流域水環(huán)境污染控制技術(shù)與管理策略中存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

［澳大利亞］A.加多安尼 等

1 概 述

如今面臨的水危機(jī)，并不是指沒(méi)有足夠的水來(lái)滿足人類(lèi)的需要，而是意味著水管理水平太低，導(dǎo)致億萬(wàn)人及其賴(lài)以生存的環(huán)境受到重創(chuàng)。這段話節(jié)選自出版物《世界水展望報(bào)告》，它以簡(jiǎn)潔而強(qiáng)有力的方式，闡明了目前世界水資源的狀況。如今，世界很多地方都存在水資源短缺，并且隨氣候變化這一狀況將逐漸惡化，但很多地區(qū)的水資源沒(méi)有進(jìn)行妥善的管理也是事實(shí)，現(xiàn)實(shí)存在的諸多管理問(wèn)題，如水這種重要的資源管理，可能面臨著一系列地區(qū)間的共性和顯著差異性的挑戰(zhàn)。已達(dá)成一種共識(shí)，即要解決諸如水環(huán)境這類(lèi)復(fù)雜的問(wèn)題，特別是在這個(gè)瞬息萬(wàn)變的社會(huì)里，需要有一種集成化的管理方法和利用先進(jìn)科技與政策化的手段。2009 年4 月，舉行了一次關(guān)于流域水環(huán)境污染控制科技與管理策略的國(guó)際研討會(huì)，會(huì)議由中國(guó)浙江大學(xué)主辦，美國(guó)密西根州立大學(xué)以及澳大利亞的西澳大利亞大學(xué)協(xié)辦。會(huì)議主題涉及水質(zhì)、污染控制、納污水體、藻類(lèi)水華、圍繞農(nóng)業(yè)教育的社會(huì)經(jīng)濟(jì)研究、新的施肥方法應(yīng)用以及環(huán)境管理中人與自然和諧的大框架等。

富營(yíng)養(yǎng)化與藻類(lèi)水華通常認(rèn)為是對(duì)世界水資源安全保障最常見(jiàn)且最嚴(yán)重的威脅之一。湖泊、飲水水源和其他淡水水體中大型的藻類(lèi)水華，往往是由微囊藻之類(lèi)的藍(lán)藻引起的。由于尚不明確藻類(lèi)水華的發(fā)生機(jī)制，在未來(lái)氣候變化的情況下，水華有可能變得越來(lái)越頻繁，且強(qiáng)度更大、頻率更高。古代關(guān)于藻類(lèi)水華的報(bào)告表明，富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題并不是一種新奇的現(xiàn)象，更清楚的原因是近幾十年來(lái)農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁和土地利用的改變，從而加劇了藻類(lèi)水華事件發(fā)生的頻率。

藻類(lèi)水華及其有毒物的產(chǎn)生對(duì)水生系統(tǒng)的影響與作用在許多文獻(xiàn)中有據(jù)可查，但很少有人知道其社會(huì)經(jīng)濟(jì)后果，僅科學(xué)界、水管理機(jī)構(gòu)近來(lái)才對(duì)其有所關(guān)注。許多人認(rèn)為，雖然社會(huì)開(kāi)始理解了經(jīng)濟(jì)成本的重要性，但有關(guān)富營(yíng)養(yǎng)化成本的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法仍不是通用的方法。而對(duì)于諸如公眾健康、對(duì)商業(yè)漁類(lèi)的影響、監(jiān)測(cè)和管理費(fèi)用增加等，相對(duì)容易理解。但對(duì)于資源管理者來(lái)說(shuō)，就很難評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)功能、美學(xué)價(jià)值喪失、物種多樣性缺失、旅游和娛樂(lè)等方面的影響。有時(shí)可能會(huì)遇到由某些政府部門(mén)提交的費(fèi)用案例，例如在美國(guó)1998 年有毒藻類(lèi)水華與氧虧研究控制報(bào)告中提到，“國(guó)會(huì)發(fā)現(xiàn)……在過(guò)去幾十年間有毒藻類(lèi)水華造成的經(jīng)濟(jì)損失估計(jì)達(dá)10億美元”。多滋等學(xué)者提出了一份詳細(xì)報(bào)告，報(bào)告分析了淡水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)損失，估計(jì)了特殊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損失的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，以及其在財(cái)產(chǎn)價(jià)值與娛樂(lè)方面的影響，每年的綜合損失達(dá)到22 億美元。再?gòu)陌拇罄麃喌那闆r看，其經(jīng)濟(jì)損失大致相當(dāng)。不過(guò)現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)損失研究大多集中在大型商業(yè)性或娛樂(lè)性漁業(yè)(也稱(chēng)休閑漁業(yè)，如貝殼類(lèi))的稅收收入上，其估算方法目前還處在爭(zhēng)論中。近來(lái)，隨著水科學(xué)技術(shù)不斷融入到經(jīng)濟(jì)模型中，對(duì)上述這些方法進(jìn)行了完善，即富營(yíng)養(yǎng)化特別是藻類(lèi)水華的影響，在很大程度上只是個(gè)經(jīng)濟(jì)(如商業(yè)漁類(lèi)稅收損失)指標(biāo)，并沒(méi)有考慮對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)的影響(如某些國(guó)家的糧食種植或某些魚(yú)類(lèi)稅收大量減少引起的貧窮加重)。

不管怎樣，科學(xué)界正在考慮以一種更優(yōu)的集成方式(100 a 來(lái)，有關(guān)這方面研究的出版物數(shù)量在不斷增加)來(lái)處理富營(yíng)養(yǎng)化及其對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響的相關(guān)問(wèn)題。在過(guò)去20 a，關(guān)于富營(yíng)養(yǎng)化或水質(zhì)與社會(huì)或經(jīng)濟(jì)影響的出版物數(shù)量在不斷增加，其增加量竟占到了過(guò)去100 a 同主題文獻(xiàn)的60%。近10 a 來(lái)，相關(guān)文獻(xiàn)還在持續(xù)增加中。

2 人與自然和諧的重要性

有學(xué)者認(rèn)為，有必要修正人與自然之間和諧的框架，并基于傳播閥值概念，找到能與股東達(dá)成共識(shí)、防止災(zāi)難性后果的方法。但目前這一框架似乎還不能達(dá)到使人類(lèi)與生態(tài)系統(tǒng)同呼吸共命運(yùn)的境界，也不能以嚴(yán)格應(yīng)用于環(huán)境管理的方式使其與自然環(huán)境和諧、融入閥值響應(yīng)的范圍。

西澳大利亞州研究者利用某農(nóng)場(chǎng)的營(yíng)養(yǎng)物進(jìn)行了較詳細(xì)的模擬研究，該研究可能對(duì)土地的今后利用有重要影響。鑒于過(guò)去50 a 農(nóng)業(yè)和城市化的景觀發(fā)展導(dǎo)致了從陸地到水體的營(yíng)養(yǎng)物損失，里弗斯等學(xué)者結(jié)合農(nóng)場(chǎng)和集水范圍的測(cè)量與調(diào)查數(shù)據(jù)，構(gòu)建了磷在集水區(qū)移動(dòng)的動(dòng)力模型，提供了描述磷通量及未來(lái)磷損失情形的一種手段。該模型的開(kāi)發(fā)與構(gòu)建，大大增強(qiáng)了科學(xué)管理策略的能力。通過(guò)這些農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的集成，可有效完善上述研究框架，指導(dǎo)農(nóng)民在土地利用和肥料(如氮、磷)使用等方面的行為。

3 各種非點(diǎn)源污染

對(duì)非點(diǎn)源污染源而言，人們的眼光往往集中在磷和氮上，其實(shí)其他污染物如重金屬，對(duì)受納生態(tài)系統(tǒng)及人類(lèi)健康也造成了不可忽視的影響。污染的土壤，特別是在人口高度密集的地區(qū)是個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，極有可能潛在地影響到源自排水系統(tǒng)以及污染地帶沿途含有毒物質(zhì)地表徑流中的水生物及陸生物。有人對(duì)某水稻地區(qū)不同緯度地表土壤中重金屬濃度進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果顯示，砷與鎘濃度顯著高于參考標(biāo)準(zhǔn)濃度，而鉛、鉻的濃度隨緯度不同而變化。一般來(lái)說(shuō)，海拔高的土壤中重金屬含量較低，土壤中污染程度屬中等。

很多國(guó)家都存在有六價(jià)鉻(Cr(Ⅵ))污染，因?yàn)槠湓谒械娜芙庑院芨卟⒕哂卸拘浴Ｓ捎谌齼r(jià)鉻(Cr(Ⅲ))毒性略小，經(jīng)過(guò)生物或化學(xué)方法將六價(jià)鉻轉(zhuǎn)化為三價(jià)鉻的方法，是減少鉻污染的有效選擇。減少鉻污染，還可通過(guò)減少0 當(dāng)量鐵顆粒的化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)。例如，地下水中蘊(yùn)藏有豐富的天然腐殖物如腐殖酸，便可通過(guò)鐵顆粒影響鉻離子而將這些腐殖酸去除。

飲用供水中的砷污染是個(gè)世界性問(wèn)題，其具有不同毒性的幾種化學(xué)形式廣為人知。實(shí)驗(yàn)室采樣的種類(lèi)分布通常并不穩(wěn)定，于是有人提出了一種對(duì)4種毒性最強(qiáng)的可溶性砷進(jìn)行分離的簡(jiǎn)便方法，便于野外操作與室內(nèi)試驗(yàn)良好結(jié)合，做出結(jié)果分析。

4 污水處理與管理

在人口高度密集的地區(qū)，高標(biāo)準(zhǔn)的污水處理與管理對(duì)于飲用水源的安全與保障是非常關(guān)鍵的。含有大量高濃度污染物的污水如果未經(jīng)充分處理，就容易導(dǎo)致水道內(nèi)富營(yíng)養(yǎng)化大量增加，許多嚴(yán)重的藻類(lèi)水華就是與沒(méi)有充分處理污水匯入相關(guān)。世界各國(guó)目前也在嘗試將濕地建為保護(hù)區(qū)的緩沖區(qū)，而且對(duì)此的關(guān)注度也越來(lái)越高，這就給污水處理又提供了一個(gè)額外的通道，因?yàn)闈竦亟ㄔO(shè)相對(duì)傳統(tǒng)的污水處理來(lái)說(shuō)，是節(jié)省資金而非常成功的方法。

濕地植物的氧傳輸，包括植物營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收，在污水處理過(guò)程中扮演著重要角色。有文獻(xiàn)表明，能借用濕地植物根系的泌氧能力來(lái)選擇濕地植物的參數(shù)，從而增加基底的供氧，加強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)鹽的轉(zhuǎn)化與去除。而且，去除富含氨氮污水中的氮技術(shù)，是一種前景廣闊的有效方法，它是一個(gè)全程自養(yǎng)氮化與厭氧氨氧化的新型微生物過(guò)程。自氧反硝化脫氮技術(shù)，就是用來(lái)去除有機(jī)物含量較少的廢水中的硝酸鹽或亞硝酸鹽。

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水，由于其含有大量組分，且含有不同毒性的污染物，以及需要更復(fù)雜的去除機(jī)制等問(wèn)題，給水管理更增添了一層復(fù)雜性。例如，洗車(chē)廢水中含有大量的包括石油、橡膠、機(jī)油、潤(rùn)滑油和揮發(fā)性有機(jī)物在內(nèi)的化合物。發(fā)達(dá)國(guó)家的洗車(chē)廢水的循環(huán)使用措施廣為采用，而發(fā)展中國(guó)家的洗車(chē)廢水是未經(jīng)處理就直接進(jìn)入污水系統(tǒng)。巴蒂等學(xué)者在“減少水污染的洗車(chē)廢水化學(xué)氧化法”論文中，對(duì)洗車(chē)廢水集成處理系統(tǒng)的可能性進(jìn)行過(guò)論述。而且，化學(xué)合成過(guò)程中廢水(如藥廠污水)含有高濃度的化學(xué)需氧量負(fù)荷，必須有效處理后才能無(wú)害排放。因?yàn)槭澜绶秶脊餐ψ屗Y源更環(huán)保，促使革新的污水處理方法不斷被開(kāi)發(fā)拓展。利用化學(xué)加強(qiáng)方法，并與先進(jìn)的氧化過(guò)程結(jié)合就是這樣一種革新方法，給傳統(tǒng)的市政污水處理提供了充滿前景的方法。

很明顯，污水處理與管理是個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，目前還沒(méi)有將污水的行為(或類(lèi)似的超富營(yíng)養(yǎng)化)納入系統(tǒng)考慮的框架。根據(jù)學(xué)者謝佛爾的機(jī)制轉(zhuǎn)變理論，提出了一個(gè)可融入污水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)學(xué)方面的新框架。該框架著重在于理解系統(tǒng)動(dòng)態(tài)學(xué)，力圖減少對(duì)化學(xué)處理或昂貴管理費(fèi)用(如經(jīng)常性的底泥去除)的依賴(lài)性。

5 營(yíng)養(yǎng)鹽與富營(yíng)養(yǎng)化控制

由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)于環(huán)境有著重要影響，隨著不斷增長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷，很多文獻(xiàn)中都出現(xiàn)了營(yíng)養(yǎng)鹽特別是氮和磷及其在水體富營(yíng)養(yǎng)化中作用方面的研究。化學(xué)處理，如硫酸銅，廣泛用于減少水道中不斷增加的營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷的影響，旨在通過(guò)去除有毒藻類(lèi)水華，提高飲水水質(zhì)。

減少受納水體富營(yíng)養(yǎng)化影響的主要策略是去除污水中很有限的營(yíng)養(yǎng)鹽，這也直接決定著污水處理的類(lèi)型和水平。不過(guò)，濕沉降中的營(yíng)養(yǎng)鹽能很容易被浮游植物所吸收，對(duì)于降雨事件后浮游植物的生長(zhǎng)有一定的刺激作用。

像農(nóng)業(yè)這樣的主要產(chǎn)業(yè)和廣泛使用的化肥，都可以改善土壤條件，增加農(nóng)作物產(chǎn)量，同時(shí)通過(guò)排到主要湖泊水道的徑流而帶去營(yíng)養(yǎng)鹽。因此有必要調(diào)查多余營(yíng)養(yǎng)鹽之間的反應(yīng)和在環(huán)境中的傳送方式，同時(shí)尋找更有效的化肥。有人對(duì)包菜地里地表徑流做過(guò)氮損失的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)氮損失與徑流量密切相關(guān)，并且在不同植物生長(zhǎng)階段都發(fā)現(xiàn)了氮損失。還有人通過(guò)長(zhǎng)期野外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，商業(yè)有機(jī)肥作為化學(xué)肥料的部分替代品，在提高農(nóng)作物產(chǎn)量和集約化生產(chǎn)的營(yíng)養(yǎng)鹽平衡方面很有效。因此，商業(yè)有機(jī)肥由于能減少氮和磷在環(huán)境中的損失，所以可以作為化學(xué)肥料的部分替代品。

6 水質(zhì)管理

水體中污染源的分布及時(shí)空模式特征對(duì)于水資源的管理與保護(hù)是很重要的。河流是最容易被污染的水體，在生活污水、工業(yè)廢水及耕地徑流傳輸過(guò)程中扮演著重要角色。

例如，由于人口壓力及不斷惡化的土地污染，印度德里河亞穆納河段已成為典型惡化的河流生態(tài)系統(tǒng)。由于該國(guó)都市地區(qū)污水排放，河流已經(jīng)嚴(yán)重污染，約占該河污染負(fù)荷的79%。該河急切需要有效的河流系統(tǒng)管理，包括在德里污水處理廠最大限度地提高除污效率，控制工業(yè)污染，引入污水處理廠的運(yùn)行管理規(guī)則，開(kāi)發(fā)污水控制規(guī)劃。

此外，世界上許多國(guó)家都在污染水體中使用微生物或化學(xué)源追蹤法來(lái)識(shí)別糞便污染源。由于沿用的標(biāo)準(zhǔn)方法不能識(shí)別污染的源頭，所以上述方法的運(yùn)用發(fā)展迅速。不過(guò)到現(xiàn)在為止，還沒(méi)有一種理想的使用微生物追蹤糞便源的方法(或組合方法)。

7 目前研究方向及未來(lái)挑戰(zhàn)

水管理中除了由于隨徑流不斷增加的營(yíng)養(yǎng)鹽外，污染物的復(fù)雜多樣性和廣泛性已擴(kuò)展到流域以外，這一層錯(cuò)綜復(fù)雜的問(wèn)題，不得不讓科學(xué)工作者和水資源管理者面臨更多的挑戰(zhàn)。也許最大的挑戰(zhàn)是集成化的，而且也是適應(yīng)性的水資源管理框架的制定?，F(xiàn)在熱議的問(wèn)題是將集成化水資源管理與適應(yīng)性管理兩種模式正式結(jié)合起來(lái)，這樣才有助于正視水資源及其管理所面對(duì)的現(xiàn)狀和新興難題。這種集成管理，在以前和未來(lái)的氣候變化、經(jīng)濟(jì)社會(huì)變革情況下都是有必要的。實(shí)現(xiàn)集成化管理和適應(yīng)性管理相結(jié)合的可能途徑如下:

(1)集社會(huì)、生態(tài)和水文系統(tǒng)于一體，提高管理的有效性;

(2)通過(guò)投資者參與、合作、分散化和民主化決策，增加立法并增強(qiáng)公眾的認(rèn)知性;

(3)通過(guò)吸收多種知識(shí)和參與不同形式的社會(huì)學(xué)習(xí)，得到技術(shù)專(zhuān)家的指點(diǎn);

(4)通過(guò)水資源管理的實(shí)踐和學(xué)習(xí)，增強(qiáng)管理的靈活性和適應(yīng)性。然而，這兩種管理策略都有局限性，并不是將兩者簡(jiǎn)單地合為一體。不論在理論上還是在實(shí)踐中，均需對(duì)上述兩種策略作進(jìn)一步研究，才有可能找到成功的途徑。