流域水環(huán)境管理的一般性研究框架初探

【摘要】本文在定義流域水環(huán)境管理相關(guān)概念和闡述其內(nèi)涵的基礎上，基于流域的“自然-社會”二元水循環(huán)理論，提煉流域水環(huán)境系統(tǒng)的關(guān)鍵要素與過程，分析驅(qū)動水環(huán)境發(fā)生變化的主要因素，探尋流域水環(huán)境問題產(chǎn)生的癥結(jié)所在，然后針對水的“量”與“質(zhì)”兩個方面，運用開放性復雜巨系統(tǒng)方法論，構(gòu)建流域水環(huán)境管理的一般性研究框架。

【關(guān)鍵詞】流域；水環(huán)境管理；一般性研究框架

A preliminary study for the general research framework of watershed water-environment management

Jiang Jingyuan

Guangdong Provincial Academy of Environmental Science Guangzhou 510045

【Abstract】 Based on the definition of watershed water-environment management， the key constituents and processes of watershed water-environment system were extracted by using the theory of nature-society dualistic water cycle， and the main factors causing water problems were analyzed. Finally， the general research framework of watershed water-environment management was constructed in terms of both water quantity and water quality by using the methodology of complicated open giant system.

【Key words】 Watershed； Water-environment management； General research framework

前言

20世紀中葉以來，隨著經(jīng)濟快速發(fā)展和人口劇增，人類對自然資源利用和環(huán)境破壞的強度不斷加大，生態(tài)環(huán)境問題日益突出，逐漸引起人們對環(huán)境保護的重視。1972年，具有里程碑意義的聯(lián)合國人類環(huán)境會議在瑞典斯德哥爾摩召開，與會各國代表共同發(fā)表了《人類環(huán)境宣言》，強調(diào)在保持經(jīng)濟發(fā)展的同時，必須高度重視生態(tài)環(huán)境保護。而1992年在巴西里約熱內(nèi)盧召開的聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會，討論并通過了《里約環(huán)境與發(fā)展宣言》與《21世紀議程》等綱領性文件，明確提出了“可持續(xù)發(fā)展”的新戰(zhàn)略和新理念，并認識到解決日益嚴重的人口、資源、環(huán)境與發(fā)展問題的有效途徑是以流域為單元對自然資源、生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟社會發(fā)展進行系統(tǒng)的綜合管理[1]。

近年來我國環(huán)境保護雖然取得積極進展，但環(huán)境污染形勢嚴峻的狀況仍未改變，主要表現(xiàn)在主要水系污染未能得到有效遏制、湖泊水庫富營養(yǎng)化問題突出、飲用水源的環(huán)境安全受到威脅和流域生態(tài)用水無法保障等方面。當前，流域內(nèi)水環(huán)境所面臨的一系列問題已經(jīng)成為我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重大瓶頸。

傳統(tǒng)上，我國的水環(huán)境管理主要是以行政轄區(qū)為邊界實施的[2]，目標集中在特定的污染源/排污口或水體上，方法上以實施污染治理工程措施為主。這一管理方法對解決局部問題可能有效，但總體上未能擺脫重走發(fā)達國家“先污染，后治理”的道路，不能從根本上解決問題。面臨著越來越大的人口壓力和經(jīng)濟發(fā)展需求，僅僅開展污染治理已無法有效應對水環(huán)境領域存在的問題以及社會經(jīng)濟發(fā)展對水環(huán)境的更高要求，因此，在流域尺度開展系統(tǒng)性和預防性的水環(huán)境管理就顯得十分重要和迫切[3]。

我國在“十五”期間以及之前的研究中，更多地將重心放在單個污染的治理上，而忽視了從全流域尺度開展綜合性和交叉性的研究。我國“十一五”期間確定以流域為單位進行容量總量控制，首次提到并設立在流域尺度開展污染治理和生態(tài)系統(tǒng)管理的相關(guān)專題，標志著我國的水環(huán)境管理已步入流域尺度的新階段。但從總體上看，我國流域管理的相關(guān)研究尚處于起步階段，有關(guān)流域水環(huán)境管理方面的研究相對零散，未能很好地把握流域水循環(huán)多系統(tǒng)與多層次的特征，并將其體現(xiàn)在水環(huán)境的全流域、全要素、全過程的控制管理上，缺乏系統(tǒng)的理論框架和內(nèi)容體系。

1 流域水環(huán)境管理概念辨析

水量與水質(zhì)是水這一客體不可分割的兩種屬性，水資源和水環(huán)境都具有量與質(zhì)的特性，都受到各種自然因素和人類活動的影響，兩個概念間的內(nèi)涵存在大量交叉，難以截然分開。因此，水資源管理與水環(huán)境管理的對象和內(nèi)容之間也存在許多交叉重疊，其內(nèi)涵因管理的實施者而異。目前我國水環(huán)境管理主要由環(huán)保部門負責，側(cè)重水質(zhì)管理和環(huán)境效益，偏向?qū)ξ廴镜念A防和治理，核心是對各種污染和破壞水環(huán)境的行為的控制。水資源管理主要由水利部門負責，側(cè)重水量管理和經(jīng)濟效益，偏向?qū)λY源的經(jīng)濟性開發(fā)利用，核心是規(guī)范各種開發(fā)利用行為，以實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

我國現(xiàn)行的水資源管理與水環(huán)境管理體制，在一定程度上割裂了水的“量”與“質(zhì)”兩個密切相關(guān)的屬性，雖然能發(fā)揮不同部門的管理優(yōu)勢與技術(shù)，但同時也容易造成水量與水質(zhì)不能有效兼顧，最終水環(huán)境質(zhì)量下降、水資源枯竭的后果[4]。因此，科學有效的水環(huán)境管理應當有別于傳統(tǒng)上管理基本只圍繞水質(zhì)保護的做法。

本文對流域水環(huán)境管理定義如下：流域水環(huán)境管理是在流域尺度上，基于水的循環(huán)特性，把自然水文過程、水資源開發(fā)利用、污染產(chǎn)生和排放等各部分視為有機整體，在現(xiàn)狀分析的基礎上，考慮自然條件變化和社會經(jīng)濟發(fā)展的影響，模擬、預測水環(huán)境系統(tǒng)的變化趨勢，綜合運用技術(shù)、經(jīng)濟、法規(guī)、政策、公眾參與等多種手段，研究與調(diào)控流域空間范圍內(nèi)的水量和水質(zhì)，以實現(xiàn)水體的水質(zhì)水量滿足生態(tài)用水、生活用水及生產(chǎn)用水的規(guī)劃和決策過程。

2 流域水環(huán)境系統(tǒng)的關(guān)鍵要素與過程

在不受人類活動干擾的情況下，流域環(huán)境中各種形態(tài)的水通過蒸發(fā)蒸騰、水汽輸送、凝結(jié)降水、植被截留、地表填洼、土壤人滲、地表徑流、地下徑流和湖泊海洋蓄積等環(huán)節(jié)，周而復始地發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換和運動。人類活動打破了流域自然水循環(huán)系統(tǒng)原有的規(guī)律和平衡，極大地改變了降水、蒸發(fā)、人滲、產(chǎn)流和匯流等水循環(huán)各個過程，使原有的流域水循環(huán)系統(tǒng)由單一的受自然主導的循環(huán)過程轉(zhuǎn)變成受自然和社會共同影響、共同作用的新的水循環(huán)系統(tǒng)，這種水循環(huán)系統(tǒng)稱為流域“自然一社會”二元水循環(huán)系統(tǒng)[5]。

流域水環(huán)境系統(tǒng)就是以“自然一社會”二元水循環(huán)為紐帶，自然與社會、經(jīng)濟活動在流域中相互聯(lián)結(jié)，并互相影響而形成的一個復雜的自然、社會、經(jīng)濟綜合系統(tǒng)。本文基于流域的“自然-社會”二元水循環(huán)理論，對流域水環(huán)境系統(tǒng)的關(guān)鍵要素與過程進行分析，結(jié)果如圖1所示。

3 流域水環(huán)境變化的驅(qū)動因素

流域水環(huán)境變化是自然條件、社會、經(jīng)濟、科技、文化、政策法規(guī)、管理措施等眾多因素綜合作用的結(jié)果，過程十分復雜。針對水的“量”與“質(zhì)”兩個方面，結(jié)合流域水環(huán)境的關(guān)鍵要素與過程，對驅(qū)動流域水環(huán)境發(fā)生變化造成水量、水質(zhì)問題的主要因子進行分析，探尋流域水環(huán)境問題產(chǎn)生的癥結(jié)，結(jié)果如圖2所示。

流域水環(huán)境問題的直接動因包括氣候變化、水動力條件改變、社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源粗放的索取和利用、生活和生產(chǎn)排放的點源污染負荷增加、土地高強度開發(fā)利用改變下墊面條件進而導致的非點源污染加劇等?？偟恼f來，人類活動強度超出了水資源承載能力和水環(huán)境容量是造成流域內(nèi)水環(huán)境問題的根本原因。

4 流域水環(huán)境管理的一般性研究框架

要實現(xiàn)有效的流域水環(huán)境管理，需要解答以下關(guān)鍵問題：（1）如何評價研究流域水環(huán)境目前的狀態(tài)，診斷存在的主要問題？（2）如何預測分析流域水環(huán)境未來的發(fā)展趨勢及其影響？（3）現(xiàn)有對策措施能否應對已有及未來可能出現(xiàn)的流域水環(huán)境問題？如不能，那么應該采取什么樣的對策措施？對于不同的流域管理情景，流域各子系統(tǒng)會有什么樣的響應？（4）如何進行方案優(yōu)選，為管理者提供決策支持？

流域作為一個相對獨立的自然—社會—經(jīng)濟復合系統(tǒng)，成為大氣圈、巖石圈、陸地水圈、生物圈和人文圈相互作用的聯(lián)結(jié)點，是各種人類活動和自然過程對環(huán)境影響的匯集地和綜合反映，是一個要素眾多、關(guān)系錯綜、目標功能多樣的復雜開放巨系統(tǒng)。我國著名科學家錢學森提出了處理開放的復雜巨系統(tǒng)的方法[6]，即定性定量相結(jié)合的綜合集成方法，通過將專家群體（ 各種有關(guān)的專家） 、數(shù)據(jù)和各種信息與計算機技術(shù)進行有機結(jié)合， 綜合各種學科的科學理論和人的經(jīng)驗知識，采取既從整體到部分從上而下，又自下而上由部分到整體的研究路線，最終實現(xiàn)從整體上研究和解決問題的目的。

綜合流域水環(huán)境系統(tǒng)的關(guān)鍵要素與過程、流域水環(huán)境問題的成因分析，針對流域水環(huán)境管理所要解決的關(guān)鍵問題，運用開放性復雜巨系統(tǒng)方法論，本文構(gòu)建了流域水環(huán)境管理的一般性研究框架，如圖3所示。

流域水環(huán)境管理應當涵蓋的主要研究內(nèi)容和基本研究步驟包括：

（一）開展流域水環(huán)境基礎資料收集與調(diào)查。

（二）構(gòu)建流域社會經(jīng)濟發(fā)展模型，對現(xiàn)狀及規(guī)劃年限的需水量及污染負荷進行核算與預測。

（三）構(gòu)建流域-水體連接模型，包括：（1）建立流域分布式水文模型，對流域流域水循環(huán)的植物截留、下滲、土壤蓄水量、蒸散發(fā)、地表徑流、壤中流等眾多水文過程以及污染物的輸移進行定量描述與模擬；（2）建立水體的數(shù)學模型，對水動力狀況以及污染物的遷移轉(zhuǎn)換過程進行定量描述與模擬；（3）計算流域水資源承載能力與水環(huán)境容量；根據(jù)需水量及污染負荷核算結(jié)果，對流域現(xiàn)狀的水資源與水環(huán)境容量使用情況進行分析，分析流域主要環(huán)境問題及成因。

（四）預測規(guī)劃年限內(nèi)自然、社會、經(jīng)濟變化對流域水量水質(zhì)的影響，包括：（1）利用建立的流域分布式水文模型，研究氣候與土地利用變化對流域徑流和非點源污染產(chǎn)出的影響；（2）結(jié)合需水量及污染負荷預測結(jié)果，對規(guī)劃年限內(nèi)水資源與水環(huán)境容量使用的情況進行預估，分析流域水環(huán)境未來可能面臨的問題。

（五）提出流域水環(huán)境管理對策，并對各種對策措施的實施效果進行模擬及綜合評價，包括：（1）根據(jù)水資源與水環(huán)境容量使用情況的分析預估結(jié)果，提出相應的流域水環(huán)境管理對策；（2）利用建立的流域-水體連接模型，對各種管理對策的實施效果進行模擬；（3）基于DPSIR框架選擇評價指標，對流域水環(huán)境管理對策進行綜合評價，進行方案優(yōu)選，為管理者提供決策支持。

5 結(jié)論

本文對流域水環(huán)境管理的一般性研究框架進行了探討研究，提出流域水環(huán)境管理應當涵蓋的主要研究內(nèi)容和基本研究步驟，構(gòu)建的框架中所含的研究要素包括分析流域水環(huán)境自然、社會、經(jīng)濟復合系統(tǒng)的主要動力過程，提取關(guān)鍵因素進行概念模型、數(shù)值模型以及評價模型的構(gòu)建，對關(guān)鍵因素、過程和結(jié)果進行相應地合理地定性描述及定量表達；通過流域建模及仿真，經(jīng)濟、科學、高效地分析流域水環(huán)境問題及其成因，對流域未來的環(huán)境條件以及社會經(jīng)濟發(fā)展狀況進行預測，分析和比較備選決策方案實施的可能后果，從而選擇最佳的決策方案或?qū)Q策方案進行合理調(diào)整，減少流域決策實施的盲目性，以期最終實現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展的終極目的。該框架能為實施將水環(huán)境保護、水資源開發(fā)利用與自然-社會-經(jīng)濟綜合系統(tǒng)緊密結(jié)合起來的流域水環(huán)境管理提供技術(shù)支撐。

參考文獻：

[1]楊桂山， 于興修， 李恒鵬等. 流域綜合管理發(fā)展的歷程、經(jīng)驗啟示與展望[J].湖泊科學， 2004，（16）：1-10.

[2]薄燕懷. 實施水環(huán)境全流域管理的初步研究[J]. 安徽師范大學學報（自然科學版），2000，（04）：362-364.

[3]王赫. 我國流域水環(huán)境管理現(xiàn)狀與對策建議[J]. 環(huán)境保護與循環(huán)經(jīng)濟，2011，（07）：62-65.

[4]匡耀求，黃寧生. 中國水資源利用與水環(huán)境保護研究的若干問題[J]. 中國人口.資源與環(huán)境，2013，（04）：29-33.

[5]王浩，賈仰文. 變化中的流域“自然-社會”二元水循環(huán)理論與研究方法[J]. 水利學報，2016，（10）：1219-1226.

[6] 錢學森，于景元，戴汝為. 一個科學新領域——開放的復雜巨系統(tǒng)及其方法論[J]. 自然雜志，1990，（01）：3-10+64.

作者簡介：蔣婧媛（1985-），女，博士，工程師，研究方向為流域水環(huán)境模擬。