辽宁省辽河流域水生态完整性恢复的实践与启示

袁哲，许秋瑾，宋永会，魏健，段亮，郜玉楠，傅金祥

1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院 2.中国环境科学研究院水生态环境研究所

生态完整性是指与某一原始状态相比，生态系统的质量和状态没有遭受破坏的一种状态[1]。美国在1972年的《清洁水法》[2]中，首先提出保护和恢复水资源环境、生态完整性，并在法律中表述为“物理、化学和生物的完整性”。Karr[3]提出，生态系统健康就是生态完整性，并在对河流的评价中最早使用了生物完整性指数。毕思文[4]认为，生态完整性包括一定地理范围内物理、化学和生物的特性，也包括社会、经济和文化的特征。国内学者多认为生态完整性即生态系统结构和功能的完整性，是生态系统维持各生态因子相互关系并达到最佳状态的自然特性[5-6]。河流流域生态系统涵盖了生物和非生物因素，因而流域生态系统完整性不仅包括生物群落的完整性，还包括其物理完整性及化学完整性[7]。近50年来，经济社会的快速发展、工业化和城市化的深入推进，导致水资源的需求量、污染物排放量快速增加，流域水生态系统的结构和功能受到严重破坏，造成水生态完整性损失[8]。河流生态系统是生物圈物质循环和能量流动的主要通道[9]，是人类发展的重要自然资源，实施流域生态完整性修复是推进流域持续高质量发展的重要举措。

辽河流域重化工业发达，在我国经济社会发展格局中占有十分重要的地位，但是作为大型寒冷地区缺水流域，其水体呈重化工业密集的结构型、区域型水污染，水生态系统受损严重。孙妍[10]研究表明，辽河流域水生态系统差异显著，生态系统保持完好、物种多样性丰富区域约占全流域面积的23.9%，主要分布在辽宁省辽河干流的上下游地区以及辽河支流清河流域；生态敏感性较脆弱区域约占全流域的61.7%，主要位于河网密度趋中、河流调节能力不强的辽河支流；生态系统类型单一、物种丰富度低的区域约占全流域的14.4%，主要分布于城市群密集地区，从河流走向上看则位于河流末端或河口三角洲等河网密度低及枯水期可能断流的区域。

自2007年起，国家水体污染控制与治理科技重大专项(简称“水专项”)将辽河流域列为重点示范流域，按照“流域统筹、分类控源、协同治理、系统修复、产业支撑”的研究思路，构建“管-控-治-修-产”五位一体的治理模式，实现“一保两提三减排”(一保是保水质，两提是提高行业治污水平和园区管控水平，三减排是结构减排、工程减排、管理减排)。同时，针对物理、化学和生物3个完整性，突破了生态基流保障调控、重化工业等重污染行业治理技术，划定了国内第一个大型河流保护区——辽河保护区，支撑流域“三大减排”“摘帽”(摘掉流域重度污染帽子)行动和休养生息，科技支撑了辽河流域水环境质量明显改善的国家战略目标的实现。“十二五”末，生物完整性指数评价结果显示，辽河干流和支流水生态系统健康状况较好，较“十一五”初期上升了一个等级。笔者对辽宁省辽河流域水生态完整性实践成果进行总结和分析，以期为我国开展大江大河流域水污染防治提供经验和借鉴。

1 研究区概况

辽河流域位于我国东北地区西南部，是我国七大江河流域之一，发源于河北省承德市七老图山脉海拔1 490 m的光头山，流经河北、内蒙古、吉林和辽宁4个省区，河长1 340 km，流域面积为22.14万km2。辽河流域水系发达，包括辽河和大辽河水系。辽河水系由西辽河、东辽河及发源于吉林、内蒙古的招苏台河、条子河等支流在辽宁省境内汇合而成，于盘锦入海，主要河流干流在辽宁省境内[11]；大辽河水系全部在辽宁省境内，由发源于抚顺的浑河、本溪的太子河汇合而成，于营口入海。辽河流域的降水在时空分布上极其不均，主要集中在夏秋季，占全年降水量的60%～75%，春冬季降水较少；流域东部地区降水丰沛，西部地区降水较少。辽宁省中部城市群为辽河流域主体，水生态完整性破坏程度高，是生态恢复实践的重点区，本研究以辽宁省辽河流域为研究区。

2 主要水生态完整性受损状况

2.1 物理完整性受损状况

辽河流域水资源可利用总量为83.54×109m3，人均水资源量为535 m3，不足全国人均水资源量的14，属重度缺水地区[12]。采用瑞典水文学家Falkenmark[13]提出的水紧缺指标作为评价标准，辽宁省极度缺水的城市有沈阳、营口和盘锦市，重度缺水的城市有鞍山、辽阳和铁岭市，抚顺市为中度缺水，本溪市为轻度缺水。从用水结构来看，辽河流域农田灌溉用水量最大，占总用水量的62.9%；其次是居民生活和工业用水量，分别占9.8%和6.9%；而生态环境用水量最少，仅占2.2%，使生态基流保障困难，部分河段甚至出现断流。此外，辽河流域多数河段滨岸带人为干扰严重，城市河段人工化现象突出，物理完整性受损[14]。

2.2 化学完整性受损状况

经过从“九五”到“十三五”的不懈努力，辽河流域水污染总体得到有效控制，水质得到一定改善，特别是2009年辽河干流断面化学需氧量(CODCr)达标率首次达100%[15]。但辽河流域纳污总量仍明显超出水环境容量：辽河流域主要河流在水质满足水功能区水质目标要求时的水环境容量CODCr为20.6万ta，氨氮为8 866 ta，而2008年CODCr、氨氮的排放量分别为30万和3.5万ta，超过水环境容量0.5倍和3.3倍；2015年CODCr、氨氮排放量分别为116.75万、9.63万ta，超过水环境容量4.7倍和9.8倍[16]。可见，辽河流域污染排放具有强度大、负荷高的特点，主要污染物排放量远超河流水体环境容量，总量控制的压力依然很大。辽河流域污染物排放主要来源于辽河两岸集中分布的钢铁、石化、制药等重污染行业，重点行业的CODCr和氨氮排放量占工业排放总量的70%以上，工业结构性污染问题突出[17]。虽然辽河流域已于“十二五”初期率先“摘帽”，但水质并不稳定，2018年辽河流域GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅰ类～Ⅲ类、Ⅳ类～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面比例分别为48.9%、28.8%和22.1%。辽河流域经过多年的治理，各项水污染治理措施逐渐开始发挥作用，生态环境与水体质量得到明显的恢复与改善，但仍未达到水功能区质量标准的要求。

2.3 生物完整性受损状况

在辽河流域浑河上游源头区，存在森林空间结构水平分布不均匀、林分垂直结构不明显、更新活力不足，林分树种结构过于单一，防护林效益较低，水源涵养能力退化等现象。辽河流域多数河段生态受损严重，河岸带植被覆盖率低于30%[18]，导致外源污染物在缺少河岸缓冲截留条件下直接入河，加剧水体污染，而河道采砂活动泛滥，使河道水体生境遭受破坏。近50年来，辽河流域水生生物多样性锐减，河道内水生维管束植物数量相比20世纪80年代急剧减少，水体净化功能退化；鱼类物种数量与改革开放前相比下降了近50%，水产养殖引入的外来鱼种对本地区野生鱼类产生竞争，造成鱼类小型化趋势明显。可见，虽然“十二五”以来辽河生物多样性逐步增加，生态恢复效果初步显现，但生物恢复水平与20世纪70—80年代“干流植被千余种、鱼类百种”的水平差距仍十分显著。

3 水生态完整性修复的重要实践

3.1 针对物理完整性的水生态基流保障技术研发与示范

针对辽河流域水资源总量少、时空分布不均、供需矛盾突出等问题，“水专项”通过对关键技术的研发，形成了集技术方案、综合管理决策支持系统、调度预案和示范工程于一体的流域水质水量优化调配调度技术体系(图1)。该技术体系主要内容：1)针对辽河高度人工调控，受生态环境用水及经济社会用水双重约束的特点，提出了适应河流特点的以水质改善为目标的河道内生态需水量估算方法。2)以河流水质改善为目标，提出了流域自然-人工二元水循环过程相耦合的河道内外需水统一配置技术方法。3)在流域层面分析了控制工程的用水特征、调度规则，以水质改善为目标，通过农业用水的一水多用和供水过程的调整，构建了辽河流域水质水量多目标优化调度模型，形成了辽河流域库群联合优化调度方案和调度规则。4)研发了辽河流域水质水量优化调配仿真模型，实现了库群和闸坝不同调度方案下河道水质水量响应过程的模拟仿真，并以水质改善为目标，以水库群结合河道闸坝联合调度技术为支撑，实现了库群闸坝联合优化调度。于2011年3月建成水质水量优化调配调度技术示范工程，在入河污染源得到控制的前提下，示范工程运行后位于太子河合金钩工业用水、排污控制区的白石砬子考核断面主要污染物CODCr和氨氮浓度下降了22%以上，均达到GB 3838—2002 Ⅳ类水质，满足水功能区Ⅳ类水质目标的要求，且流量比2010年增加29%以上[19]。

图1 流域水质水量优化调配调度技术体系Fig.1 Technical system for optimal allocation and dispatching of water quality and quantity in watershed

3.2 针对化学完整性的重污染行业全过程污染削减技术研发和示范

3.2.1钢铁行业

“水专项”在辽河流域突破钒铬萃取分离技术瓶颈，实现了钢铁行业废渣的资源化与无害化，“十一五”期间建立了104ta级钒铬废渣处理示范工程，实现了废渣总资源利用率超过95%，全过程废水零排放、废渣近零排放，减排毒性废渣近5万ta，经济效益和环境效益显著[20]。针对焦化废水低成本处理的国际性难题，突破了酚油协同萃取、低成本臭氧多相催化氧化、反硝化强化脱碳脱氮等关键技术，形成了先进适用的焦化废水强化处理集成技术，“十一五”期间在鞍钢等企业建成处理规模为2 400～5 200 ta的示范工程4项，并实现长期稳定运行。示范工程出水水质达到GB 16171—2012《炼焦化学工业污染物排放标准》要求，年累计节水超过500万ta，CODCr减排超过1.5万ta，总氰减排超过180 ta，苯并芘减排超过2.5 ta，年总增收4 355万元a以上。

3.2.2石化行业

针对辽河流域支柱产业——石化行业的难降解废水治理问题，“水专项”集石油开采、原油炼制、石油化工产业链各环节水污染特点，提出“清污分流、节水降耗，污污分流、分质处理”的石化产业链全过程行业控污策略。“十一五”期间，突破曝气生物滤池(BAF)-超滤反渗透、絮凝沉淀-多介质过滤-双膜法等9项关键技术，建成4项示范工程。示范工程出水水质均符合DB 211627—2008《辽宁省污水综合排放标准》，实现日处理废水13.6万td，CODCr年减排量达3 102 ta，废水回用率均在80%以上，年累计回用水565万ta，回收石油1 300 ta，经济效益超1 000万元a。“十二五”期间，加强了对石化行业废水氨氮和特征有毒有害物控制技术的研发，开发了臭氧催化氧化耦合曝气生物滤池同步除碳脱氮成套技术体系，并示范应用于中国石油天然气股份有限公司抚顺石化公司2501污水处理单元改造。示范工程CODCr削减量约880 ta，氨氮约40 ta(若含原水有机氮转化成的氨氮，则为130 ta)，总氮为86.4 ta，部分出水可作为回用水进入脱盐水处理单元，使运行成本降至1.58元t，低于同类型技术水平。开发了石化腈纶废水生物脱毒工艺升级改造和石化废水生化尾水反渗透(RO)浓水深度处理技术-序批式电芬顿高级氧化技术，并在抚顺石化腈纶厂污水处理示范工程中应用，示范工程CODCr削减量达227.4 ta，氨氮达21.4 ta，出水水质达到DB 211627—2008要求，特征有毒有害物去除率达到99%以上[21]。

3.2.3制药行业

制药工业是辽河流域的重要产业。“十一五”期间，针对浑河中游典型制药行业废水污染控制问题，“水专项”研发了达标排放及资源化技术，突破了水解酸化-接触氧化生物共代谢、铁碳微电解回收铜、高级氧化-上流式厌氧污泥床(UASB)-膜生物反应器(MBR)、湿式氧化-磷酸盐固定化等多项达标排放与资源化关键技术，通过单元处理技术集成和全流程物化-生化工艺耦合，形成了多套组合工艺。其中水解酸化-接触氧化生物共代谢技术被应用于东北制药集团张士磷霉素钠制药废水处理示范工程，实现CODCr削减量达420 ta[19]。“十二五”期间，针对浑河工业集群区制药废水中有毒有害物污染现状，着重解决制药废水的分质处理与生物强化处理的高效、稳定运行以及含重金属剩余污泥的安全处置和减量化等问题，研发了沉淀结晶-树脂吸附分质处理含铜废水、制药废水复配功能菌强化厌氧折流板反应器-循环式活性污泥法(ABR-CASS)生物处理、制药污泥臭氧氧化-厌氧消化脱毒减量化3项关键技术，形成制药行业有毒有害物污染控制和资源化集成技术，实现分质处理—综合废水处理—制药污泥处理的全过程控制，有毒有害污染物年削减率达90%以上，减排CODCr7 200 ta，回收铜90 ta[22]。

3.3 针对生物完整性的水生态恢复技术研发与示范

3.3.1辽河源头和浑河上游水源涵养

“水专项”创新性地提出源头区水源涵养林结构优化与调控技术体系，研发并集成了源头区水源涵养和水生态修复技术体系(图2)。针对现有植被结构简单、多样性低、水源涵养功能下降等问题，调查分析了浑河上游193 km2内的10余个典型支流，构建了3套适用的河岸植被缓冲带模式；先后完成浑河上游及上游部分支流的治理，修筑堤防和生态护岸22.7 km[22]，有效改善了源头区水质，保护了水源地生态环境。

3.3.2辽河干流保护区的划定和大规模生态修复

针对辽河流域治理和管理需求，探索和实践河流治理理论与管理新机制，“水专项”团队参与构建、设计了我国第一个以大型河流为单元，长538 km的辽河保护区。提出了“1条生命线、1张湿地网、2处景观带、20个示范区”的辽河保护区“1122”生态建设格局[23]，统筹河道整治与河流湿地恢复、环境污染控制及生态建设保护与资源合理利用，促使实现环境安全及生态和经济等综合效益。形成单项技术30余项，包括河流湿地网建设、岸坎生态修复等技术，并按照技术特点和类型进行了集成，建立了我国大型河流保护区封育和生态修复的技术体系(图3)，对辽河摘掉重度污染帽子起到了关键性作用。

图2 辽河源头区水源涵养和水生态修复技术体系Fig.2 Technical system for water source conservation and water ecological restoration in the headwaters of Liaohe River

针对辽河保护区河岸带岸坡不稳、植被破坏、水土流失与面源污染严重等问题，构建了基于全方位生态恢复、植物栽培、抚育与巡护管理的人工强化自然封育技术；研发了河岸边坡土壤-植物稳定技术与河岸缓冲带污染阻控技术，提出了不同土壤质地、植被盖度下阻控径流中80%氮和磷时所需不同植被缓冲带的宽度[24]，形成了辽河保护区河岸带人工强化自然封育模式。技术支撑辽河保护区生态封育工程，对主河道两侧各500 m宽的河滩地实施退耕还河、退林还河，共收租河滩地42 380 hm2，建设封育围栏1 036 km，封育干流面积50 000 hm2以上，使辽河保护区内河岸带植被覆盖率达到80%以上，实现辽河生态廊道(长538 km，面积为440 km2)全线贯通；保护区物种数明显增多，生物多样性快速恢复，如植被、鸟类和鱼类物种数分别由2011年的187、45和15种增至2016年的234、85和34种，辽河入海口的斑海豹种群逐步扩大，沙塘鳢(Odontobutisobscurus)、银鱼(HemisalanxprognathusRegan)繁殖数量显著增加，辽河生态环境进入正向演替阶段[25]。

图3 大型河流保护区封育和生态修复技术体系Fig.3 Technical system for enclosure and ecological restoration in large river protection areas

针对保护区湿地破碎化严重、生态系统功能严重受损等问题，“水专项”研发了基于石块抛填、水生植物种植、水生动物恢复的牛轭湖湿地恢复技术[26]，基于坑塘湿地群建设、水质优化与水系连通的坑塘湿地恢复技术，基于支流污染程度和河口滩涂面积的支流汇入口湿地恢复技术[22]。技术支撑在辽河干流建设17个生态控制工程、17处水环境综合整治工程，在支流建设20处支流河口治理工程[27]。

针对辽河干流河势不稳、泥沙淤积、行洪不畅等问题，“水专项”研发了以梯级石笼植物坝、抛石护根植物坝、生态柔性坝为主体的河势稳定生态控制技术，构建了辽河下游河势特征和输送泥沙需水量的配置模式，确定了辽河干流不同断面的输沙需水量，研发了以无纺纤维为主材，以芦苇、茭白、香蒲为种植植物的锚固式支流河口人工浮岛水质净化技术。技术保障新建16座生态蓄水工程并运行，结合河道清淤、生态护岸、水生植物恢复等，实施河道综合整治167 km，加上造湖蓄水和调整用水措施，保护区内河道水量可保持在1.4亿m3左右，比治理前增加1倍[22]。

3.3.3辽河河口湿地生态修复

图4 辽河河口区大型湿地生态修复技术体系Fig.4 Technical system for large-scale wetland ecological restoration in Liaohe estuary area

辽河河口湿地位于辽河流域末端的辽河入海口处，为亚洲最大的芦苇型滨海湿地。“水专项”研发了以改善辽河口区水质、恢复河口湿地生态为目标的18项关键技术，建立6项工程示范，形成辽河河口区大型湿地生态修复技术体系(图4)。该技术体系主要内容：1)针对河口区油田开采造成的井场周边土壤和湿地水体污染问题，研发了河口区累积性烃类有机污染物的强化阻控与水质改善技术，实现土壤累积性烃类污染物削减率达50%，并在吉林油田、胜利油田进行了推广应用；2)针对辽河口稻田种植和苇田养蟹造成的氮、磷流失和养殖水体污染问题，开展稻田生产制度、稻田田间水文及毗邻生态系统功能的协同管理，研发了河口区稻田生产区氮、磷面源污染控制技术与水质改善技术，并应用于辽宁盘锦新生镇稻田生态系统，使稻田单位面积增产近11%，纯氮施用量减少35.1%，节水12.5%～18.87%，氨氮减排19.9%[22]；3)研发了河口湿地养殖水体污染的物理-生物联合阻控与水质改善技术，并应用于盘锦市羊圈子苇场的河口区苇田养殖水体污染阻控示范工程，对苇田养殖水体的氨氮和CODCr的最大去除率分别达57.2%和51.2%，苇田出水氨氮浓度和CODCr分别降至0.15和30 mgL以下[28]；4)突破河口湿地芦苇植株培育关键技术，应用于盘锦市东郭苇场的河口湿地芦苇生态恢复示范工程，苇场单位面积芦苇生物量平均增幅为48.6%，污染物去除能力提高30%；5)设计辽河河口湿地生态用水调控方案，应用于盘锦辽河口生态经济区管委会下属苇场等相关部门，据现场调水实践证实，在枯水年和平水年可分别增加微咸水3.0×106和12.0×106ta，解决枯水期芦苇湿地生态供水问题，节约淡水资源，促进湿地生态恢复；6)研发了河口区退化芦苇湿地生境修复技术，在盘锦市羊圈子苇场的河口湿地芦苇群落生态修复关键技术示范工程中得到应用，示范区面积为2.1 km2，示范区内芦苇生物量提高65%以上。

4 思考与建议

“水专项”在辽河流域按照流域统筹、区域突破的原则，突破辽河流域重化工业等行业污染治理技术瓶颈，支撑流域“三大减排”和“摘帽”行动；划分源头区、干流区和河口区3类六大污染控制区域，制定了分区治理策略和流域治理方案；引领了国内第一个大型河流保护区——辽河保护区的建设，为逐步推动和改善辽河流域水生态完整性发挥了重要科技支撑作用；坚持统一领导，建立了高效协作的组织管理体系，并提出促进科技成果转化、推广和应用的举措。有力支撑了辽河流域水环境质量明显改善的国家战略目标实现，为我国当前与今后开展同类型工业密集、污染负荷高的河流流域水污染防治提供成套的技术与管理经验，对我国当前生态文明建设以及生态环境部“十四五”流域规划中生态目标考核等具有启示意义。

4.1 物理完整性恢复是流域水生态完整性恢复的基础

生态流量、生态水位的保障对于水质改善和流域内动植物生存至关重要，而水资源的连通性、异质性会影响其对生态系统的支撑作用。水的生态功能和属性还应包括水的健康循环，即流域尺度的水沙冲淤平衡和稳定性、陆地降水产流过程、流域尺度的盐分营养物的输移搬运等。辽河流域水资源紧缺，今后的水生态完整性恢复应更加注重开源节流，加强和优化水质水量和水生态的联合调度，以及节水措施的实施。

4.2 科学的生态完整性恢复实践需要全面的指标监测跟踪反馈

目前，我国大江大河流域考核指标仍以断面化学指标为主，相应的化学完整性的水质监测体系相对完善，而针对断面生态流量与重要水工程下泄生态基流、抗生素等新型污染物的监测评估基础仍然薄弱。这使生态条件改善与生物多样性恢复响应关系分析不足问题普遍存在。因此科学的生态完整性恢复实践迫切需要全面的指标监测跟踪反馈，急需合理制定水资源利用、水环境治理和水生态修复相结合的流域水生态环境保护修复目标和考核指标及其监测体系。

4.3 水生态完整性恢复进程应体现生态和经济双重效益

流域生态受到损害，长远的经济效益也难得到保障，同样，水生态完整性的恢复及其生态效益的产生也不应一味依赖政府资金扶持。因此，水生态完整性恢复进程中应力求做到既获得良好的生态效益，又获得较大的经济效益。如良好的湿地生境为野生候鸟提供了栖息地，还可促进旅游业发展以产生经济效益，同时，还能调蓄洪水并作为水源。在生态恢复工程设计中可增加经济效益的考量，促进水资源、水环境、水生态的三重功能属性的和谐统一，同时发挥生态效益和经济效益，实现环境保护资金自给自足，方能保证水生态修复工程的长期维护和保持。

4.4 修复流域生态完整性是贯彻落实“山水林田湖草生命共同体”思想的重要举措

习近平生态文明思想反映了“绿水青山就是金山银山”，尊重自然、顺应自然、保护自然，绿色发展、循环发展、低碳发展等基本理念，坚持“山水林田湖草生命共同体”思想，强调用系统思维统筹流域山水林田湖草的治理[29]。辽河流域生态完整性修复体现了物理、化学和生物3个完整性的修复，其中，物理和生物完整性修复体现了大江大河生态基流的保障以及生态缓冲带的封育和保护，体现了生态红线、资源利用上线和空间管控的理念；化学完整性修复则更多地针对环境质量底线和环境准入负面清单的污染源控制。总之，生态完整性修复是推进流域污染源控制，强化国土空间环境管控，推进流域绿色、高质量发展的重要内容，是落实“山水林田湖草生命共同体”思想的重要举措。“十二五”以来，辽河保护区生物多样性逐步增加，生态恢复效果初步显现，但生物恢复水平与20世纪70—80年代水平的差距仍十分显著。因此，辽河流域的水污染控制和生态修复具有长期性、艰巨性、复杂性，应以生态文明思想为指导，继续坚持和持续深入实施水生态物理、化学、生物完整性修复计划，巩固和加强已有的治理成效。

4.5 长江经济带大保护和黄河生态保护与高质量发展应贯彻生态完整性修复的理念

借鉴辽河生态完整性修复实践经验，长江经济带大保护和黄河生态保护与高质量发展应贯穿物理、化学、生物3个完整性修复的理念，统筹水资源、水环境和水生态。具体任务：1)上游需涵养水源，防止水土流失，同时做好水库群联合调度，保障生态基流；2)应加大力度，持续开展流域水污染治理，进一步推进城市污水管网建设和污水处理厂提标改造并稳定运行，加大流域重污染行业减排，从源头上控污、减污；3)保护好现存的自然生态缓冲岸带，对已破坏的岸带，因地制宜地构建人工生态缓冲带，尽可能地保护和维护水生生物栖息地，有效减少面源污染；4)由于大江大河重污染河段往往是流经城市的河段，因此应将大江大河的城市段作为治理的重点区域；5)加强监控预警和流域统筹管理，制订有效的政策引导、激励和保障措施，从流域生态综合管理角度，确保治理的效率和效益。

致谢：感谢“水专项”辽河流域水污染治理“十一五”“十二五”项目各相关课题单位、专家学者提供资料。