基于流域水资源环境综合治理体系研究

杨继忠

(北票市水资源办公室，辽宁 朝阳 122100)

近年来，生态保护与经济开发、人地关系的冲突日趋频繁，各行业发展对资源的需求持续增大，加之对生态环境质量人们提出了越来越高的要求，维持良好稳定的生态环境面临着各种挑战，并逐渐成为当前艰巨而迫切的任务。

水资源既是战略性、基础性的经济资源和自然资源，也是生态环境系统中影响最广泛、性质最活跃的要素，尤其是随着经济的不断发展水资源逐渐成为与能源、土地重要性相当的战略资源。水资源问题涉及经济社会可持续发展、广大群众生命健康等国家安全的诸多方面，在维持区域可持续发展中水资源的重要作用和地位日趋突出，特别是在缺水区域具有显著的制约作用，在全球变暖趋势下安全供应水资源的不确定性变得更加明显。

国内外学者越来越认识到水资源是维持地球生命系统的物质基础，而水循环是支持生物圈的“血液系统”[1-2]。同时，水资源管理和可持续利用也逐渐引起世界各国的高度重视，尤其是澳大利亚、美国等许多地区放眼未来，为实现水资源的永续利用相继制定了一系列的发展路线图。2015年，我国正式发布的《水污染防治行动计划》标志着在国家层面上城市黑臭水体治理的落实，为缓解城市水环境问题提出生态修复、提质增效、控源截污等措施[3]。

考虑到生态保护、海绵城市建设、黑臭水体治理的重要定位和发展前景，以及科学性、合理性、系统性推进此项工作的要求，本文融入多学科专业知识创建六位一体生态技术体系，并结合流域水环境特点和不同项目特征合理匹配各项生态技术。

1 水资源环境治理特点

1.1 基本原则

以具体技术措施为目标，以宏观设计为出发点，构建流域水资源环境六位一体综合治理体系。通过维护多样化生境和趋近于自然生态的手法，从更大流域尺度打造系统化的水生态系统修复方案[4]。

1.2 技术流程

水资源环境综合治理属于一项全面的系统性工程，以生态系统修复、增大水环境容量等综合治理目标为导向，通过污染源控制与减排、环境问题诊断与识别等实现水资源的再生利用以及生态系统的长效运营，如图1。同时，与当地发展规划、水文特征、地貌特征及历史文化紧密相连。

2 综合治理技术体系

2.1 调查分析

通过调查分析全面掌握所存在的问题，并利用各种数学模型和数据库定量评价生态环境安全状况，对环境未来演变趋势进行科学预测，可为推进绿色产业发展、环境治理保护提供一体化解决方案和指导性服务。

在运行过程中水生态系统主要包括生物、物理化学、地域和水文四个过程，多样性水文地质是恢复生境多样和生物多样的必然条件。在不同高程和不同季节下水文过程、地貌过程形成的生物栖息地明显不同，两者之间存在互相创造、相互作用的关系。生态系统受人类活动干扰逐渐失衡，导致系统稳定性和生物多样性明显下降，对此应将系统输入按照负反馈机制更加趋近于输出，维持生态系统的良性循环和环境好转。

因此，调查内容主要有生物因子、水文水资源、气候环境、地质地貌、土地利用、水质、污染源、地理位置、底泥沉积物等[5-6]。其中，生物因子现状调查主要包括大型水生植物、地栖动物、浮游动植物、鱼类等群落结构、生物量、丰度和种类等指标；污染源调查主要有干湿沉降、土壤侵蚀、地表径流和农业面源污染等面源污染，以及禽畜养殖排污、工业生产排污和生活污水等点源污染源；底泥沉积物调查主要有重金属、总磷、总氮、粒径、有机质、含水率、pH值等指标；水质监测主要有BOD、COD、SRP、叶绿素a、氨氮、总磷、总氮、溶解氧、温度等；水文水资源调查主要有径流系数、降雨分布、流量、集雨面积、流速等；气候环境主要有流域内经纬度、海拔高度、年内降水量与蒸发量分布、年均降雨量与蒸发量、年日照时数、主导风向、霜期、光照、平均丰富、最低和最高温度及其出现时间、年均温度；依据地势高低起伏将地质地貌划分成盆地、平原、丘陵、山地、高原；土地利用是指建成区、农耕地、林地等土地性质。

依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)对流域的生态多样性、河流形态、基底和水质等利用以上数据进行评价，通过水质评价全面掌握主要污染物及其来源，并研究分析时间与空间上主要污染物的变化特征[7]。结合调查结果，诊断分析基底存在的问题以及底泥的污染特征，评估河道形态是否满足岸线利用、河势控制、水力发电、防洪排涝、水文景观、航运供水、农田灌溉等要求。通过对生物因子的调查，评估流域内浮游动物、大型地栖动物、鱼类、水生植物、河岸带植物的完整性和生态多样性，以判别在生物多样性方面生态系统面临的风险及其存在的问题[8]。

2.2 减排控源

为了有效控制污染物向河流水体的排放，结合前期污染物调查分析结果确定其来源，并考虑水质改善目标制定适合的污染处理与收集方案[9]。一般地，将污染源划分成内源、面源和点源污染。其中，内源污染主要是指通过生物、化学、物理作用流入河流湖泊中的营养物质逐渐沉降到湖泊地质表层，长此以往积累一定量后，受外界扰动重新释放到水体内的现象；面源污染主要是由各种大气颗粒物、农药、氮磷等营养物质、土壤泥沙颗粒等组成，在农田排水、土壤侵蚀和地表径流等作用下进入大气、土壤或水环境，其具有潜伏性、滞后性、随机性、模糊性和广泛性等特点；点源污染主要是指小范围内可当作一点或集中在一点排放污染物的污染源，如径流集中排入口、管道排口和入水口等，污染物的排放时间、浓度、特性、种类和地点相对固定。

对于城镇生活污水、工矿企业废水等点源污染建设截污系统，利用集中式污水处理设施以保证污废水的达标排放。为了解决生态基流的问题，应减量选用能够就地回用、分散处理、适度集中的小型分散式污水处理设施。对于雨水、地表径流排入口等点源污染采用人工湿地，以复合湿地、浅滩湿地作为前置库先预处理地表径流，再深度处理中水排入，对冲击负荷人工湿地具有较好适用性，也可利用就地处理、就地排放的人工预处理设施[10]。

对于面源污染的收集处理，主要采用建设缓冲带、生物隔离带、浅滩湿地、海绵城市等技术；针对农村面源污染主要是控制土壤氮磷流水、禽畜养殖粪便和生活污水，对此可利用排水沟种植、水陆交错带、生态缓冲区、前置库、湿地水塘，采用集中式禽畜养殖粪便沼气处理工程和分散式小型无动力生活废水处理技术等削减农业面源污染。

针对内源污染问题，流域内的沉积物是否适时为水体提供营养盐、为生物提供栖息环境和摄食或可以提供多少等主要取决于其化学、物理结构[11]。首先，测算底泥沉积物是负向还是正向影响水体，负向中是否过大影响行洪安全以及过盛释放水体营养盐。根据第一步调研评价中的水体流态、化学指标(重金属、有机质、溶解氧、总磷、总氮、氧化还原电位等)、底泥生物(水生植物、弟媳动物、微生物等)分析营养盐释放机理及水文特征，从而确定清淤程度以及是否需要清淤。内源治理技术主要有泥-水界面隔离保护、生物增氧、机械充氧、生物降解、铁锰盐钝化和底泥清淤等。研究认为，内源污染应包括水体内的悬浮物以及含量较高的营养盐，可利用浮游植物、絮凝沉降等技术同步调整[12]。

2.3 提质扩容

流域水资源环境综合治理既要控制污染物向水体的输入，更好注重水环境容量的提升。近远期规划作为城市发展的顶层设计，其产业定位和人口发展都要符合规划要求，保证整体可预见性。然而，随着人口、科技、城市的快速发展和全球气候的变化，在季节上水资源量表现出不均衡态势，近年来地表水的体量和可利用水资源逐渐下降，恢复水体逐渐引起各大城市的重点关注。当前乃至未来一定时期内，区域性的污染负荷平衡和水量平衡将显得非常重要[13-15]。

水是能量、物质转移的介质以及生物圈的“血液”，所以必须流动起来，保证液相、气相、固相的自由转移。结合区域实际情况统筹所有输入、输出的水资源，科学增加水体总体存量和水资源体量，以增强流域水环境承载力。一般地，水资源输入主要有地下水、再生水、上游流入、降水，水资源输出有渗漏、蒸发、下游排放和城市用水等。

水系连通是有效恢复流域生态最为有效的技术措施，水系连通能够充分发挥水资源的特性，明显提升河道内的水流量和河湖水系水质，水域面积的增大、水量的增多和水质的改善是生态水环境改善的关键。连通城市河流水系还可塑造城市发展特色、增强城市发展潜力、扩展城市发展空间以及提升城市资源价值。所以，可通过退出被侵占的河湖探地、恢复原有排水沟渠管护范围、长度及数量，修复滨水带及河湖的生态功能和自然形态、拆除阻断水流连通的部分闸坝设置等，充分发挥生态景观、河湖自然渗透、净化水体、蓄水、滞留作用等水系连通技术，提高水环境容量和流域承载能力。

合理利用自然降水和再生水也可实现水环境容量的有效提高，通过反渗透、纳滤、微滤、过滤等技术，将雨水和污水厂排放的废水达标处理后可用于冷却设备补充用水、车辆清洗、农田灌溉、园林、城市喷泉、道路养护、厕所冲洗等，在减少地表水开采量的同时实现优质水资源的高效利用和保护。

2.4 生态修复

在体质扩容和减排控污染的基础上，对于已发生破坏及已有污染物的生境采取生态修复措施。生态修复前必须明确可测定的目标，然后考虑最大景观尺度、未来环境变化和合适的参照地，遵循自修复原则，跨学科组建专业队伍设计项目方案，强调对现有水生资源的保护以及生态系统完整性的修复，主要核心技术有：

(1)能量与营养盐迁移闭环。以陆地生态系统的谨慎性、适应性、镶嵌性、模块性、多样性、冗余性六大共性为设计理念构建能量物质多通路传递生物网络，确保水体营养盐含量的有效固化、转移和富营养化过程的及时控制。为提高生态系统稳定性创建完善的食物网链系统，即分解者、消费者、生产者分别重点关注“微生物氧环境与水深的关系、肉食性与杂食性鱼类的关系、高等水生植物”的金字塔结构，促使能量物质的输入与输出趋于平衡，维持水系统的良性循环。另外，人工搭建的生态系统结构、组成要遵循复杂化原则，系统越复杂其稳定性就越强，越能维持水系统平衡和良性循环；实时关注溶解氧含量，生态系统组成和生命的每个过程都有以水为媒介的溶解氧的介入。

(2)多通路食物网操纵闭环。复杂的食物网结构是生态系统健康的重要标志，经典生物操纵能够充分利用生物的捕食、竞争关系，以多条能量物质循环通路保证生态系统的稳定性和能量物质的传递效率。食物链顶端主要是鱼类、鸟类和鱼类，其关键影响因素是可以控的鱼类，通过食物网鱼类可以影响有机质循环、营养盐以及浮游动植物，进一步影响系统稳定和水质。传统河湖中的优势种群较少有肉食性鱼类，大多以杂食性鱼类为主，因此在淡水生态系统修复或构建时，应考虑食物网链关系和不同的生态位适当增加肉食性鱼类比例，从而更好地维持系统内部的繁衍与捕食平衡。

(3)生物多样性生境修复闭环。生物多样性是指特定时空范围内各种生态学和生物学过程的复杂性、多样性以及水域环境与生物物种及其携带的遗传信息所构成生态复合体的多样化，这里既包括生态系统和物种的多样性，如生态学过程(生物、物理学、地貌、水文等)、生物群落、栖息地，还涉及景观多样性，即特定时空范围的斑块、廊道等景观层次和结构。总体而言，通过生态修复创造适于生物繁衍与生长的生境条件，如丰富水文地质地貌、修复滨水带、恢复陆地坡面、连通水系等等。此外，将利用不同资源或具有不同功能特征的类群组合构建多样性较高的生物群落，通过恢复生态功能提高系统的冗余，保证生态结构的整体稳定性，维护各生态位的自修复功能。一般地，河湖的深滩-浅滩结构多、弯曲度高、溪流倒木等物理生境结构复杂，这也代表河湖更加自然健康，栖息地多样性更好。同时，应营造景观型生态和生态型景观，结合不同生物生存繁衍需求将水生、陆生、过渡带的生态理念与人类洗好的景观营造相融合。

2.5 长治久清

人类根据自身需求和自然湖泊生态系统的发展演替模式，利用水生态工程模拟自然水体的过程及其格局，构建不具备自然属性的人工生态系统，最多就是人工与自然双重属性的混合体。这种系统摆脱了人为干预，特别是物流能流补偿难以实现自我平衡、自我运行和自我调节，一般难以按照人类预期发展，其根本原因在于该系统是人为干预所建立的。人工生态系统特别是封闭性人工湖泊存在的主要问题有生态服务功能确实、能流物流单一、结构架式简单、组成成分单纯。

实际上，人工湖泊不仅要具备目的性、开放性、易变性、社会性，还要具备自然湖泊的基本属性。对此，采取高技术手段和科学分析方法，以最少的物流能流和经济上的投入实现节约型、高效益、多层次、多功能淡水生态系统的管理。采用云计算、大数据、水环境预测模型等构建环境监测物联网和预测预警机制，监测目标河湖水生态环境、局地气候、水质、水文等，培养专业管理队伍控制外源污染进入，人为干预维持系统良性循环，对水环境变化趋势实行精准预测和综合评价。对水源活动严格管控，水经济项目合理开发，充分考虑系统功能与结构之间的关系维持水生态发展，建立长效运营的水生态管护机制。

2.6 资源回用

一般地，将生态过程及生态系统所形成的维持人类生存发展的效用和自然环境条件统称为生态系统服务。水生态系统不仅为人类提供工农业、药品和食物所需的原料，还能为地球生命系统提供维系和支持，如支持服务(维持生命生存环境的养分循环)、文化服务(文化、休闲、精神受益)、调节服务(疾病、洪水控制)、供给服务(提供水、食物)。

通过有效管理达标处理后的河湖水资源，将其与水系连通补充河流生态基流。此外，要合理收集和利用广场、道路等硬化地表降雨径流和建筑屋顶汇集的降雨，经弃流过滤、净化储存、回用等为地下水源、习题、景观水体、绿化提供雨水补给，以实现节约用水和雨水资源综合利用。

对于居民生活和城市发展水资源发挥着越来越重要的作用，但水资源总体上依然短缺，如何统筹协调地下水、地表水、大气降水等，更好地保护水质和维持水量，为经济社会发展和用水安全发挥更大的力量，逐渐成为当前研究热点。通过利用系统科学合理的水资源环境整治技术，从流域层面上科学决策、统筹协调，切实提升和保障城市水环境，为加快水生态文明建设贡献力量。

3 结 语

随着生态保护意识的增强，流域水资源环境保护是大势所趋。对此，本文结合不同项目特点和水环境专业治理技术提出六位一体的综合治理体系，并从实践和战略方面保障水环境整治项目的科学性、合理性，为流域水环境保护提供技术支撑。