水系统是如何运作的：How the Water System Works
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家家户户都有自来水
地球上可用的淡水资源非常稀少，如果将它们全部收集到一个球里，它几乎无法横跨纽约市。自来水是一个奇迹——但是将它输送到我们这里并带走废物的技术实际上已经有数千年的历史了。如今，保持水分的唯一障碍是政治意愿。 Charles C. Mann 仅限订阅者 Sign in 或 Subscribe Now 获取音频版本
Johnny Appleseed 曾经是美国老儿童读物中的一个经典人物。作为十九世纪初一个衣衫褴褛的流浪者，Appleseed 赤脚穿梭于森林中，穿着用咖啡袋剪出洞做成的衣服，为宾夕法尼亚州、俄亥俄州、伊利诺伊州和印第安纳州的第一批定居者种植了成千上万棵苹果树。
来自特别系列：
水系统是如何运作的
- 我们过着皇室般的生活却不自知
- 八十亿人的早餐
- 家家户户都有自来水
“Appleseed”是一个绰号；他本名叫 John Chapman。年轻时，Chapman 确信基督教已经迷失了方向，需要一个新的教会来恢复。他在一个果园里工作，爱上了苹果，并将余生奉献给了穿越新近占领的中西部地区，分发新教会的传单——并建立苹果园，以每个几便士的价格出售树苗。
虽然现在仍然庆祝十几个左右的 Johnny Appleseed 节，但他不太可能出现在今天的儿童读物中。这可能是因为历史学家意识到，Appleseed 不仅仅是一个友善的宗教怪人，他四处种植苹果，以便中西部人可以吃到新鲜、健康的水果。相反，他是乡村基础设施的重要组成部分：他的苹果主要不是用来吃的，而是用来酿造烈性苹果酒的。
典型的烈性苹果酒的酒精含量约为百分之五，足以杀死大多数细菌和病毒。许多定居者尽可能地喝它，因为他们周围的水被污染了——有时是被他们自己的排泄物污染的，更常见的是被他们的农场动物的排泄物污染的。 Appleseed 的苹果酿造的苹果酒让人们可以避免气味难闻、味道难以下咽的水。这是一种公共卫生措施——当然，它也让一些使用者在轻微的酒精麻痹中度过一天。
只要我们的物种生活在定居的社区中，我们就一直在努力为自己提供水。如果现代农业是创新和进步的故事（本系列的前一篇文章就是关于农业的），那么供水往往恰恰相反：这是一个停滞和冷漠的故事。即使在今天，大约有 20 亿 人（其中大多数人在贫困的农村地区）没有可靠的清洁水供应——用给水工程师的术语来说，就是_饮用水_。劣质水导致每年大约 100 万人 死亡。就其对人类生活的直接影响而言，水是世界上最大的环境问题和最严重的公共卫生问题——正如几个世纪以来一直如此。
© Peter Menzel / menzelphoto.com
最重要的是，淡水非常稀缺。一个地球仪显示蓝色的水覆盖着我们的世界。但是这张图片具有误导性：地球上 97.5% 的水是盐水——具有腐蚀性，甚至有毒。剩下的 2.5% 是淡水，但其中大部分是无法触及的，要么因为它被锁定在极地冰盖中，要么因为它扩散在表面下方的多孔岩石中。如果我们能够以某种方式将世界上所有河流、湖泊和其他淡地表水的总供应量收集到一个地方——地球上 80 亿男人、女人和儿童可以轻松获得的所有水——它将形成一个直径仅为 35 英里的球体。加入可以到达的地下水会给这个球体增加一些英里，但不足以显着改变这样一个事实，即我们这个被水覆盖的地球并没有那么多我们可以轻易获得的淡水。
我们不能制造更多吗？盐水确实可以转化为淡水。脱盐技术最常见的做法是将水强制通过极细的膜，这些膜可以阻挡盐分子，但可以让水分子（较小）通过。西半球最大的海水淡化厂位于加利福尼亚州卡尔斯巴德，是一项技术奇迹，每天泵出约 5000 万加仑的淡水，约占附近圣地亚哥供水量的 10%。但建造它的成本也约为 10 亿美元，使用的能源相当于一个小镇，并且每天排放 5000 万加仑的剩余盐水，这引起了许多诉讼。目前，在大多数地方，供应淡水必须以一直以来的方式进行：挖一口井或找到一条河流、湖泊或泉水，然后将水泵送或引导到需要的地方。
问题
无论其来源如何，人类使用水的几乎每一种方式都会使其不适合以后使用。无论是通过公寓洗碗机还是工厂冷却系统，城市厕所还是农村灌溉系统，其结果都是一种无法饮用、有时甚至是危险的液体，必须对其进行清洁和回收利用。当水工程师说“我们需要干净的水”时，他们担心的是_干净_。
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干净的水不仅仅是饮用的必需品。今天，人类用水的几乎四分之三用于农业，尤其是灌溉（在世界所有食物中，约有40%种植在灌溉土地上）。水使用的另外五分之一是工业，水既是重要的原材料，又是清洁和冷却剂。家庭仅占全球用水量的十分之一，但其中大部分用于清洁：洗碗、洗衣服、洗人、冲走排泄物。
为所有这些用途提供所需的清洁水需要四个基本功能：
- 寻找、获取和净化进入系统的水；
- 将其输送到家庭和企业；
- 清理离开这些家庭和企业的废水；以及
- 维护负责前三个功能的管道、泵和其他结构的网络。
这些任务描述起来很简单，但实际上却非常复杂。构建和运行一个能够满足每天早晨冲水和淋浴的需求，同时又不会在用水量低的时候淹没打开水龙头的人的水系统，是让工程师晚上睡不着觉的事情。即使是简单的供水管道也比人们想象的要复杂。水很重，而且不易压缩。当它通过管道时，会获得很大的动量。当多个用水者关闭阀门或停止泵时，动量会在管道中产生冲击波。在大型管道中，这种“水锤”就像一列货运火车撞到墙上——它会损坏管道或撕裂设备。需要特殊的缓闭阀和泵。
尽管这些技术问题很困难，但自圣经时代及之前人们就已经大致了解了它们。到目前为止，最大和最令人沮丧的障碍反而是社会科学家所说的“政府性”——以及其他人所说的腐败、效率低下、无能和漠不关心。
证据是全球性的，而且是压倒性的。英国城市因泄漏而损失了五分之一的供水量；宾夕法尼亚州的城市损失了几乎四分之一的供水量；巴西城市损失了超过三分之一的供水量。印度城市用水的很大一部分受到了污染，以至于处理由此产生的腹泻的成本完全占了该国国内生产总值的2%。德克萨斯州损失了太多的水，以至于仅仅修复泄漏就足以在不久的将来为所有主要城市的需求提供足够的水。美国所有五十个州和所有美国领土都受到含铅管道供水系统的困扰，这些管道可能会将危险的铅泄漏到水中。以色列和巴勒斯坦之间的山地含水层是双方的主要地下水源。在一个非典型的合作行动中，双方都在过度使用和污染它。等等。
古代的解决方案
供水系统及其问题与第一批城市一样古老，甚至可能更古老。位于巴基斯坦印度河沿岸的摩亨佐-达罗城市综合体大约出现在公元前 2600 年，大约在埃及人建造金字塔的时候。摩亨佐-达罗是考古学家所说的哈拉帕或印度河流域文明中最大的城市。大多数公民住在“下城”，这是一个类似曼哈顿的街道和林荫大道网格，两旁是低矮的砖砌建筑。在其西侧的泥砖高台上是“上城”，有时被浪漫地称为城堡，这是一个公民中心，居住的人相对较少。值得注意的是，几乎没有证据表明上城的人比下城的人更富有或更强大——摩亨佐-达罗似乎是一个令人惊讶的平等的地方。
水控制是其核心。大约有 700 口公共水井点缀在下城，其中许多深达 60 英尺。这些圆柱形且内衬砖块和石膏的水井建立了一个城市供水系统，其容量和安全水平直到现代才被超越。其来源是喜马拉雅山麓的降雪和降雨，这些降雪和降雨渗入土壤，变成地下水；在从高处到摩亨佐-达罗下方的地面的过程中，水流经过几层岩石和沙子，过滤掉污染物。
摩亨佐-达罗有一个同样令人印象深刻的系统，用于将脏水冲出城市。在上城和下城下面是一个复杂的排水系统，其中大部分是街道上的狭窄沟渠，通常深约 2 英尺，并覆盖着可以拆卸以进行维修的砖块。许多排水管线都有“沉淀池”——盆状区域，水流速度会减慢到足以沉淀出一些它所携带的沉积物。在一种简陋的污水处理形式中，这些水池会被清空，沉积的沉积物可能会被用作肥料。
在上城是“大浴池”，这是一个 40 英尺长、8 英尺深的下沉式水池，位于一个广场中央，考古学家称之为人类的第一个人工游泳池。在下城，几乎每栋房子都有一个类似的、较小的复制品——一个方形、浅水池，大约三英尺见方，靠在外墙上。水池向墙上的地板水平出口倾斜，该出口排入一个外部“集水容器”，这是一种陶瓷浴缸，然后通向公共排水沟（或者，在某些情况下，可以倒入其中一个排水沟）。在沐浴区旁边是一个厕所——一个带孔的座位——也会排放到集水容器中。部分原因是语言学家尚未破译印度河流域文字，摩亨佐-达罗日常生活的细节仍然未知。但是，用干净的水洗澡显然是城市社交生活的重点。
大浴池，可能是人类的第一个人工游泳池，位于巴基斯坦的摩亨佐-达罗Mike Goldwater / Alamy
如此详细地描述这个遥远的城市的原因是，在印度河流域部署的技术直到几个世纪前才会被超越，甚至不会有太大变化。鼎盛时期的罗马帝国，很可能是当时世界上最大的、最复杂的城市，它的供水系统对于两千多年前的摩亨佐-达罗人来说应该很熟悉。与它的前辈一样，罗马也利用重力使水从城市外高山丘陵中的泉水和河流流入街道上的公共设施。也许最大的区别在于，来自丘陵的水通过一系列渡槽进入城市——类似于桥梁的建筑物，可以将水引导到山谷中。
像摩亨佐-达罗一样，罗马也有一个下水道网络，可以将雨水和废水排走。在罗马，污水流入一条名为 Cloaca Maxima 的巨型管道，该管道将水引入台伯河。顺流而下，废物中的固体颗粒会沉到河床上；剩下的任何东西都会被流入大海的水稀释。罗马模式在世界各地复制了几个世纪。路易十四的巴黎将废物倒入塞纳河；詹姆斯·麦迪逊的华盛顿特区将废物倒入波托马克河；维多利亚女王的伦敦将废物倒入泰晤士河。
尽管这种方法已经使用了数千年，但它有一个明显的缺点：它污染了河流，产生了可怕的臭气，并使下游的人们生病。实际上试图清理污水（而不是将其冲到其他地方）很少被考虑。有时，政府会将废水用于灌溉，这种做法同样可以追溯到摩亨佐-达罗。在东亚，装满排泄物的水经常被送到“污水农场”，在那里，水被用作肥料。1531 年，欧洲第一个污水农场在现在的波兰西部博莱斯瓦维茨开业。这个想法传播缓慢；法国和德国直到 19 世纪才开始运营它们。
大恶臭
工业革命导致城市工厂用水量急剧增加。由此产生的废物导致水质急剧下降，从而滋生了疾病，尤其是霍乱。霍乱是由于饮用被_霍乱弧菌_污染的水引起的；患者腹泻非常剧烈，如果不及时治疗，可能会在数小时内死亡。伦敦是当时世界上最大的、最富有的、技术最先进的帝国的首都，在 1832-33 年、1848-49 年和 1853-54 年经历了霍乱流行病。每次都有数千人死亡。
在 1854 年的流行病期间，一位名叫 John Snow 的医生将疫情追溯到一口受污染的城市水井。政客们猛烈抨击污秽和疾病，但几乎什么也没做。他们甚至没有关闭那口水井。四年后，炎热的天气减少了泰晤士河的流量，这导致未经处理的污水和工业废物堆积在河岸上。1858 年的“大恶臭”是如此势不可挡，以至于议会被迫采取行动。立法者用香味手帕捂住脸以抑制气味，最终投票决定扩展、封闭和改造城市下水道系统。
在伦敦市政工程师对该市迟来的升级改造中，为他们提供帮助的是数千年来水处理领域的第一个重大创新：水泵。虽然早在古希腊时代就出现了水泵，但直到 1700 年左右（工业时代的开始），水泵才得到大规模部署。由燃煤发动机驱动的大型水泵使伦敦和许多其他城市能够将大量废水从城市中排走。
一般来说，部署水泵不是为了处理污水，而是为了简单地将其冲到其他地方。城市将污水排放到远离城市的河流、湖泊或海岸线——转移问题，而不是解决问题。但是随着城市人口的增长，转移污染变得越来越困难，既因为污染量增加，也因为城市周围的土地和水域升值，它们的拥有者不再愿意接受污染。伦敦在“大恶臭”之后采取的措施被证明是不够的，其他地方采取的其他类似措施也是如此。1898 年至 1915 年间，英国皇家委员会调查了污水问题。在一系列报告中，它为大多数现代供水系统设定了标准。
其最具历史意义的建议之一是将雨水和污水分开。下水道有两个主要功能：排走雨水，以免社区发生洪水；以及排走废物，以免社区散发臭气和滋生疾病。古代和中世纪的下水道系统将这两项任务混合在一起，这意味着当暴雨导致下水道溢流到社区时，城市就会被污物覆盖。将这两项功能分开不仅可以使街道在暴雨期间保持清洁，还可以减轻污水处理系统的负担。
如何将污水变成干净的水
今天，污水处理分三个步骤进行，按令人作呕的程度递增。第一步是_一级_处理，是对将污水排放到河流和湖泊中的旧方法的改进，只不过它涉及将稀释的污水引导到大型水箱或水池中。（通常，在将污水排放到水箱或水池的过程中，会通过一个筛网，以清除可能会损坏设备的大型漂浮物，例如树枝。）一级处理由 19 世纪中期的一些欧洲卫生工程师开发，是摩亨佐-达罗沉淀池的改进版本。当水静止在水池中时，最令人讨厌的固体沉到底部或漂浮在表面。之后，将泥浆清除掉，通常由大型桨叶扫过水池的表面和底部，然后将其掩埋在垃圾填埋场中。在少数地方，它仍然散布在土地上并转化为肥料。偶尔会焚烧。
下一步是_二级_处理，由曼彻斯特大学的三位研究人员发明：Gilbert Fowler、Edward Ardern 和 William Lockett。现在几乎被遗忘的 Fowler、Ardern 和 Lockett 的名字应该在城市大门上闪耀，因为二级处理使世界各地的城市变得更加宜居。诺贝尔奖已经颁发给了重要性远不如二级处理的进步。
一级处理无法去除细小的沉积物——水通常仍然是令人厌恶的。在 1913 年的一系列实验中，Fowler、Ardern 和 Lockett 将富含细菌的污泥添加到一级处理的水中，并以与水族箱主人用气泡器给鱼缸水充气的方式大致相同的方式对其进行曝气。曝气会在水中产生高氧水平，从而促进细菌消耗剩余的有机物。研究人员发现，在吃饱喝足后，细菌会沉到底部，在那里可以将其刮掉以供重复使用。这种回收过程被称为“活性污泥”。
对技术统治论的人道异议
对没有结果的科学和技术辩论感到厌倦？
和我们一起去别的地方
二级处理产生的水看起来和闻起来都很干净，但仍然可能不适合饮用，因为一级处理和二级处理都不能消除所有有害的化学物质和微生物。在最后一步_三级_处理中，再次过滤水，例如将其通过装满沙子的大型塔楼。然后，根据设施的不同，会部署各种技术来使水适合饮用。这些技术包括在水中撒入化学物质以去除氮和磷，添加氯或照射紫外线以杀死剩余的微生物，或将水强制通过超细的膜，该膜允许水分子通过，但不允许溶解的污染物通过。所有这些都很昂贵，这就是为什么政府通常会抵制它们，直到受到公众压力才被迫采用它们。
这些系统可以清理人们使用过的水。需要类似的系统来使来自水井、河流、湖泊等的水适合饮用。不同的水资源在不同的地方使用不同的系统，但通常必须对进水进行过滤、澄清和消毒。而且，这些步骤也很昂贵，并且有其自身的政府拖延的历史。
洛杉矶的海佩里恩水回收厂可以追溯到 1894 年，当时它将未经处理的污水排放到海滩水中。1925 年增加了一个筛网来收集固体废物，1950 年增加了二级处理。已经制定了改造该工厂的计划，到 2035 年将每天超过 2 亿加仑的废水回收到饮用水中，预计项目成本高达 50 亿美元。Aerial Archives / Alamy
迫在眉睫的灾难
记者们有一个说法：MEGO，意思是“我的眼睛都看呆了”。它代表着有价值和重要的主题，但人们认为这些主题太枯燥而不想去思考。供水似乎是 MEGO 的本质。修复城市网络非常昂贵、耗时，而且公众看不到，因此历史上政府一直不愿意关注，除非是发生了灾难。有时他们试图将问题交给私营企业，但水显然是一个公共问题，因此在许多情况下，公民都进行了抵制。结果往往是系统勉强维持在令人满意的水平。
开罗、布宜诺斯艾利斯和圣安东尼奥；达卡、伊斯坦布尔和太子港；迈阿密、马尼拉、蒙罗维亚、孟买和墨西哥城——所有这些城市在最近几十年都得到了极大的扩张，而且所有这些城市都未能跟上对清洁、充足水的需求。统计数据令人震惊。在全球范围内，40%的废水未经安全处理就被倾倒，24% 的废水根本未经处理，这导致大约20 亿人使用的水可能受到粪便、化学物质或其他污染物的污染。
肯尼亚纳罗克附近水坑旁的马赛村民© Peter Menzel / menzelphoto.com
美国的情况比许多地方要好，但它也有自己的问题。20 世纪 60 年代和 70 年代的大型公共计划为我们提供了供水系统，其清洁度和可靠性在 Johnny Appleseed 的时代看来就像奇迹一样。我们的祖先建造的系统非常庞大:大约有 150,000 个公共饮用水系统和超过 16,000 个公共废水处理系统。这些系统为大约 80% 的美国公众提供服务。（其余的人拥有私人水井和化粪池，这些水井和化粪池通常在安装时由地方政府进行检查。）
但现在这些系统需要重建。不断增长的需求、日益严重的干旱，以及最重要的是，老化的基础设施正在考验它们的极限。北美几乎有五十万英里的管道接近其使用寿命的终点，并且很快需要更换。同样需要升级的是 20 世纪 70 年代建造的数千个处理厂。美国环境保护署估计，维护该国的饮用水和废水基础设施在未来 20 年内至少需要花费$1.2 万亿美元。水专家一直在警告关于这些迫在眉睫的问题已经几十年了。但尚未承诺提供所需的资金。历史表明，在发生几次灾难之前，这些系统将不会得到维护。但是，如果选民了解供水的重要性，并将清洁水作为优先事项，就可以避免灾难。
“水系统是如何运作的”将在下一期继续。
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