流域视角下的城乡河湖水环境治理“三全三可”策略及案例分析

2020-12-24赵进勇彭文启

中国水利 2020年23期

赵进勇，彭文启，丁洋，冯健，王琦

（中国水利水电科学研究院水生态环境研究所，100038，北京）

一、城乡河湖水环境治理的特点

城乡河湖水环境问题反映在断面水质上，但根源是水域和陆域相关问题的综合叠加，以及城乡区域内自然—社会高度耦合的交互影响。

从自然特点来看，影响断面水质是否达标的因素，在空间尺度上大且多、时间尺度上受水期周期性波动影响显著、边界上模糊且延伸性强。在空间尺度上，流域内片状分布的农林田地、城乡建设区，密集分布的农村生活污水和畜禽养殖废水排放点均构成面源污染负荷来源，单点分布的不达标排污口或污水处理厂站等构成了点源污染负荷来源，受污染河段或湖泊内的淤泥底质则构成了内源污染负荷来源。除了上述相对固定的污染源，船舶航运、交通运输等移动污染源也随时会成为污染负荷来源。在时间尺度上，一年内的丰水、平水和枯水期交替变化，直接影响着河湖内水环境容量大小，相同的污染负荷排入河湖水系，同一断面在不同水期的水质达标情况会有极大不同。在边界上，影响某个断面某个指标达标情况的污染源边界往往较难界定，建立水质断面—陆域影响区的响应关系需长期观测，而影响某个指标的污染源溯源分析也需要厘清污染物迁移输移转化等相关机理。

从社会特点来看，地方管理部门对城乡水环境治理的复杂性和长期性认识不足，往往仅制定短时间内达标的理想计划，或者单纯寄希望于某项关键技术，在具体实施过程中却忽视了流域水文和污染物迁移规律，导致事倍功半。

二、“三全三可”策略

针对城乡河湖水环境治理的自然和社会特点，提出流域视角下城乡河湖水环境治理“三全三可”策略，用于指导城乡河湖水环境治理方案的制订。“三全”指的是全覆盖、全过程和全要素，“三可”指的是问题可定位定时识别、措施可落地有效、效果可定量预测。

1.“三全”

（1）全覆盖

全覆盖指的是在流域视角下对断面水质达标问题进行分析，统筹陆域和水域。

在陆域，将全部面积进行网格划分，形成若干控制单元，把产水产污分配到各个控制单元里，以控制单元为抓手做好“减源”，减少关键污染物的污染负荷排放。在水资源配置、水量分配等环节根据水质类别进行分质供水、用水，合理分配生产、生活、生态用水，最大程度减少入河污染负荷，增强“节水就是治污，就是减少污染负荷排放”的意识，形成以水量平衡和最低污染负荷排放为导向的水资源量质统筹配置方案。

在水域，通过生态水利工程体系和市政工程体系的合理调度，增加河湖水系内清水比重，改善水系水动力循环条件，提高河湖水系的自净能力，做好“增容”，增加城乡河湖水系水环境容量。

（2）全过程

全过程指的是遵循流域内水文循环和污染物输移转化规律，包括从污染源头控制、污染负荷过程阻控到水系内末端治理的全环节。

在污染源头控制方面，通过对点源、面源、内源、移动源等不同类型污染源的控制，减少污染负荷产生量。对入河排污口直排、不达标污水处理厂站排放、管网漏排溢流排放等点源污染源需重点关注。对农林田地、城市初雨径流、农村生活污水、畜禽养殖废水等面源污染源需通过产业调整、土地利用方式优化、分散式处理等方式减少源头排放。对内源污染物，需在底泥取样、释放试验等分析基础上分类施策，并形成清淤—处理—资源化利用的全链条模式。对船舶航运、交通运输等移动源，需做好监控预警，防止发生水污染突发事故。

在污染负荷过程阻控方面，遵循流域水循环和给水排水规律，根据径流产生和污染物输移转化的规模、频率、时机、持续时间和变化情况，选择合适的坡地、台地、坑塘、建成区、岸滨带等多类型空间区域，结合天然林保护、林区建设、基本农田、生态清洁小流域、生态灌区、海绵城市、自然型湿地等，构建截留、削减、转化等组合式阻控体系，减少进入河湖水系的污染负荷总量。

在河湖水体末端治理方面，需在保证水利工程安全和不影响河道行洪能力的前提下，基于生态水力学和生态水工学原理，结合闸坝工程、河道整治工程等，通过单点工程合理调度或生态化改造、河道内直接接触氧化、闸坝群调度改善水动力循环条件等措施提高水体自净能力，进一步减少污染负荷。

（3）全要素

流域内山水林田湖草和城乡建设区域特征对于流域产流产污情况有很大影响，各要素的不同格局特征直接影响了植物截留、下渗、填洼与蒸发等降雨损失类型，从而影响流域径流量，进而影响河湖内水量。而不同要素对于污染负荷的削减降解功能也存在差异，影响了流域污染负荷的产生量和入河量。

2.“三可”

（1）问题可定位定时识别

在城乡水环境治理方案中，需要强化问题导向，既能在空间尺度上识别出引起某个控制断面某项指标超标的关键陆域控制单元或片区，又能在时间尺度上明晰问题突出的敏感时段。为实现此目的，在控制断面水质变化分析方面，需在现有数据和补充监测基础上，分析水系内所有控制断面水质指标的时空变化特征，识别出上下游、干支流中的关键问题断面及其特征污染物的周期性变化规律。在陆域污染源解析及污染负荷计算等方面，需在陆域控制单元体系下分析评估与特征污染物相关的污染源分布状况与排污强度，分析污染源对控制断面水质的季节性影响特点，建立陆域污染负荷排放与控制断面水质指标之间的定性或定量关系，找出导致水质超标的主要污染源、污染项目和超标原因，并定位到具体的控制单元或片区，必要时需开展入河排污口及河湖水质水量同步监测，研究确定特征污染物与河流水质过程的响应参数。

（2）措施可落地有效

措施可落地有效体现在国土空间土地类型布局、总体措施体系构建和具体措施选择三个方面。

在国土空间优化方面，可利用景观生态学基底—缀块—廊道格局分析方法，对流域内山水林田湖草及城乡建设区域等不同土地类型进行综合分析，以各生态要素利于完成生态过程及最小化污染负荷产生量为指引，优选最佳国土空间优化方案和土地类型布局，并注意河湖生态廊道范围与生态红线、基本农田控制线和城镇开发利用控制线之间的衔接。在城镇建设区域内，尤其需关注初雨径流污染的判定和控制措施、海绵城市措施的布局和规模、短期极值暴雨的叠加等因素对于河湖水环境的长期或短期影响。

在总体措施体系构建方面，根据设计水文条件，选择适宜方法确定河湖水系水环境容量，并按照河湖水系—入河排污口—控制单元次序倒推出陆域每个控制单元的污染负荷控制总量，再根据实际排放总量确定需削减总量，通过定性分析措施与问题的对应性、估算措施效果与需削减总量的匹配性等步骤，确定待削减总量所需要的补充措施，并最终形成可落实到空间控制单元的措施体系。

在具体措施选择方面，需根据当地的水文气候、自然地理、资源禀赋等自然情况和经济社会条件，根据国内外类似案例的运行情况，形成适用技术清单，从中选择易操作、可奏效的技术措施。

（3）效果可定量预测

为提高问题针对性和措施有效性，需对措施效果进行多个情景下的定量预测，根据预测结果优化措施总体布局，必要时还应能推演不同分步措施的递进实施效果。可利用流域分布式水文模型、城市管网模型与水系水动力水质模型相结合的耦合模型技术对不同组合措施的效果进行定量预测。

图1 “三全三可”策略逻辑路线图

在选择分布式水文模型时，需根据流域内土地利用方式特点、农村与城市区域的比例等因素合理选择模型类型，将模型计算得出的径流量、产污量、产沙量等作为水动力水质模型的输入条件，并将各控制单元的污染负荷削减量作为控制指标。在城市管网模型中，对于汛期溢流污染、初期雨水收集能力等方面需重点关注。在水动力水质模型中，需合理设置控制断面，将控制断面某项指标的达标率作为控制指标，并重点关注河道水质变化敏感时期及关键断面的水质改善水平。

3.“三全三可”策略逻辑路线

城乡河湖水环境治理方案的制定过程遵循“三全三可”策略，逻辑路线如图1 所示。治理方案首先开展治理区上位规划解读与概况分析，针对规划方向与治理需求，提出治理区水环境总体目标，然后制定具体方案。具体方案制定要经历3个步骤，分别为正向分析、反向设计与正向实施。

（1）正向分析（陆域—水域）

正向分析是以治理区河湖水环境问题为导向，通过数值模型、实地监测等手段定量计算陆域各个控制单元污染负荷，并结合水域控制断面的水质分析，建立陆域控制单元污染负荷排放与控制断面水质指标之间的定性或定量关系，定位定时分析陆域各控制单元污染负荷输入导致水域控制断面的水质变化。

（2）反向设计（水域—陆域）

反向设计是根据设计水文条件，选择适宜方法根据水质现状确定河湖水系水环境容量，并基于规划水质管理目标计算水质目标下的河湖水系水域纳污能力，然后按照河湖水系断面—入河排污口—控制单元次序倒推出陆域每个控制单元的污染负荷削减总量，针对各个控制单元待削减污染负荷总量进行不同措施体系构建，使治理措施可以落实到各个控制单元上。

（3）正向实施（陆域—水域）

正向实施是进行措施总体布局时遵循流域污染物输移的各个过程，并考虑流域山水林田湖草及城乡建设区域等全部要素，形成治理区措施清单。根据治理区域现状选择适宜的数值模型定量预测分析措施体系对水域控制断面水质指标的改善效果，判断控制断面水质是否达到规划水质目标管理要求。

表1 各类方案断面达标率结果

三、实践案例

在深刻理解“三全三可”策略、解析流域主要污染源和水质不达标原因的基础上，综合运用水质监测、统计分析、空间分析等研究手段，结合陆域—水域耦合模型评估的结果和水环境治理技术集成方案，统筹考虑水环境、水生态、水资源和水安全问题，以“现有方案—既定目标”关系为切入点，紧扣 “问题识别—目标评估—措施优化” 这一主线，形成分期、分类实施项目库，构建解决流域水环境问题的整体技术体系，并合理安排实施进度方案，健全保障体系，发挥综合效益，最终形成流域水环境综合治理规划。

以北京市《海淀区水系生态治理工作方案（2016—2020）——“水清岸绿”行动》编制进行举例说明。

1.规划目标及总体布局

（1）规划范围

规划范围为北京市海淀区全区，结合陆域水域全覆盖思路划分72个控制单元，以问题可定位定时识别为导向，以控制单元为评估单元，建立污染源、入河污染物、水体水质之间的响应关系，识别控制单元的主要水环境问题。

（2）规划目标

到2018年年底，全区实现河道水体主要指标达到或接近地表水Ⅲ类；到2020年年底，通过生态涵养巩固提高，强化管理，河道生态自净能力逐步恢复，水质指标常年保持地表水Ⅲ类；到2030年，水生态系统得到恢复，生态系统实现良性循环。

（3）总体布局

统筹考虑海淀区山水林田湖草和城乡建设区域全要素特征，采用“一轴三区三廊四带多点” 的总体布局，措施纵穿“一轴”（京密引水渠），针对“三区”（中西部山区、北部地区与南部地区）不同的问题重点因地制宜选取措施，围绕着“三廊”（南沙河绿色生态廊道、北旱河—清河绿色生态廊道与南旱河—永引绿色生态廊道）在区域内打造“多点”的治理措施。

2.措施体系

案例遵循流域尺度内自然社会水循环规律，以水质达标为核心，以水生态治理为主线，以措施可落地有效为基本要求，构建以“污水处理系统为基本单元的控源截污体系、基于生态基流保障的多水源水量配置体系、多级湿地网络水系连通循环体系、保障水系生态系统健康的生态修复体系、基于绿色海绵流域的水安全保障体系”的五维体系，利用源头减排、过程削减、末端治理全过程水环境治理技术，以达到“减源、增容、水活、健康”的效果，形成“水清岸绿、多线连通、多级循环、水林交融”的生态水网绿带交错网络。

3.效果评价

根据流域现状，使用水文模型（MUSIC 模型）与水动力水质模型（HEC-RAS 模型）耦合的流域水环境系统模型对治理措施进行定量效果评价。

研究设置3 种方案，其中方案0为现状方案，即不采取任何污染治理措施；方案1 为编制方案前海淀区正在实施的“水清岸绿”方案；方案2 为在方案1 的基础上，为保障断面水质达标设计的保障方案。

（1）面源控制措施模拟预测分析

对比方案0（现状）、方案1（“水清岸绿”方案）和方案2（水质达标保障方案），由降雨—径流产生的面源污染物COD、NH3-N、TN、TP 在降雨期间浓度峰值逐级降低，方案1 可有效削减面源污染负荷，但无法削减至符合Ⅴ类标准，采用方案2 后可进一步将污染物浓度削减至符合Ⅴ类标准，但COD、TN、TP 在降雨期间仍有部分天数超标，针对这一问题，可采用南水北调补水措施进一步进行措施优化处理。

（2）河道断面达标预测分析

利用HEC-RAS 模型对海淀区河道断面达标进行预测分析，分析方案1 与方案2 的断面达标情况，根据有无南水北调补水以及补水形式，将方案2分成以下3个工况进行达标预测计算分析，各类方案断面达标率结果如表1 所示。

工况1：无南水北调水情况下，方案完善后的断面水质计算分析；

工况2：南水北调水在每日均匀补水情况下，方案完善后的断面水质计算分析；

工况3：针对汛期面源污染严重的情况，优化南水北调补水方案，方案完善后的断面水质计算分析。

根据流域水环境系统模型结果，方案2 可以进一步有效削减由降雨—径流产生的面源污染，并且可使断面水质达标率从63%提高至83%，治理效果显著。引入南水北调补水后，可进一步提高断面水质达标率。