流域水环境污染控制技术与管理策略中存在的问题与挑战

［澳大利亚］A.加多安尼 等

1 概 述

如今面临的水危机，并不是指没有足够的水来满足人类的需要，而是意味着水管理水平太低，导致亿万人及其赖以生存的环境受到重创。这段话节选自出版物《世界水展望报告》，它以简洁而强有力的方式，阐明了目前世界水资源的状况。如今，世界很多地方都存在水资源短缺，并且随气候变化这一状况将逐渐恶化，但很多地区的水资源没有进行妥善的管理也是事实，现实存在的诸多管理问题，如水这种重要的资源管理，可能面临着一系列地区间的共性和显著差异性的挑战。已达成一种共识，即要解决诸如水环境这类复杂的问题，特别是在这个瞬息万变的社会里，需要有一种集成化的管理方法和利用先进科技与政策化的手段。2009 年4 月，举行了一次关于流域水环境污染控制科技与管理策略的国际研讨会，会议由中国浙江大学主办，美国密西根州立大学以及澳大利亚的西澳大利亚大学协办。会议主题涉及水质、污染控制、纳污水体、藻类水华、围绕农业教育的社会经济研究、新的施肥方法应用以及环境管理中人与自然和谐的大框架等。

富营养化与藻类水华通常认为是对世界水资源安全保障最常见且最严重的威胁之一。湖泊、饮水水源和其他淡水水体中大型的藻类水华，往往是由微囊藻之类的蓝藻引起的。由于尚不明确藻类水华的发生机制，在未来气候变化的情况下，水华有可能变得越来越频繁，且强度更大、频率更高。古代关于藻类水华的报告表明，富营养化问题并不是一种新奇的现象，更清楚的原因是近几十年来农业活动频繁和土地利用的改变，从而加剧了藻类水华事件发生的频率。

藻类水华及其有毒物的产生对水生系统的影响与作用在许多文献中有据可查，但很少有人知道其社会经济后果，仅科学界、水管理机构近来才对其有所关注。许多人认为，虽然社会开始理解了经济成本的重要性，但有关富营养化成本的经济评价方法仍不是通用的方法。而对于诸如公众健康、对商业渔类的影响、监测和管理费用增加等，相对容易理解。但对于资源管理者来说，就很难评估生态系统功能、美学价值丧失、物种多样性缺失、旅游和娱乐等方面的影响。有时可能会遇到由某些政府部门提交的费用案例，例如在美国1998 年有毒藻类水华与氧亏研究控制报告中提到，“国会发现……在过去几十年间有毒藻类水华造成的经济损失估计达10亿美元”。多滋等学者提出了一份详细报告，报告分析了淡水系统的经济损失，估计了特殊生态系统服务损失的经济价值，以及其在财产价值与娱乐方面的影响，每年的综合损失达到22 亿美元。再从澳大利亚的情况看，其经济损失大致相当。不过现有的经济损失研究大多集中在大型商业性或娱乐性渔业(也称休闲渔业，如贝壳类)的税收收入上，其估算方法目前还处在争论中。近来，随着水科学技术不断融入到经济模型中，对上述这些方法进行了完善，即富营养化特别是藻类水华的影响，在很大程度上只是个经济(如商业渔类税收损失)指标，并没有考虑对当地社会的影响(如某些国家的粮食种植或某些鱼类税收大量减少引起的贫穷加重)。

不管怎样，科学界正在考虑以一种更优的集成方式(100 a 来，有关这方面研究的出版物数量在不断增加)来处理富营养化及其对社会经济影响的相关问题。在过去20 a，关于富营养化或水质与社会或经济影响的出版物数量在不断增加，其增加量竟占到了过去100 a 同主题文献的60%。近10 a 来，相关文献还在持续增加中。

2 人与自然和谐的重要性

有学者认为，有必要修正人与自然之间和谐的框架，并基于传播阀值概念，找到能与股东达成共识、防止灾难性后果的方法。但目前这一框架似乎还不能达到使人类与生态系统同呼吸共命运的境界，也不能以严格应用于环境管理的方式使其与自然环境和谐、融入阀值响应的范围。

西澳大利亚州研究者利用某农场的营养物进行了较详细的模拟研究，该研究可能对土地的今后利用有重要影响。鉴于过去50 a 农业和城市化的景观发展导致了从陆地到水体的营养物损失，里弗斯等学者结合农场和集水范围的测量与调查数据，构建了磷在集水区移动的动力模型，提供了描述磷通量及未来磷损失情形的一种手段。该模型的开发与构建，大大增强了科学管理策略的能力。通过这些农业数据的集成，可有效完善上述研究框架，指导农民在土地利用和肥料(如氮、磷)使用等方面的行为。

3 各种非点源污染

对非点源污染源而言，人们的眼光往往集中在磷和氮上，其实其他污染物如重金属，对受纳生态系统及人类健康也造成了不可忽视的影响。污染的土壤，特别是在人口高度密集的地区是个严重问题，极有可能潜在地影响到源自排水系统以及污染地带沿途含有毒物质地表径流中的水生物及陆生物。有人对某水稻地区不同纬度地表土壤中重金属浓度进行了调查。结果显示，砷与镉浓度显著高于参考标准浓度，而铅、铬的浓度随纬度不同而变化。一般来说，海拔高的土壤中重金属含量较低，土壤中污染程度属中等。

很多国家都存在有六价铬(Cr(Ⅵ))污染，因为其在水中的溶解性很高并具有毒性。由于三价铬(Cr(Ⅲ))毒性略小，经过生物或化学方法将六价铬转化为三价铬的方法，是减少铬污染的有效选择。减少铬污染，还可通过减少0 当量铁颗粒的化学方法实现。例如，地下水中蕴藏有丰富的天然腐殖物如腐殖酸，便可通过铁颗粒影响铬离子而将这些腐殖酸去除。

饮用供水中的砷污染是个世界性问题，其具有不同毒性的几种化学形式广为人知。实验室采样的种类分布通常并不稳定，于是有人提出了一种对4种毒性最强的可溶性砷进行分离的简便方法，便于野外操作与室内试验良好结合，做出结果分析。

4 污水处理与管理

在人口高度密集的地区，高标准的污水处理与管理对于饮用水源的安全与保障是非常关键的。含有大量高浓度污染物的污水如果未经充分处理，就容易导致水道内富营养化大量增加，许多严重的藻类水华就是与没有充分处理污水汇入相关。世界各国目前也在尝试将湿地建为保护区的缓冲区，而且对此的关注度也越来越高，这就给污水处理又提供了一个额外的通道，因为湿地建设相对传统的污水处理来说，是节省资金而非常成功的方法。

湿地植物的氧传输，包括植物营养盐的吸收，在污水处理过程中扮演着重要角色。有文献表明，能借用湿地植物根系的泌氧能力来选择湿地植物的参数，从而增加基底的供氧，加强营养盐的转化与去除。而且，去除富含氨氮污水中的氮技术，是一种前景广阔的有效方法，它是一个全程自养氮化与厌氧氨氧化的新型微生物过程。自氧反硝化脱氮技术，就是用来去除有机物含量较少的废水中的硝酸盐或亚硝酸盐。

工业生产过程中产生的废水，由于其含有大量组分，且含有不同毒性的污染物，以及需要更复杂的去除机制等问题，给水管理更增添了一层复杂性。例如，洗车废水中含有大量的包括石油、橡胶、机油、润滑油和挥发性有机物在内的化合物。发达国家的洗车废水的循环使用措施广为采用，而发展中国家的洗车废水是未经处理就直接进入污水系统。巴蒂等学者在“减少水污染的洗车废水化学氧化法”论文中，对洗车废水集成处理系统的可能性进行过论述。而且，化学合成过程中废水(如药厂污水)含有高浓度的化学需氧量负荷，必须有效处理后才能无害排放。因为世界范围都共同努力让水资源更环保，促使革新的污水处理方法不断被开发拓展。利用化学加强方法，并与先进的氧化过程结合就是这样一种革新方法，给传统的市政污水处理提供了充满前景的方法。

很明显，污水处理与管理是个关键领域，目前还没有将污水的行为(或类似的超富营养化)纳入系统考虑的框架。根据学者谢佛尔的机制转变理论，提出了一个可融入污水系统动态学方面的新框架。该框架着重在于理解系统动态学，力图减少对化学处理或昂贵管理费用(如经常性的底泥去除)的依赖性。

5 营养盐与富营养化控制

由于工农业生产活动对于环境有着重要影响，随着不断增长的营养盐负荷，很多文献中都出现了营养盐特别是氮和磷及其在水体富营养化中作用方面的研究。化学处理，如硫酸铜，广泛用于减少水道中不断增加的营养盐负荷的影响，旨在通过去除有毒藻类水华，提高饮水水质。

减少受纳水体富营养化影响的主要策略是去除污水中很有限的营养盐，这也直接决定着污水处理的类型和水平。不过，湿沉降中的营养盐能很容易被浮游植物所吸收，对于降雨事件后浮游植物的生长有一定的刺激作用。

像农业这样的主要产业和广泛使用的化肥，都可以改善土壤条件，增加农作物产量，同时通过排到主要湖泊水道的径流而带去营养盐。因此有必要调查多余营养盐之间的反应和在环境中的传送方式，同时寻找更有效的化肥。有人对包菜地里地表径流做过氮损失的调查，发现氮损失与径流量密切相关，并且在不同植物生长阶段都发现了氮损失。还有人通过长期野外试验发现，商业有机肥作为化学肥料的部分替代品，在提高农作物产量和集约化生产的营养盐平衡方面很有效。因此，商业有机肥由于能减少氮和磷在环境中的损失，所以可以作为化学肥料的部分替代品。

6 水质管理

水体中污染源的分布及时空模式特征对于水资源的管理与保护是很重要的。河流是最容易被污染的水体，在生活污水、工业废水及耕地径流传输过程中扮演着重要角色。

例如，由于人口压力及不断恶化的土地污染，印度德里河亚穆纳河段已成为典型恶化的河流生态系统。由于该国都市地区污水排放，河流已经严重污染，约占该河污染负荷的79%。该河急切需要有效的河流系统管理，包括在德里污水处理厂最大限度地提高除污效率，控制工业污染，引入污水处理厂的运行管理规则，开发污水控制规划。

此外，世界上许多国家都在污染水体中使用微生物或化学源追踪法来识别粪便污染源。由于沿用的标准方法不能识别污染的源头，所以上述方法的运用发展迅速。不过到现在为止，还没有一种理想的使用微生物追踪粪便源的方法(或组合方法)。

7 目前研究方向及未来挑战

水管理中除了由于随径流不断增加的营养盐外，污染物的复杂多样性和广泛性已扩展到流域以外，这一层错综复杂的问题，不得不让科学工作者和水资源管理者面临更多的挑战。也许最大的挑战是集成化的，而且也是适应性的水资源管理框架的制定。现在热议的问题是将集成化水资源管理与适应性管理两种模式正式结合起来，这样才有助于正视水资源及其管理所面对的现状和新兴难题。这种集成管理，在以前和未来的气候变化、经济社会变革情况下都是有必要的。实现集成化管理和适应性管理相结合的可能途径如下:

(1)集社会、生态和水文系统于一体，提高管理的有效性;

(2)通过投资者参与、合作、分散化和民主化决策，增加立法并增强公众的认知性;

(3)通过吸收多种知识和参与不同形式的社会学习，得到技术专家的指点;

(4)通过水资源管理的实践和学习，增强管理的灵活性和适应性。然而，这两种管理策略都有局限性，并不是将两者简单地合为一体。不论在理论上还是在实践中，均需对上述两种策略作进一步研究，才有可能找到成功的途径。