美国可持续水规划采用的水资源管理技术

［美国］ R.E.弗里亚斯 等

美国可持续水规划采用的水资源管理技术

［美国］ R.E.弗里亚斯 等

围绕水资源的可持续发展，结合美国缺水方面的管理经验，介绍了目前美国可持续水规划中所使用的一些水资源管理技术，包括缺水管理和流域生态管理方面的技术，如实施最佳流域管理实践(BMP)，以及低影响开发(LID)等。并对项目选择和优先排序的标准，以及美国正在实施的“大沼泽地”生态系统恢复项目进行了简要介绍。

水资源管理;可持续水规划;最佳流域管理实践(BMP);低影响开发(LID);管理技术;美国

资源可持续的利用与管理，既要求满足当代人的需求，又要求能提高子孙后代满足其需求的能力。美国总统设立的可持续发展理事会认为:经济发展应当使当代人和后代人都受益，并且不会对地球的生态系统或者资源系统造成破坏性的影响。为此，流域管理者需要制定可行的可持续规划进行水资源管理，如应对缺水、洪水及水质等方面的问题，并适应目前及未来潜在的、可能的气候变化。

1 可持续水规划

所谓可持续水规划，就是在可持续原理的基础上，采用稳健而多样化的长期规划和管理方法来全面解决影响水资源管理和开发的环境、社会和经济方面的问题。水规划者应充分理解面临的各种水资源问题，以使规划所作出的决定对目前和未来都是适合的，同时认清未来的不确定因素。这就是为什么可持续水规划提供的综合性方法能够解决全流域管理、生态系统管理、缺水和多雨天气等问题的部分原因。

流域管理和生态系统管理的重点在于弄清和管理径流、径流量及环境，以便对流域环境进行保护。人们为寻求城市的快速发展而制定的不完善城市规划，可能会增加径流的峰值流量及径流量，并因土壤侵蚀和非点源性污染而造成地表水水质下降。作为城市水资源管理和规划的一部分，可以以流域为单元实施最佳管理实践(BMP)，以管理径流和保护水源(包括地下水和地表水)供应。

缺水可能是人口增长和开发造成的用水竞争的结果，也可能是水源减少的结果，包括水源获得的安全性和稳定性，与气候变化或者气候适应能力，以及与不断增加的用水限制措施等均有关系。受到限制的经济条件也会制约或者减少实施大型供水工程的资金。

应对这些问题的一种持续性方式为:首先检查供水系统，提高供水系统的供水效率(例如扩大系统的蓄水量)，提供优化服务(例如更新或者改进系统操作)，然后执行需求管理计划(如水土保持)，以作为增加供水水源的一种方式。在实施这些关键性措施时，也需要考虑为开发多样性供水制定长期的供水规划。

例如，波多黎各供水和污水管理局(PRASA)是为波多黎各居民提供水源和污水处理服务的政府部门。最近面临的任务是需要增加拉哈斯(Lajas)灌区的供水，以满足该地区未来发电、农业、环境(为卡塔赫纳泻湖供水)及饮用水的需求。拉哈斯灌溉系统是一个地表供水系统，位于岛屿的西南部，由2座水电站和6座水库组成(部分水库泥沙淤积已经相当严重)，电站和水库由输水隧洞连接。为了提高系统的稳定性和安全性，PRASA携手其他政府机构决定对灌溉系统的调度进行优化，使水库溢流量最小化，从而达到使水库蓄水量、水电站发电量最大化的目的。这种规划方式将通过降低成本、增加投资效益来增加系统的供水，同时能够避免近期实施花费较多的大型投资项目，例如水库清淤和疏浚等。

多雨的天气条件会导致洪水和超强度的暴雨径流，造成水资源质量下降，污水收集系统负担过重，从而导致合流制系统污水溢流(CSO)达不到联邦和州规章的要求，并造成生命财产损失。由于目前的动态气候条件仍将持续，因此，合理评估和规划现有排水基础设施极为重要，以便于管理增加的径流，充分利用暴雨洪水，并将其作为一种供水水源。

2 全面水资源管理

每项技术在针对某一特定地区或某一特定时段时，其优势和重点各不相同。尽管重点可能是一个或者两个决定性参数，或者是效果和效益的比较，但还是要谨慎考虑到可能受决策影响的外部因素或者是其他因素。规划中选定的参数可能受公众对基本建设改扩建项目、资金约束以及为大多数人谋取社会效益等需求的驱动。更为可能的是，在制定建议方案时，可以对因果关系进行更广泛的评估。如果设计决定是基于最小化投资和预算周期作出的，则这些参数中只有少数的几个可能会被进一步量化，或者给出具体的投资效益。如果没有进行这种广泛的评估，则所实施的水利基础设施项目可能不符合《国家环境政策法》这一类型的法律的要求，或者人们可能会就政策的一致性、公众可接受性，或者能否获得资金支持等提出质疑。

通常，可以将一系列单一的技术进行整合，用在各种可供选择的综合性项目中，然后对这些方案进行规划以满足具体的需要。例如，获得具体水文条件下的年平均水量，减少雨污水的溢出量，使雨污水总量不超过排水系统的排泄能力，基于具体的碳排放量设计基础设施，或者减少能源的使用和物质消耗。然后根据一系列可持续标准或者原则对这些项目进行评估，最后通过一个专业的和透明的决策支持过程，将这种评估作为确定优先项目的方式。

项目选择和优先排序的标准如下:

(1)整体性。考虑人与生态的关系，以维持生物物理系统的整体性，以及人类所依赖的、不可替代的生态支持功能。

(2)充足性和机会。确保有足够的资源来维护预期水平的服务，每个人都有机会寻求改善的途径，并且不伤害子孙后代寻求效益和机会的可能性。

(3)平等性。从各种不同的用户群中进行有效选择，但要缩小在健康、安全、社会认同和政治影响等方面不可接受的差距。这些用户可能是目前人口中不同的经济、社会群体或具有不同价值观的群体，当考虑子孙后代时，这些人群也可能是好几代人。

(4)效率性。减少对物质、劳力和能源的总需求，并减轻对社会经济系统的其他压力。

(5)民主和文明。加强基础设施能力建设，在一个信息更加发达、综合性更强的管理、市场、体制及个人决策等实践中应用可持续性原则。

(6)不确定性和弹性。减少不确定性，避免对可持续性基础造成严重的或不可挽回的损失，并且要应对突发事件，进行适应性管理。

(7)短期和长期的一致性。立即和交互实施可持续性的所有原则，寻求相互支持的长期效益。

对一个或者两个变量进行规划，其优越性在于，这种规划能够进行直接对比，以及立刻进行权衡评估。然而却不能将这些内容统合到复杂的水和自然系统中去，因此不能提供一个综合的可持续的水资源管理方式。应当综合考虑流域与生态系统管理、缺水和多雨天气条件各种内在的和外在的关系。实际操作中，应该对这些相互之间的关系进行评估，以确定未来基本改扩建项目申请和实施所必需的计划步骤。

例如，在考虑流域管理和生态系统管理时，可以进行供水研究，以确定未来可持续供应水源，可能包含有对未来气候变化的合理假设。一个综合的流域管理规划还需要包括对水质和水量的保护，以及对基础设施适应未来径流流量、防洪和水资源保护的能力进行可持续评估。

图1示出了在综合性或者整体性水资源管理中能够使用的一些相互关联的技术，用于应对缺水的其他技术还包括水库和基础设施运行、水资源重新分配(短期的和长期的)，以及系统效益评估等。

图1 可持续水资源管理规划技术

在美国南佛罗里达州，正在实施一个名为“大沼泽地”(Everglades)的生态系统恢复项目，有3个项目区被纳入该规划。为了恢复这片超大沼泽地的生态系统，流域管理者将重点放在在正确的时间分配正确的水量和确保一定的水质上，以解决流域和生态系统的问题，以及缺水和多雨天气的问题等。

流域和生态管理包括实施BMP，例如在农耕地带种植条状植被，以过滤流经畜牧区的径流，减少径流中营养物质的含量等。建立暴雨洪水处理区，以在径流进入“大沼泽地”之前，进一步减少径流中营养物质的含量，处理好奥基乔比(Okeechobee)湖的富营养化问题。佛罗里达州政府部门通过购买大片的农业耕地，将会极大地促进水资源管理，改善整个流域的供水，提高水质和促进环境恢复。

缺水问题则可以通过以下两种方式加以解决:①将多余的水蓄入地上水库中;②通过实施含水层储存与回采(ASR)技术来增加地下水蓄量。增加的蓄水量将会在干旱期提供给“大沼泽地”，以解干旱燃眉之需，同时在湿润多雨的季节储蓄更多的洪水径流。

多雨天气形成的径流可以通过修建地表水库的方法加以解决。水库增加的库容，能够产生防洪效益并改善水质，这主要是通过减少洪峰流量和管理径流量，进而管理剩余径流量来实现的。

在“大沼泽地”生态恢复的实例中，当这3个区作为综合性可持续水资源管理方式的一部分进行整合时，它能够使环境效益、社会效益和经济效益最大化。如果单独考虑这几个区，则需要的经费将会更多。在这种情形下，从长远来看，“大沼泽地”的利益相关方会得到回报。当考虑减洪、水质改善，以及同时减少建筑材料和劳力方面的花费时，将会获取更大的效益。

尽管有很多水资源管理技术可以利用，但是可持续水规划受那些重点在于能够保护生态系统、增加水源供应和管理洪水条件的技术的支持。下文介绍的是一些在水规划时需要考虑的、能够促进可持续水资源综合管理和一体化管理的技术和实践。

3 流域和生态系统管理

流域和生态管理技术包括通过改善水质和供水方面的服务保护地表和地下供水水源的流域管理方法及实践。

低影响开发(LID)是一种综合性的土地规划和工程设计方式，旨在维持和保持城市和流域在人类开发之前的水文流量特征。大多数的国家对维护流域的历史环境和条件作了法律要求，而LID则提供了达到这些要求的方式。

通过LID可在源头或者接近源头的地方管理径流，这些管理控制分布均匀、分散且范围很小。BMP为其控制形式，即将模拟站点的水文特征设计成人类开发之前的特征，设计技术包括通过入渗、过滤、蓄水、蒸发过程将径流基本上维持在水源区。

BMP包括:

(1)蓄滞洪区。蓄滞洪区是种植了植被的洼地，除了降雨期间或降雨之后的其他任何时间都是干涸的。地表水径流流到洼地，但有一定量的径流被保留下来用以改善水质，其他的径流允许渗入可透水的泥沙层。在正常设计的情况下，只要所滞蓄的水下渗之前没有降雨，蓄滞洪区是没有出流的。

(2)滞留池。和蓄滞洪区不同的是，滞留池是指全年或者雨季可能有，也可能没有永久性蓄水的水池，也叫暴雨水池或者雨季水塘，这些蓄水池塘周边有植被(湿地)，通过泥沙沉淀和营养物质的化学吸收，对流入池内的暴雨径流进行处理。在正常运行情况下，根据设计，这些池塘滞蓄的出流量要小于下游河道设计的排泄能力，并且其流速要明显低于入流。

(3)植被洼地。植被洼地通常是宽浅的河槽，河槽的两边、坡地和底部种植了茂密的直立型植被，例如芦苇等。植被洼地可以是人工设计或者天然形成的，可以用来沉积径流中特殊的污染物，例如悬浮泥沙、重金属等，对暴雨径流进行过滤，减缓暴雨洪水的流速，进而减少对土壤的冲刷。

(4)集雨园。集雨园是指长着天然深根植物的浅盆地或者浅洼地，这些植物允许水流渗入土壤中。适当合理的集雨园能够有效地沉积暴雨径流中大部分常见污染物，改善水质，促进污染物转化为无毒物质。

(5)透水性铺盖。透水性铺盖是能够承受一定重量的铺盖，同时下面还有一层粒状结构，便于水流在入渗和排入控制出口之前可暂时存蓄起来。水渗入颗粒状物质，从而使从非透水区流出来的径流流速减缓。

(6)渗滤槽。渗滤槽是一种填满了碎石和石块的低浅的渠槽，它能够形成临时性地下蓄水池，增加暴雨径流的下渗。径流通过渠槽的底部和滤槽两侧进入底土，最终到达地下水面。

BMP包括各种合理的方式和手段，能够被纳入LID的组成部分，通过无数个成本低、效益高的系统方法在源头上限制暴雨径流的流速。当对为降低径流流速和减少径流量而建的小区域的排水系统进行管理时，在区域及以下层面考虑实施BMP很重要，因为这能够大大减少暴雨径流管理和处理方面的花费。

4 结论

水资源管理不善或管理效率低下对全人类都有负面影响，不管是在发展中国家还是发达国家。实际上，全球每30 min就会有125人死于因饮用水恶化而导致的水传播疾病。

水系统是相互关联的，且当有目的地对运行工程和基本建设改扩建项目进行规划时，水系统便能够发挥多种效果和效益。美国联邦和州的相关制度要求，应对所建议采取的行动的整体原因和效果进行评估，而这种评估在认定对环境破坏最小或者是投资最省的项目方面起着关键性作用。人们常常寻求多个目标，并从所选择的方式中获得次要的效益和效果。

联邦和州为公共健康和环境保护制定的政策已经制约了附加的规章制度的执行，从而影响了企业或者实体对其基础设施系统的管理，包括供水水源、污水管理和水质保护等。这些公共政策的制定通常会随着严重程度、实施进度以及围绕政治进程的各种要素的变化而变化。可持续水规划应当考虑所有管理者在将决策转化为可执行规划时遇到的经费问题，而这些规划在资金投入方面是可以接受的，并且得到政治上的支持。

对于专业规划者来说，将水和自然资源系统作为一个整体进行考虑很重要。这对用户满足其目前和未来对基础设施的需求既是限制也是机会。

水资源综合规划者可以建立一个大型的技术工具箱，应当使用透明的、包括了多方利益集团以及信息灵通的决策支持方式提出灵活的建设性建议。如果应用得当，这些方法可以支持政治进程，适应需要的基本建设改扩建项目，并能够应对常常需要增加服务成本的现实。

建立技术工具箱可能是采纳和实施大型水资源项目过程中最简单的一环。更大的困难包括获得不同社会群体(政治的、环境的、经济发展组织等)的支持，这就是为什么精心开发的、设计良好的技术总是被束之高阁的原因。

如果技术方案得不到实施，基础设施就不能为用户提供满意的服务，并且当危机发生时，还要为未来更大的投资承担更多的责任。这在拉斯维加斯(内华达州南部)、坦帕(美国佛罗里达州西部港市)和萨克拉门托三角洲(加州)等很常见。

面对诸多压力——人口增长、基础设施老化、改扩建基础设施资金投入滞后、变化的水文条件(包括干旱和洪水)，以及多方利益团体要求更多参与政治进程等，迫切需要有一个可持续的水规划。

李红梅 孔祥林 摘译自《美国水行业协会会刊》

2009年第5期

TV213.4

A

1006-0081(2011)09-0001-04

2011-04-20