水生態環境綜合治理頂層設計與關鍵技術

專家名片

王浩，中國工程院院士，博士，教授級高工，現任流域水循環模擬與調控國家重點實驗室主任，中國水利水電科學研究院水資源研究所名譽所長，兼任中國可持續發展研究會理事長，全球水伙伴（中國）副主席，中國自然資源學會、創新方法研究會、水資源戰略研究會等國家級學術團體的副理事長和副會長，擔任水利部、環保部、國家林業局等省部級行業主管部門科技委委員。

1 中國水環境形勢及

傳統解決方案的不足

當前中國面臨的水環境形勢有兩個基本判斷，其一，近些年來水環境質量有所改善，社會經濟發展與水污染呈現解耦趨勢，表現為“兩上升”和“兩下降”，即國內生產總值增長率及中國七大水系I-III類水質比例逐漸增加，地表水劣V類水質比例及地表水COD（化學需氧量）濃度下降，且通過工程減排、結構減排、管理減排，使得主要污染物排放量得到有效控制。其二是未來水環境保護依舊任重道遠。表現為水環境質量仍不容樂觀，河流水質劣于III類的斷面數占28.8%，海河流域、遼河流域、淮河流域三河尤為突出（占到40%～60%），因此國家在《城市黑臭水體整治工作指南》中明確提出，到2020年底前使得地級及以上城市建成區黑臭水體均控制在10%以內；到2030年，城市建成區黑臭水體總體得到消除。未來隨著城鎮人口的增加、經濟規模的增大、氣候變化的影響，水環境的壓力也必將會加大，且新型和有毒有害污染物健康風險增大，老債新賬疊加共存，呈現為復合型特征，治理難度加大，突發性水污染危害也較嚴重。

中國水污染防治傳統解決方案還存在不足，其一是污水排放標準不適應中國國情，照抄發達國家的排放標準，未與水環境容量掛鉤，未考慮中國城市在流域中“高密度”的布局特征，這套標準從根本上不具有科學性，不適應中國國情。其二是違法排放成本低，缺乏激勵機制，主要污染物排污費征收標準偏低，排污收費指標不健全，征收排污費的范圍窄，違法處罰力度不足且排污費不能足額征收。其三是污水處理廠建設與運營監管薄弱，污水處理效率有很大的提升空間。其四是總量控制缺乏系統性設計，具體表現在四個“脫節”和一個“缺乏”，即質量目標與環境監管脫節，總量控制與濃度控制脫節，水污染控制與水生態保護脫節，以行政區為基礎的環境功能區劃與流域水污染調控脫節；缺乏與污染物排放標準、地表水（海水）質量標準相適應的統一的水環境容量核定與分配方法。

2沁河流域水生態環境概況與問題分析

沁河流域是黃河一級支流，是山西省第二大河流，也是山西省唯一一條清水河流，多年平均水資源總量為13.02億立方米，2015年水質評價河長達標率82.6%，水功能區水質達標率63.6%，安澤境內森林覆蓋率達到46.59%，生態良好。

但沁河流域水生態環境還面臨著一些問題，其一，水資源本底不足，且在變化環境下徑流衰減明顯。沁河流域人均水資源量472立方米，僅為全國平均水平的22.4%，黃河流域的83.5%。從1956～2000年沁河潤城站多年平均實測徑流量6.09億立方米，而1991～2000年僅為1.98億立方米，較多年平均減少67.5%，較20世紀60年代減少80%以上，其中氣候變化導致降雨減少的原因占40%，而煤炭和地下水開采、水土保持等人類活動導致的原因占60%。其二，受煤炭開采影響，沁河流域的部分河段水污染嚴重，煤炭工業是沁河流域的支柱產業，無煙煤儲量約占全國1/4、山西省的近1/2。工礦企業主要分布在沁河中下游及支流丹河，已建生活污水處理廠管網平均覆蓋率僅為75%左右，部分縣市現有的污水處理廠處理能力水平不足，沁河入河流的排污口有65處，現如今點源廢污水排放總量1.25億立方米，沁河、丹河6個監測斷面除鄭莊可達到Ⅱ類標準，其他5個斷面均為Ⅳ類到劣Ⅴ類。其三，生態流量和生物棲息地沒有保障，水生態退化嚴重，沁河干流已建水電站29個，縱向連通性指數為6.0個/100千米，遠超0.5個/100千米的良好標準；且大多是引水式電站，在調度運行中不考慮下泄生態基流，造成河段脫流，生態功能退化，魚類資源退化嚴重。

因此，解決沁河流域水生態環境治理就要從流域水污染綜合防治和河道內生態流量保證兩方面抓起，從水質和水量出發來使得水生態得到保護和修復。從水質來講，要做好控制入河污染的總量、嚴格廢污水排放的標準、使用煤化工零排放技術、防治地下水污染以及污染水體的修復等。從水量來講，要控制用水總量、提升全過程的效率、制定生態流量的目標、水利工程生態的調度以及部分小水電的退出改造等。

3流域水污染綜合防治理論、技術與實踐

水污染防治理論和原則有三個，第一是流域水循環理論，其所對應的原則是流域綜合治理原則，治水不能就水論水，一定要以流域為單元進行治理，流域不僅僅是水污染問題，還涉及防洪、供水、生態等問題，流域是水污染問題研究和治理的基本單元，要實現干支流一體化治理、上下游一體化治理、水陸一體化治理、城鄉一體化治理。

第二是木桶理論，其所對應的是單元控制原則，將流域分解成若干小流域，形成幾十個上百個單元，每一個單元采用分散式生態治理模式，要盡可能做到污染物的產生和消減平衡，做到每個單元片片守土有責，每一片都不給下游留麻煩。

第三是系統均衡理論，其所對應的是二三聯防原則，每個單元污染負荷的來源和數量、污染治理的條件和成本不一樣，污染防治需從經濟、社會、生態、環境、技術等方面綜合考慮，使得治理的總成本最小，總效益最大。如不能做到每一單元污染物的產生和消減平衡，則二三單元聯防聯治，保持每個單元邊際成本和效益均衡。

水污染防治關鍵技術有四個，第一是水環境的目標倒逼核算技術。水污染問題在水里，原因在岸上。要以流域為單元，進行水污染問題診斷，識別點源、面源、內源、外源的貢獻，評估河流的環境承載能力，確定水污染排放的控制總量，將排污總量層層分解，確定流域內區域允許排放的入河污染物量，最大程度減少對流域水循環過程的干擾。第一治污要進行全流域的污染源分布調查，將產污、減污、排污的節點以及點源、面源、生活源、工業源、河湖底泥的內源全部查清楚，然后做污染源產污規律的識別，通過構建矩陣，定量識別不同類型來源的產污強度、產污時段、產污種類等來進行水環境目標倒逼技術。例如一條河流應該先確定分幾個子河段，然后確定每個子河段的生態服務功能，再接著確定河段水質等級，再接著確定各個河段的水環境容量，再通過調查各河段入河的污染物負荷量，將污染物入河量減去水環境容量，剩下就是應當消減的污染物量，把其分解到各個河段入河排污口，最后倒推分解到共享排污口的各排污企業，這樣才能實際起到保護河流的作用。第二是水污染遷移轉化模擬技術，即“流域—城市”分布式水量水質模型，首先要掌握流域水流，接著再了解污染物伴隨著水流的遷移、轉化、附著、降解以及污染物之間的相互作用等過程。第三是水環境治理措施優化篩選技術，面向水環境改善要求，綜合考慮措施技術經濟特征，兼顧效益與成本。第四是水污染的全過程防控技術，以流域為單元，做好“源頭減排、過程阻斷、末端治理”，源頭減排即采用清潔生產技術與工藝，調整產業結構與產品結構，減少污染物的產生，加強社會水循環全過程高效利用。對于城市單元來講，應該截污納管，雨污分離，實行污染物源頭分離，營養物利用；對于農村單元來講，應該收集再利用農村生活污水，集中收集農村垃圾，種植科學施肥用藥，推廣節水灌溉、有機農業、設施農業，實現畜禽養殖規模化、工廠化；對于工業單元來講，要運用工業水重復利用技術、熱力與工藝系統節水技術、工業廢水減排循環利用技術以及工業用水計量與快速堵漏修復技術。過程阻斷是指構筑閉路循環系統，實現再生水利用、營養物質的循環利用，阻斷污染物進入水體過程，生活污染過程阻斷應將小區居民生活廢污水集中處理后，達到一定的標準回用于小區的綠化澆灌、車輛沖洗、道路沖洗、家庭坐便器沖洗等。農業污染過程阻斷應該通過修建田間濕地，結合農田地下排水系統，實現農業灌溉水循環凈化。工業污染過程阻斷應該循環用水，分置供水。污水處理廠應從集中化、大型化走向分散化、小型化發展。末端治理是指污水的物理、化學與生物處理、污泥處置與物質利用、水生態系統修復。末端治理技術已經更新到第三代，即原位生態修復技術，具有提高透明度、釋放氧氣、清理底泥三大效應。

典型流域綜合治理實踐：龍崗河、坪山河兩河流域位于深圳市東北部，是深圳“東進戰略”的橋頭堡，既是東江調水的受水區，又是東江流域的水源區，具有極其重要的戰略地位。但水環境交接斷面水質不達標，支流水體存在黑臭，防洪排澇能力總體較好，但仍存在防洪瓶頸和內澇風險點，河道生態基流缺乏，水庫和再生水未能有效利用；河道藍線被侵占，濱水空間不足；未能體現豐富的歷史文化和新文化特點，與落實東進戰略、打造“東方文化客廳”的要求不匹配。因此，治理時要從源頭減排、過程阻斷、末端治理三方面做起，做好四個強化，即強化工業廢水、居民生活、建成區污染負荷減排和水源地保護，抓好四道防線，即構建分流、阻隔、調蓄、處理與回用一體化的雨洪、污染攔截與削減體系，突出四大亮點，即打造水體、底泥、濕地、水岸的良性循環系統，從水量優化、風險防范、文化融合、智慧管理四方面做好外部保障。

治理污水，在規劃目標與理念時要以治水提質為核心，遵循水環境、水安全、水資源、水生態、水文化五位一體的工作方針，按照“全流域—全過程—全要素”的流域綜合治理理念開展規劃，實現干支流一體化、城鄉一體化、水陸一體化。在規劃思路時要按照“單元控制—系統均衡”的思路編制規劃，要符合勢能最小理論和均衡理論。在水環境治理時要按照“源頭減排—過程阻斷—末端治理”的思路實施水環境治理，建立起“排放標準倒逼、單元控制削減、二三聯防平衡”水環境治理和風險防范聯動機制，采用新方法和新技術，提出綜合治理解決方案。

4河流生態需水過程

及其保障

在開展水利水電工程建設后，河流生態系統的水流、水溫、水質、水域空間等生態水文因子發生不同程度的變化，對魚類生命史各階段產生累積影響，造成魚類種群數量結構變化，進而導致水生態系統退化。

水利工程生態影響表現為：其一是水流流態變化的影響。一方面，脈沖流量過程削弱降低了對魚類洄游產卵的刺激作用。天然漲水的流速增大過程可以刺激魚類性腺排卵受精，水利工程調控后，脈沖過程極大減少，繁殖期魚類產卵的水流刺激作用弱化或消失。另一方面，水體流速下降導致漂流性魚卵下沉，不能順利孵化。漂流性魚卵水中受精后，比重略大于水，需要一定的流速才能懸浮于水中，順水漂流完成孵化。相關研究表明，水流平均流速≥0.25米/秒的情況下，漂流性卵才能不下沉。

其二是水域空間變化的影響。從縱向看，縱向連通性的降低阻隔了魚類洄游通道，并限制了漂流性魚卵的孵化漂程。梯級電站切斷了江海洄游性魚類的上溯通道，即使洄游距離不長的魚類，其棲息空間也被束縛在相鄰的兩個梯級電站之間，不利于生存繁衍。漂流性卵在0.25米/秒的最小漂流流速下，平均孵化時間7天，至少需要150千米的無阻隔漂程來保證魚卵孵化。從橫向看，橫向漫灘濕地的淹沒降低了粘性魚卵的附著空間與孵化幾率。產沉性卵或粘性卵的魚類，如沁河的重點保護魚類烏蘇里擬鲿等，產卵季節魚卵會粘附在河灘中礫石或水草表面孵化。而水庫建設造成漫灘濕地的消失，降低了產粘性卵魚類的附著空間與孵化幾率。此外，水庫消落帶的頻繁漲落也導致橫向水域空間脆弱性突出。從垂向看，垂向水域深度增加造成底質環境變化，喜淺水魚類的生境大幅消失。大部分喜淺水魚類主要以礫石表面的生藻類和底棲動物為餌料，水庫蓄水后，底棲急流、礫石河灘等底質環境被垂向數十米乃至一百米以上的深水淹沒并逐漸被泥沙覆蓋，極大限制了這部分魚類的適宜生境，適應于緩流或靜水環境生活的魚類形成新優勢物種。

其三是水體溫度變化的影響，庫區截水泄流，整體下泄水體水溫下降，導致魚類生長速度下降，在冬季到來前體型太小，不利于越冬存活；春夏季下泄水溫低于河流水溫，造成魚類產卵繁殖延后，孵化積溫不足，繁殖成功率下降；庫區“躍溫層”年內水溫差基本消失，呈現“冬暖夏涼”現象，致使某些深水區冷水魚類物種消失；水力發電致使上游水庫突然泄水現象時有發生，下游水體水溫的快速變化，影響魚類生存棲息環境。

其四是水質和懸移質變化的影響，溶解氧（DO）不足和總溶解氣體（TDG）過飽和均對魚類生存構成巨大威脅。庫區上層水體能夠保持較高溶解氧水平，但如果光照、溫度適宜，且氮、磷含量較高時，浮游生物大量繁殖，將與魚類爭奪氧氣造成魚類窒息死亡；在庫區底層，氧補充不足，浮游生物死亡產生大量硫化氫，形成缺氧區。在壩下河道，水庫泄流消能造成水流氣體過飽和，魚類吸入后，會形成“氣泡病”，危及魚類生命。營養鹽、污染物伴隨泥沙在庫區沉降，存在爆發風險。庫區水流變緩，挾沙能力減弱，附著大量營養鹽、有機物，甚至有毒有害物質的泥沙顆粒在庫底淤積。當達到一定溫度及水流條件時，營養鹽及有毒物質隨泥沙顆粒再懸浮，短時間內擴散會形成“內源”污染。此外，泥沙集中下泄會淤堵魚鰓器官，造成魚類窒息死亡。

《中華人民共和國水法》第4、21、26和第30條都有明確的生態水量保護規定，且國務院也出臺相關計劃意見維護河湖健康生態。

科學導報見習記者張娜整理

全國河流生態流量保障現狀有：第一，全國河道內生態需水的配置總量足夠。根據《全國水資源綜合規劃》，2030年全國河道內配置總水量為22719億立方米，大于19181億立方米的河道內生態環境總需水量。在優先保障河道內生態需水的前提下，全國水資源可利用總量為8140億立方米，而實行最嚴格水資源管理制度確定的用水總量紅線是7000億立方米。因此，從總量上來說，通過水資源合理配置，全國19181億立方米河道內生態需水是可以滿足的。

第二，生態流量保障總體上南方好于北方，干流好于支流。調查評價全國十大水資源一級區的360個重要控制斷面，結果顯示，南方地區調查評價的77條河流及11個湖泊濕地的125個控制斷面中，生態流量基本滿足的占比為95%；北方地區調查評價的135條河流及32個湖泊濕地的235個重要控制斷面中，生態流量基本滿足的占比為75%。七大江河干流重要控制斷面中除海河干流下游的生態基流不滿足外，其他6條干流基本滿足，占比為95%；一級支流中基本滿足的占比約為84%，二三級支流基本滿足的占比約為63%。

第三，北方是生態流量有無的問題，二三級支流尤為突出。2015年，海河區地表水資源開發利用率達到130%，河道內生態用水被大量擠占，中下游多數河段處于有水無流或干涸斷流狀態。除海河流域外，北方大江大河生態基流保障基本可控。黃河自1999年實施水量統一調度以來，連續17年不再出現斷流。對于北方地區大部分二、三級支流而言，豐枯季節地表徑流差異顯著，山區段河流由于人類活動干擾相對較小，生態需水基本可以滿足；而平原河段由于用水矛盾突出、擠占生態用水嚴重，平枯水期多呈斷流狀態。

第四，南方是生態流量多少的問題，水電開發影響較為突出。

第五，南北方敏感生態需水均不能得到有效保障。無論南方還是北方地區，無論是大江大河還是二三級支流，敏感生態需水保障問題均較為突出。

十九大報告中提出綠水青山就是金山銀山的號召，要建設生態流域，就要從城市、農田、山區坡面三個板塊抓起。山區坡面建設生態流域需要給它提供涵養水源，增加森林覆蓋率，把陡漲陡落的洪峰將其坦化，同時提高枯水期的徑流。海棉田的調控則需要將高一點的田埂升埂，實現水肥耦合。城市的調控則是建設海綿城市，減少澇水，做好水環境、水安全、水資源、水生態、水文化、水經濟、水景觀、水管理。