流域水環境整治匯報（流域視角下的城鄉河湖水環境治理）

2023-10-10 06:53:25

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趙進勇 彭文啟 丁洋 馮健 王琦

（中國水利水電科學研究院 水生態環境研究所，北京 100038）

摘要

按照新時期治水思路，系統介紹了城鄉河湖水環境治理的特點，並提出了流域視角下全覆蓋、全過程、全要素，以及問題可定位定時識別、措施可落地有效、效果可定量預測的城鄉河湖水環境治理三全三可策略。總結了三全三可策略在實施中的應用邏輯路線。最後介紹了北京海澱區的典型案例策略實踐應用。三全三可策略體系可為城鄉河湖水環境治理方案編制及頂層設計等相關工作提供借鑑。

關鍵詞：流域；城鄉河湖；水環境治理；三全三可策略

目前世界各地的河湖生態系統普遍出現了水汙染河湖生態功能退化等問題，對經濟社會的可持續發展造成了嚴重影響[1]。推進水生態系統保護與修復，維持河湖健康美麗城市，建設美麗鄉村、實施鄉村振興是新時期賦予水利部門的重要職責與重大任務[2]。河湖作為城鄉中的重要綠色基礎設施，承擔著防洪排澇、景觀休閒、文化提升等多種功能。同時，作為水生態系統的一種類型，城鄉河湖生態系統的健康直接影響著其供給、支持、調節、文化等生態系統服務功能的正常發揮。河湖水系處於流域最低處，為水沙、各種汙染物質的統一承載體，河湖水環境狀況是流域內自然狀況變化和社會經濟活動疊加影響的最直接反映。所以，開展城鄉河湖水環境治理工作，需在流域視角下考慮系統治理策略。

本文按照新時期治水思路，從流域視角出發[3]，遵循流域水文水動力過程、水環境過程與水生態過程基本規律，連接源頭控制、過程阻控和末端治理三個關鍵環節，統籌流域山水林田湖草生態要素，考慮城鄉河湖水系自然—社會高度耦合特點，探索形成全覆蓋、全過程、全要素，以及問題可定位定時識別、措施可落地有效、效果可定量預測的城鄉河湖水環境治理三全三可策略，並在典型案例進行了實踐應用。

一 、城鄉河湖水環境治理的特點

城鄉河湖水環境問題反映在斷面水質是否達標上[4]，但根源是水域和陸域相關問題的綜合疊加，以及城鄉區域內自然—社會高度耦合的交互影響。從自然特點來看，影響斷面水質是否達標的空間尺度大且多、時間尺度上受水期周期性波動影響顯著、邊界上模糊且延伸性強。在空間尺度上，流域內片狀分布的農林田地、城鄉建設區，密集分布的農村生活汙水和畜禽養殖廢水排放點均構成面源汙染負荷來源，單點分布的不達標排汙口或汙水處理廠站等構成了點源汙染負荷來源，受汙染河段或湖泊內的淤泥底質則構成了內源汙染負荷來源，除了上述相對固定的汙染源，船舶航運、交通運輸等移動汙染源也隨時會成為汙染負荷來源。在時間尺度上，一年內的豐、平和枯水期周期交替變化，直接影響著河湖內水環境容量高低，相同的汙染負荷排入河湖水系，在不同水期的同一斷面水質達標情況會有極大不同。在邊界上，影響某個斷面某個指標達標情況的汙染源邊界往往較難界定，水質斷面—陸域影響區的響應關係建立需長期觀測，而影響某個指標的汙染源溯源分析也需要釐清汙染物遷移輸移轉化等相關機理。從社會特點來看，地方管理部分對城鄉水環境治理的複雜性和長期性認識不足，往往存在制定過短時間內達標的理想計劃，或者單純寄希望於某項關鍵技術，在具體實施過程中忽視了流域水文和汙染物遷移規律，導致事倍功半[5,6]。

二、 三全三可策略

針對城鄉河湖水環境治理的自然和社會特點，解決這個問題的第一步是在技術層面構建一個相對科學合理的治理方案。本文提出了流域視角下城鄉河湖水環境治理的三全三可策略，用於指導城鄉河湖水環境治理方案的制訂。具體來說，三全指的是全覆蓋、全過程和全要素，三可指的是問題可定位定時識別、措施可落地有效、效果可定量預測。

1.三全

（1）全覆蓋

全覆蓋指的是在流域視角下對斷面水質達標問題進行分析，統籌陸域和水域。在陸域，將全部陸域面積進行網格劃分，形成若干控制單元，把產水產汙分配到各個控制單元裡，以控制單元為抓手做好「減源」，減少關鍵汙染物的汙染負荷排放和入河。在水資源配置、水量分配等環節根據水質類別進行分質供用水，合理分配生產、生活、生態用水，最大限度減少入河汙染負荷，強化「節水就是治汙，就是減少汙染負荷排放」的意識，形成以水量平衡和汙染負荷排放最低為導向的水資源量質統籌配置方案。在水域，通過生態水利工程體系和市政工程體系的合理調度，增加河湖水系內清水比重，改善水系水動力循環條件，提高河湖水系的自淨能力，做好「增容」，增加城鄉河湖水系水環境容量。

（2）全過程

全過程指的是遵循流域內水文循環和汙染物輸移轉化規律，從汙染源源頭控制、汙染負荷過程阻控到水系內末端治理的全環節。在汙染源源頭控制方面，通過點源、面源、內源、移動源等不同類型汙染源控制，減少汙染負荷產生量。對於入河排汙口直排、不達標汙水處理廠站排放、管網漏排溢流排放等點源類型尤其需重點關注。對於農林田地、城市初雨徑流、密集的農村生活汙水、畜禽養殖廢水等面源主要類型需通過產業調整、土地利用方式優化、分散式處理等方式減小源頭排放。因多年水產養殖或汙染物累積排放所造成的河湖底泥等內源汙染物需在底泥取樣、釋放試驗等分析基礎上分類施策，或生態清淤，或原位處理，或加強監測，並形成清淤—處理—資源化利用的全鏈條模式。對於船舶航運、交通運輸等移動源，需做好監控預警，防止發生水汙染突發事故。在汙染負荷過程阻控方面，需基於生態水文學和生態水工學原理[7]，遵循流域水循環和給水排水規律，根據徑流產生和汙染物輸移轉化的規模、頻率、時機、持續時間和變化情況，選擇合適的坡地、臺地、坑塘、建成區、岸濱帶等多類型空間區域，結合天然林保護、林區建設、基本農田、生態清潔小流域、生態灌區、海綿城市、自然型溼地等工作，構建截留、削減、轉化等組合式阻控體系，減少進入河湖水系的汙染負荷總量。在河湖水體末端治理方面，需在保證水利工程安全和不影響河道行洪能力前提下，基於生態水力學和生態水工學原理，結合閘壩工程、河道整治工程等，通過單點工程合理調度或生態化改造、河道內直接接觸氧化、閘壩群調度改善水動力循環條件等措施提高水體自淨能力、進一步減少汙染負荷。

（3）全要素

流域內山水林田湖草和城鄉建設區域特徵對於流域產流產汙情況有很大影響，各要素的不同格局特徵直接影響了植物截留、下滲、填窪與蒸發等降雨損失類型，從而影響流域徑流量，進而影響河湖內水量，而不同要素對於汙染負荷的削減降解功能也存在差異，從而影響流域汙染負荷的產生量和入河量。山體坡度、植被覆蓋度等特徵直接影響其水源涵養能力，也是非點源汙染輸移的重要影響因素；水則是是維持生態系統良性運行的核心要素，是流域內汙染負荷輸移的重要載體；林不僅能涵養水源、調節河川徑流、保護土地資源，還能降低林間徑流的流速，促進顆粒狀汙染物沉積，從而對泥沙及汙染物進行阻截與削減；農田既是非點源汙染的重要來源[8]，也是可進行土壤滲濾、溝渠阻控等汙染負荷削減的重要空間；湖泊是調蓄洪水的主要空間，對於水量及水體自淨能力均有較大影響[9]；而城鄉建設區，人為改變了自然流域的下墊面狀況，增加了流域不透水面積，從而影響了降雨徑流的產流過程，並且城鄉建設區的汙染物來源和處理過程更加複雜，直接影響了河湖內的水量及水質變化過程。

2.三可

（1）問題可定位定時識別

在城鄉水環境治理方案中，需要強化問題導向，既能在空間尺度上識別出來引起某個控制斷面某項指標超標的關鍵陸域控制單位或片區，又能在時間尺度上明晰問題突出的敏感時段。為實現此目的，在控制斷面水質變化分析方面，需在現有數據和補充監測基礎上，分析水系內所有控制斷面水質指標的時空變化特徵，識別出上下遊、幹支流中的關鍵問題斷面及其特徵汙染物的周期性變化規律；在陸域汙染源解析及汙染負荷計算等方面，需在陸域控制單元體系下分析評估與特徵汙染物相關的汙染源分布狀況與排汙強度，分析汙染源對控制斷面水質的季節性影響特點，建立陸域汙染負荷排放與控制斷面水質指標之間的定性或定量關係，找出導致水質超標的主要汙染源、汙染項目和超標原因，並定位到具體的控制單元或片區，必要時需開展入河排汙口及河湖水質水量同步監測，研究確定特徵汙染物與河流水質過程的響應參數。

（2）措施可落地有效

措施可落地有效體現在國土空間土地類型布局、總體措施體系構建和具體措施選擇三個方面。在國土空間優化方面，可利用景觀生態學基底—綴塊—廊道格局分析方法[10]，對流域內山水林田湖草及城鄉建設區域等不同土地類型進行綜合分析，以各生態要素利於完成生態過程及最小化汙染負荷產生量為指引，優選最佳國土空間優化方案和土地類型布局，並注意河湖生態廊道範圍與生態紅線、基本農田控制線和城鎮開發利用控制線之間的銜接。在城鎮建設區域內，尤其需關注初雨徑流汙染的判定和控制措施、海綿城市措施的布局和規模、短期極值暴雨的疊加等方面因素對於河湖水環境質量存在的長期或短期影響。在總體措施體系構建方面，根據設計水文條件，選擇適宜方法確定河湖水系水環境容量，並按照河湖水系—入河排汙口—控制單元次序倒推出陸域每個控制單元的汙染負荷控制總量，再根據實際排放總量確定需削減總量，通過定性分析措施與問題的對應性、估算措施效果與需削減總量的匹配性等步驟，確定待削減總量所需要的補充措施，並最終形成可落到空間控制單元的措施體系。在具體措施選擇方面，需根據當地的水文氣候、自然地理、資源稟賦等自然情況和社會經濟條件，根據國內外類似案例的運行情況，形成適用技術清單，從中選擇易操作、可奏效的技術措施。

（3）效果可定量預測

為提高問題針對性和措施有效性，需對措施效果進行多個情景下的定量預測，根據預測結果優化措施總體布局，必要時還應能推演不同分步措施的遞進實施效果。可利用流域分布式水文模型、城市管網模型與水系水動力水質模型相結合的耦合模型技術對不同組合措施的效果進行定量預測。在選擇分布式水文模型時，需根據流域內土地利用方式特點、農村與城市區域的比例等因素合理選擇模型類型，將模型計算得出的徑流量、產汙量、產沙量等作為水動力水質模型的輸入條件，並將各控制單元的汙染負荷削減量作為控制指標；在城市管網模型中，對於汛期溢流汙染、初期雨水收集能力等方面需重點關注；在水動力水質模型中，需合理設置控制斷面，將控制斷面某項指標的達標率作為控制指標，並重點關注河道水質變化敏感時期及關鍵斷面的水質改善水平。

3.三全三可策略邏輯路線

城鄉河湖水環境治理方案的制定過程遵循三全三可策略，其邏輯路線圖如圖1所示。治理方案首先開展治理區上位規劃解讀與概況分析，針對規劃方向與治理需求，提出治理區水環境總體目標，然後制定具體方案，具體方案制定要經歷3個步驟，分別為正向分析、反向設計與正向實施，三全三可策略指導具體方案制定的始末。

（1）正向分析（陸域—水域）

正向分析是以治理區河湖水環境問題為導向，通過數值模型、實地監測等手段定量計算陸域各個控制單元汙染負荷，並結合水域控制斷面的水質分析，建立陸域控制單元汙染負荷排放與控制斷面水質指標之間的定性或定量關係，定位定時分析陸域各控制單元汙染負荷輸入導致水域控制斷面的水質變化。

（2）反向設計（水域—陸域）

反向設計是根據設計水文條件，選擇適宜方法根據水質現狀確定河湖水系水環境容量，並基於規划水質管理目標計算水質目標下的河湖水系水域納汙能力，然後按照河湖水系斷面—入河排汙口—控制單元次序倒推出陸域每個控制單元的汙染負荷削減總量，針對各個控制單元待削減汙染負荷總量進行不同措施體系構建，使治理措施可以落地有效的到各個控制單元上。

（3）正向實施（陸域—水域）

正向實施是進行措施總體布局時遵循流域汙染物輸移的各個過程，並考慮流域山水林田湖草及城鄉建設區域等全部要素，形成治理區可落地有效的措施清單，根據治理區域現狀選擇適宜的數值模型定量預測分析措施體系對水域控制斷面水質指標的削減效果，判斷控制斷面水質是否達到規划水質目標管理要求。

圖1 三全三可策略邏輯路線圖

三 實踐案例

在深刻理解三全三可策略基礎上，解析流域主要汙染源和水質超標原因的基礎上，綜合運用水質監測、統計分析、空間分析等研究手段，結合陸域—水域耦合模型評估的結果和水環境治理技術集成方案，統籌考慮水環境、水生態、水資源和水安全問題，以「現有方案—既定目標」關係為切入點，緊扣「問題識別—目標評估—措施優化」這一主線，形成分期、分類實施項目庫，構建解決河流域水環境問題的整體技術體系，併合理安排實施進度方案，健全保障體系，發揮綜合效益，最終形成流域水環境綜合治理規劃。

下面以北京市《海澱區水系生態治理工作方案（2016-2020）—「水清岸綠」行動》[11]編制進行舉例說明。

1.項目背景及治理區概況

（1）項目背景

本項目圍繞海澱區發展的戰略定位，在現有基礎設施規劃及其他涉水規劃的基礎上，編制了《海澱區水系生態治理工作方案（2016-2020）—「水清岸綠」行動》。項目聚焦海澱區水系在水量、水質、水生態方面存在的主要問題，以現有方案目標評估和措施優化為導向，綜合運用水質監測、統計分析、空間分析、數學模型等研究手段，以「現有方案—既定目標」關係為切入點，緊扣三全三可策略，針對治理方案中存在的具體問題，提出科學、合理、可行的優化措施，構建解決海澱區水問題的技術體系。

（2）治理區概況

海澱區位於北京市城區西部與西北部，面積約為430.77km2，屬溫帶溼潤季風氣候區，年降水量為568.19mm。海澱區現有納入水務管理的河道溝渠共93條段，長318.52km。方案編制前，海澱區水汙染和水體富營養化問題突出，水環境質量總體較差。北部地區南沙河流域部分支流水體黑臭現象嚴重，是水環境問題最嚴重和最突出的地區。

「十三五」期間海澱區將進入強化核心功能、全面深化改革、推動轉型升級、破解深層次矛盾、深度融合發展的重要時期，水環境以及生態等問題直接關乎到區域的發展和生態價值的提升[12]。

2.規劃目標及總體布局

（1）規劃範圍

規劃範圍為海澱區全區，結合陸域水域全覆蓋思路劃分72個控制單元（圖2），以問題可定位定時識別為導向，以控制單元為評估單元，建立汙染源、入河汙染物、水體水質之間的響應關係，識別控制單元的主要水環境問題。

圖2 海澱區控制單元示意圖

（2）規劃目標

到2018年底，全區實現河道水體主要指標達到或接近地表水Ⅲ類，水清岸綠；到2020年底，通過生態涵養鞏固提高，強化管理，河道生態自淨能力逐步恢復，常年水質指標保持地表水Ⅲ類；到2030年，水生態系統得到恢復，生態系統實現良性循環。

（3）總體布局

統籌考慮海澱區山水林田湖草和城鄉建設區域全要素特徵，採用「一軸三區三廊四帶多點」的總體布局（圖3），措施縱穿「一軸」京密引水渠，針對「三區」中西部山區、北部地區與南部地區不同的問題重點因地制宜選取措施，圍繞著「三廊」南沙河綠色生態廊道、北旱河—清河綠色生態廊道與南旱河—永引綠色生態廊道，在區域內打造「多點」的治理措施。

圖3 海澱區水環境綜合治理方案總體布局

3.措施體系

案例遵循流域尺度內自然社會水循環規律，以水質達標為核心，以水生態治理為主線，以措施可落地有效為基本要求，構建以「汙水處理系統為基本單元的控源截汙體系、基於生態基流保障的多水源水量配置體系、多級溼地網絡水系連通循環體系、保障水系生態系統健康的生態修復體系、基於綠色海綿流域的水安全保障體系」的五維體系（圖4），利用源頭減排、過程削減、末端治理全過程水環境治理技術，以達到「減源、增容、水活、健康」的效果，形成「水清岸綠、多線連通、多級循環、水林交融」的生態水網綠帶交錯網絡。

圖4 海澱區水環境綜合治理方案措施體系

4.效果評價

針對治理措施體系，以措施可落地有效為基本要求通過模型模擬定量評價各治理措施的汙染負荷削減效果。根據流域現狀，使用水文模型（MUSIC模型）與水動力水質模型（HEC-RAS模型）耦合的流域水環境系統模型對治理措施進行定量效果評價。

研究設置3種方案，其中方案0為現狀方案，即假設不採取任何汙染治理措施；方案1為編制方案前海澱區正在實施的「水清岸綠」方案；方案2為在方案1的基礎上，為保障斷面水質達標，針對3.1.3提出的措施體系設計的水質達標保障方案。

（1）面源控制措施模擬預測分析

對比方案0（現狀）、方案1（水清岸綠方案）和方案2（水質達標保障方案），由降雨—徑流產生的面源汙染物COD、NH3-N、TN、TP在降雨期間濃度峰值逐級降低，方案1可有效的削減面源汙染負荷，但汙染負荷無法削減至V類標準，方案2採用之後可進一步將汙染物削減至V類標準以下，但COD、TN、TP在降雨期間仍有部分天數超出V類標準（如圖5，以COD為例），針對這一問題，可採用南水北調補水措施進一步進行措施優化處理。

圖5 海澱區南沙河流域總出水口降雨-徑流COD指標變化情況

（2）河道斷面達標預測分析

利用HEC-RAS模型對海澱區河道斷面達標進行預測分析，分析方案1與方案2的斷面達標情況，根據有無南水北調補水，以及南水北調補水的形式，將方案2水質達標保障方案分成以下3個工況進行達標預測計算分析，各類方案斷面達標率結果如表1所示。

工況1：無南水北調水情況下，方案完善後的斷面水質計算分析；

工況2：南水北調水在每日均勻補水情況下，方案完善後的斷面水質計算分析；

工況3：針對汛期面源汙染嚴重的情況，優化南水北調補水方案，方案完善後的斷面水質計算分析。

表1 各類方案斷面達標率結果

註：III類水達標率指除TN外，其餘各項指標在當天同時達標時的達標率

根據流域水環境系統模型結果表明，方案2可以有效進一步削減由降雨—徑流產生的面源汙染，並且可使斷面水質達標率從63%提高至83%，治理效果顯著。引入南水北調補水後，可進一步提高斷面水質達標率。

四 小結

本文以流域為視角，按照新時期治水思路，提出了城鄉河湖水環境治理的三全三可策略，即全覆蓋、全過程、全要素和問題可定位定時識別、措施可落地有效、效果可定量預測，並以北京市海澱區水系生態治理工作方案為例簡要介紹了三全三可策略的應用實例。目前三全三可策略已成功應用於北京市海澱區、湖北省松滋市、四川省成都市、河南省濮陽市等多個地區的城鄉河湖水環境治理方案的編制中。

推進城鄉河湖水環境治理首先要尊重自然、敬畏自然，同時應當識別流域水生態系統的基本規律，道法自然。三全三可策略本身是一個不斷完善的過程，任何技術措施都有其自身特點與適用範圍，應當具體分析流域的地域性特點，並以此量身定做最適宜的修複方案。在城鄉河湖水環境治理過程中，需要多學科的交叉，多行業的協同，以及多部門的合作，統籌水利、生態環境、城市住建以及農業農村等部門力量形成合力，共同建設生態河湖[13]。擁有健康、美麗、安全的河湖水系，河湖生態系統服務功能才能夠有序發揮，人類社會的可持續性才能得到保障。

在青春之書裡，我們同在一行字之間。被窩是青春的墳墓。關於少年時代，冷暖自知，最樸素的生活，與最遙遠的夢想。這一切將在被回憶肆意篡改

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文章已收錄到《中國水利》2020年第23期

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