回顧?quán)l(xiāng)村水系統(tǒng)是如何發(fā)生的又是如何隨同著城市文明進(jìn)步發(fā)展的
五千多年來城市發(fā)展的歷史可分為古代鄉(xiāng)村、近代鄉(xiāng)村、現(xiàn)代鄉(xiāng)村和當(dāng)代鄉(xiāng)村等不同階段，與之相應(yīng)，不同階段的鄉(xiāng)村水系統(tǒng)也具有不同的特點，體現(xiàn)在組成模式和技術(shù)方面，可以劃分為三個階段。
古代的鄉(xiāng)村水系統(tǒng)
這個時期隨著生產(chǎn)力的發(fā)展特別是畜牧業(yè)、手工業(yè)和商業(yè)社會分工的呈現(xiàn)，人類開始聚居并形成了鄉(xiāng)村。居民供水的需求以飲用水為主，井水、泉水以及河渠湖池是鄉(xiāng)村的主要水源，逐步建成的重力輸送、由渠道或管道組成的管渠系統(tǒng)，以及一些簡單的配套設(shè)施，組成了鄉(xiāng)村的給水系統(tǒng)。排水方面，鄉(xiāng)村居民的尿液和糞便，起初由周邊的庭院消納，住宅變得密集以后，通常是由各家各戶的糞桶（中國居民住宅內(nèi)有密實蓋子的赤土陶質(zhì)容器）或夜壺存放、規(guī)定時間收集后集中運送至周邊農(nóng)村作為肥料；鄉(xiāng)村地區(qū)房屋密集、街道的土壤被壓實，而且隨著人口的增長和用水量的增加，上海純水設(shè)備開始需要有排水設(shè)施將雨污水引入附近的水體，為此鄉(xiāng)村里開始修建排水溝渠，并逐步相互連通形成了簡單的合流制排水系統(tǒng)。這一階段鄉(xiāng)村水系統(tǒng)面臨的主要矛盾是隨著鄉(xiāng)村人口的聚集對水源水量日益增長的需求（如圖1所示）
這一時期的生產(chǎn)力水平下古代鄉(xiāng)村水系統(tǒng)也取得了一些不小的成績。中國古代鄉(xiāng)村的排水系統(tǒng)主要由溝渠、壕池和天然河湖組成，據(jù)考古發(fā)現(xiàn)早的距今4300多年河南淮陽平糧臺古城鋪設(shè)的陶制排水管道；西周至春秋戰(zhàn)國時期（公元前11世紀(jì)~前220年）下水管道得到普遍應(yīng)用、排水系統(tǒng)逐步完善，典型的有齊國臨淄城（人口約達(dá)30萬）完整的排水管道網(wǎng)。古代的給水最初依賴于鑿井取水，考古發(fā)現(xiàn)的早的引水工程是約公元前700年東周陽城的地下輸水陶質(zhì)管道系統(tǒng)，以及澄水池和閥門坑等配套設(shè)施。隨著鄉(xiāng)村規(guī)模的擴(kuò)大，鄉(xiāng)村供排水系統(tǒng)不時發(fā)展，具有代表性的有公元前約200年的西漢長安城（今西安）修建的龍首渠（引水渠）并開挖了相當(dāng)規(guī)模的昆明湖等用于調(diào)蓄排水；公元13世紀(jì)的元大都（今北京）開挖的金水河引水，并建有明渠暗溝組成的排水系統(tǒng)。
西方公元前700年伊拉克埃爾比勒城就建成了約20km長的暗渠以輸送地下水。而具有代表性的約公元前300年古羅馬建成的較為完備的供排水系統(tǒng)，當(dāng)時羅馬人口已增長到50萬，建成了以河道、管道（鉛質(zhì)）或地下隧道組成的引水渠，長達(dá)400km中途設(shè)有到虹吸管、沉砂寬水槽、人工水塘等設(shè)施，將水供至局部私人住家或公共噴泉；除飲用外，還有大量的水用于沐浴和娛樂，人均綜合用水量達(dá)200~1200L/日；工程師們通過設(shè)計雙供水系統(tǒng)實現(xiàn)了飲用水與非飲用的分質(zhì)供水，設(shè)計了分流池調(diào)蓄解決干旱期間配水問題。排水方面，古羅馬建有獨立的尿液收集和利用系統(tǒng)，采用獨立于公廁的公共小便池收集尿液后銷售給洗衣店，利用尿中的氨去除羊毛上的油漬和污垢，可以看作是一種源分離系統(tǒng)。古羅馬鄉(xiāng)村水系統(tǒng)所取得的成果也被認(rèn)為是古代文明最輝煌的奇跡之一，并隨著羅馬帝國的擴(kuò)張而傳遍歐洲，1613年倫敦建成了30km長的明渠引城外泉水和河水入城，城內(nèi)輸配水地下管道總長達(dá)50km
近現(xiàn)代的鄉(xiāng)村水系統(tǒng)
隨著18世紀(jì)中葉的第一次工業(yè)革命，世界鄉(xiāng)村化發(fā)展逐步加快，鄉(xiāng)村得到極大的發(fā)展和繁榮，人口和經(jīng)濟(jì)不時集聚，鄉(xiāng)村環(huán)境卻惡化了街道變得越來越齷齪，糞便、垃圾等得不到充分及時地處理，最終被沖刷到水中去；1596年英國發(fā)明了抽水馬桶并在1800年前后得以在各個鄉(xiāng)村普及，供水的服務(wù)范圍擴(kuò)大，從而污水的排放大大增加，最終使得一些水源受到污染。1831年霍亂襲擊了倫敦，死亡人數(shù)達(dá)到3000人，科學(xué)家調(diào)查發(fā)現(xiàn)了霍亂與水源污染之間的相關(guān)關(guān)系。隨后在1848年、1953年倫敦再次發(fā)生了霍亂，1890美國的兩個沿河鄉(xiāng)村洛厄爾和勞倫斯爆發(fā)了傷寒，導(dǎo)致了上千人的死亡。針對水源污染及衛(wèi)生問題，起初依賴于古代的水系統(tǒng)模式，各城市采取了各種措施：如尋找新水源或取水口上移，遠(yuǎn)距離排水、沿海鄉(xiāng)村將污水排�；�?qū)⑽鬯湃胫苓叺霓r(nóng)田進(jìn)行處置等等，如巴黎在19世紀(jì)中期修建了規(guī)模巨大的下水道系統(tǒng)（至今仍在使用）將污水排入6km以外的下游，主干下水道高約3m寬約5m可供乘船游覽；19世紀(jì)美國紐約修建了大渡槽引190km以外的水源入城，修建長距離的排水地下隧道將污水排海等，將簡單的工程不時擴(kuò)張。但是人們不久就發(fā)現(xiàn)這些措施捉襟見肘、不能有效應(yīng)對新問題，此背景之下新的鄉(xiāng)村水系統(tǒng)模式應(yīng)運而生：增加了凈水和污水處置單元（如圖2所示）
凈水處置方面，1893年勞倫斯市建設(shè)了第一個慢砂濾給水過濾廠，將傷寒患病率降低了80%隨后為解決慢砂濾處置效率低的問題，快速砂濾器（絮凝—沉淀—砂濾工藝）被發(fā)明、并在全美鄉(xiāng)村普及，將病原微生物的去除效率提高到99%后來氯開始被應(yīng)用于消毒，進(jìn)一步提高了飲水的衛(wèi)生平安。突破了氯生產(chǎn)的工業(yè)化技術(shù)，過濾和消毒相結(jié)合的工藝逐漸成為給水（地表水源）處置的規(guī)范工藝，至1940美國有大約85%給水處置廠采用了上述工藝。
污水處置方面，19世紀(jì)末許多鄉(xiāng)村開始嘗試采用沉降池通過重力作用去除局部水中的好氧性固體，以減少排污河道的惡臭問題；20世紀(jì)初德國人發(fā)明了英霍夫沉淀池，上海純水設(shè)備實現(xiàn)了固液分離和對污染物厭氧降解，并在歐洲和北美推廣應(yīng)用。隨后兩種不同的生物處置技術(shù)路線被發(fā)明：一種是生物濾池（或滴濾池）使用碎石取代沙質(zhì)土壤增加孔隙率，解決了氧氣損耗的問題。1887年馬薩諸塞州建成了美國第一套間歇生物濾池，曼徹斯特市建成了英國第一個生物濾池大型污水廠；另一種是活性污泥法，1913年英國吉爾伯特·福勒發(fā)明了活性污泥法，通過曝氣加快微生物的降解速率，剩余污泥可經(jīng)脫水干化制成肥料。自此，初級沉淀+二級生物處置構(gòu)成了經(jīng)典的污水處置工藝，隨后許多鄉(xiāng)村采用上述工藝陸續(xù)建設(shè)了污水處置廠。
然而，1962年蕾切爾·卡森的寂靜的春天》出版發(fā)行，描述了殺蟲劑DDT動物體內(nèi)富集而對環(huán)境產(chǎn)生的臨時危害，被認(rèn)為是喚醒人類生態(tài)環(huán)保意識的啟蒙之作；1971年美國EPA 飲用水檢測中發(fā)現(xiàn)了可能致癌的消毒副產(chǎn)物三鹵甲烷。這些事件推動了人們對低濃度有機(jī)化合物污染對人類健康影響的關(guān)注，也使人們意識到水廠除了需要有效去除病原菌、耗氧有機(jī)物外，還需要有效去除有毒合成有機(jī)物和有毒金屬。為此，凈水廠增加了臭氧—活性炭或者超濾工藝單元、使用氯胺或者臭氧替代氯消毒等，目前美國約有10%~15%大型飲用水處置廠使用活性炭或改用臭氧消毒；而污水處置廠則增加過濾、活性炭、離子交換或消毒等工藝單元。
近現(xiàn)代的鄉(xiāng)村水系統(tǒng)為應(yīng)對飲用水衛(wèi)生和水環(huán)境的問題而興，凈水和污水處置技術(shù)的不時突破引領(lǐng)了鄉(xiāng)村水系統(tǒng)的升級（如圖2所示）
當(dāng)代的鄉(xiāng)村水系統(tǒng)
進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著鄉(xiāng)村人口和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步集聚，鄉(xiāng)村水系統(tǒng)又面臨著新的挑戰(zhàn)。
1由于水資源時空分布不均勻，一些鄉(xiāng)村水資源短缺、甚至發(fā)生了水資源危機(jī)。
國由于鄉(xiāng)村化和工業(yè)化的快速發(fā)展，對水的需求量迅速增大，據(jù)統(tǒng)計全國660多座城市中有2/3座鄉(xiāng)村供水缺乏，100多座鄉(xiāng)村嚴(yán)重缺水。澳大利亞作為地球上最干旱的大陸，年均降雨量僅為465mm2003年以來經(jīng)歷了長達(dá)10年的干旱，鄉(xiāng)村水資源供需矛盾突出。2018年1月南非開普敦市官方稱，該市將成為近代歷史上第一個水資源枯竭的大城市。為此，許多鄉(xiāng)村開始重視節(jié)水、鼓勵和推進(jìn)污水再生利用，并考慮開辟新水源，如海水淡化。國提出了節(jié)水優(yōu)先、治污為本、多渠道開源”以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)”等的水資源戰(zhàn)略[8]并開始實施嚴(yán)格的水資源管理制度。澳大利亞許多鄉(xiāng)村開始推廣節(jié)水器具的使用，鼓勵雨水收集，更換管網(wǎng)以降低漏損率，以及建設(shè)海水淡化廠。
2合流制排水系統(tǒng)溢流污染（combinsewagoverflow,CSO及初期雨水徑流污染的問題。
即便是美國，也是1920后要求在新建地區(qū)采用分流制排水系統(tǒng)，目前仍約有局部鄉(xiāng)村區(qū)域使用合流制排水系統(tǒng)，如紐約合流制排水體制約占60%合流制排水系統(tǒng)暴雨期間排水量可能為旱季水量的10~20倍，排水管道的截流倍數(shù)是一定的因此暴雨天會對污水廠發(fā)生沖擊負(fù)荷，而且會導(dǎo)致一些污水未經(jīng)處置便被排放水體。1995年美國EPA 發(fā)布了CSO臨時控制規(guī)劃指南，并要求各城市制定CSO控制的短期計劃及長期規(guī)劃，提出處置85%以上的年混合污水或每年CSO溢流次數(shù)不超過4次的控制目標(biāo)。對于分流制排水系統(tǒng)，每次降雨期間也會由于雨水收集、輸送系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的破損或失效，帶來初期雨水的污染，有研究標(biāo)明初雨徑流污染的負(fù)荷也有相當(dāng)可觀。另外，由于雨污管道在小區(qū)或市政道路上的錯接混接，雨天也會帶來污染。
控制CSO措施可以分為兩類：首先考慮的一類是改造措施，合流制溢流污染頻繁的地區(qū)修建地下儲水隧道調(diào)蓄雨污水，以便在雨停后送到污水廠處理，如芝加哥市投資30億美元、堪薩斯市投資24億美元，波特蘭市投資14億美元修建了地下儲水隧道。改造方案需要的資金十分龐大，大多數(shù)鄉(xiāng)村可能望而卻步。另一個創(chuàng)新的方案是源頭控制方案，即進(jìn)入管網(wǎng)之前對小到中雨發(fā)生的徑流進(jìn)行滯蓄和處理，這個方案能有效地控制CSO以及初期雨水的徑流污染。如1990美國的馬里蘭州喬治王子郡開始實施低影響開發(fā)（LID應(yīng)用生物滯留設(shè)施、綠色屋頂、雨水花園、下凹式綠地、透水鋪裝等源頭設(shè)施來減緩徑流污染。2011年費城批準(zhǔn)了綠色的鄉(xiāng)村、干凈的水域”項目，計劃用25年的時間更換覆蓋鄉(xiāng)村的1/3不透水地面，并截留最初的25mm降水，總投資達(dá)25億美元。除此外，上海純水設(shè)備還有英國的可繼續(xù)鄉(xiāng)村排水系統(tǒng)（SUDS澳大利亞的水敏感鄉(xiāng)村設(shè)計（WSUD等都體現(xiàn)了這一創(chuàng)新思路。
3氮磷（鉀）等營養(yǎng)物質(zhì)大量排入水體后，帶來水體富營養(yǎng)化的問題，影響水生態(tài)系統(tǒng)健康。
20世紀(jì)九十年代聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP一項調(diào)查表明，全世界約有30%~40%湖泊和水庫遭受著不同程度的水體富營養(yǎng)化影響，各地區(qū)差異較大。國人口稠密的三河三湖”地區(qū)水體富營養(yǎng)化尤為嚴(yán)重，渤海北部和南海多次發(fā)生赤潮。2007年5月太湖爆發(fā)了嚴(yán)重的藍(lán)藻污染，造成無錫全城自來水的污染。
目前美國EPA 設(shè)定了氮磷新的排放規(guī)范，基于河湖生態(tài)健康的目標(biāo)，要求污水處置廠適時應(yīng)用先進(jìn)的脫氮除磷處理工藝，并同時要求采取措施有效去除鄉(xiāng)村降雨徑流中的營養(yǎng)物質(zhì)。2015年我國發(fā)布了水十條”其中明確：敏感區(qū)域（重點湖泊、重點水庫、近岸海域匯水區(qū)域）城鎮(zhèn)污水處置設(shè)施應(yīng)于2017年底前全面達(dá)到一級A排放規(guī)范；北京市、太湖和巢湖地區(qū)等地也出臺了更嚴(yán)格的地方排放規(guī)范；以加快城鎮(zhèn)污水處置設(shè)施的提標(biāo)改造。
由此可見，人們開始系統(tǒng)地認(rèn)識鄉(xiāng)村水系統(tǒng)—自然水循環(huán)與社會水循環(huán)的耦合系統(tǒng)，并著手通過對水循環(huán)過程各環(huán)節(jié)的控制來解決水資源水環(huán)境的問題
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