氣候變化背景下我國湖庫型水源富營養化控制與飲用水安全保障策略

曹曉峰，冀澤華，蘭華春，劉會娟，曲久輝

（清華大學水質與水生態研究中心，北京 100084）

一、前言

飲用水安全關系到廣大人民群眾的健康，是人類生存的基本需求。黨中央、國務院高度重視飲用水安全保障工作，采取了一系列工程和管理措施，頒布實施了《中華人民共和國水法》《中華人民共和國水污染防治法》《飲用水水源保護區污染防治管理規定》等諸多法律法規，將飲用水安全保障提升到一個全新的高度。

近年來，在全球氣候變化背景下，湖泊、水庫面臨不同程度的富營養化加劇和藍藻水華頻發問題，嚴重威脅到以湖庫為水源地的飲用水供水安全，制約了人民群眾對高品質飲用水的需求。藍藻水華產生的藻毒素和藻源性嗅味物質將會直接影響水質安全，而含藻水進入飲用水處理工藝，還會嚴重影響混凝、沉淀、過濾和消毒單元的處理效率，嚴重時會導致飲用水廠的供水量大幅減少；此外，穿透濾池進入供水管網的藻細胞在一定厭氧條件下會發生腐化，從而腐蝕供水管網，進一步影響飲用水水質的化學穩定性和生物穩定性。因此，有效解決湖庫富營養化及藻類大量生長對飲用水水質的影響成為飲用水安全保障的重要任務。目前，在長期氣候變化與極端氣候事件雙重驅動下，湖庫型水源地富營養化控制水平、飲用水處理工藝保障能力、供水管網輸配管控水平、飲用水安全保障機制仍需進一步提升，飲用水安全保障形勢仍十分嚴峻。

本研究在中國工程院重大戰略咨詢項目“面向生態文明建設的水安全保障戰略研究”支持下，通過分析全球氣候變化背景下我國湖泊富營養化應對及飲用水安全保障面臨的問題與挑戰，提出面向生態文明建設的飲用水安全保障策略與建議，為進一步提高我國飲用水安全的保障水平，引領國家水生態系統管理與保護提供參考。

二、我國湖庫富營養化與飲用水水質現狀

（一）我國湖庫富營養化的總體情況

湖庫是我國重要的戰略水資源，在保障飲用水供給方面發揮著重要作用。作為我國三大城市集中式飲用水水源地類型之一，服務了全國47.2%、近7億人口的飲用水供給。但近三十年來，湖庫富營養化及其引發的水華頻發問題已嚴重威脅到水生態系統健康與飲用水安全保障[1]。生態環境狀況公報統計數據（見圖1）顯示：開展營養狀態監測的重要湖泊（水庫）數量由2001年的3個上升到2021年的209個，近十年湖庫中度、輕度富營養狀態分別約占4.8%、21.8%，中營養狀態占62.3%，貧營養狀態占11.0%，富營養狀態湖泊比例略有上升，貧營養化湖泊比例略有下降。其中，洱海、丹江口水庫等為中營養狀態，太湖、巢湖、白洋淀等為輕度富營養狀態，滇池等為中度富營養狀態[2]。

圖1 2001—2021年我國重要湖庫營養狀態的變化情況

2001—2018年，水利部門開展了較多數量的湖泊、水庫營養狀態監測。水資源公報數據（見圖2，圖3）顯示：2001—2018年間中營養湖泊占28.7%，富營養湖泊占70.6%，中營養水庫占67.5%，富營養水庫占31.6%，而在2009—2018年，富營養比例則有所上升，湖泊與水庫分別占比達到71.9%與32.2%[3]。

圖2 2001—2018年我國重要湖泊營養狀態變化情況

圖3 2001—2018年我國重要水庫營養狀態變化情況

綜合生態環境與水資源公報數據分析結果，近十年我國湖庫富營養化程度向好趨勢不明顯，在水環境質量改善方面仍面臨壓力。

目前，《全國重要飲用水水源地名錄（2016年）》中共有618個水源地，其中湖泊型飲用水水源地8個、水庫型飲用水水源地271個，約占總數的45%（見圖4）。以長江流域為例，湖庫型水源地在流域210個重要水源地中占比33.8%[4]，是重要飲用水水源地的主要組成部分。湖泊型飲用水水源地雖然僅占比1.3%，但其中輕度富營養化湖泊有5個，中營養湖泊有3個，而在水庫型飲用水水源地中，于橋水庫為輕度富營養化狀態，鶴地水庫、嶗山水庫、磨盤山水庫等為中營養狀態（根據《2019中國生態環境狀況公報》數據）。參考水資源公報對水庫營養狀態的監測結果，預計重要飲用水水源地的營養狀態不容樂觀，后續針對性工作有待進一步推進。

圖4 我國重要飲用水水源地名錄中湖庫型水源地占比情況

（二）我國飲用水水質達標的總體情況

2020年全國地級及以上城市集中式生活飲用水水源總體達標率為94.5%，地表水達標率為97.7%，主要超標指標為硫酸鹽、高錳酸鹽指數、總磷[2]。而在2015—2020年，總體達標率平均為91.3%，地表水達標率平均為94.3%（見圖5），表明近年來飲用水水源達標率持續提升。城市自來水廠出廠水質達標率由2009年的58.2%提升到2018年的近97%，城市供水普及率從2010年的96.68%增加到2020年的98.99%[5]。我國農村集中式供水受益人口比重穩步升高，“十三五”期間，水利部指導督促地方推進農村供水工程建設，截至2020年年底，全國共建成931萬處農村供水工程，將農村自來水普及率從2010年的60%增加到2020年的83%，集中供水率達到88%[6]。相比城市，農村供水保障能力仍需進一步提升。

圖5 我國地級及以上城市集中式生活飲用水水源達標率

三、全球氣候變化背景下我國湖庫型飲用水水源地富營養化控制與飲用水安全保障面臨的問題與挑戰

（一）湖庫型飲用水水源地富營養化仍然嚴峻

1.升溫加速湖庫富營養化

在自然狀態下，湖泊會自發地從貧營養狀態向富營養狀態過渡，但是這種自然過程非常緩慢。氣候變化造成的次生災害增加導致水土流失，同時區域降雨變化，也會造成大量污染物被沖刷后隨地表徑流進入湖庫中，加速湖庫水體富營養化[7]。研究表明，伴隨全球氣候變化進程，全球68%的大型湖泊夏季藍藻水華強度增加，而我國西部區域湖泊增加明顯[8]。藍藻水華爆發頻次增加將導致水體嗅味物質含量升高、pH值上升。相比于地下水源，氣候變化對湖庫型飲用水水源地的影響更為顯著，對我國飲用水安全造成嚴重威脅。

2.面源污染仍是湖庫型飲用水水源地的重要污染源

目前，我國化肥有效利用率僅為30%左右，未吸收的氮、磷大多通過地表徑流進入地表水，是水體富營養化的主要因素[9]。由于多數湖庫飲用水水源地分布在比較偏僻的地區，監管工作不到位，大量生活垃圾與養殖廢棄物堆放、生活污水直排、水源地周邊放牧等問題，都會嚴重影響飲用水水源地的水質安全，增加了水體富營養化的可能。在氣候變化背景下，雨洪、干旱、高溫等因素也進一步影響了富營養化水體中藻類的繁殖[9]。通過分析2002—2018年我國79件突發的生活飲用水污染事件，發現水源地被污染占事件總數的49.4%[10]。2018年，全國集中式飲用水水源地環境保護專項行動排查縣級以上飲用水水源地2466個，發現環境問題6426個[11]，其中生活面源與農業面源分別占比27%、16%（見圖6），生活面源、農業面源污染、工業企業排污仍是水源保護區存在的主要環境問題。

圖6 全國集中式飲用水水源地環境保護專項行動中存在問題比例

（二）飲用水處理工藝保障能力還需提升

1.常規水處理工藝難以處理含藻水

常規飲用水處理工藝主要包括混凝、沉淀、過濾、消毒單元，其難以有效去除藻華爆發導致的異臭味物質、消毒副產物的前驅物和藻毒素等藻源性微量有機物。藍藻水華的爆發，會導致水廠混凝效果下降、鋁含量超標以及濾池堵塞等一系列問題。與此同時，由于水中大量藻類、有機物和氨氮的存在，使得消毒劑用量大大增加，同時大幅增加了消毒副產物的生成量。實際上，我國原建和新建供水廠以傳統工藝為主，對溶解態藍藻胞外聚合物的去除能力有限，去除率僅為67.73%[12]，大多數水廠缺乏對含藻水特別是高藻水的處理能力。針對常規水處理工藝的局限性，同時要保證不同氣候條件下安全的飲用水供給，必須加強含藻水的預處理，強化常規水處理工藝或者增加其他處理環節。

2.面向不同區域的飲用水處理技術有待發展

以增溫為主的氣候變化對于我國南北方區域的水處理技術將產生不同影響，對于不同區域的飲用水處理技術與工程更新迭代提出了新的要求。目前針對長期氣候變化的準確預測能力尚不完善，氣候變化預測不確定性大，導致面向不同氣候變化影響下的飲用水處理技術的發展方向仍有待探討。溫度升高對藻的繁殖乃至爆發有重要影響，對一些流動性較差的水庫影響更為顯著，如上海長江口青草沙水庫產嗅藻爆發導致的土霉味問題，是我國此類水庫務必解決的重大飲用安全保障問題。目前，在除嗅工藝中經常使用的活性炭吸附技術、臭氧-活性炭聯用技術，對飲用水控嗅除嗅效果顯著[13]。更為有效和安全的新技術研發，將對氣候變化下飲用水安全保障起到更為積極的作用。

（三）供水管網建設與輸配管控亟待加強

1.供水管網建設亟待提升

管網是供水工程的“動脈”。截至2020年年底，我國城市供水管道總長度達到1×106km。到2035年，我國早期建設的管網約65%的管齡將超過30年[14]。但是近十幾年來政府投入不足，供水管網系統更新欠賬較多。自來水廠出水在管網輸送和水池（箱）蓄儲過程中，由于管道破損導致外界污染物進入和內部污染物繁殖等造成了二次污染。金屬管道內容易發生電化學反應而產生結垢層，但我國目前90%以上供水管道是鑄鐵管、鋼管，近幾年新建的給水管道仍有85%采用金屬管道。管徑、管齡、腐蝕、運行壓力、溫度變化等都成為影響供水水質安全的重要因素。

2.全過程水質監測能力不足

供水管網是一個巨大的反應器，輸配過程發生的化學和生物學作用對水質產生重要影響。根據對占全國總供水量42.44%的36個城市調查結果顯示，出廠水平均濁度為1.3度，而管網水增加到1.6度；色度由5.2度增加到6.7度；鐵由0.09 mg/L增加到0.11 mg/L；細菌總數由6.6 cfu/mL增加到29.2 cfu/mL[15]。在氣候變化條件下，氣溫、濕度、降水等因素的改變造成輸配管網環境發生變化，水文水資源時空分布變化造成區域輸配比例變化，以及氣候變化造成的供水系統可靠性、恢復性和脆弱性變化，都對飲用水安全保障的最終環節產生復雜影響，直接影響龍頭水質。目前，供水行業生產管理信息化建設已有20多年的歷史，但物聯網、大數據、云計算等信息技術應用剛剛起步，不同時期建設、不同業務功能的系統信息孤島現象仍然嚴重[14]，尚未實現“從源頭到龍頭”全過程的高集成度水質實時在線監測預警。此外，由于區域需求差異，相關部門對智能化監測發展不夠重視，導致水量、水質與需求不匹配，增加了飲用水安全管理的風險。

（四）飲用水安全保障體制與機制不健全

1.缺乏專門的水源水質標準

現階段水源水評價主要依據《地表水環境質量標準》（GB3838—2002），即：地表飲用水水源一級保護區內的水質，不得低于國家《地表水環境質量標準》Ⅱ類標準；二級保護區內的水質，不得低于國家《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準，該標準規定與飲用水水質標準規定的指標之間存在一定的不一致性。國家層面尚未針對湖庫型飲用水水源地特性、水源水質條件現狀、未來氣候變化等因素制定綜合協調統一規范的飲用水水源水質評價體系，影響了飲用水水源地保護和水質安全保障的管理和策略的制定與實施。

2.飲用水安全管護制度與風險控制體系尚不完善

依據《中華人民共和國水法》《中華人民共和國水污染防治法》等有關法律法規要求，國內水源地保護發揮了至關重要的作用，但仍存在法規制度不完善、水源地監管需要加強的問題。相比國外發達國家在水源保護、水質安全綠色管理方面長期實踐形成的諸多法律、立法體系，如美國的《安全飲用水法》，日本的《河川法》《水質污染防治法》，歐盟的四大基礎法律《歐盟水框架指令》《飲用水源地地表水指令》《飲用水水質指令》與《城市污水處理指令》，德國的《水庫水水源保護區條例》《湖水水源保護區條例》等[16,17]，目前，我國國家層面尚未出臺飲用水水源地保護專項法規，現行法律法規之間并沒有形成一個完整的法律保障體系，缺乏對飲用水水源地保護的全面統籌。不同部門之間協調不力、權責劃分不清，難以形成監管合力，一定程度上影響了飲用水水源地保護工作的有效開展[18]。同時，氣候變化增加了水文、水資源、水環境、水生態等要素對飲用水安全影響的不確定性風險，我國在應對氣候變化影響的飲用水安全保障制度方面的研究還相對薄弱。如何準確預測未來氣候變化帶來的飲用水安全風險并根據不同氣候情景建立飲用水安全保障機制，對飲用水安全保障工作進行系統指導、評價、考核及科學決策，仍需大量的基礎研究和工程探索。

3.飲用水安全保障資金投入多元化機制亟待健全

近些年來，部分地方政府受財力限制，難以保障水源地安全達標建設工作經費，凈水工藝升級改造和輸配管網更新欠賬較多。同時，水價受到居民承受能力等因素制約而難以及時調整到位，供水企業普遍處于微利甚至虧損狀態，無力投入到供水設施更新改造和建設中。國家層面也尚未打通城市飲用水水源地保護投資渠道，投資保障機制不健全，制約了水源地安全保障達標建設工作的進度。如西藏、貴州等地由于缺乏專項經費，導致水源地達標建設等工作開展難度大[18]。

四、全球氣候變化背景下我國湖庫型飲用水水源富營養化控制及飲用水安全保障策略與建議

（一）加強湖庫型飲用水水源地環境保護與生態修復力度

在復雜多變的氣候變化和環境污染形勢下，湖庫水源作為一個開放性、關聯性和功能性的水體，受多種環境因素和生產生活過程影響，也與相關流域的環境質量關系密切，需要從生態系統完整性的角度進行綜合規劃和系統治理，加強空間管控，治理湖庫富營養化，構建水生態安全格局。流域綜合治理應從綠色發展角度，發展綠色農業，減少農藥化肥使用量。同時加強陸域控源減排，強化湖庫周邊生態建設，推動點源、面源污染防控，深入改善湖泊生境，防控湖泛，降低水華爆發風險，保障水源水質安全。

（二）推動“從源頭到龍頭”全過程飲用水安全保障的科技支撐體系建設

為保證飲用水水源的質量，應該重點針對影響健康的污染指標確定水質風險水平，并以此作為取用的科學依據，突破目前以簡單水體分類指數為依據的判別方法的局限。同時根據氣候變化趨勢，判斷不同污染物在對應情景下的變化情況，構建完善的評判方法，加強對湖庫型水源保護、治理和生態修復的科技支撐。開展污染負荷削減、藻類水華控制、濕地和緩沖帶修復、水力調控等多種技術創新，形成多元的富營養化防控體系，特別是構建生物操縱、物化控制等藍藻水華綠色控制技術體系。強化常規處理，提升深度處理工藝水平，針對原水水質和工藝運行缺陷，從水處理藥劑、工藝參數、處理設施和運行管理等方面進行單元工藝和凈水全過程優化，突破技術瓶頸，研發藻毒素、嗅味物質等多污染物協同控制凈水新技術。積極推進老舊管網維護與升級改造工程建設，科學制定入區、入戶管網管材的替代更新規劃，保證龍頭水水質達標。打造國家級飲用水安全保障科技創新平臺，推動“政、企、校、研、用”密切合作，實現人力資源、智力資源、科研平臺共享，創新飲用水安全保障的關鍵技術、材料和裝備，全鏈條、系統化地支撐飲用水安全保障工程。

（三）構建基于大數據融合的飲用水安全保障智慧化監管平臺

根據氣候變化，創建面向未來復雜多變氣候情景的具有中國特色的飲用水安全保障的監管模式。全面加強湖庫型水源地、水處理、供給過程到水龍頭的水質監控，協調水利、生態環境、衛生、住建等不同部門，構建基于大數據融合的“從源頭到龍頭”全過程水質實時一體化智慧化監測、評估、預警、決策平臺。同時加強水華突發、極端氣候事件下應急備用水源與管網建設，形成有效的水質監測預警應急調度業務化平臺，實現業務化運行，推動“從中央到地方”多層級多部門飲用水安全保障的智慧化監管技術體系，做到科學調度、穩定供水，提高飲用水安全應急保障能力。

（四）加快推動湖庫型飲用水安全保障體制機制創新

應借鑒國際上現行的安全飲用水法，盡快制定適合我國國情的飲用水安全保障標準體系與法律法規，推動飲用水水源地管理治理能力現代化、法制化。盡快制定我國地表飲用水源水質標準，優化湖庫型飲用水水源保護條例，逐步改善湖庫水質并以水生態系統健康為最終恢復目標。落實湖庫型飲用水水源地主管部門各級責任，從水質到水量、從源頭到龍頭、從凈化到輸配、從控制到監管，全面制定配套氣候變化的飲用水供水系統科學化管理條例，構建以“湖長制”為抓手，推進“一源一策”組織實施，建立多水源地保護管理多部門協同、上下游組織協調、聯防聯控機制，形成合力。進一步建立健全水源地安全達標建設與風險評估監督考核機制，加大水源地問題清單核查比重，定期組織開展水源地問題評估與整改落實，強化湖庫型水源供水需求與水質安全保障，實施嚴格監管。拓寬湖庫型水源地保護管理多渠道投融資渠道，適量吸納民營資本，加大機構建設、系統監測、綜合治理、聯合執法等方面的經費支持，建立水源地保護資金投入與生態補償長效保障機制。加強飲用水水源地安全信息公開與宣傳引導，健全環境治理全民行動體系，拓展公眾參與水源地保護、管理與決策的途徑和方式，強化公眾參與。

五、結語

我國湖庫型飲用水安全保障工作刻不容緩，應科學、系統地解決水源保護、凈化工藝、管網配送與保障機制等方面存在的問題。建議將水源地保護修復、全過程飲用水安全保障關鍵技術突破、飲用水水質一體化智慧監管與飲用水安全保障體制機制創新作為重點舉措，全方位實現以湖庫為水源的飲用水安全保障。

在全球氣候變化大背景下，考慮到湖庫生態系統的敏感性，飲用水復合污染的生態與健康風險控制應成為湖庫型水源地水質安全保障中必須高度關注的新挑戰。未來除需深入推進湖庫富營養化與水華治理外，應深化飲用水新污染物的生態風險、病原微生物介水傳播的健康風險以及氣候變化帶來的更大不確定性風險控制研究，創新構建全過程綠色、高效的飲用水污染物控制技術體系，進一步鞏固加強湖庫型飲用水安全保障水平，助力生態文明建設。