流域水環境污染控制技術與管理策略中存在的問題與挑戰

［澳大利亞］A.加多安尼 等

1 概 述

如今面臨的水危機，并不是指沒有足夠的水來滿足人類的需要，而是意味著水管理水平太低，導致億萬人及其賴以生存的環境受到重創。這段話節選自出版物《世界水展望報告》，它以簡潔而強有力的方式，闡明了目前世界水資源的狀況。如今，世界很多地方都存在水資源短缺，并且隨氣候變化這一狀況將逐漸惡化，但很多地區的水資源沒有進行妥善的管理也是事實，現實存在的諸多管理問題，如水這種重要的資源管理，可能面臨著一系列地區間的共性和顯著差異性的挑戰。已達成一種共識，即要解決諸如水環境這類復雜的問題，特別是在這個瞬息萬變的社會里，需要有一種集成化的管理方法和利用先進科技與政策化的手段。2009 年4 月，舉行了一次關于流域水環境污染控制科技與管理策略的國際研討會，會議由中國浙江大學主辦，美國密西根州立大學以及澳大利亞的西澳大利亞大學協辦。會議主題涉及水質、污染控制、納污水體、藻類水華、圍繞農業教育的社會經濟研究、新的施肥方法應用以及環境管理中人與自然和諧的大框架等。

富營養化與藻類水華通常認為是對世界水資源安全保障最常見且最嚴重的威脅之一。湖泊、飲水水源和其他淡水水體中大型的藻類水華，往往是由微囊藻之類的藍藻引起的。由于尚不明確藻類水華的發生機制，在未來氣候變化的情況下，水華有可能變得越來越頻繁，且強度更大、頻率更高。古代關于藻類水華的報告表明，富營養化問題并不是一種新奇的現象，更清楚的原因是近幾十年來農業活動頻繁和土地利用的改變，從而加劇了藻類水華事件發生的頻率。

藻類水華及其有毒物的產生對水生系統的影響與作用在許多文獻中有據可查，但很少有人知道其社會經濟后果，僅科學界、水管理機構近來才對其有所關注。許多人認為，雖然社會開始理解了經濟成本的重要性，但有關富營養化成本的經濟評價方法仍不是通用的方法。而對于諸如公眾健康、對商業漁類的影響、監測和管理費用增加等，相對容易理解。但對于資源管理者來說，就很難評估生態系統功能、美學價值喪失、物種多樣性缺失、旅游和娛樂等方面的影響。有時可能會遇到由某些政府部門提交的費用案例，例如在美國1998 年有毒藻類水華與氧虧研究控制報告中提到，“國會發現……在過去幾十年間有毒藻類水華造成的經濟損失估計達10億美元”。多滋等學者提出了一份詳細報告，報告分析了淡水系統的經濟損失，估計了特殊生態系統服務損失的經濟價值，以及其在財產價值與娛樂方面的影響，每年的綜合損失達到22 億美元。再從澳大利亞的情況看，其經濟損失大致相當。不過現有的經濟損失研究大多集中在大型商業性或娛樂性漁業(也稱休閑漁業，如貝殼類)的稅收收入上，其估算方法目前還處在爭論中。近來，隨著水科學技術不斷融入到經濟模型中，對上述這些方法進行了完善，即富營養化特別是藻類水華的影響，在很大程度上只是個經濟(如商業漁類稅收損失)指標，并沒有考慮對當地社會的影響(如某些國家的糧食種植或某些魚類稅收大量減少引起的貧窮加重)。

不管怎樣，科學界正在考慮以一種更優的集成方式(100 a 來，有關這方面研究的出版物數量在不斷增加)來處理富營養化及其對社會經濟影響的相關問題。在過去20 a，關于富營養化或水質與社會或經濟影響的出版物數量在不斷增加，其增加量竟占到了過去100 a 同主題文獻的60%。近10 a 來，相關文獻還在持續增加中。

2 人與自然和諧的重要性

有學者認為，有必要修正人與自然之間和諧的框架，并基于傳播閥值概念，找到能與股東達成共識、防止災難性后果的方法。但目前這一框架似乎還不能達到使人類與生態系統同呼吸共命運的境界，也不能以嚴格應用于環境管理的方式使其與自然環境和諧、融入閥值響應的范圍。

西澳大利亞州研究者利用某農場的營養物進行了較詳細的模擬研究，該研究可能對土地的今后利用有重要影響。鑒于過去50 a 農業和城市化的景觀發展導致了從陸地到水體的營養物損失，里弗斯等學者結合農場和集水范圍的測量與調查數據，構建了磷在集水區移動的動力模型，提供了描述磷通量及未來磷損失情形的一種手段。該模型的開發與構建，大大增強了科學管理策略的能力。通過這些農業數據的集成，可有效完善上述研究框架，指導農民在土地利用和肥料(如氮、磷)使用等方面的行為。

3 各種非點源污染

對非點源污染源而言，人們的眼光往往集中在磷和氮上，其實其他污染物如重金屬，對受納生態系統及人類健康也造成了不可忽視的影響。污染的土壤，特別是在人口高度密集的地區是個嚴重問題，極有可能潛在地影響到源自排水系統以及污染地帶沿途含有毒物質地表徑流中的水生物及陸生物。有人對某水稻地區不同緯度地表土壤中重金屬濃度進行了調查。結果顯示，砷與鎘濃度顯著高于參考標準濃度，而鉛、鉻的濃度隨緯度不同而變化。一般來說，海拔高的土壤中重金屬含量較低，土壤中污染程度屬中等。

很多國家都存在有六價鉻(Cr(Ⅵ))污染，因為其在水中的溶解性很高并具有毒性。由于三價鉻(Cr(Ⅲ))毒性略小，經過生物或化學方法將六價鉻轉化為三價鉻的方法，是減少鉻污染的有效選擇。減少鉻污染，還可通過減少0 當量鐵顆粒的化學方法實現。例如，地下水中蘊藏有豐富的天然腐殖物如腐殖酸，便可通過鐵顆粒影響鉻離子而將這些腐殖酸去除。

飲用供水中的砷污染是個世界性問題，其具有不同毒性的幾種化學形式廣為人知。實驗室采樣的種類分布通常并不穩定，于是有人提出了一種對4種毒性最強的可溶性砷進行分離的簡便方法，便于野外操作與室內試驗良好結合，做出結果分析。

4 污水處理與管理

在人口高度密集的地區，高標準的污水處理與管理對于飲用水源的安全與保障是非常關鍵的。含有大量高濃度污染物的污水如果未經充分處理，就容易導致水道內富營養化大量增加，許多嚴重的藻類水華就是與沒有充分處理污水匯入相關。世界各國目前也在嘗試將濕地建為保護區的緩沖區，而且對此的關注度也越來越高，這就給污水處理又提供了一個額外的通道，因為濕地建設相對傳統的污水處理來說，是節省資金而非常成功的方法。

濕地植物的氧傳輸，包括植物營養鹽的吸收，在污水處理過程中扮演著重要角色。有文獻表明，能借用濕地植物根系的泌氧能力來選擇濕地植物的參數，從而增加基底的供氧，加強營養鹽的轉化與去除。而且，去除富含氨氮污水中的氮技術，是一種前景廣闊的有效方法，它是一個全程自養氮化與厭氧氨氧化的新型微生物過程。自氧反硝化脫氮技術，就是用來去除有機物含量較少的廢水中的硝酸鹽或亞硝酸鹽。

工業生產過程中產生的廢水，由于其含有大量組分，且含有不同毒性的污染物，以及需要更復雜的去除機制等問題，給水管理更增添了一層復雜性。例如，洗車廢水中含有大量的包括石油、橡膠、機油、潤滑油和揮發性有機物在內的化合物。發達國家的洗車廢水的循環使用措施廣為采用，而發展中國家的洗車廢水是未經處理就直接進入污水系統。巴蒂等學者在“減少水污染的洗車廢水化學氧化法”論文中，對洗車廢水集成處理系統的可能性進行過論述。而且，化學合成過程中廢水(如藥廠污水)含有高濃度的化學需氧量負荷，必須有效處理后才能無害排放。因為世界范圍都共同努力讓水資源更環保，促使革新的污水處理方法不斷被開發拓展。利用化學加強方法，并與先進的氧化過程結合就是這樣一種革新方法，給傳統的市政污水處理提供了充滿前景的方法。

很明顯，污水處理與管理是個關鍵領域，目前還沒有將污水的行為(或類似的超富營養化)納入系統考慮的框架。根據學者謝佛爾的機制轉變理論，提出了一個可融入污水系統動態學方面的新框架。該框架著重在于理解系統動態學，力圖減少對化學處理或昂貴管理費用(如經常性的底泥去除)的依賴性。

5 營養鹽與富營養化控制

由于工農業生產活動對于環境有著重要影響，隨著不斷增長的營養鹽負荷，很多文獻中都出現了營養鹽特別是氮和磷及其在水體富營養化中作用方面的研究。化學處理，如硫酸銅，廣泛用于減少水道中不斷增加的營養鹽負荷的影響，旨在通過去除有毒藻類水華，提高飲水水質。

減少受納水體富營養化影響的主要策略是去除污水中很有限的營養鹽，這也直接決定著污水處理的類型和水平。不過，濕沉降中的營養鹽能很容易被浮游植物所吸收，對于降雨事件后浮游植物的生長有一定的刺激作用。

像農業這樣的主要產業和廣泛使用的化肥，都可以改善土壤條件，增加農作物產量，同時通過排到主要湖泊水道的徑流而帶去營養鹽。因此有必要調查多余營養鹽之間的反應和在環境中的傳送方式，同時尋找更有效的化肥。有人對包菜地里地表徑流做過氮損失的調查，發現氮損失與徑流量密切相關，并且在不同植物生長階段都發現了氮損失。還有人通過長期野外試驗發現，商業有機肥作為化學肥料的部分替代品，在提高農作物產量和集約化生產的營養鹽平衡方面很有效。因此，商業有機肥由于能減少氮和磷在環境中的損失，所以可以作為化學肥料的部分替代品。

6 水質管理

水體中污染源的分布及時空模式特征對于水資源的管理與保護是很重要的。河流是最容易被污染的水體，在生活污水、工業廢水及耕地徑流傳輸過程中扮演著重要角色。

例如，由于人口壓力及不斷惡化的土地污染，印度德里河亞穆納河段已成為典型惡化的河流生態系統。由于該國都市地區污水排放，河流已經嚴重污染，約占該河污染負荷的79%。該河急切需要有效的河流系統管理，包括在德里污水處理廠最大限度地提高除污效率，控制工業污染，引入污水處理廠的運行管理規則，開發污水控制規劃。

此外，世界上許多國家都在污染水體中使用微生物或化學源追蹤法來識別糞便污染源。由于沿用的標準方法不能識別污染的源頭，所以上述方法的運用發展迅速。不過到現在為止，還沒有一種理想的使用微生物追蹤糞便源的方法(或組合方法)。

7 目前研究方向及未來挑戰

水管理中除了由于隨徑流不斷增加的營養鹽外，污染物的復雜多樣性和廣泛性已擴展到流域以外，這一層錯綜復雜的問題，不得不讓科學工作者和水資源管理者面臨更多的挑戰。也許最大的挑戰是集成化的，而且也是適應性的水資源管理框架的制定。現在熱議的問題是將集成化水資源管理與適應性管理兩種模式正式結合起來，這樣才有助于正視水資源及其管理所面對的現狀和新興難題。這種集成管理，在以前和未來的氣候變化、經濟社會變革情況下都是有必要的。實現集成化管理和適應性管理相結合的可能途徑如下:

(1)集社會、生態和水文系統于一體，提高管理的有效性;

(2)通過投資者參與、合作、分散化和民主化決策，增加立法并增強公眾的認知性;

(3)通過吸收多種知識和參與不同形式的社會學習，得到技術專家的指點;

(4)通過水資源管理的實踐和學習，增強管理的靈活性和適應性。然而，這兩種管理策略都有局限性，并不是將兩者簡單地合為一體。不論在理論上還是在實踐中，均需對上述兩種策略作進一步研究，才有可能找到成功的途徑。