長江流域四水變化趨勢及治理技術(shù)體系集成研究

Discussion on the Changing Trend of the Four Water in the Yangtze River and the Construction of Restoration Technology Integration System

Bao Haiqin1，Dong Lei2，3，Pan Xiong2，3，Lin Li2，3

（1.Hainan Tropical Ocean University，Sanya 5720oo，China；

2.Basin Water Environmental Research Department，Changjiang River ScientificResearchInstitute，Wuhan 430o，China；

3.Innovation TeamforBasin Water Environmental Protectionand Governanceof Changjiang WaterResources Commision， Wuhan 430010，China）

Abstract：ThispaperconductsacomprehensiveanalysisandreviewofthechangingtrendsintheFourWaterschalengeintheYangtzeRiverbasinItproposesongtermtargetrequirementsforthehigh-qualitydevelopmentofwaterresourcesintheYangzeRiver. Basedntheatuityectivessndsustaiabiltyfcholo，etofpriplesforengndtegatioloi thecordinatedgoveranceoftheFour Watersisformulated.Utilizingthefivestagetheory，thematurity（SRL）matrixbasedtechn logicalintegrationmetodisotiiedfortegoveanceofeFourWatersFollwingteprnciplesofquantfingthdamagecused bytheFourWatersallngesinteYangtzeRverandbalancingteultidimensioalsystemgoveanceagainsttecholoicalefits， atechnologicalintegrationframeworkforterotectionanddevelopmentofwateresoucesintheYagtzeRiverisonstructedThee searchaistocomprehensivelydiagnosetheissuesregardingtheproblemof“fourrivers”intheYangtzeRiverandprovideintegrated technical solutionsand theories fortheeficientutilizationand protectionof the waterresourcesoftheYangtze River.

Key words：changing trend；target requirements；technological integration framework；application case

前言

長江經(jīng)濟(jì)帶作為中國經(jīng)濟(jì)重心所在、活力所在，對國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要意義[1]。然而長江流域經(jīng)濟(jì)高位增長的同時(shí)，長期高強(qiáng)度開發(fā)的累積效應(yīng)和缺乏科學(xué)的空間開發(fā)管控，導(dǎo)致流域生態(tài)環(huán)境安全狀況面臨一系列的問題，主要表現(xiàn)為：（1）水資源：長江沿線用水過分依賴地表水和過境水，沿線城市用水安全和保證率不高；流域內(nèi) 70% 面積的山丘區(qū)由于水利工程缺乏，存在工程性缺水[2]。（2）水環(huán)境：長江流域水質(zhì)總體較好，但部分支流水質(zhì)較差、磷污染成為主要制約因素，湖庫富營養(yǎng)化和水華問題依舊突出。（3）水生態(tài)：長江水生態(tài)問題涉及多個(gè)方面，包括生物多樣性減少、水系連通受阻、水資源萎縮等，這些問題相互聯(lián)系、相互影響。 （4）水災(zāi)害：流域洪澇和干旱等極端水文事件發(fā)生頻率呈持續(xù)上升趨勢，例如2020年長江流域出現(xiàn)了歷時(shí)長、范圍廣、雨區(qū)重疊的強(qiáng)降雨[3]

文章基于長江流域各方面的長系列觀測數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)資料，從流域水系統(tǒng)角度對長江水資源、水環(huán)境、水生態(tài)及水災(zāi)害等問題基本態(tài)勢及其關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行了剖析，對四水變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，提出中長期目標(biāo)需求。針對目標(biāo)需求，構(gòu)建長江水資源保護(hù)與開發(fā)技術(shù)集成體系框架，以期推進(jìn)長江水資源利用與保護(hù)理論和技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展。

1長江四水問題變化趨勢及高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)需求

1.1長江四水問題變化趨勢

1. 1.1 水資源

根據(jù)長江流域1953年－2005年的氣溫、降水和徑流量觀測資料，研究人員對未來100年的徑流量進(jìn)行了估算，結(jié)果顯示未來20年至30年，長江流域地表徑流量可能略微減少，之后呈現(xiàn)明顯增加的趨勢。此外，根據(jù)氣候模式預(yù)測信息估算，未來100年（2001年-2100年）長江流域的水資源量變化情況總體上呈現(xiàn)前40年逐漸減少，之后總體逐漸增加的趨勢。而近期的研究預(yù)估表明：2001年至2030年地表水資源量整體呈下降趨勢，而在2030年之后有望增加?？傮w上可得出，未來長江流域水資源量先有逐漸減小趨勢，之后總體呈逐漸增大的趨勢。

1.1.2 水環(huán)境

（1）湖庫富營養(yǎng)化趨勢總體減緩，但是營養(yǎng)化水平仍然整體較高。

藍(lán)藻水華污染仍然是太湖、巢湖、滇池等湖泊需要面臨的突出水環(huán)境問題。洞庭湖、鄱陽湖局部水域水華發(fā)生面積可能有增加風(fēng)險(xiǎn)。受三峽庫區(qū)蓄水引起水力條件的變化等，三峽水庫支流整體上由蓄水前的貧-中營養(yǎng)狀態(tài)向中－富營養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，目前總體處于中－富營養(yǎng)水平，且富營養(yǎng)化程度有加重趨勢。

未來，隨著河湖水環(huán)境治理的深人，長江流域湖泊營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)將普遍呈下降趨勢，但是沿江大城市、人口密度等流域人口活動(dòng)情況將對湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)產(chǎn)生一定影響，可能會導(dǎo)致巢湖、太湖等人口密度大的地區(qū)和城市湖泊營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)普遍高于長江流域營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)平均水平。

（2）總磷仍然是制約長江水質(zhì)改善的主要因素，水庫群對總磷沿程演變影響將更為明顯。

基于收集整理的國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)2016年-2019年長江流域?qū)崪y615個(gè)斷面的化學(xué)需氧量、氨氮、總磷逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)，總磷對長江流域水環(huán)境污染貢獻(xiàn)最大，斷面超標(biāo)率一直排在首位。研究認(rèn)為十四五期末長江總磷污染問題可能主要表現(xiàn)在以下方面： ① 總磷濃度將持續(xù)下降，但總磷污染來源空間分布仍然與現(xiàn)狀類似； ② 總磷污染的結(jié)構(gòu)組成將進(jìn)一步發(fā)生變化，面源污染占比將進(jìn)一步增加[4]； ③ 長江干支流水庫群建成運(yùn)行對總磷滯留效應(yīng)將更加明顯，長江上游梯級水庫運(yùn)行會導(dǎo)致庫區(qū)水沙條件變化和泥沙攔蓄，對磷通量有削弱作用，改變壩下水體泥沙顆粒級配、磷濃度及形態(tài)組成，影響磷污染沿程演變[5]

（3）化工圍江、排污和突發(fā)水污染事故等威脅長江水環(huán)境安全，部分區(qū)域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)依然較大。

長江干流沿江化工企業(yè)分布較密集，“化工圍江”取水口和排污口分布犬牙交錯(cuò)，飲用水安全風(fēng)險(xiǎn)較大，主要表現(xiàn)在： ① 港口碼頭與船舶航運(yùn)風(fēng)險(xiǎn);② 長江及重要支流沿線化工園區(qū)及企業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)；③ 尾礦庫污染風(fēng)險(xiǎn)； ④ 底泥重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)。

（4）新污染物可能有加重趨勢。

沿江化工企業(yè)的增加可能會導(dǎo)致長江流域持久性污染物濃度上升，比如長江中下游江段微塑料的平均濃度在全球河流中處于中等偏高的水平[6]新污染物包括持久性污染物、內(nèi)分泌干擾物、抗生素、微塑料等，可能在未來相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)成為長江流域需重點(diǎn)關(guān)注的突出水環(huán)境問題。

1.1.3 水生態(tài)

通過對長江典型河段水生態(tài)問題的剖析與研判，未來制約長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的主要水生態(tài)問題包括：（1）長江上游水電梯級開發(fā)導(dǎo)致的水文情勢（溫度和流速）變化，對魚類群落結(jié)構(gòu)和多樣性的累積效應(yīng)；（2）長江中游河湖連通性變化對四大家魚洄游過障入湖的影響；（3）長江下游水環(huán)境污染對魚類洄游路徑順利通過造成的影響。

1.1.4 水災(zāi)害

近10年來，長江洪水發(fā)生頻次與量級有增多趨勢[7]。通過對歷年來長江流域水資源與水災(zāi)害問題的分析及其演變規(guī)律的認(rèn)識，清水下泄導(dǎo)致中下游干流河道長距離沖刷，影響河勢穩(wěn)定，極端天氣造成的短歷時(shí)強(qiáng)降雨事件頻發(fā)也給流域防洪帶來挑戰(zhàn)。

長時(shí)間序列氣象學(xué)觀測與分析顯示，長江上游總體有變干旱趨勢，長江中下游總體有變濕潤趨勢；長江流域旱澇具有較強(qiáng)的區(qū)域性特征，且長江中下游區(qū)域性強(qiáng)于長江上游；長江流域的降水呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性特征，降水季節(jié)性指數(shù)從西向東逐漸減小;干旱特征變量與降水季節(jié)性指數(shù)之間在空間上存在較好的線性關(guān)系，即降水季節(jié)性越不顯著的區(qū)域，干旱越嚴(yán)重（干旱歷時(shí)越長、干旱烈度越大）。總體上長江流域的降水呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性特征，降水季節(jié)性指數(shù)從西向東逐漸減小。

1.2 中長期目標(biāo)需求

結(jié)合“美麗中國”和生態(tài)環(huán)境保護(hù)中長期目標(biāo)，2035年，隨著水生態(tài)環(huán)境安全已經(jīng)提升到較高水平，長江經(jīng)濟(jì)帶的戰(zhàn)略目標(biāo)將由水生態(tài)環(huán)境安全提升轉(zhuǎn)向水生態(tài)環(huán)境健康改善。長江經(jīng)濟(jì)帶的戰(zhàn)略目標(biāo)將由水環(huán)境健康改善轉(zhuǎn)向生態(tài)環(huán)境健康改善，真正實(shí)現(xiàn)水陸統(tǒng)籌、江湖庫一體、區(qū)域協(xié)調(diào)和多要素融合。未來長江流域水質(zhì)型缺水基本解決，極端氣候變化影響下的長江流域水資源空間分布不均問題將逐漸凸顯，未來形勢下的高效節(jié)水、水生態(tài)健康保障及水災(zāi)害防控技術(shù)需進(jìn)一步研究。具體表現(xiàn)為：構(gòu)建長江流域從源頭到龍頭的全鏈條節(jié)水體系，完善國家供水基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)；構(gòu)建“區(qū)域聯(lián)動(dòng)，多源互補(bǔ)”的水資源保障體系，提升水源水質(zhì)、供水保障率和抗風(fēng)險(xiǎn)的能力；優(yōu)化水資源配置格局，增強(qiáng)流域水資源整體調(diào)控能力。

2長江四水問題技術(shù)篩選及集成方法確認(rèn)

2.1 技術(shù)篩選

針對長江四水問題系統(tǒng)治理技術(shù)方略，篩選成熟度高、技術(shù)效果好、經(jīng)濟(jì)合理的單項(xiàng)技術(shù)，結(jié)合技術(shù)的兼容性、差異性，整理總結(jié)適用于長江四水問題治理的技術(shù)清單。采用就緒度評價(jià)方法，評價(jià)單項(xiàng)技術(shù)的成熟度、技術(shù)效益、可持續(xù)性，分別建立水資源、水環(huán)境、水生態(tài)及水災(zāi)害四水問題技術(shù)包，其中水資源包括水資源合理分配技術(shù)包、節(jié)水減排技術(shù)包等；水環(huán)境包括工業(yè)水污染全過程控制技術(shù)包、城鎮(zhèn)水污染控制與水環(huán)境綜合整治技術(shù)包、流域面源污染治理技術(shù)包、水環(huán)境管理技術(shù)包等；水生態(tài)包括湖泊生態(tài)修復(fù)技術(shù)包、河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)包、水生態(tài)管理技術(shù)包等；水災(zāi)害包括洪水資源化利用技術(shù)包、節(jié)水抗旱技術(shù)包、抗?jié)臣夹g(shù)包、防洪工程建設(shè)與調(diào)度技術(shù)包等。技術(shù)包中每項(xiàng)技術(shù)包括技術(shù)就緒度、適用范圍、技術(shù)原理及工藝、主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)等。

2.2集成方法的篩選

針對長江四水問題技術(shù)清單，需篩選合適的集成方法，對單項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行集成。現(xiàn)階段主要技術(shù)集成方法包括：（1）加權(quán)法；（2）技術(shù)成熟因子法；（3）系統(tǒng)成熟度SRL矩陣計(jì)算法。目前系統(tǒng)集成技術(shù)的成熟度評價(jià)通常采用系統(tǒng)成熟度SRL矩陣法，取值范圍為0～1 ，數(shù)值越高代表技術(shù)系統(tǒng)越成熟。系統(tǒng)成熟度SRL矩陣法分為5個(gè)階段：理論凝練階段（SRL：0.10～0.39 ）、技術(shù)發(fā)展階段（ SRL：0.40～0.59 ）、系統(tǒng)發(fā)展驗(yàn)證階段（SRL：0.60＼～0.79）、生產(chǎn)階段（SRL：0.80＼～0.89）操作與維護(hù)階段（ 'SRL：0.90～1.00? 。具體評價(jià)流程如下：首先將成套技術(shù)、集成技術(shù)分解至單項(xiàng)技術(shù)，構(gòu)建技術(shù)架構(gòu)樹狀圖;隨后從單項(xiàng)技術(shù)向集成技術(shù)、成套技術(shù)逐級評價(jià)，評價(jià)的先后步驟依次為單項(xiàng)技術(shù)成熟度矩陣構(gòu)建、集成技術(shù)成熟度矩陣構(gòu)建、集成技術(shù)成熟度計(jì)算、成套技術(shù)成熟度矩陣構(gòu)建與規(guī)范化、成套技術(shù)成熟度計(jì)算。因此，在遵循山水林田湖草沙生命共同體的整體性、系統(tǒng)性和內(nèi)在規(guī)律性原則下，采用該方法對四水問題進(jìn)行技術(shù)集成。

3長江經(jīng)濟(jì)帶水資源保護(hù)與開發(fā)技術(shù)集成體系框架構(gòu)建

針對長江流域重點(diǎn)區(qū)域存在的重大約束性水問題，結(jié)合已構(gòu)建的包括成熟度、技術(shù)效益、可持續(xù)性等評價(jià)參數(shù)的水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水災(zāi)害等“四水問題”治理技術(shù)包，以長江四水問題的損害及其多維系統(tǒng)治理與保護(hù)技術(shù)效益平衡為原則，從技術(shù)包中選擇合適技術(shù)，采用系統(tǒng)成熟度SRL矩陣法進(jìn)行集成和評價(jià)，構(gòu)建長江水資源保護(hù)與開發(fā)技術(shù)集成體系框架。

3.1長江四水問題的損害量化

3.1.1 水資源

針對長江水資源問題，利用基于工程成本與水資源調(diào)控效益分析，綜合運(yùn)用科學(xué)技術(shù)和專業(yè)知識，評估長江流域水資源短缺和水質(zhì)性缺水所造成的損害數(shù)額。在基于工程成本與水資源調(diào)控效益分析中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注：水資源調(diào)控利用效益分析的統(tǒng)一性和完整性、洪水資源利用經(jīng)濟(jì)社會效益的界定和計(jì)算，以及效益評估方法的選取、用水效益和用水結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系，以及用水結(jié)構(gòu)的演化趨勢。

3.1.2 水環(huán)境

根據(jù)國家生態(tài)環(huán)境部公布的技術(shù)規(guī)范《環(huán)境損害鑒定評估推薦方法（第Ⅱ版）》，可采用虛擬治理成本法來計(jì)算長江水環(huán)境損害，該方法主要過程包括：污染物排放量的確定[8]、虛擬治理成本的計(jì)算[9]。污染物排放量的核算方法主要有實(shí)測法、物料衡算法和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法等[8]。排放至環(huán)境中的污染物全部處理所需要的治理成本，采用治理成本法計(jì)算虛擬治理成本（污染物排放量 × 污染物單位治理成本）。單位治理成本指工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)或?qū)I(yè)污染治理企業(yè)治理單位廢水所發(fā)生的費(fèi)用，包括能源消耗、設(shè)備維修、人員工資、管理費(fèi)、藥劑費(fèi)等處理設(shè)施運(yùn)行費(fèi)及固定資產(chǎn)折舊費(fèi)等有關(guān)的其他費(fèi)用[9]

3.1.3 水生態(tài)

根據(jù)國家環(huán)保部公布的技術(shù)規(guī)范《生態(tài)環(huán)境損害鑒定評估技術(shù)指南總綱》，采用生態(tài)環(huán)境損害評估方法來計(jì)算長江水生態(tài)損害。生態(tài)環(huán)境損害評估方法包括替代等值分析方法和環(huán)境價(jià)值評估方法，替代等值分析方法又包括資源等值分析法、服務(wù)等值分析法、價(jià)值-價(jià)值法和價(jià)值－成本法[10]。在確定生態(tài)環(huán)境損害評估時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮替代等值分析方法，利用虛擬治理成本法，綜合運(yùn)用科學(xué)技術(shù)和專業(yè)知識，評估長江流域污染環(huán)境或破壞生態(tài)行為所致環(huán)境損害的范圍和程度，及其與環(huán)境損害間的因果關(guān)系，確定生態(tài)環(huán)境恢復(fù)至基線狀態(tài)并補(bǔ)償期間損害的恢復(fù)措施，量化損害數(shù)額。

3.1.4 水災(zāi)害

針對長江水災(zāi)害問題，利用洪水災(zāi)害易損性量化模型，并基于土地利用變化研究洪水災(zāi)害易損性動(dòng)態(tài)演化過程，確定水災(zāi)害受損區(qū)域恢復(fù)至基線狀態(tài)，量化水災(zāi)害損害數(shù)額。圍繞洪水災(zāi)害易損性量化主要關(guān)注：構(gòu)建洪水災(zāi)害易損性量化模型、基于土地利用變化的洪水災(zāi)害易損性動(dòng)態(tài)演化分析、極端暴雨事件對長江流域洪水災(zāi)害人的易損性影響分析。

3.2多維系統(tǒng)治理與保護(hù)技術(shù)效益時(shí)空量化

現(xiàn)有技術(shù)評價(jià)多偏重于效益和單項(xiàng)技術(shù)的評價(jià)，對技術(shù)本身、技術(shù)應(yīng)用效果和推廣潛力等方面的綜合性評價(jià)研究較少，導(dǎo)致不同區(qū)域在技術(shù)選擇方面存在一定的盲區(qū)。針對前述對單項(xiàng)技術(shù)的成熟度、經(jīng)濟(jì)性、使用范圍及作用效益等進(jìn)行量化處理后建立技術(shù)包，以重點(diǎn)城市群、典型河湖庫為對象，找準(zhǔn)存在的重大約束性四水問題及驅(qū)動(dòng)機(jī)制（如圖1所示）；針對中長期四水目標(biāo)，從技術(shù)包中選擇合適技術(shù)（兼顧技術(shù)兼容性、差異性），構(gòu)建長江四水協(xié)同治理技術(shù)評價(jià)原則，綜合評價(jià)技術(shù)的應(yīng)用效果和推廣潛力，形成相應(yīng)的技術(shù)評價(jià)指標(biāo)體系，基于系統(tǒng)成熟度矩陣的集成技術(shù)評價(jià)方法，對系統(tǒng)集成技術(shù)體系進(jìn)行賦分，為進(jìn)一步優(yōu)化篩選四水治理技術(shù)體系提供技術(shù)支撐。

3.3長江水資源保護(hù)與開發(fā)技術(shù)集成框架

以長江四水問題的損害及其多維系統(tǒng)治理與保護(hù)技術(shù)效益平衡為原則，遵循山水林田湖草沙復(fù)合系統(tǒng)的整體性、系統(tǒng)性和內(nèi)在規(guī)律性，在專業(yè)上考慮不同水問題的特性及其內(nèi)在關(guān)系，在空間上統(tǒng)籌考慮江河湖泊、上中下游、干支流，在時(shí)間上重點(diǎn)考慮不同階段主導(dǎo)性的水問題及治理目標(biāo)，進(jìn)而結(jié)合流域節(jié)水減排監(jiān)管、重點(diǎn)區(qū)域水環(huán)境管控、江湖水系生境修復(fù)、水量水質(zhì)水生態(tài)聯(lián)合調(diào)控、洪水管理與旱澇風(fēng)險(xiǎn)防控等多目標(biāo)需求，利用信息數(shù)據(jù)綜合平臺，從管理、技術(shù)、法規(guī)、經(jīng)濟(jì)與人文等多學(xué)科融合角度，統(tǒng)籌集成四水問題治理的系列性保護(hù)開發(fā)技術(shù)，構(gòu)建長江水資源保護(hù)與開發(fā)技術(shù)集成體系框架（見圖2）。

4結(jié)論

長江流域水問題治理取得了較大進(jìn)展，但仍需持續(xù)關(guān)注和積極應(yīng)對不斷變化的挑戰(zhàn)。針對長江四水問題的變化趨勢，文章系統(tǒng)構(gòu)建了長江水資源保護(hù)與開發(fā)技術(shù)集成框架。但考慮到近年來極端氣候變化與國家經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈供給側(cè)改革，長江防洪減災(zāi)體系仍然存在薄弱環(huán)節(jié)，水生態(tài)環(huán)境問題仍舊突出，后續(xù)需不斷完善長江經(jīng)濟(jì)帶水資源保護(hù)與開發(fā)技術(shù)集成體系框架構(gòu)建，推動(dòng)多維系統(tǒng)治理與保護(hù)，最終實(shí)現(xiàn)長江流域的“四水共治”。

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