林 慧，劉 達，黃本勝，洪昌紅，邱 靜，邱頌曦，王 珍

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510635；3.河口水利技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣州 510635)

1 概述

水資源短缺是影響全球經(jīng)濟發(fā)展和人類生活品質(zhì)的重大問題之一[1]，世界各國都面臨著水資源短缺和淡水需求量日益增加的壓力，尤其是人口增長率高、城市化和工業(yè)化程度高的干旱氣候地區(qū)，地表水資源的開發(fā)已經(jīng)達到最大限度。由于現(xiàn)階段高效用水的迫切需要，許多國家和地區(qū)把再生水視作一種“二次水源”，以緩解水資源供需矛盾。我國作為農(nóng)業(yè)大國，探索和研究再生水用于灌溉，對保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、實現(xiàn)灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展意義重大[1]。

目前，再生水農(nóng)業(yè)灌溉已在美國、以色列、日本等國家得到廣泛實踐和推廣，比較而言，我國再生水灌溉技術研究及應用開始較晚[2]。再生水具有總量大、水質(zhì)穩(wěn)定、受季節(jié)和氣候變化影響小的優(yōu)點，但處理后的再生水可能殘留一定量的重金屬及污染物[1]，故科學高效地利用再生水資源，保障再生水水質(zhì)安全，值得深入的研究和思考[3]。

基于此，本文選取再生水灌溉實踐經(jīng)驗較為豐富的美國、以色列和日本等國家，對這些國家的再生水利用政策及標準進行了比較分析，同時討論了再生水灌溉的潛在生態(tài)風險，并提出再生水在農(nóng)業(yè)灌溉中安全高效利用的建議。

2 國外再生水利用標準與典型應用案例分析

2.1 國外再生水農(nóng)業(yè)回用標準比較

國外各典型國家(組織)再生水農(nóng)業(yè)回用的標準見表1所示[2]，從表1中可以看出，各國對農(nóng)業(yè)用水的分類不盡相同。美國和歐盟在主要控制指標上規(guī)定較多，基本指標有5個：pH值、BOD、TSS/SS、余氯及微生物，除表格數(shù)據(jù)外，歐盟還在COD、DO、UV254、EC、氮磷指標、陰陽離子等方面有限值要求。美國和歐盟在pH值規(guī)定上標準大致相同，在6.0～9.5之間；在食用作物標準分類上，美國的要求相比歐盟更加嚴格，例如BOD指標，美國要求小于等于10 mg/L，歐盟則要求10～20 mg/L；美國要求糞大腸桿菌不得檢出，歐盟則要求總細菌數(shù)小于10 000 cfu/mL即可。另外，WHO主要對微生物指標規(guī)定了限值；澳大利亞標準分類更加細致全面，對pH值和微生物指標有相應的限值要求；在其他指標上，WHO和澳大利亞均沒有詳細的標準限定。

表1 國外農(nóng)業(yè)用水回用標準比較(mg/L，pH除外)

2.2 國外再生水灌溉典型應用

本文以美國、以色列和日本為例，總結了這些國家再生水灌溉應用現(xiàn)狀及經(jīng)驗，以期為我國農(nóng)業(yè)領域再生水的高效利用提供借鑒。

1) 美國

美國人均水資源量接近12 000 m3，但某些地區(qū)仍然存在水資源短缺、地下水超采嚴重等問題[4]，故一些地區(qū)較早開展了再生水利用的實踐和探索。如佛羅里達州在2001年開始實施“水保護計劃”，并成立了污水回用工作組，以保障水資源供應。

2019年，美國聯(lián)邦政府開始實施國家水回用行動計劃，該計劃包含六大方向的污水收集、再生與回用[5]。目前，美國每天約有25.36億升的再生廢水用于農(nóng)業(yè)灌溉，典型代表如亞利桑那州；加州的再生水利用率也較高，據(jù)統(tǒng)計，加州70%左右的再生水用于農(nóng)業(yè)和城市綠地灌溉[6]。

對比我國，水資源短缺加上農(nóng)業(yè)用水粗放一直是制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的一大因素，美國在再生水利用方面的經(jīng)驗啟示我們可以通過系統(tǒng)謀劃，整體布局，全面推進污水再生利用，以破解水資源緊缺瓶頸[5]。

2) 以色列

以色列水資源極度匱乏且降水分布十分不均，超過一半的國土面積是沙漠，在這種惡劣的自然條件下，以色列通過修建完善的國家調(diào)水工程和輸水管網(wǎng)、建立嚴格的水管理法規(guī)、實行嚴密的水資源統(tǒng)一監(jiān)管、設立專門的水事糾紛處理機構等一系列措施[7]，充分利用再生水資源，成功解決了缺水、地少和土壤鹽堿化等難題[1]，成為公認的“農(nóng)業(yè)強國”。

目前，以色列擁有67家大型污水處理廠，針對污水處理、輸運、儲存的技術及設施已相當完備，污水再生利用水平達到90%。在灌溉技術及水質(zhì)安全方面，以色列超過80%的灌溉面積采用高效滴灌技術，充分做到“節(jié)流”，形成了農(nóng)業(yè)用水量穩(wěn)定的水資源高效利用格局。

回看我國北方許多城市，年降水量、人均水資源量也很低，這些地區(qū)應學習融合以色列先進的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術和污水處理技術，積極開發(fā)利用再生水等非常規(guī)水資源[8]，力爭技術用水、開源節(jié)流。

3) 日本

日本水資源總體較為豐富，但由于地形、氣候、自然災害頻發(fā)等原因，日本關東沿海和北九州等地區(qū)存在缺水的問題[9]。初期日本的再生水回用以沖廁和景觀利用等為主；隨著城市化導致市區(qū)河流水量急劇減少，再生水成為日本城市河道的重要補給，東京是日本第一個使用再生水補充干流和恢復河流水環(huán)境的城市；后來，再生水的利用逐步拓展至工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)灌溉。以熊本市為例，污水處理廠將再生水排放到附近農(nóng)業(yè)用水渠或農(nóng)用運河，也有農(nóng)民自行到污水處理廠取運再生水，用于種植蔬菜和水果等。

此外，日本在不同地點，根據(jù)不同情況，采用不同的再生水利用模式，我國應充分吸取日本等國家的經(jīng)驗，分類施策、因地制宜，努力構建完備的再生水回用基礎設施體系和健全的管理體系。

3 再生水灌溉的生態(tài)風險

再生水回用于農(nóng)業(yè)雖然可以緩解用水壓力，但有可能帶來一定的生態(tài)環(huán)境風險。本文從土壤孔隙率及結構、重金屬污染、新型污染物含量變化等方面分析了再生水灌溉的影響，并對應提出保障灌溉用水安全的對策。

3.1 土壤孔隙率及結構

李曉娜等[10]研究發(fā)現(xiàn)，當再生水鹽度較高時，采用再生水灌溉會增加土壤容重，降低土壤孔隙度；長期灌溉方式下土壤孔隙率和鎂含量均發(fā)生明顯變化[11]。

再生水中有機物比較豐富時，分解產(chǎn)生的腐殖質(zhì)導致土壤形成團聚體結構[12]，長期再生水灌溉會導致土壤有機碳在耕層顯著增加[13]；當再生水的鹽度較高時，長時間采用再生水灌溉易造成土壤板結[10]。因此，再生水灌溉農(nóng)田時需要合理控制灌溉的周期和次數(shù)。

3.2 土壤重金屬污染

目前大多研究表明再生水短期灌溉基本不會對土壤及農(nóng)作物帶來安全隱患[14]，但當其他來源的重金屬負荷較高時，要注意定期開展土壤污染物檢測和風險評估工作，以降低重金屬累積風險[14]。

此外，對比滴灌法和犁溝灌溉法兩種不同灌溉方式，可以發(fā)現(xiàn)滴灌法不僅節(jié)省灌溉用水量，還有效減少了土壤中重金屬含量[15]。研究證明[16]再生水滴灌方式下土壤重金屬鎘含量符合標準限值。可見，選擇合適的灌溉方式具有重要意義。

3.3 新型污染物

近年來，新型環(huán)境污染物備受關注[17]。王燕[18]研究發(fā)現(xiàn)工業(yè)源再生水和生活源再生水灌溉土壤中5種鄰苯二甲酸酯(PAEs)的總平均濃度分別是地下水灌溉土壤的2.40倍和3.48倍；但也有研究數(shù)據(jù)表明，再生水灌溉并不會造成新型污染物的傳播風險[19]。目前來看，由于新型污染物具有來源廣泛、風險隱蔽、環(huán)境持久的特點，其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律認知還比較淺顯，再生水灌溉過程中需加強新型污染物種類及含量的監(jiān)測，并制定相應的風險管控方案。

4 我國再生水灌溉發(fā)展的啟示和建議

在用水總量與強度雙控的背景下，近年來政府陸續(xù)出臺一系列法律法規(guī)推動再生水利用持續(xù)發(fā)展，再生水在城市中的應用領域不斷擴大[20]。對此，針對再生水農(nóng)業(yè)灌溉的健康發(fā)展，本文提出以下3個方面的建議：

一是在再生水利用政策及標準方面，需要多部門協(xié)同配合、明確責任，制定完善的再生水運行管理機制。伴隨當前城市的快速發(fā)展及人們對食品健康的高度關注，現(xiàn)有規(guī)定中的水質(zhì)參數(shù)約束存在滯后性，再生水的分類應更詳細、水質(zhì)參數(shù)限制更嚴格。像新加坡NEWater直接處理再生水超過世衛(wèi)組織飲用水標準水平[21]，雖然這對絕大多數(shù)只需要滿足一般灌溉和娛樂活動的國家及地區(qū)來說較難實現(xiàn)，但反映出新加坡在再生水水質(zhì)上的高標準和高要求。

二是在再生水農(nóng)業(yè)灌溉配套設施及工藝方面，應積極提升再生水灌溉設備的節(jié)水率。不斷優(yōu)化現(xiàn)有再生水灌溉工藝，降低再生水灌溉可能的生態(tài)風險，提升灌溉產(chǎn)業(yè)技術水平，積極推進滿足再生水長時間儲存及遠距離輸送等需求的設施建設，聚力精準灌溉、智慧灌溉[22]。

三是在再生水灌溉生態(tài)環(huán)境風險防控方面，要結合再生水水質(zhì)和土壤類型開展深入分析，對可能引起土壤性質(zhì)變化的關鍵因子開展定期檢測和污染評價。考慮到水體中新型污染物在傳統(tǒng)處理工藝下無法有效去除，應積極開發(fā)穩(wěn)定高效的水處理技術，并通過綜合手段對再生水灌溉區(qū)的土壤等進行長期的監(jiān)測和風險預判。

5 總結與展望

目前，我國許多城市陸續(xù)開展了再生水農(nóng)業(yè)灌溉相關的科學研究和工程實踐[23]，再生水應用潛力巨大。我國再生水灌溉產(chǎn)業(yè)的建設要因地制宜、系統(tǒng)規(guī)劃，逐步建立起具有中國特色的再生水灌溉標準體系[24]，保障再生水資源在農(nóng)業(yè)灌溉中的可持續(xù)性應用。