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)保護與經濟開發(fā)、人地關系的沖突日趨頻繁，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)，并逐漸成為當前艱巨而迫切的任務。

水資源既是戰(zhàn)略性、基礎性的經濟資源和自然資源，也是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中影響最廣泛、性質最活躍的要素，尤其是隨著經濟的不斷發(fā)展水資源逐漸成為與能源、土地重要性相當的戰(zhàn)略資源。水資源問題涉及經濟社會可持續(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水資源的不確定性變得更加明顯。

國內外學者越來越認識到水資源是維持地球生命系統(tǒng)的物質基礎，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。2015年，我國正式發(fā)布的《水污染防治行動計劃》標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、提質增效、控源截污等措施[3]。

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

1 水資源環(huán)境治理特點

1.1 基本原則

以具體技術措施為目標，以宏觀設計為出發(fā)點，構建流域水資源環(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)修復方案[4]。

1.2 技術流程

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、增大水環(huán)境容量等綜合治理目標為導向，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，與當地發(fā)展規(guī)劃、水文特征、地貌特征及歷史文化緊密相連。

2 綜合治理技術體系

2.1 調查分析

通過調查分析全面掌握所存在的問題，并利用各種數學模型和數據庫定量評價生態(tài)環(huán)境安全狀況，對環(huán)境未來演變趨勢進行科學預測，可為推進綠色產業(yè)發(fā)展、環(huán)境治理保護提供一體化解決方案和指導性服務。

在運行過程中水生態(tài)系統(tǒng)主要包括生物、物理化學、地域和水文四個過程，多樣性水文地質是恢復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、相互作用的關系。生態(tài)系統(tǒng)受人類活動干擾逐漸失衡，導致系統(tǒng)穩(wěn)定性和生物多樣性明顯下降，對此應將系統(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。

因此，調查內容主要有生物因子、水文水資源、氣候環(huán)境、地質地貌、土地利用、水質、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、魚類等群落結構、生物量、豐度和種類等指標；污染源調查主要有干濕沉降、土壤侵蝕、地表徑流和農業(yè)面源污染等面源污染，以及禽畜養(yǎng)殖排污、工業(yè)生產排污和生活污水等點源污染源；底泥沉積物調查主要有重金屬、總磷、總氮、粒徑、有機質、含水率、pH值等指標；水質監(jiān)測主要有BOD、COD、SRP、葉綠素a、氨氮、總磷、總氮、溶解氧、溫度等；水文水資源調查主要有徑流系數、降雨分布、流量、集雨面積、流速等；氣候環(huán)境主要有流域內經緯度、海拔高度、年內降水量與蒸發(fā)量分布、年均降雨量與蒸發(fā)量、年日照時數、主導風向、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；依據地勢高低起伏將地質地貌劃分成盆地、平原、丘陵、山地、高原；土地利用是指建成區(qū)、農耕地、林地等土地性質。

依據《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)對流域的生態(tài)多樣性、河流形態(tài)、基底和水質等利用以上數據進行評價，通過水質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]。結合調查結果，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、農田灌溉等要求。通過對生物因子的調查，評估流域內浮游動物、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，結合前期污染物調查分析結果確定其來源，并考慮水質改善目標制定適合的污染處理與收集方案[9]。一般地，將污染源劃分成內源、面源和點源污染。其中，內源污染主要是指通過生物、化學、物理作用流入河流湖泊中的營養(yǎng)物質逐漸沉降到湖泊地質表層，長此以往積累一定量后，受外界擾動重新釋放到水體內的現(xiàn)象；面源污染主要是由各種大氣顆粒物、農藥、氮磷等營養(yǎng)物質、土壤泥沙顆粒等組成，在農田排水、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可當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截污系統(tǒng)，利用集中式污水處理設施以保證污廢水的達標排放。為了解決生態(tài)基流的問題，應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，以復合濕地、淺灘濕地作為前置庫先預處理地表徑流，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、就地排放的人工預處理設施[10]。

對于面源污染的收集處理，主要采用建設緩沖帶、生物隔離帶、淺灘濕地、海綿城市等技術；針對農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等削減農業(yè)面源污染。

針對內源污染問題，流域內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、物理結構[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。根據第一步調研評價中的水體流態(tài)、化學指標(重金屬、有機質、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。內源治理技術主要有泥-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，內源污染應包括水體內的懸浮物以及含量較高的營養(yǎng)鹽，可利用浮游植物、絮凝沉降等技術同步調整[12]。

2.3 提質擴容

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)展的頂層設計，其產業(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，恢復水體逐漸引起各大城市的重點關注。當前乃至未來一定時期內，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、物質轉移的介質以及生物圈的“血液”，所以必須流動起來，保證液相、氣相、固相的自由轉移。結合區(qū)域實際情況統(tǒng)籌所有輸入、輸出的水資源，科學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流域生態(tài)最為有效的技術措施，水系連通能夠充分發(fā)揮水資源的特性，明顯提升河道內的水流量和河湖水系水質，水域面積的增大、水量的增多和水質的改善是生態(tài)水環(huán)境改善的關鍵。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、恢復原有排水溝渠管護范圍、長度及數量，修復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，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，將雨水和污水廠排放的廢水達標處理后可用于冷卻設備補充用水、車輛清洗、農田灌溉、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)質水資源的高效利用和保護。

2.4 生態(tài)修復

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

(1)能量與營養(yǎng)鹽遷移閉環(huán)。以陸地生態(tài)系統(tǒng)的謹慎性、適應性、鑲嵌性、模塊性、多樣性、冗余性六大共性為設計理念構建能量物質多通路傳遞生物網絡，確保水體營養(yǎng)鹽含量的有效固化、轉移和富營養(yǎng)化過程的及時控制。為提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性創(chuàng)建完善的食物網鏈系統(tǒng)，即分解者、消費者、生產者分別重點關注“微生物氧環(huán)境與水深的關系、肉食性與雜食性魚類的關系、高等水生植物”的金字塔結構，促使能量物質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)結構、組成要遵循復雜化原則，系統(tǒng)越復雜其穩(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)多通路食物網操縱閉環(huán)。復雜的食物網結構是生態(tài)系統(tǒng)健康的重要標志，經典生物操縱能夠充分利用生物的捕食、競爭關系，以多條能量物質循環(huán)通路保證生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能量物質的傳遞效率。食物鏈頂端主要是魚類、鳥類和魚類，其關鍵影響因素是可以控的魚類，通過食物網魚類可以影響有機質循環(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。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)修復或構建時，應考慮食物網鏈關系和不同的生態(tài)位適當增加肉食性魚類比例，從而更好地維持系統(tǒng)內部的繁衍與捕食平衡。

(3)生物多樣性生境修復閉環(huán)。生物多樣性是指特定時空范圍內各種生態(tài)學和生物學過程的復雜性、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成生態(tài)復合體的多樣化，這里既包括生態(tài)系統(tǒng)和物種的多樣性，如生態(tài)學過程(生物、物理學、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構?？傮w而言，通過生態(tài)修復創(chuàng)造適于生物繁衍與生長的生境條件，如豐富水文地質地貌、修復濱水帶、恢復陸地坡面、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建多樣性較高的生物群落，通過恢復生態(tài)功能提高系統(tǒng)的冗余，保證生態(tài)結構的整體穩(wěn)定性，維護各生態(tài)位的自修復功能。一般地，河湖的深灘-淺灘結構多、彎曲度高、溪流倒木等物理生境結構復雜，這也代表河湖更加自然健康，棲息地多樣性更好。同時，應營造景觀型生態(tài)和生態(tài)型景觀，結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，特別是物流能流補償難以實現(xiàn)自我平衡、自我運行和自我調節(jié)，一般難以按照人類預期發(fā)展，其根本原因在于該系統(tǒng)是人為干預所建立的。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)服務功能確實、能流物流單一、結構架式簡單、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，采取高技術手段和科學分析方法，以最少的物流能流和經濟上的投入實現(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、大數據、水環(huán)境預測模型等構建環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網和預測預警機制，監(jiān)測目標河湖水生態(tài)環(huán)境、局地氣候、水質、水文等，培養(yǎng)專業(yè)管理隊伍控制外源污染進入，人為干預維持系統(tǒng)良性循環(huán)，對水環(huán)境變化趨勢實行精準預測和綜合評價。對水源活動嚴格管控，水經濟項目合理開發(fā)，充分考慮系統(tǒng)功能與結構之間的關系維持水生態(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。水生態(tài)系統(tǒng)不僅為人類提供工農業(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(維持生命生存環(huán)境的養(yǎng)分循環(huán))、文化服務(文化、休閑、精神受益)、調節(jié)服務(疾病、洪水控制)、供給服務(提供水、食物)。

通過有效管理達標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，經棄流過濾、凈化儲存、回用等為地下水源、習題、景觀水體、綠化提供雨水補給，以實現(xiàn)節(jié)約用水和雨水資源綜合利用。

對于居民生活和城市發(fā)展水資源發(fā)揮著越來越重要的作用，但水資源總體上依然短缺，如何統(tǒng)籌協(xié)調地下水、地表水、大氣降水等，更好地保護水質和維持水量，為經濟社會發(fā)展和用水安全發(fā)揮更大的力量，逐漸成為當前研究熱點。通過利用系統(tǒng)科學合理的水資源環(huán)境整治技術，從流域層面上科學決策、統(tǒng)籌協(xié)調，切實提升和保障城市水環(huán)境，為加快水生態(tài)文明建設貢獻力量。

3 結 語

隨著生態(tài)保護意識的增強，流域水資源環(huán)境保護是大勢所趨。對此，本文結合不同項目特點和水環(huán)境專業(yè)治理技術提出六位一體的綜合治理體系，并從實踐和戰(zhàn)略方面保障水環(huán)境整治項目的科學性、合理性，為流域水環(huán)境保護提供技術支撐。