日本開展可持續(xù)用水研究

1 概 述

日本科學技術(shù)振興機構(gòu)(JST)啟動了有關(guān)水資源利用可持續(xù)性的新技術(shù)和系統(tǒng)研發(fā)計劃，這是其“科技進化核心研究”(CREST)總體計劃中的最新子計劃。基金總額為7 500萬美元，已投入3 500 萬美元。在未來2 a 內(nèi)將投入剩余的4 000 萬。該計劃旨在通過創(chuàng)新型技術(shù)和水資源綜合管理(IWRM)，協(xié)助解決有關(guān)大都市水資源的主要問題，因而對該計劃投入了大量資金。

水資源研究計劃由教育文化體育科技部(MEXT)公開資助。MEXT 負責確定國家創(chuàng)新性研究計劃的整體戰(zhàn)略區(qū)域。所選擇的研究領(lǐng)域應(yīng)有利于社會發(fā)展，并應(yīng)產(chǎn)生重大的社會影響。同時，政府的總體目標是促進戰(zhàn)略性優(yōu)先領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，鼓勵開發(fā)創(chuàng)新型技術(shù)，以引領(lǐng)未來科技和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從而促進社會與經(jīng)濟發(fā)展。

日本水資源研究團隊投入了大量人力、財力，以解決世界上最為緊迫的水資源問題，通過CREST 可持續(xù)用水計劃可知，水資源管理方式較為復雜，并非想像的那樣簡單。

管理者不得不面對的現(xiàn)實是:管理水資源應(yīng)更多地關(guān)注水質(zhì)，使其在自然水循環(huán)中保持平衡;應(yīng)對氣候變化的影響，避免因過度抽取地下水而對蓄水層造成破壞，從而引起地面沉降及其他災難性后果。同時，還必須面對的現(xiàn)實是，開發(fā)和回收廢水及污泥中尚未利用的能源。

在日本，該領(lǐng)域有多位著名研究人員紛紛提出建議，并正在尋求方法，以制定研究計劃應(yīng)對這些復雜情況。

有研究人員指出，該計劃試圖提供一個人類用水的創(chuàng)新性系統(tǒng)，這同處理生態(tài)水事務(wù)或水環(huán)境問題完全相反。其初衷是通過清潔可靠的供水來解決高度城市化區(qū)域的水資源短缺問題。事實上，該計劃不僅涉及到研究發(fā)明新型處理技術(shù)，而且準備針對大都市面臨的復雜且極具挑戰(zhàn)的水資源問題，提供整合的系統(tǒng)化解決方案。

2 資助項目

CREST 資助了7 個水資源研究項目，將持續(xù)到2014 年，主要研究領(lǐng)域為膜技術(shù)、氣候變化、城市和農(nóng)業(yè)。其中包括:

(1)為可持續(xù)性城市水代謝研發(fā)水及廢水新型處理系統(tǒng);

(2)水資源重復利用技術(shù)的研發(fā);

(3)針對氣候變化研發(fā)水資源均衡利用系統(tǒng);

(4)世界淡水可持續(xù)利用的長期規(guī)劃;

(5)通過重新造林來增加流域徑流量，進而改善江河環(huán)境的新技術(shù)研發(fā);

(6)智能化衛(wèi)星系統(tǒng)的集成應(yīng)用;

(7)農(nóng)業(yè)中分散水資源的回收及循環(huán)。

與歐洲相比，亞洲大都市數(shù)量正在急速增加。日本科學家力求尋找能夠滿足經(jīng)濟活動日益增多、生態(tài)功能逐漸弱化的亞洲城市用水需求的方法。

有日本學者認為，城市管理者需要學會對有限的水資源進行有效管理。也就是說，必須理性用水，以維護既有的自然環(huán)境，保持人和自然之間的平衡關(guān)系。因此，需要對水資源實施綜合管理。

針對這一主題，京都大學、東京大學和北海道大學分別負責3 個主要研究項目。具體包括:

(1)既定區(qū)域內(nèi)地表水、地下水、雨水及再生水(例如日本荒川流域和越南紅河)等各種水資源實際可用量和水質(zhì)狀況。

(2)在氣候變化情況下，管理這些資源的最佳方法。

(3)利用“無處不在”的水資源來解決城市用水問題，確保為人口稠密的大都市提供安全可靠的供水方法。

(4)在降低用水負荷、且大都市水資源環(huán)境得到保障的前提下，城市用水系統(tǒng)應(yīng)按從“單一型用水”到“梯級循環(huán)用水”的過渡方法設(shè)計。

(5)為應(yīng)對能源需求、復雜運行過程以及跟蹤危害水質(zhì)及健康狀況的污染，應(yīng)研發(fā)膜過濾、臭氧化及先進的氧化過程等新型技術(shù)。

(6)對自然有機物(NOM)實施標準化測量，并作為判斷其性能常規(guī)參數(shù)的依據(jù)。

(7)針對再生水中低濃度病菌和有毒化合物會對健康產(chǎn)生的不利影響，研制評價和量化的準則。

時代要求“低碳足跡”。有日本學者指出，這項計劃不提倡為了技術(shù)而發(fā)展技術(shù)，未來可行的水資源技術(shù)要求是低碳的，此外還需要降低原料消耗、經(jīng)濟且能夠提供可靠安全的水資源。

眾所周知，氣候變化的影響大多通過水在干旱和洪水等極端天氣下得以體現(xiàn)，如果制定適應(yīng)性措施，就需要了解與水相關(guān)的影響將會發(fā)生的地點。因此，在東京工業(yè)大學的另一個CREST 水資源團隊研發(fā)出了更精細的數(shù)字模擬模型，來預測不同氣候變化情景下世界水資源(可用性和需求)的變化及社會經(jīng)濟變化情況。內(nèi)容涉及氣候變化將如何影響糧食生產(chǎn);哪些城市需要在嚴重干旱條件下管理水資源;聯(lián)合國政府間氣候變化委員會(IPCC)預測的強降雨事件有可能在何地發(fā)生等。

最后來自高知大學、工學院大學和筑波大學的團隊獲得該項目資助。相關(guān)研究問題如下:

(1)為避免非點源性污染擴散，提升耕地的利用價值，在環(huán)境、社會和經(jīng)濟可行的條件下，研究農(nóng)業(yè)廢水和營養(yǎng)物質(zhì)被重新利用的可行性。

(2)在化學信息學技術(shù)日新月異的今天，結(jié)合整合多膜技術(shù)，尋求將水分子結(jié)構(gòu)的低污染膜融入到新型水處理系統(tǒng)的方法。

(3)通過增加土壤入滲來提高地下水的補給量，從而降低地表徑流量和水土流失率。這種最佳的森林管理實踐，是否可使流域內(nèi)樹木遭受濫砍亂伐或森林覆蓋過盛的現(xiàn)象得以優(yōu)化、恢復。

3 未來合作與研究趨勢

CREST 研究計劃的另一創(chuàng)新點在于注重合作，使不同學術(shù)研究機構(gòu)的研究人員組成團隊進行研究，且允許有私營機構(gòu)參與。有專家指出，項目需要原創(chuàng)性和影響力，專題研究可確保新技術(shù)研發(fā)能夠及時地回饋社會，研究人員有助于新技術(shù)創(chuàng)造出新的行業(yè)，并能發(fā)揮較大的經(jīng)濟增長潛力，這也體現(xiàn)了CREST 計劃的目的，即將基本研究轉(zhuǎn)化為全球應(yīng)用的商業(yè)機會。

考慮到全球市場每年與水相關(guān)的收入為4 000～5 000 億美元，且對日本公司尋求市場份額而言，亞洲幾個增長較快的市場誘惑巨大。

在第二輪資助項目上，CREST 在水資源可持續(xù)性利用計劃中尋求拓展研究范圍，呼吁對下列問題展開研究:

(1)大城市及人口稠密地區(qū)的水資源管理;

(2)地下水新用途及管理方法;

(3)通過水資源和能源綜合利用系統(tǒng)，節(jié)約自然資源和能源;

(4)廢水中有機污泥和無機污泥的有效利用;

(5)與公眾健康和人類安全相關(guān)的水質(zhì)評估;

(6)農(nóng)業(yè)有效用水;

(7)緩解人類和自然生態(tài)系統(tǒng)用水的沖突;

(8)水資源重復利用和非液體排放等行業(yè)的有效用水。

盡管在水文、社會和歷史方面存在諸多不利因素，但可以肯定的是，日本已完全有能力建立起亞洲首屈一指的水資源管理體系。值得關(guān)注的是，如何將研發(fā)投資真正運用于科學創(chuàng)新，以便水利行業(yè)在這個極具挑戰(zhàn)的時代健康發(fā)展。