基于流域水資源環(huán)境綜合治理體系研究

基于流域水資源環(huán)境綜合治理體系研究楊繼忠

(北票市水資源辦公室，遼寧朝陽122100)

近年來，生態(tài)保護與經(jīng)濟開發(fā)、人地關(guān)系的沖突日趨頻繁，各行業(yè)發(fā)展對資源的需求持續(xù)增大，加之對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量人們提出了越來越高的要求，維持良好穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境面臨著各種挑戰(zhàn)，并逐漸成為當(dāng)前艱巨而迫切的任務(wù)。

水資源既是戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性的經(jīng)濟資源和自然資源，也是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中影響最廣泛、性質(zhì)最活躍的要素，尤其是隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展水資源逐漸成為與能源、土地重要性相當(dāng)?shù)膽?zhàn)略資源。水資源問題涉及經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、廣大群眾生命健康等國家安全的諸多方面，在維持區(qū)域可持續(xù)發(fā)展中水資源的重要作用和地位日趨突出，特別是在缺水區(qū)域具有顯著的制約作用，在全球變暖趨勢下安全供應(yīng)水資源的不確定性變得更加明顯。

國內(nèi)外學(xué)者越來越認識到水資源是維持地球生命系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而水循環(huán)是支持生物圈的“血液系統(tǒng)”[1-2]。同時，水資源管理和可持續(xù)利用也逐漸引起世界各國的高度重視，尤其是澳大利亞、美國等許多地區(qū)放眼未來，為實現(xiàn)水資源的永續(xù)利用相繼制定了一系列的發(fā)展路線圖。2022年，我國正式發(fā)布的《水污染防治行動計劃》標(biāo)志著在國家層面上城市黑臭水體治理的落實，為緩解城市水環(huán)境問題提出生態(tài)修復(fù)、提質(zhì)增效、控源截污等措施[3]。

考慮到生態(tài)保護、海綿城市建設(shè)、黑臭水體治理的重要定位和發(fā)展前景，以及科學(xué)性、合理性、系統(tǒng)性推進此項工作的要求，本文融入多學(xué)科專業(yè)知識創(chuàng)建六位一體生態(tài)技術(shù)體系，并結(jié)合流域水環(huán)境特點和不同項目特征合理匹配各項生態(tài)技術(shù)。

1水資源環(huán)境治理特點

1.1基本原則

以具體技術(shù)措施為目標(biāo)，以宏觀設(shè)計為出發(fā)點，構(gòu)建流域水資源環(huán)境六位一體綜合治理體系。通過維護多樣化生境和趨近于自然生態(tài)的手法，從更大流域尺度打造系統(tǒng)化的水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)方案[4]。

1.2技術(shù)流程

水資源環(huán)境綜合治理屬于一項全面的系統(tǒng)性工程，以生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)、增大水環(huán)境容量等綜合治理目標(biāo)為導(dǎo)向，通過污染源控制與減排、環(huán)境問題診斷與識別等實現(xiàn)水資源的再生利用以及生態(tài)系統(tǒng)的長效運營，如圖1。同時，與當(dāng)?shù)匕l(fā)展規(guī)劃、水文特征、地貌特征及歷史文化緊密相連。

2綜合治理技術(shù)體系

2.1調(diào)查分析

通過調(diào)查分析全面掌握所存在的問題，并利用各種數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)庫定量評價生態(tài)環(huán)境安全狀況，對環(huán)境未來演變趨勢進行科學(xué)預(yù)測，可為推進綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展、環(huán)境治理保護提供一體化解決方案和指導(dǎo)性服務(wù)。

在運行過程中水生態(tài)系統(tǒng)主要包括生物、物理化學(xué)、地域和水文四個過程，多樣性水文地質(zhì)是恢復(fù)生境多樣和生物多樣的必然條件。在不同高程和不同季節(jié)下水文過程、地貌過程形成的生物棲息地明顯不同，兩者之間存在互相創(chuàng)造、相互作用的關(guān)系。生態(tài)系統(tǒng)受人類活動干擾逐漸失衡，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性和生物多樣性明顯下降，對此應(yīng)將系統(tǒng)輸入按照負反饋機制更加趨近于輸出，維持生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)和環(huán)境好轉(zhuǎn)。

因此，調(diào)查內(nèi)容主要有生物因子、水文水資源、氣候環(huán)境、地質(zhì)地貌、土地利用、水質(zhì)、污染源、地理位置、底泥沉積物等[5-6]。其中，生物因子現(xiàn)狀調(diào)查主要包括大型水生植物、地棲動物、浮游動植物、魚類等群落結(jié)構(gòu)、生物量、豐度和種類等指標(biāo)；污染源調(diào)查主要有干濕沉降、土壤侵蝕、地表徑流和農(nóng)業(yè)面源污染等面源污染，以及禽畜養(yǎng)殖排污、工業(yè)生產(chǎn)排污和生活污水等點源污染源；底泥沉積物調(diào)查主要有重金屬、總磷、總氮、粒徑、有機質(zhì)、含水率、pH值等指標(biāo)；水質(zhì)監(jiān)測主要有BOD、COD、SRP、葉綠素a、氨氮、總磷、總氮、溶解氧、溫度等；水文水資源調(diào)查主要有徑流系數(shù)、降雨分布、流量、集雨面積、流速等；氣候環(huán)境主要有流域內(nèi)經(jīng)緯度、海拔高度、年內(nèi)降水量與蒸發(fā)量分布、年均降雨量與蒸發(fā)量、年日照時數(shù)、主導(dǎo)風(fēng)向、霜期、光照、平均豐富、最低和最高溫度及其出現(xiàn)時間、年均溫度；依據(jù)地勢高低起伏將地質(zhì)地貌劃分成盆地、平原、丘陵、山地、高原；土地利用是指建成區(qū)、農(nóng)耕地、林地等土地性質(zhì)。

依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2022)對流域的生態(tài)多樣性、河流形態(tài)、基底和水質(zhì)等利用以上數(shù)據(jù)進行評價，通過水質(zhì)評價全面掌握主要污染物及其來源，并研究分析時間與空間上主要污染物的變化特征[7]。結(jié)合調(diào)查結(jié)果，診斷分析基底存在的問題以及底泥的污染特征，評估河道形態(tài)是否滿足岸線利用、河勢控制、水力發(fā)電、防洪排澇、水文景觀、航運供水、農(nóng)田灌溉等要求。通過對生物因子的調(diào)查，評估流域內(nèi)浮游動物、大型地棲動物、魚類、水生植物、河岸帶植物的完整性和生態(tài)多樣性，以判別在生物多樣性方面生態(tài)系統(tǒng)面臨的風(fēng)險及其存在的問題[8]。

2.2減排控源

為了有效控制污染物向河流水體的排放，結(jié)合前期污染物調(diào)查分析結(jié)果確定其來源，并考慮水質(zhì)改善目標(biāo)制定適合的污染處理與收集方案[9]。一般地，將污染源劃分成內(nèi)源、面源和點源污染。其中，內(nèi)源污染主要是指通過生物、化學(xué)、物理作用流入河流湖泊中的營養(yǎng)物質(zhì)逐漸沉降到湖泊地質(zhì)表層，長此以往積累一定量后，受外界擾動重新釋放到水體內(nèi)的現(xiàn)象；面源污染主要是由各種大氣顆粒物、農(nóng)藥、氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)、土壤泥沙顆粒等組成，在農(nóng)田排水、土壤侵蝕和地表徑流等作用下進入大氣、土壤或水環(huán)境，其具有潛伏性、滯后性、隨機性、模糊性和廣泛性等特點；點源污染主要是指小范圍內(nèi)可當(dāng)作一點或集中在一點排放污染物的污染源，如徑流集中排入口、管道排口和入水口等，污染物的排放時間、濃度、特性、種類和地點相對固定。

對于城鎮(zhèn)生活污水、工礦企業(yè)廢水等點源污染建設(shè)截污系統(tǒng)，利用集中式污水處理設(shè)施以保證污廢水的達標(biāo)排放。為了解決生態(tài)基流的問題，應(yīng)減量選用能夠就地回用、分散處理、適度集中的小型分散式污水處理設(shè)施。對于雨水、地表徑流排入口等點源污染采用人工濕地，以復(fù)合濕地、淺灘濕地作為前置庫先預(yù)處理地表徑流，再深度處理中水排入，對沖擊負荷人工濕地具有較好適用性，也可利用就地處理、就地排放的人工預(yù)處理設(shè)施[10]。

對于面源污染的收集處理，主要采用建設(shè)緩沖帶、生物隔離帶、淺灘濕地、海綿城市等技術(shù)；針對農(nóng)村面源污染主要是控制土壤氮磷流水、禽畜養(yǎng)殖糞便和生活污水，對此可利用排水溝種植、水陸交錯帶、生態(tài)緩沖區(qū)、前置庫、濕地水塘，采用集中式禽畜養(yǎng)殖糞便沼氣處理工程和分散式小型無動力生活廢水處理技術(shù)等削減農(nóng)業(yè)面源污染。

針對內(nèi)源污染問題，流域內(nèi)的沉積物是否適時為水體提供營養(yǎng)鹽、為生物提供棲息環(huán)境和攝食或可以提供多少等主要取決于其化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)[11]。首先，測算底泥沉積物是負向還是正向影響水體，負向中是否過大影響行洪安全以及過盛釋放水體營養(yǎng)鹽。根據(jù)第一步調(diào)研評價中的水體流態(tài)、化學(xué)指標(biāo)(重金屬、有機質(zhì)、溶解氧、總磷、總氮、氧化還原電位等)、底泥生物(水生植物、弟媳動物、微生物等)分析營養(yǎng)鹽釋放機理及水文特征，從而確定清淤程度以及是否需要清淤。內(nèi)源治理技術(shù)主要有泥-水界面隔離保護、生物增氧、機械充氧、生物降解、鐵錳鹽鈍化和底泥清淤等。研究認為，內(nèi)源污染應(yīng)包括水體內(nèi)的懸浮物以及含量較高的營養(yǎng)鹽，可利用浮游植物、絮凝沉降等技術(shù)同步調(diào)整[12]。

2.3提質(zhì)擴容

流域水資源環(huán)境綜合治理既要控制污染物向水體的輸入，更好注重水環(huán)境容量的提升。近遠期規(guī)劃作為城市發(fā)展的頂層設(shè)計，其產(chǎn)業(yè)定位和人口發(fā)展都要符合規(guī)劃要求，保證整體可預(yù)見性。然而，隨著人口、科技、城市的快速發(fā)展和全球氣候的變化，在季節(jié)上水資源量表現(xiàn)出不均衡態(tài)勢，近年來地表水的體量和可利用水資源逐漸下降，恢復(fù)水體逐漸引起各大城市的重點關(guān)注。當(dāng)前乃至未來一定時期內(nèi)，區(qū)域性的污染負荷平衡和水量平衡將顯得非常重要[13-15]。

水是能量、物質(zhì)轉(zhuǎn)移的介質(zhì)以及生物圈的“血液”，所以必須流動起來，保證液相、氣相、固相的自由轉(zhuǎn)移。結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況統(tǒng)籌所有輸入、輸出的水資源，科學(xué)增加水體總體存量和水資源體量，以增強流域水環(huán)境承載力。一般地，水資源輸入主要有地下水、再生水、上游流入、降水，水資源輸出有滲漏、蒸發(fā)、下游排放和城市用水等。

水系連通是有效恢復(fù)流域生態(tài)最為有效的技術(shù)措施，水系連通能夠充分發(fā)揮水資源的特性，明顯提升河道內(nèi)的水流量和河湖水系水質(zhì)，水域面積的增大、水量的增多和水質(zhì)的改善是生態(tài)水環(huán)境改善的關(guān)鍵。連通城市河流水系還可塑造城市發(fā)展特色、增強城市發(fā)展?jié)摿?、擴展城市發(fā)展空間以及提升城市資源價值。所以，可通過退出被侵占的河湖探地、恢復(fù)原有排水溝渠管護范圍、長度及數(shù)量，修復(fù)濱水帶及河湖的生態(tài)功能和自然形態(tài)、拆除阻斷水流連通的部分閘壩設(shè)置等，充分發(fā)揮生態(tài)景觀、河湖自然滲透、凈化水體、蓄水、滯留作用等水系連通技術(shù)，提高水環(huán)境容量和流域承載能力。

合理利用自然降水和再生水也可實現(xiàn)水環(huán)境容量的有效提高，通過反滲透、納濾、微濾、過濾等技術(shù)，將雨水和污水廠排放的廢水達標(biāo)處理后可用于冷卻設(shè)備補充用水、車輛清洗、農(nóng)田灌溉、園林、城市噴泉、道路養(yǎng)護、廁所沖洗等，在減少地表水開采量的同時實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)水資源的高效利用和保護。

2.4生態(tài)修復(fù)

在體質(zhì)擴容和減排控污染的基礎(chǔ)上，對于已發(fā)生破壞及已有污染物的生境采取生態(tài)修復(fù)措施。生態(tài)修復(fù)前必須明確可測定的目標(biāo)，然后考慮最大景觀尺度、未來環(huán)境變化和合適的參照地，遵循自修復(fù)原則，跨學(xué)科組建專業(yè)隊伍設(shè)計項目方案，強調(diào)對現(xiàn)有水生資源的保護以及生態(tài)系統(tǒng)完整性的修復(fù)，主要核心技術(shù)有：

(1)能量與營養(yǎng)鹽遷移閉環(huán)。以陸地生態(tài)系統(tǒng)的謹(jǐn)慎性、適應(yīng)性、鑲嵌性、模塊性、多樣性、冗余性六大共性為設(shè)計理念構(gòu)建能量物質(zhì)多通路傳遞生物網(wǎng)絡(luò)，確保水體營養(yǎng)鹽含量的有效固化、轉(zhuǎn)移和富營養(yǎng)化過程的及時控制。為提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性創(chuàng)建完善的食物網(wǎng)鏈系統(tǒng)，即分解者、消費者、生產(chǎn)者分別重點關(guān)注“微生物氧環(huán)境與水深的關(guān)系、肉食性與雜食性魚類的關(guān)系、高等水生植物”的金字塔結(jié)構(gòu)，促使能量物質(zhì)的輸入與輸出趨于平衡，維持水系統(tǒng)的良性循環(huán)。另外，人工搭建的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成要遵循復(fù)雜化原則，系統(tǒng)越復(fù)雜其穩(wěn)定性就越強，越能維持水系統(tǒng)平衡和良性循環(huán)；實時關(guān)注溶解氧含量，生態(tài)系統(tǒng)組成和生命的每個過程都有以水為媒介的溶解氧的介入。

(2)多通路食物網(wǎng)操縱閉環(huán)。復(fù)雜的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)是生態(tài)系統(tǒng)健康的重要標(biāo)志，經(jīng)典生物操縱能夠充分利用生物的捕食、競爭關(guān)系，以多條能量物質(zhì)循環(huán)通路保證生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能量物質(zhì)的傳遞效率。食物鏈頂端主要是魚類、鳥類和魚類，其關(guān)鍵影響因素是可以控的魚類，通過食物網(wǎng)魚類可以影響有機質(zhì)循環(huán)、營養(yǎng)鹽以及浮游動植物，進一步影響系統(tǒng)穩(wěn)定和水質(zhì)。傳統(tǒng)河湖中的優(yōu)勢種群較少有肉食性魚類，大多以雜食性魚類為主，因此在淡水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)或構(gòu)建時，應(yīng)考慮食物網(wǎng)鏈關(guān)系和不同的生態(tài)位適當(dāng)增加肉食性魚類比例，從而更好地維持系統(tǒng)內(nèi)部的繁衍與捕食平衡。

(3)生物多樣性生境修復(fù)閉環(huán)。生物多樣性是指特定時空范圍內(nèi)各種生態(tài)學(xué)和生物學(xué)過程的復(fù)雜性、多樣性以及水域環(huán)境與生物物種及其攜帶的遺傳信息所構(gòu)成生態(tài)復(fù)合體的多樣化，這里既包括生態(tài)系統(tǒng)和物種的多樣性，如生態(tài)學(xué)過程(生物、物理學(xué)、地貌、水文等)、生物群落、棲息地，還涉及景觀多樣性，即特定時空范圍的斑塊、廊道等景觀層次和結(jié)構(gòu)。總體而言，通過生態(tài)修復(fù)創(chuàng)造適于生物繁衍與生長的生境條件，如豐富水文地質(zhì)地貌、修復(fù)濱水帶、恢復(fù)陸地坡面、連通水系等等。此外，將利用不同資源或具有不同功能特征的類群組合構(gòu)建多樣性較高的生物群落，通過恢復(fù)生態(tài)功能提高系統(tǒng)的冗余，保證生態(tài)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，維護各生態(tài)位的自修復(fù)功能。一般地，河湖的深灘-淺灘結(jié)構(gòu)多、彎曲度高、溪流倒木等物理生境結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這也代表河湖更加自然健康，棲息地多樣性更好。同時，應(yīng)營造景觀型生態(tài)和生態(tài)型景觀，結(jié)合不同生物生存繁衍需求將水生、陸生、過渡帶的生態(tài)理念與人類洗好的景觀營造相融合。

2.5長治久清

人類根據(jù)自身需求和自然湖泊生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展演替模式，利用水生態(tài)工程模擬自然水體的過程及其格局，構(gòu)建不具備自然屬性的人工生態(tài)系統(tǒng)，最多就是人工與自然雙重屬性的混合體。這種系統(tǒng)擺脫了人為干預(yù)，特別是物流能流補償難以實現(xiàn)自我平衡、自我運行和自我調(diào)節(jié)，一般難以按照人類預(yù)期發(fā)展，其根本原因在于該系統(tǒng)是人為干預(yù)所建立的。人工生態(tài)系統(tǒng)特別是封閉性人工湖泊存在的主要問題有生態(tài)服務(wù)功能確實、能流物流單一、結(jié)構(gòu)架式簡單、組成成分單純。

實際上，人工湖泊不僅要具備目的性、開放性、易變性、社會性，還要具備自然湖泊的基本屬性。對此，采取高技術(shù)手段和科學(xué)分析方法，以最少的物流能流和經(jīng)濟上的投入實現(xiàn)節(jié)約型、高效益、多層次、多功能淡水生態(tài)系統(tǒng)的管理。采用云計算、大數(shù)據(jù)、水環(huán)境預(yù)測模型等構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)和預(yù)測預(yù)警機制，監(jiān)測目標(biāo)河湖水生態(tài)環(huán)境、局地氣候、水質(zhì)、水文等，培養(yǎng)專業(yè)管理隊伍控制外源污染進入，人為干預(yù)維持系統(tǒng)良性循環(huán)，對水環(huán)境變化趨勢實行精準(zhǔn)預(yù)測和綜合評價。對水源活動嚴(yán)格管控，水經(jīng)濟項目合理開發(fā)，充分考慮系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系維持水生態(tài)發(fā)展，建立長效運營的水生態(tài)管護機制。

2.6資源回用

一般地，將生態(tài)過程及生態(tài)系統(tǒng)所形成的維持人類生存發(fā)展的效用和自然環(huán)境條件統(tǒng)稱為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。水生態(tài)系統(tǒng)不僅為人類提供工農(nóng)業(yè)、藥品和食物所需的原料，還能為地球生命系統(tǒng)提供維系和支持，如支持服務(wù)(維持生命生存環(huán)境的養(yǎng)分循環(huán))、文化服務(wù)(文化、休閑、精神受益)、調(diào)節(jié)服務(wù)(疾病、洪水控制)、供給服務(wù)(提供水、食物)。

通過有效管理達標(biāo)處理后的河湖水資源，將其與水系連通補充河流生態(tài)基流。此外，要合理收集和利用廣場、道路等硬化地表降雨徑流和建筑屋頂匯集的降雨，經(jīng)棄流過濾、凈化儲存、回用等為地下水源、習(xí)題、景觀水體、綠化提供雨水補給，以實現(xiàn)節(jié)約用水和