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古老的玉泉山泉在孕育了古都北京800多年后彻底断流；密云水库仅仅供水京城50年便入不敷出；南水北调虽已开始接济北京，但其可依赖性、水价成本及其对生态的潜在影响都难以想象它的寿命会比密云水库更长。海水淡化特别是“风力发电+海水淡化+盐业化工”三位一体生态模式，或许是北京给水水源的终极选择。郝晓地（1960-），山西柳林人，教授，从事市政与环境工程专业教学与科研工作，主要研究方向为污水生物脱氮除磷技术；污水处理数学模拟技术；可持续环境生物技术，现为国际水协期刊《Water Research》区域主编（Editor）。围水修池、围池成园、围园筑宅、围宅建城是古人从散居至聚居的演变过程，由此给我们带来的启示是水乃城市出现和发展的基础与灵魂。北京，这座已有850多年历史的文化古都（自金朝1153迁都起）正是经历了这样的历史变迁。然而，随着北京城规模不断扩大、人口剧增，这座屹立于世界东方的古都业已沦为水的“人质”，缺水程度（人均水资源拥有量已不足100m3/人）已赶超国际公认的严重缺水国家—以色列。那么北京的开都之水在哪里？随后又经历了哪些给水水源之变迁？未来存在可持续水资源再滋润北京800年吗？
展开北京地图，你会发现在西北五环以内的主城区内有一潭形如寿桃的静水，即，北京颐和园内的昆明湖。在昆明湖西侧，一座占地面积不大的小山——玉泉山，它与颐和园毗邻；发源于玉泉山之山泉正是北京历史上的开都之水，它源源不断地滋润了北京800多年，是老北京的古老生命之泉。古时，玉泉山泉流量充沛，泉眼中有名称记载的便多达30余处。清冽甘美的山泉从山间石隙中喷涌而出，宛如玉虹，在明代以前便有“玉泉垂虹”之说，并被列为燕京八景之一。然而，新中国成立后随着北京城内陆下水开采量激增，以及在玉泉山和永定河上游修建了包括官厅水库在内的若干水利工程，使玉泉山泉补给来源入不敷出，导致其昔日风光不在。玉泉山泉至断流前近50年的流量不断下降（见图2），从民国早年（1928年）的2.01m3/s下降为新中国成立时的1.54m3/s，再到文革中的0.80m3/s，直至改革开放前最后一眼泉穴完全停止喷涌（1975年5月）。从1975年起，流淌千万年、滋润京城800多年的玉泉山泉彻底断流。玉泉山泉的喜、悲历史充分说明一个道理，水能载舟亦能覆舟，这足以引起我们现代人的必要反思。1966年4月27日，密云水库之水借京密引水渠成功被引入颐和园昆明湖，为北京日常生活、工业生产、园林湖泊带来了丰沛的水源。从那时起，密云水库便成为北京最大的地表水源供应地，年供水量约10亿m3/年。然而，好景不长，密云水库开始供水后不久便遇到了需水量过大和蓄水量不足的现实问题。1960年—2010年密云水库径流系数变化幅度远大于降雨量（见图3），这意味着即使在同等降雨情况下，目前形成的入库径流量也远远小于过去，可谓今不如昔。密云水库作为北京最大地表水源地，曾经对解决20世纪北京继玉泉山泉断流后的缺水问题起到了举足轻重的作用。然而，进入21世纪后，面对新一轮严重缺水危机，密云水库显然已不能再满足城市发展对水的需求，每年15亿m3/年的用水赤字不得不向周边同样面临缺水现象的河北甚至山西调水，同时也需要靠过度开采地下水来救急。事实上，从20世纪70年代初大规模打井开采地下水以来，北京地下水位就一直处于负增长态势。近几年在北京顺义、昌平西部、通州及朝阳东部地区已经形成了一处面积超过1000km2的地下水降落漏斗，使这一区域地水位下降速率平均达2.66m/年。地下水位下降还导致该区域发生了地面沉降现象，这就给北京敲响了不能再过度依赖地下水发展的警钟，也成就了北京境外远距离调水的决心。面对水危机与城市发展之间的矛盾，国家战略框架下的南水北调中线工程在一片争议声中开工建设。经历11年之久的艰苦建设，中线工程终于在2014年12月12日正式建成通水，成功将湖北水源地——丹江口水库之水向北输送至北京颐和园内团城湖（颐和园内湖由团城湖、西南湖和昆明湖组成）之中。作为世界上最大、最长的跨流域调水工程，中线工程管渠总长度达1432km，计划每年向北方城市输水95亿m3/年，其中，为输水末端的北京净引水量为10.58亿m3/年，即相当于过度开采地下水的量。南水北调对救急日益衰竭的密云水库其作用无疑是积极的，否则，北京将变成名副其实的“旱城”。然而，这一耗时、烧钱、逆生态的宏大工程无论是在规划之初、建设过程、还是已通水看到好处的今天都存在着很大的学术争议；争议的焦点无外乎输水污染、供水安全、生态环境以及水价成本问题等等。一句话，不同的声音普遍质疑这项宏大工程在生态、社会以及经济方面的可持续性。然而，对南水北调来说，政府可能最为烦心的是巨额工程投资问题以及输水成本核算问题。在假设南水北调工程稳定运营50年的情况下，以成本回收原则计算出的实际北京市口门输水水价为3.95元/m3，比国家发改委公布的2.33元/m3高出1.62元/m3。事实上，除了分摊主体工程成本之外，北京市还全部承担了380亿元市内配套工程费用，此项费用导致的相应水价则为2.50元/m3。最后产生的单一制输水成本水价竟高达3.95+2.50=6.45元/m3。如果再加上市内供水处理成本及输水至用户的成本，以南水计算居民自来水价格保守估计应在10元/m3以上，因为在南水进京之前北京市居民水价已达5元/m3。在上述不利或不确定因素影响下，南水北调工程预期经营期限的前景似乎并不十分乐观。以上述水价定价模型式为基础，工程经营年限为变量，可计算出不同工程经营期限下南水北调到达北京的单一制输水成本水价（含北京市配套工程水价），如图4所示。该图显示，一旦工程寿命缩减至10~25年，单一制成本输水水价会急剧攀升至8.37~14.07元/m3；即便南水北调可以稳定供水100年，在不考虑通货膨胀的情况下，输水成本仍然高于5.5元/m3。纵观北京供水水源历史变迁，虽然古老的玉泉山泉滋润了北京800多年，但近代密云水库才维持了不到50年便入不敷出。南水北调之寿命能超过密云水库显然这仅仅是理论上的推测，实际状况恐难以维持百年大计。因此，要想一劳永逸、可持续、彻底地解决北京长期缺水问题仍需要另辟蹊径。我国经济快速发展的同时也引起一系列严重环境问题，对北京来说，雾霾和缺水首当其冲。如何有效解决北京经济发展与生态环境之间的矛盾？有人戏谑地称，只要可以做到“呼风唤雨”！确实，北京的雾霾没有3级以上的西北风是难以消散的，而近15年来北京降雨量明显减少又是有目共睹的。“呼风”似乎比较困难，而“唤雨”则不是没有可能。这就需要仔细琢磨水的自然循环规律、路径和特点。生命之水天上来、条条江河通大海，这句话其实涵盖了水循环的全部内容。降雨由海洋蒸发运动至陆地冷凝形成，它的归宿除了满足下渗、入湖、蒸发、涵养植物、生灵这些必要生态作用外，最后与海洋蒸发量完全相等的水量是要回归大海的，人类大规模窃为己有、肆意改变循环路径的截水行为无疑会给生态环境带来灾难。因此，人类作为地球上偶然出现的一种过客要想持续性生存下去，必须顺应自然，决不能与自然抢水。其实，人类在陆地上兴建的任何水利工程都是在间接地利用海水；小规模行动对水循环、生态环境影响可能不大，但大规模行为则后果难料。实际上，人类与其费九牛二虎之力、并不讨好地与自然间接抢夺海水，真不如在沿海及近海区域直接利用海水（海水淡化），其作用与水的自然循环异曲同工，对生态环境影响也最弱（因为与浩瀚的海洋比，人类用水量微不足道），尤其不影响自然水循环，如图5所示。也就是说，自然水循环之水从海洋经天空降落而来，而海水淡化则是在处理后经陆地输送。图5 异曲同工的人工水循环（陆行）与自然水循环（天降）有关海水淡化技术层面并不存在太大争议，无论是蒸馏和反渗透都不存在太多技术难点。关键争议在于海水淡化的制水成本以及经济的输送范围。目前占市场主要份额的反渗透（RO）技术日臻完善，随着水泵机组的改进和能量回收技术的应用与提高，制水成本也明显降低，目前淡化成本保守估计已在5元/m3左右。其实，单独的海水淡化技术并非理想之举。海水淡化最重要的特点是耗能，且会产生不能再回流海洋的浓缩液（会影响海洋生态环境）。鉴于此，可考虑将风力发电、盐业化工与海水淡化融合一体的集成方式，形成如图6所示的三位一体的生态技术，即以RO技术为核心，上游连接政府目前大力扶持的风电技术，下游嵌入传统的晒盐实践或提取有用矿物质的化工工艺。根据目前国家发改委制定的陆上风电上网电价，以RO海水淡化技术采用风能的淡水成本估算为：1）不计政府优惠为3.6~6 元/m3；2）计入政府优惠为2.1~3.5元/m3。再考虑到下游盐业化工对浓缩液的利用，离海水淡化全成本≤ 4元/m3（不计政府补贴）的目标不会太远。图6所示的三位一体之海水淡化生态技术具有社会、经济与环境的和谐统一，不需太多研发便可以付诸实施。然而，北京地理位置并不靠海，北京东南地界到最近的渤海湾（天津塘沽附近）也有100km之遥。海水淡化后输京是否会加大淡化成本？其实，100km的淡化输水管线即使铺设暗管也不会有太大工程，以百万吨规模输水量计，管线成本不到1元/m3。再加上不足4元/m3的淡化制水成本，海水淡化全成本有望控制在5元/m3以内（不计政府补贴），而且可以直饮，不需再作处理。这个价格显然比南水北调（水价≥10元/m3）具有更大的市场竞争力。海水淡化产生的浓缩液应是海水淡化可持续发展不可忽视的重要一环。最简单的方法是浓缩液用于传统方式晒盐，至少可以提高60%~70%的晒盐效率（加速水分蒸发）。亦可通过化工过程提取海水中蕴藏的丰富矿物质；通过离子交换膜电渗析方法可从海水中提取溴素，用海水生产氯化钾，硫酸镁等研究在我国亦开展多年。综上所述，为北京一劳永逸、持续性地解决长期缺水问题的出路应着眼于海水淡化，特别是“风力发电+海水淡化+盐业化工”这样的三位一体生态模式。纵观北京给水水源的历史变迁以及终极选择，给水位置非常有趣、耐人寻味：无论是古老的玉泉山泉还是过渡性、持久性水源，如图1所示，均处在北京上下左右的4个角上。从古老的西北角（玉泉山泉）开始，给水水源先向东北方向（密云水库）转移，接着又向西南方向（南水北调）过渡，最后可能要落脚于东南方向（海水淡化），总的变化趋势呈英文最后一个字母'Z'字，是另一种形式的'A-Z'。在人类进化、发展的历史上尽管有时充满一些巧合，但终归是要回归自然、至少是模拟自然。与自然抢水的后果是人类自取灭亡，而顺应自然、模拟自然才是人间正道。对解决北京急迫的生态环境（雾霾、缺水）问题来说，“呼风”似乎显得不太现实，而“唤雨”（海水淡化）则相对容易一些。海水淡化其实就是模拟自然水循环的一种有效途径（人工水循环），人类所取水量与浩瀚大海之水容量相比简直微不足道，其行动并不会对生态环境造成过大扰动。 (更详细内容参见2016年4月出版的《中国给水排水》第8期：北京给水水源的历史变迁与终极选择，作者：北京建筑大学郝晓地、李天宇、曹达啟)
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