美國加州水資源開發(fā)利用模式研究
發(fā)布時間:2021-02-07
來源:成都市規(guī)劃設(shè)計研究院編者按:水是區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)資源,也是區(qū)域生態(tài)環(huán)境持續(xù)良性循環(huán)的控制性要素。成都在緊抓成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈建設(shè)重大機遇,加快建設(shè)踐行新發(fā)展理念的公園城市示范區(qū)的進程中,隨著人口規(guī)模和經(jīng)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為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(jīng)歷了從蓄水和調(diào)水為主的水資源管理模式向以節(jié)水優(yōu)先為核心的水資源綜合管理模式的轉(zhuǎn)變,支撐了區(qū)域經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,很好地推動經(jīng)濟、社會、生態(tài)和環(huán)境的全面協(xié)調(diào)和健康持續(xù)。本文通過水源保障、蓄調(diào)水工程體系以及節(jié)水措施三個維度,系統(tǒng)分析加州的成功經(jīng)驗,為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. 研究背景與意義
水是區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)資源,也是區(qū)域生態(tài)環(huán)境持續(xù)良性循環(huán)的控制性要素,科學合理的區(qū)域水戰(zhàn)略決策及其成功有效實施對區(qū)域的發(fā)展至關(guān)重要。
美國加州水資源條件與成都較為相似。加州水資源呈現(xiàn)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(xiàn)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為2271立方米,成都約為552立方米,加州人均水資源大約是成都的四倍,但卻僅為美國的六分之一。
在有限的水資源條件下,加州實現(xiàn)人口經(jīng)濟的全面快速發(fā)展。在加州崛起的過程中,隨著經(jīng)濟的繁榮發(fā)展,人口大量向加州南部和中南部沿海水資源較為缺乏的地區(qū)匯聚。水資源的可持續(xù)利用問題成為加州發(fā)展一直需要解決的首要挑戰(zhàn)。為滿足經(jīng)濟和人口發(fā)展的水資源需求,加州經(jīng)歷了從蓄水和調(diào)水為主的水資源管理模式向以節(jié)水優(yōu)先為核心的水資源綜合管理模式的轉(zhuǎn)變,支撐了區(qū)域經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,很好地推動經(jīng)濟、社會、生態(tài)和環(huán)境的全面協(xié)調(diào)和健康持續(xù),使得加州在近四十年中經(jīng)濟總量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和出口、人口總量均位居美國首位。
學習加州成功的經(jīng)驗,對解決當前資源約束問題,實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。近三年,成都市人口規(guī)模保持年均50萬的增長速度快速集聚,隨著人口、經(jīng)濟的進一步擴大,資源環(huán)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(qū)之間、季節(jié)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(qū)雙城經(jīng)濟圈建設(shè)的時代機遇,加快建設(shè)體現(xiàn)新發(fā)展理念的公園城市示范區(qū)的進程中,學習并借鑒加州破解水資源短缺資源約束的成功經(jīng)驗,解決水資源時空分布不均的問題,是實現(xiàn)經(jīng)濟社會持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的重要保障。
2. 美國加州水資源開發(fā)利用模式經(jīng)驗借鑒
2.1 提升水資源承載力支撐持續(xù)高速的人口經(jīng)濟發(fā)展
在城市和農(nóng)業(yè)用水總量基本穩(wěn)定的情況下,水資源承載能力增強,支撐人口經(jīng)濟的持續(xù)增長。20世紀中葉,加州的總用水量隨人口、經(jīng)濟的增長而迅速增加。自1975年以來,隨著農(nóng)業(yè)種植方式的變化、灌溉效率的提升、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的發(fā)展,加州城市和農(nóng)業(yè)用水趨于穩(wěn)定,到20世紀末達到頂峰。此后20年內(nèi)城市用水和農(nóng)業(yè)用水基本維持穩(wěn)定。在城市和農(nóng)業(yè)用水總量穩(wěn)定的情況下,加州實現(xiàn)了人口持續(xù)的快速集聚,工業(yè)和農(nóng)業(yè)齊頭并進、迅速發(fā)展的可能,近20年中,人口增長了近1000萬人,國內(nèi)生產(chǎn)總值增加了約2萬億。
產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、農(nóng)業(yè)灌溉提效、生活節(jié)水推廣,促使區(qū)域水資源承載能力不斷提升。在探索高附加值、低水耗產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式過程中,加州經(jīng)歷了從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),到工業(yè)生產(chǎn)為主轉(zhuǎn)變,最終形成高新技術(shù)、影視業(yè)和高等教育為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,實現(xiàn)生產(chǎn)用水不斷降低。在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支撐下,加州農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)不斷提高,相比于20世紀60年代,農(nóng)業(yè)用水萬元產(chǎn)值水耗降低90%以上。在生活用水上,大力推廣節(jié)水器具,頒布政策法令,改變?nèi)藗兊挠盟晳T,加州人均生活用水量僅為美國平均水平的四分之一。單位產(chǎn)值水耗和人均用水量的降低,在有限的水資源基礎(chǔ)上,極大地提升了水資源承載能力。
圖1 加州人口、GDP、用水量變化趨勢
2.2 以多元化水源保障推動差異化供水支撐
在長期水資源開發(fā)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(xiàn)實,加州積極開發(fā)多樣水源保障,按照不同地區(qū)、不同行業(yè)合理配給水資源。
(1)多元化水源結(jié)構(gòu)
天然來水、工程調(diào)水、地下水、回用水、再生水構(gòu)成的水源結(jié)構(gòu)。經(jīng)過長期發(fā)展,加州大力開發(fā)利用區(qū)域內(nèi)天然來水,開展跨流域調(diào)水工程,實施地下水開采,充分挖掘常規(guī)水源;同時推進回用水和再生水等非常規(guī)水源的利用,形成了以天然來水、工程調(diào)水、地下水、回用水、再生水為主的多樣化水源結(jié)構(gòu)。近18年,加州的平均供水量為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(diào)配水,各水源供水情況相對穩(wěn)定,說明加州的供水體系基本完善,能夠支撐地區(qū)發(fā)展。
加州農(nóng)業(yè)需水量趨勢呈現(xiàn)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(qū)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(diào)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(diào)整實現(xiàn)供需平衡。
圖2 1998年—2016年加州的供水結(jié)構(gòu)比例圖
(2)區(qū)域供水差異化
區(qū)域的差異化形成供水的差異化。加州不同區(qū)域因水資源本底條件、水利工程建設(shè)、用水特點的不同,地區(qū)之間主要供水水源差異明顯。南加州地區(qū)水資源短缺,主要以跨流域調(diào)水和地下水供水為主。北加州地區(qū)水資源較為豐富主要以流域內(nèi)地表水供給為主。河谷農(nóng)業(yè)區(qū)域因農(nóng)業(yè)灌溉需求量大,回用水多用于此區(qū)域。
舊金山、洛杉磯、中央河谷區(qū)域差異明顯。舊金山地區(qū)三面環(huán)海,重大調(diào)水工程補給有限,因此舊金山主要以購買的其他區(qū)域水資源、本地流域內(nèi)的調(diào)水工程和地下水支為供水水源,其中以購買的水資源為主。而洛杉磯、圣地亞哥地區(qū)主要以跨流域調(diào)水和地下水供給為主,跨流域調(diào)水占該區(qū)總供水量的47.12%,地下水供給占該區(qū)總供水量的33.58%。中央河谷地區(qū)以地下水和回用水供給為主,兩者的供水量占總量的五成以上。
(3)行業(yè)供水差異化
新鮮水重點保障城市用水。地下水作為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(guī)模用于農(nóng)業(yè)灌溉?;赜盟侵竿ㄟ^收集城市生活污水,經(jīng)過簡單處理后直接用于農(nóng)業(yè)灌溉,再生水是指收集的污水經(jīng)過處理達到相關(guān)行業(yè)標準后用于市政和工業(yè)的用水。加州回用水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉,約90%以上的回用水用于中央河谷地區(qū)和東南角的谷地農(nóng)業(yè)的農(nóng)業(yè)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(fā)達的城市地區(qū),以洛杉磯的再生水總體規(guī)劃最為著名,預計在2035年洛杉磯再生水利用量將達到1.1億立方米,再生水利用主要用途為市政、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(yè)園區(qū)生產(chǎn)。加州主要的工業(yè)為煉油和食品加工,且工業(yè)園區(qū)集中分布于南加州海岸,再生水在工業(yè)上的使用,集中分布于南加州的煉油工業(yè)園區(qū)中。
圖3 回用水供應分布圖
圖4 再生水供應分布圖
2.3 以跨流域調(diào)水工程和蓄水工程,實現(xiàn)匹配人口經(jīng)濟發(fā)展的水資源再分配
通過蓄積、控制和調(diào)度水資源來配合區(qū)域經(jīng)濟、人口的增長。20世紀后期以前,加州的水資源管理方向是建設(shè)完善的水利工程系統(tǒng),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(diào)度水資源來配合區(qū)域經(jīng)濟、人口的增長。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,全州現(xiàn)共有水壩和水庫1200多座、引水渠多條、調(diào)節(jié)水庫若干的蓄水工程體系,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(diào)水工程,實現(xiàn)北水南調(diào),解決南加州和沿海區(qū)域水資源短缺的問題。水利工程間通過共用設(shè)施、制定年度合作協(xié)議保障協(xié)調(diào)運行。
中央河谷水利工程主要用于解決農(nóng)業(yè)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(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水、防洪及環(huán)境等問題,目前該工程灌溉了加州近一半的農(nóng)用地,促使加州成為全美農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品出口第一州。工程包括20座水庫、11座發(fā)電站和約800公里的運河、管道。年供水能力約為84億立方米,平均每年為加州供應了79億立方米的水量,其中供應中央河谷地區(qū)的水量約占工程總供水量的89.75%,供應舊金山灣區(qū)的水量約占2.8%。至2018年,中央河谷水利建設(shè)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為洛杉磯地區(qū)影視與文化產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供水資源保障??屏_拉多河水道工程解決了洛杉磯20世紀20年代隨著影視與文化產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展而引發(fā)的水資源短缺問題,支撐了洛杉磯地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。工程由2個水庫,5個泵站,100公里的運河,148公里的隧道及135公里的地下管道和虹吸管組成。設(shè)計年供水能力為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磯、圣地亞哥地區(qū)的水量為14億立方米。
加州水利工程解決南加州地區(qū)水資源供需矛盾的問題,支撐了南加州地區(qū)在第三次科技革命中的快速發(fā)展。得益于此調(diào)水工程,20世紀50年代洛杉磯打破了經(jīng)濟進一步發(fā)展的水資源瓶頸,實現(xiàn)成為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(fā)電站和約1086公里的運河、管道。州水利工程每年的設(shè)計可供水量約為52億立方米,但由于實際建設(shè)中部分設(shè)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(shè)備的支出約每年6.5億美元。
2.4 面對水資源瓶頸,大力提升節(jié)水水平,開發(fā)非常規(guī)水源
隨著通過水利工程的調(diào)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(jié)水潛力和開拓非常規(guī)水源成為了加州新的水資源戰(zhàn)略。
在工業(yè)上,以經(jīng)濟鼓勵推動工業(yè)節(jié)水,降低萬元產(chǎn)值耗水量。工業(yè)上通過推行節(jié)水的技術(shù)和管理降低單位產(chǎn)值水耗。實施用水效率獎勵方法,鼓勵商業(yè)、工業(yè)和機構(gòu)客戶實施節(jié)水,對進行節(jié)水改造的企業(yè),每節(jié)水1233立方米提供195美元的獎金。加州在2000年的工業(yè)用水單位產(chǎn)值耗水量已低至15立方米/萬美元,而成都2018年工業(yè)用水單位產(chǎn)值耗水量為81.7立方米/萬美元,是20年前加州的五倍多。
農(nóng)業(yè)上以技術(shù)革新推動灌溉提效,農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水的核心在于灌溉技術(shù)的科技化,灌溉環(huán)節(jié)采用地面灌水技術(shù)、激光平整等技術(shù),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為533立方米,灌溉水有效利用率僅為54%,農(nóng)業(yè)節(jié)水還有較大提升空間。
生活上以獎懲結(jié)合的方式改變?nèi)藗兊挠盟晳T,限制人均生活用水量。頒布新的室內(nèi)水使用標準法案,法案規(guī)定到2035年人均每日用水上限為190升,如果超過規(guī)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(jié)水設(shè)施、器具等,基于智能水表數(shù)據(jù)制定新的水價機制,根據(jù)不同用戶的特征指定用水量,并及時將用水量和水費等信息反饋給用戶,協(xié)助用戶完成相應的節(jié)水計劃。
在開源方面,率先開展再生水利用,提出分質(zhì)供水體系標準。2013年再生水利用量達2.6×106立方米/天,其中60%被用于農(nóng)業(yè)灌溉,30%被用于工業(yè)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。洛杉磯編制再生水利用規(guī)劃,嚴格控制源水水質(zhì),制定簡單易操作的再生水水質(zhì)標準,明確管理責任,建立完備的風險控制體系。
3 對成都水資源開發(fā)利用的啟示
3.1 隨著科技的進步,不斷提高用水效率,可以做到在水資源承載能力范圍實現(xiàn)經(jīng)濟人口的持續(xù)增長
加州在城市和農(nóng)業(yè)用水總量變化不大的情況下,人口增長近1000萬人,國內(nèi)生產(chǎn)總值增加約2萬億,說明在科學技術(shù)的支撐下,推廣節(jié)水技術(shù),提高各行業(yè)水資源利用效率,提升區(qū)域水資源承載能力,可以實現(xiàn)經(jīng)濟人口的持續(xù)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(yōu)化用水結(jié)構(gòu),提高用水效率才是破解水資源制約難題的關(guān)鍵。
3.2 完善水利基礎(chǔ)設(shè)施,制定匹配人口經(jīng)濟發(fā)展的水資源再分配計劃
加州20世紀系統(tǒng)的蓄水和調(diào)水工程建設(shè)是其實現(xiàn)跨越式高速發(fā)展的重要舉措。推進東進戰(zhàn)略的發(fā)展中,應首先解決區(qū)域水資源時空分布不均的問題,重點完善龍泉山東側(cè)和南拓區(qū)域調(diào)水工程,實現(xiàn)水資源跨區(qū)域平衡;建立完善蓄水工程體系,在不破壞生態(tài)的前提下最大限度蓄積豐水期地表徑流,實現(xiàn)水資源冬夏平衡,優(yōu)先和超前發(fā)展蓄水和調(diào)水等水利公用基礎(chǔ)設(shè)施。
3.3 加快構(gòu)建多元水源結(jié)構(gòu),實施區(qū)域差異化供水和行業(yè)差異化供水
目前成都的用水絕大多數(shù)依靠都江堰水利工程調(diào)水,水源單一。隨著都江堰水利工程水資源開發(fā)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(fā)利用潛能,尋找可持續(xù)的地下水利用方式,探討跨區(qū)域水權(quán)購買的可能。其中應重點探索龍泉山東側(cè)沱江流域納入水資源結(jié)構(gòu)的可行性,著力提高污水處理技術(shù)投入提高循環(huán)水和再生水使用比例。
加快推進區(qū)域差異化供水,根據(jù)當?shù)厮Y源條件和發(fā)展情況,實施龍泉山東側(cè)和西側(cè),主城區(qū)和農(nóng)業(yè)為主的區(qū)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(shù)操作性和可行性。探索再生水分質(zhì)供水方案,根據(jù)66個產(chǎn)業(yè)功能區(qū)的行業(yè)特征和空間分布,實施精準水量水質(zhì)配給。
3.4 經(jīng)濟、政策的創(chuàng)新與技術(shù)的變革是提高節(jié)水效能的關(guān)鍵
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(nóng)業(yè)用水占比雖然從2000年的75%下降到2018年的55%,但農(nóng)業(yè)用水總量絕對值有所上升,畝均灌溉用水略有增加,灌溉水有效利用率為54%。人均生活用水量為175升每人每天,國家標準為160升每人每天,人均生活用水潛力不大。
因此,成都未來節(jié)水方向應集中于農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)生產(chǎn)上。進一步完善節(jié)水立法及政策制度,形成合理的水價機制,明確節(jié)水職責。進一步加強節(jié)水內(nèi)生動力,通過財稅引導和激勵政策,激發(fā)用戶的自主節(jié)水投入和創(chuàng)新意識。進一步提升節(jié)水設(shè)施水平,提高農(nóng)業(yè)灌溉效率、提升工業(yè)生產(chǎn)工藝水平、降低城鎮(zhèn)管網(wǎng)漏損率、推廣并普及節(jié)水設(shè)施與器具。進一步加強節(jié)水監(jiān)管能力,建立水分析網(wǎng)絡(luò),精準核算水量使用,完善節(jié)水產(chǎn)品技術(shù)標準體系,加強節(jié)水管理結(jié)構(gòu)與隊伍建設(shè)。
(報告組成員:吳善荀、張智郡、黃俊、龍昕)
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