流域視角下的城鄉(xiāng)河湖水環(huán)境治理“三全三可”策略及案例分析

趙進(jìn)勇，彭文啟，丁 洋，馮 健，王 琦

（中國水利水電科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所，100038，北京）

一、城鄉(xiāng)河湖水環(huán)境治理的特點(diǎn)

城鄉(xiāng)河湖水環(huán)境問題反映在斷面水質(zhì)上，但根源是水域和陸域相關(guān)問題的綜合疊加，以及城鄉(xiāng)區(qū)域內(nèi)自然—社會高度耦合的交互影響。

從自然特點(diǎn)來看，影響斷面水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)的因素，在空間尺度上大且多、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(qiáng)。在空間尺度上，流域內(nèi)片狀分布的農(nóng)林田地、城鄉(xiāng)建設(shè)區(qū)，密集分布的農(nóng)村生活污水和畜禽養(yǎng)殖廢水排放點(diǎn)均構(gòu)成面源污染負(fù)荷來源，單點(diǎn)分布的不達(dá)標(biāo)排污口或污水處理廠站等構(gòu)成了點(diǎn)源污染負(fù)荷來源，受污染河段或湖泊內(nèi)的淤泥底質(zhì)則構(gòu)成了內(nèi)源污染負(fù)荷來源。除了上述相對固定的污染源，船舶航運(yùn)、交通運(yùn)輸?shù)纫苿游廴驹匆搽S時會成為污染負(fù)荷來源。在時間尺度上，一年內(nèi)的豐水、平水和枯水期交替變化，直接影響著河湖內(nèi)水環(huán)境容量大小，相同的污染負(fù)荷排入河湖水系，同一斷面在不同水期的水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況會有極大不同。在邊界上，影響某個斷面某個指標(biāo)達(dá)標(biāo)情況的污染源邊界往往較難界定，建立水質(zhì)斷面—陸域影響區(qū)的響應(yīng)關(guān)系需長期觀測，而影響某個指標(biāo)的污染源溯源分析也需要厘清污染物遷移輸移轉(zhuǎn)化等相關(guān)機(jī)理。

從社會特點(diǎn)來看，地方管理部門對城鄉(xiāng)水環(huán)境治理的復(fù)雜性和長期性認(rèn)識不足，往往僅制定短時間內(nèi)達(dá)標(biāo)的理想計(jì)劃，或者單純寄希望于某項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在具體實(shí)施過程中卻忽視了流域水文和污染物遷移規(guī)律，導(dǎo)致事倍功半。

二、“三全三可”策略

針對城鄉(xiāng)河湖水環(huán)境治理的自然和社會特點(diǎn)，提出流域視角下城鄉(xiāng)河湖水環(huán)境治理“三全三可”策略，用于指導(dǎo)城鄉(xiāng)河湖水環(huán)境治理方案的制訂?！叭敝傅氖侨采w、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(yù)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(zhì)達(dá)標(biāo)問題進(jìn)行分析，統(tǒng)籌陸域和水域。

在陸域，將全部面積進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成若干控制單元，把產(chǎn)水產(chǎn)污分配到各個控制單元里，以控制單元為抓手做好“減源”，減少關(guān)鍵污染物的污染負(fù)荷排放。在水資源配置、水量分配等環(huán)節(jié)根據(jù)水質(zhì)類別進(jìn)行分質(zhì)供水、用水，合理分配生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水，最大程度減少入河污染負(fù)荷，增強(qiáng)“節(jié)水就是治污，就是減少污染負(fù)荷排放”的意識，形成以水量平衡和最低污染負(fù)荷排放為導(dǎo)向的水資源量質(zhì)統(tǒng)籌配置方案。

在水域，通過生態(tài)水利工程體系和市政工程體系的合理調(diào)度，增加河湖水系內(nèi)清水比重，改善水系水動力循環(huán)條件，提高河湖水系的自凈能力，做好“增容”，增加城鄉(xiāng)河湖水系水環(huán)境容量。

（2）全過程

全過程指的是遵循流域內(nèi)水文循環(huán)和污染物輸移轉(zhuǎn)化規(guī)律，包括從污染源頭控制、污染負(fù)荷過程阻控到水系內(nèi)末端治理的全環(huán)節(jié)。

在污染源頭控制方面，通過對點(diǎn)源、面源、內(nèi)源、移動源等不同類型污染源的控制，減少污染負(fù)荷產(chǎn)生量。對入河排污口直排、不達(dá)標(biāo)污水處理廠站排放、管網(wǎng)漏排溢流排放等點(diǎn)源污染源需重點(diǎn)關(guān)注。對農(nóng)林田地、城市初雨徑流、農(nóng)村生活污水、畜禽養(yǎng)殖廢水等面源污染源需通過產(chǎn)業(yè)調(diào)整、土地利用方式優(yōu)化、分散式處理等方式減少源頭排放。對內(nèi)源污染物，需在底泥取樣、釋放試驗(yàn)等分析基礎(chǔ)上分類施策，并形成清淤—處理—資源化利用的全鏈條模式。對船舶航運(yùn)、交通運(yùn)輸?shù)纫苿釉矗枳龊帽O(jiān)控預(yù)警，防止發(fā)生水污染突發(fā)事故。

在污染負(fù)荷過程阻控方面，遵循流域水循環(huán)和給水排水規(guī)律，根據(jù)徑流產(chǎn)生和污染物輸移轉(zhuǎn)化的規(guī)模、頻率、時機(jī)、持續(xù)時間和變化情況，選擇合適的坡地、臺地、坑塘、建成區(qū)、岸濱帶等多類型空間區(qū)域，結(jié)合天然林保護(hù)、林區(qū)建設(shè)、基本農(nóng)田、生態(tài)清潔小流域、生態(tài)灌區(qū)、海綿城市、自然型濕地等，構(gòu)建截留、削減、轉(zhuǎn)化等組合式阻控體系，減少進(jìn)入河湖水系的污染負(fù)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的前提下，基于生態(tài)水力學(xué)和生態(tài)水工學(xué)原理，結(jié)合閘壩工程、河道整治工程等，通過單點(diǎn)工程合理調(diào)度或生態(tài)化改造、河道內(nèi)直接接觸氧化、閘壩群調(diào)度改善水動力循環(huán)條件等措施提高水體自凈能力，進(jìn)一步減少污染負(fù)荷。

（3）全要素

流域內(nèi)山水林田湖草和城鄉(xiāng)建設(shè)區(qū)域特征對于流域產(chǎn)流產(chǎn)污情況有很大影響，各要素的不同格局特征直接影響了植物截留、下滲、填洼與蒸發(fā)等降雨損失類型，從而影響流域徑流量，進(jìn)而影響河湖內(nèi)水量。而不同要素對于污染負(fù)荷的削減降解功能也存在差異，影響了流域污染負(fù)荷的產(chǎn)生量和入河量。

2.“三可”

（1）問題可定位定時識別

在城鄉(xiāng)水環(huán)境治理方案中，需要強(qiáng)化問題導(dǎo)向，既能在空間尺度上識別出引起某個控制斷面某項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)的關(guān)鍵陸域控制單元或片區(qū)，又能在時間尺度上明晰問題突出的敏感時段。為實(shí)現(xiàn)此目的，在控制斷面水質(zhì)變化分析方面，需在現(xiàn)有數(shù)據(jù)和補(bǔ)充監(jiān)測基礎(chǔ)上，分析水系內(nèi)所有控制斷面水質(zhì)指標(biāo)的時空變化特征，識別出上下游、干支流中的關(guān)鍵問題斷面及其特征污染物的周期性變化規(guī)律。在陸域污染源解析及污染負(fù)荷計(jì)算等方面，需在陸域控制單元體系下分析評估與特征污染物相關(guān)的污染源分布狀況與排污強(qiáng)度，分析污染源對控制斷面水質(zhì)的季節(jié)性影響特點(diǎn)，建立陸域污染負(fù)荷排放與控制斷面水質(zhì)指標(biāo)之間的定性或定量關(guān)系，找出導(dǎo)致水質(zhì)超標(biāo)的主要污染源、污染項(xiàng)目和超標(biāo)原因，并定位到具體的控制單元或片區(qū)，必要時需開展入河排污口及河湖水質(zhì)水量同步監(jiān)測，研究確定特征污染物與河流水質(zhì)過程的響應(yīng)參數(shù)。

（2）措施可落地有效

措施可落地有效體現(xiàn)在國土空間土地類型布局、總體措施體系構(gòu)建和具體措施選擇三個方面。

在國土空間優(yōu)化方面，可利用景觀生態(tài)學(xué)基底—綴塊—廊道格局分析方法，對流域內(nèi)山水林田湖草及城鄉(xiāng)建設(shè)區(qū)域等不同土地類型進(jìn)行綜合分析，以各生態(tài)要素利于完成生態(tài)過程及最小化污染負(fù)荷產(chǎn)生量為指引，優(yōu)選最佳國土空間優(yōu)化方案和土地類型布局，并注意河湖生態(tài)廊道范圍與生態(tài)紅線、基本農(nóng)田控制線和城鎮(zhèn)開發(fā)利用控制線之間的銜接。在城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)域內(nèi)，尤其需關(guān)注初雨徑流污染的判定和控制措施、海綿城市措施的布局和規(guī)模、短期極值暴雨的疊加等因素對于河湖水環(huán)境的長期或短期影響。

在總體措施體系構(gòu)建方面，根據(jù)設(shè)計(jì)水文條件，選擇適宜方法確定河湖水系水環(huán)境容量，并按照河湖水系—入河排污口—控制單元次序倒推出陸域每個控制單元的污染負(fù)荷控制總量，再根據(jù)實(shí)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(yīng)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(bǔ)充措施，并最終形成可落實(shí)到空間控制單元的措施體系。

在具體措施選擇方面，需根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃臍夂颉⒆匀坏乩?、資源稟賦等自然情況和經(jīng)濟(jì)社會條件，根據(jù)國內(nèi)外類似案例的運(yùn)行情況，形成適用技術(shù)清單，從中選擇易操作、可奏效的技術(shù)措施。

（3）效果可定量預(yù)測

為提高問題針對性和措施有效性，需對措施效果進(jìn)行多個情景下的定量預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果優(yōu)化措施總體布局，必要時還應(yīng)能推演不同分步措施的遞進(jìn)實(shí)施效果?？衫昧饔蚍植际剿哪Ｐ?、城市管網(wǎng)模型與水系水動力水質(zhì)模型相結(jié)合的耦合模型技術(shù)對不同組合措施的效果進(jìn)行定量預(yù)測。

圖1 “三全三可”策略邏輯路線圖

在選擇分布式水文模型時，需根據(jù)流域內(nèi)土地利用方式特點(diǎn)、農(nóng)村與城市區(qū)域的比例等因素合理選擇模型類型，將模型計(jì)算得出的徑流量、產(chǎn)污量、產(chǎn)沙量等作為水動力水質(zhì)模型的輸入條件，并將各控制單元的污染負(fù)荷削減量作為控制指標(biāo)。在城市管網(wǎng)模型中，對于汛期溢流污染、初期雨水收集能力等方面需重點(diǎn)關(guān)注。在水動力水質(zhì)模型中，需合理設(shè)置控制斷面，將控制斷面某項(xiàng)指標(biāo)的達(dá)標(biāo)率作為控制指標(biāo)，并重點(diǎn)關(guān)注河道水質(zhì)變化敏感時期及關(guān)鍵斷面的水質(zhì)改善水平。

3.“三全三可”策略邏輯路線

城鄉(xiāng)河湖水環(huán)境治理方案的制定過程遵循“三全三可”策略，邏輯路線如圖1 所示。治理方案首先開展治理區(qū)上位規(guī)劃解讀與概況分析，針對規(guī)劃方向與治理需求，提出治理區(qū)水環(huán)境總體目標(biāo)，然后制定具體方案。具體方案制定要經(jīng)歷3個步驟，分別為正向分析、反向設(shè)計(jì)與正向?qū)嵤?/p>

（1）正向分析（陸域—水域）

正向分析是以治理區(qū)河湖水環(huán)境問題為導(dǎo)向，通過數(shù)值模型、實(shí)地監(jiān)測等手段定量計(jì)算陸域各個控制單元污染負(fù)荷，并結(jié)合水域控制斷面的水質(zhì)分析，建立陸域控制單元污染負(fù)荷排放與控制斷面水質(zhì)指標(biāo)之間的定性或定量關(guān)系，定位定時分析陸域各控制單元污染負(fù)荷輸入導(dǎo)致水域控制斷面的水質(zhì)變化。

（2）反向設(shè)計(jì)（水域—陸域）

反向設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)水文條件，選擇適宜方法根據(jù)水質(zhì)現(xiàn)狀確定河湖水系水環(huán)境容量，并基于規(guī)劃水質(zhì)管理目標(biāo)計(jì)算水質(zhì)目標(biāo)下的河湖水系水域納污能力，然后按照河湖水系斷面—入河排污口—控制單元次序倒推出陸域每個控制單元的污染負(fù)荷削減總量，針對各個控制單元待削減污染負(fù)荷總量進(jìn)行不同措施體系構(gòu)建，使治理措施可以落實(shí)到各個控制單元上。

（3）正向?qū)嵤懹颉颍?/p>

正向?qū)嵤┦沁M(jìn)行措施總體布局時遵循流域污染物輸移的各個過程，并考慮流域山水林田湖草及城鄉(xiāng)建設(shè)區(qū)域等全部要素，形成治理區(qū)措施清單。根據(jù)治理區(qū)域現(xiàn)狀選擇適宜的數(shù)值模型定量預(yù)測分析措施體系對水域控制斷面水質(zhì)指標(biāo)的改善效果，判斷控制斷面水質(zhì)是否達(dá)到規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)管理要求。

表1 各類方案斷面達(dá)標(biāo)率結(jié)果

三、實(shí)踐案例

在深刻理解“三全三可”策略、解析流域主要污染源和水質(zhì)不達(dá)標(biāo)原因的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用水質(zhì)監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)分析、空間分析等研究手段，結(jié)合陸域—水域耦合模型評估的結(jié)果和水環(huán)境治理技術(shù)集成方案，統(tǒng)籌考慮水環(huán)境、水生態(tài)、水資源和水安全問題，以“現(xiàn)有方案—既定目標(biāo)”關(guān)系為切入點(diǎn)，緊扣 “問題識別—目標(biāo)評估—措施優(yōu)化” 這一主線，形成分期、分類實(shí)施項(xiàng)目庫，構(gòu)建解決流域水環(huán)境問題的整體技術(shù)體系，并合理安排實(shí)施進(jìn)度方案，健全保障體系，發(fā)揮綜合效益，最終形成流域水環(huán)境綜合治理規(guī)劃。

以北京市《海淀區(qū)水系生態(tài)治理工作方案（2016—2020）——“水清岸綠”行動》編制進(jìn)行舉例說明。

1.規(guī)劃目標(biāo)及總體布局

（1）規(guī)劃范圍

規(guī)劃范圍為北京市海淀區(qū)全區(qū)，結(jié)合陸域水域全覆蓋思路劃分72個控制單元，以問題可定位定時識別為導(dǎo)向，以控制單元為評估單元，建立污染源、入河污染物、水體水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系，識別控制單元的主要水環(huán)境問題。

（2）規(guī)劃目標(biāo)

到2018年年底，全區(qū)實(shí)現(xiàn)河道水體主要指標(biāo)達(dá)到或接近地表水Ⅲ類；到2020年年底，通過生態(tài)涵養(yǎng)鞏固提高，強(qiáng)化管理，河道生態(tài)自凈能力逐步恢復(fù)，水質(zhì)指標(biāo)常年保持地表水Ⅲ類；到2030年，水生態(tài)系統(tǒng)得到恢復(fù)，生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。

（3）總體布局

統(tǒng)籌考慮海淀區(qū)山水林田湖草和城鄉(xiāng)建設(shè)區(qū)域全要素特征，采用“一軸三區(qū)三廊四帶多點(diǎn)” 的總體布局，措施縱穿“一軸”（京密引水渠），針對“三區(qū)”（中西部山區(qū)、北部地區(qū)與南部地區(qū)）不同的問題重點(diǎn)因地制宜選取措施，圍繞著“三廊”（南沙河綠色生態(tài)廊道、北旱河—清河綠色生態(tài)廊道與南旱河—永引綠色生態(tài)廊道）在區(qū)域內(nèi)打造“多點(diǎn)”的治理措施。

2.措施體系

案例遵循流域尺度內(nèi)自然社會水循環(huán)規(guī)律，以水質(zhì)達(dá)標(biāo)為核心，以水生態(tài)治理為主線，以措施可落地有效為基本要求，構(gòu)建以“污水處理系統(tǒng)為基本單元的控源截污體系、基于生態(tài)基流保障的多水源水量配置體系、多級濕地網(wǎng)絡(luò)水系連通循環(huán)體系、保障水系生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)修復(fù)體系、基于綠色海綿流域的水安全保障體系”的五維體系，利用源頭減排、過程削減、末端治理全過程水環(huán)境治理技術(shù)，以達(dá)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(huán)、水林交融”的生態(tài)水網(wǎng)綠帶交錯網(wǎng)絡(luò)。

3.效果評價

根據(jù)流域現(xiàn)狀，使用水文模型（MUSIC 模型）與水動力水質(zhì)模型（HEC-RAS 模型）耦合的流域水環(huán)境系統(tǒng)模型對治理措施進(jìn)行定量效果評價。

研究設(shè)置3 種方案，其中方案0為現(xiàn)狀方案，即不采取任何污染治理措施；方案1 為編制方案前海淀區(qū)正在實(shí)施的“水清岸綠”方案；方案2 為在方案1 的基礎(chǔ)上，為保障斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)設(shè)計(jì)的保障方案。

（1）面源控制措施模擬預(yù)測分析

對比方案0（現(xiàn)狀）、方案1（“水清岸綠”方案）和方案2（水質(zhì)達(dá)標(biāo)保障方案），由降雨—徑流產(chǎn)生的面源污 染 物COD、NH3-N、TN、TP 在 降 雨期間濃度峰值逐級降低，方案1 可有效削減面源污染負(fù)荷，但無法削減至符合Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，采用方案2 后可進(jìn)一步將污染物濃度削減至符合Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，但COD、TN、TP 在降雨期間仍有部分天數(shù)超標(biāo)，針對這一問題，可采用南水北調(diào)補(bǔ)水措施進(jìn)一步進(jìn)行措施優(yōu)化處理。

（2）河道斷面達(dá)標(biāo)預(yù)測分析

利用HEC-RAS 模型對海淀區(qū)河道斷面達(dá)標(biāo)進(jìn)行預(yù)測分析，分析方案1 與方案2 的斷面達(dá)標(biāo)情況，根據(jù)有無南水北調(diào)補(bǔ)水以及補(bǔ)水形式，將方案2分成以下3個工況進(jìn)行達(dá)標(biāo)預(yù)測計(jì)算分析，各類方案斷面達(dá)標(biāo)率結(jié)果如表1 所示。

工況1：無南水北調(diào)水情況下，方案完善后的斷面水質(zhì)計(jì)算分析；

工況2： 南水北調(diào)水在每日均勻補(bǔ)水情況下，方案完善后的斷面水質(zhì)計(jì)算分析；

工況3： 針對汛期面源污染嚴(yán)重的情況，優(yōu)化南水北調(diào)補(bǔ)水方案，方案完善后的斷面水質(zhì)計(jì)算分析。

根據(jù)流域水環(huán)境系統(tǒng)模型結(jié)果，方案2 可以進(jìn)一步有效削減由降雨—徑流產(chǎn)生的面源污染，并且可使斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率從63%提高至83%，治理效果顯著。引入南水北調(diào)補(bǔ)水后，可進(jìn)一步提高斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。

四、小 結(jié)

從流域視角提出了城鄉(xiāng)河湖水環(huán)境治理的“三全三可”策略，并以北京市海淀區(qū)水系生態(tài)治理工作方案為例簡要介紹了該策略的應(yīng)用情況。目前該策略已成功應(yīng)用于北京市海淀區(qū)、湖北省松滋市、四川省成都市、河南省濮陽市等多地的城鄉(xiāng)河湖水環(huán)境治理方案的編制中。

“三全三可” 策略本身是一個不斷完善的過程，任何技術(shù)措施都有其自身特點(diǎn)與適用范圍，應(yīng)當(dāng)具體分析流域的地域性特點(diǎn)，并以此量身定做最適宜的修復(fù)方案。在城鄉(xiāng)河湖水環(huán)境治理過程中，需要多學(xué)科交叉，多行業(yè)協(xié)同，以及多部門合作。