998億立方米,其中32.06%取自天然河流、20.91%來自地下水、17.47%來自回用水、27.45%來自工程調配水,各水源供水情況相對穩定,說明加州的供水體系基本完善,能夠支撐地區發展。

加州農業需水量趨勢呈現下降趨勢,但城市用水需求明顯增長,在灌溉面積和人口變化因素的驅動下,到2050年用水需求與供應之間的差異將在2.5-7.4億立方米之間。未來加州工程調水、地下水和天然河流可新增的供水水量有限,因此將主要依靠再生水和回用水比例調整實現供需平衡。

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图2 1998年—2016年加州的供水结构比例图

(2)區域供水差異化

區域的差異化形成供水的差異化。加州不同區域因水資源本底條件、水利工程建設、用水特點的不同,地區之間主要供水水源差異明顯。南加州地區水資源短缺,主要以跨流域調水和地下水供水爲主。北加州地區水資源較爲豐富主要以流域內地表水供給爲主。河谷農業區域因農業灌溉需求量大,回用水多用于此區域。

舊金山、洛杉矶、中央河谷區域差異明顯。舊金山地區三面環海,重大調水工程補給有限,因此舊金山主要以購買的其他區域水資源、本地流域內的調水工程和地下水支爲供水水源,其中以購買的水資源爲主。而洛杉矶、聖地亞哥地區主要以跨流域調水和地下水供給爲主,跨流域調水占該區總供水量的47.12%,地下水供給占該區總供水量的33.58%。中央河谷地區以地下水和回用水供給爲主,兩者的供水量占總量的五成以上。

(3)行業供水差異化

新鮮水重點保障城市用水。地下水作爲新鮮水源主要保障城市用水,大約85%的加利福尼亞人口依賴于地下水供給。

回用水大規模用于農業灌溉。回用水是指通過收集城市生活汙水,經過簡單處理後直接用于農業灌溉,再生水是指收集的汙水經過處理達到相關行業標准後用于市政和工業的用水。加州回用水主要用于農業灌溉,約90%以上的回用水用于中央河谷地區和東南角的谷地農業的農業灌溉。

再生水多用于市政等用途。加州再生水利用量較高的地方主要是發達的城市地區,以洛杉矶的再生水總體規劃最爲著名,預計在2035年洛杉矶再生水利用量將達到1.1億立方米,再生水利用主要用途爲市政、地下水補給、阻止海水入侵等方面。再生水集中用于部分工業園區生産。加州主要的工業爲煉油和食品加工,且工業園區集中分布于南加州海岸,再生水在工業上的使用,集中分布于南加州的煉油工業園區中。

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圖3 回用水供應分布圖

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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

通過蓄積、控制和調度水資源來配合區域經濟、人口的增長。20世紀後期以前,加州的水資源管理方向是建設完善的水利工程系統,解決水資源空間和時間分布不均的問題,最大限度的蓄積、控制和調度水資源來配合區域經濟、人口的增長。經過幾十年的發展,全州現共有水壩和水庫1200多座、引水渠多條、調節水庫若幹的蓄水工程體系,攔截地表徑流,最大限度的蓄積豐水期的水資源。同時形成中央河谷水利工程、加州水利工程、科羅拉多河水道工程三大跨流域調水工程,實現北水南調,解決南加州和沿海區域水資源短缺的問題。水利工程間通過共用設施、制定年度合作協議保障協調運行。

中央河谷水利工程主要用于解決農業灌溉和防洪問題。中央河谷水利工程修建的主要目的是解決中央河谷地區農業灌溉用水、防洪及環境等問題,目前該工程灌溉了加州近一半的農用地,促使加州成爲全美農業生産和農産品出口第一州。工程包括20座水庫、11座發電站和約800公裏的運河、管道。年供水能力約爲84億立方米,平均每年爲加州供應了79億立方米的水量,其中供應中央河谷地區的水量約占工程總供水量的89.75%,供應舊金山灣區的水量約占2.8%。至2018年,中央河谷水利建設總費用約110億美元,年均運行管理投入約2億美元。

科羅拉多河水道工程爲洛杉矶地區影視與文化産業發展提供水資源保障。科羅拉多河水道工程解決了洛杉矶20世紀20年代隨著影視與文化産業的蓬勃發展而引發的水資源短缺問題,支撐了洛杉矶地區經濟發展。工程由2個水庫,5個泵站,100公裏的運河,148公裏的隧道及135公裏的地下管道和虹吸管組成。設計年供水能力爲15億立方米。從1998年到2016年,科羅拉多河水道工程平均每年供應洛杉矶、聖地亞哥地區的水量爲14億立方米。

加州水利工程解決南加州地區水資源供需矛盾的問題,支撐了南加州地區在第三次科技革命中的快速發展。得益于此調水工程,20世紀50年代洛杉矶打破了經濟進一步發展的水資源瓶頸,實現成爲美國名列前茅的超級大都市。該工程包括29座水庫、18座抽水站,10座發電站和約1086公裏的運河、管道。州水利工程每年的設計可供水量約爲52億立方米,但由于實際建設中部分設施未落地,平均每年僅能夠供應28億立方米。該水利工程每年工程運行、維護、供電和更換設備的支出約每年6.5億美元。

2.4 面对水资源瓶颈,大力提升节水水平,开发非常规水源

隨著通過水利工程的調蓄增加水資源可利用量的潛力逐漸枯竭,挖掘水資源總量不變情況下的節水潛力和開拓非常規水源成爲了加州新的水資源戰略。

在工業上,以經濟鼓勵推動工業節水,降低萬元産值耗水量。工業上通過推行節水的技術和管理降低單位産值水耗。實施用水效率獎勵方法,鼓勵商業、工業和機構客戶實施節水,對進行節水改造的企業,每節水1233立方米提供195美元的獎金。加州在2000年的工業用水單位産值耗水量已低至15立方米/萬美元,而成都2018年工業用水單位産值耗水量爲81.7立方米/萬美元,是20年前加州的五倍多。

農業上以技術革新推動灌溉提效,農業灌溉效率達到90%以上。首先用高價值、低水耗的作物逐漸代替低價值、高水耗的作物,從1960年到2009年,水果、堅果和蔬菜的種植面積幾乎翻了一番。加州農業灌溉節水的核心在于灌溉技術的科技化,灌溉環節采用地面灌水技術、激光平整等技術,灌溉水利用效率到達90%以上。目前加州平均畝均灌溉用水量約200-300立方米,2019年成都平均畝均灌溉用水量爲533立方米,灌溉水有效利用率僅爲54%,農業節水還有較大提升空間。

生活上以獎懲結合的方式改變人們的用水習慣,限制人均生活用水量。頒布新的室內水使用標准法案,法案規定到2035年人均每日用水上限爲190升,如果超過規定將會采取罰款的措施予以警告。推廣可智能檢測用水效率的節水設施、器具等,基于智能水表數據制定新的水價機制,根據不同用戶的特征指定用水量,並及時將用水量和水費等信息反饋給用戶,協助用戶完成相應的節水計劃。

在開源方面,率先開展再生水利用,提出分質供水體系標准。2013年再生水利用量達2.6×106立方米/天,其中60%被用于農業灌溉,30%被用于工業用水,其余再生水則被主要用于城市雜用與地下水源補給等方面。洛杉矶編制再生水利用規劃,嚴格控制源水水質,制定簡單易操作的再生水水質標准,明確管理責任,建立完備的風險控制體系。

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

加州在城市和農業用水總量變化不大的情況下,人口增長近1000萬人,國內生産總值增加約2萬億,說明在科學技術的支撐下,推廣節水技術,提高各行業水資源利用效率,提升區域水資源承載能力,可以實現經濟人口的持續增長。以先進的科技支撐水資源回用和再利用,最大限度的降低人均用水定額,優化用水結構,提高用水效率才是破解水資源制約難題的關鍵。

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世紀系統的蓄水和調水工程建設是其實現跨越式高速發展的重要舉措。推進東進戰略的發展中,應首先解決區域水資源時空分布不均的問題,重點完善龍泉山東側和南拓區域調水工程,實現水資源跨區域平衡;建立完善蓄水工程體系,在不破壞生態的前提下最大限度蓄積豐水期地表徑流,實現水資源冬夏平衡,優先和超前發展蓄水和調水等水利公用基礎設施。

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

目前成都的用水絕大多數依靠都江堰水利工程調水,水源單一。隨著都江堰水利工程水資源開發潛力達到上限,可新增供給成都的水量有限,因此成都未來需積極探索新的供水水源,挖潛其他流域的水資源開發利用潛能,尋找可持續的地下水利用方式,探討跨區域水權購買的可能。其中應重點探索龍泉山東側沱江流域納入水資源結構的可行性,著力提高汙水處理技術投入提高循環水和再生水使用比例。

加快推進區域差異化供水,根據當地水資源條件和發展情況,實施龍泉山東側和西側,主城區和農業爲主的區縣的差異化供水保障。積極研究將沱江納入供水水源的技術操作性和可行性。探索再生水分質供水方案,根據66個産業功能區的行業特征和空間分布,實施精准水量水質配給。

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立方米每萬元,遠高于深圳(8.41立方米)、青島(8.55立方米)和廣州(19.14立方米)等城市。農業用水占比雖然從2000年的75%下降到2018年的55%,但農業用水總量絕對值有所上升,畝均灌溉用水略有增加,灌溉水有效利用率爲54%。人均生活用水量爲175升每人每天,國家標准爲160升每人每天,人均生活用水潛力不大。

因此,成都未來節水方向應集中于農業灌溉和工業生産上。進一步完善節水立法及政策制度,形成合理的水價機制,明確節水職責。進一步加強節水內生動力,通過財稅引導和激勵政策,激發用戶的自主節水投入和創新意識。進一步提升節水設施水平,提高農業灌溉效率、提升工業生産工藝水平、降低城鎮管網漏損率、推廣並普及節水設施與器具。進一步加強節水監管能力,建立水分析網絡,精准核算水量使用,完善節水産品技術標准體系,加強節水管理結構與隊伍建設。

 

(報告組成員:吳善荀、張智郡、黃俊、龍昕)

 

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