河流类型划分及其水生态环境治理技术路线图

2021-06-16胡官正曾维华马冰然宋永会

人民黄河 2021年6期

胡官正，曾维华，马冰然，宋永会

（1.北京师范大学环境学院，北京100875；2.中国环境科学研究院，北京100012）

中国幅员辽阔，水文气象条件南北差异显著，社会经济发展东西差距明显，水污染态势也呈现南北、东西、上下游明显的时空差异性。然而，我国不同层级流域水生态环境治理规划与管理很少考虑这一差异性，由此导致制定的相关规划与管理方案缺乏针对性与适用性，因此有必要充分考虑河流流域水污染特征与成因，面向河流水生态环境治理差异性需求，兼顾水文、气象、水污染与社会经济条件，建立河流类型划分技术方法。

截至2018年，我国七大流域和浙闽片河流、西北诸河、西南诸河的1 613个水质断面中，Ⅳ类水占14.4%、Ⅴ类水占4.5%、劣Ⅴ类水占6.9%。造成我国部分地区水污染问题严重的主要原因是，水生态环境治理缺乏顶层设计与宏观导引，所实施的水污染治理与生态修复技术之间缺乏有效衔接。无论是自然河流流域水系统，还是城市水系统，都是一个整体，只有统筹各个子系统，充分考虑各子系统所采用的技术之间的有效衔接，才能确保整个水污染治理与水生态修复系统处于最佳运转状态。针对我国水生态环境治理缺乏顶层集成优化设计与总体宏观导引等问题，除了加大资金投入、加强管理外，还要增强不同类型河流水生态环境治理技术路线图的优化设计，制定具有针对性的水生态环境治理分类指导方案。目前，国内学者针对河流分类的研究大多基于河流的单一特征，较少基于多角度特征研究河流综合分类方法，尚无学者从水生态环境治理需求角度研究河流分类。钱宁［1］依据河流平面形态，倪晋仁等［2］依据河流的起源、地貌条件、河水补给、地理、气候以及河流形态等方面的特征，徐彩彩等［3-4］依据河流等级、封闭度、河道数以及蜿蜒度等对河流进行分类。与国外以定量为主、定性为辅的河流分类相比［5-6］，这种依据单一角度的分类方法不能表征河流整体生态环境状况，影响流域水系统差异化、精细化规划与管制。

当今，发达国家的水生态环境治理工作已基本完成，以维护为主，国内的水生态环境治理体系也较为完备，如重庆的水污染治理和修复方法［7］、太湖流域水环境综合治理方案［8］、小流域污染治理措施［9］、泽龙湖水污染治理和生态修复［5］都有完整的理论体系。美国和日本提出了流域治理和维护方法［6，10］、哥伦比亚总结了生态修复工程维护管理措施［11］。但是，国际上的技术路线图研究以低碳、行业发展相关技术为主，对流域水生态环境治理的研究甚少。1998年，Robert Galvin率先提出了技术路线图，并将其应用于企业管理［12］，这推动了美国的技术路线图研究在汽车［13］、半导体［14］等行业的兴起，而环境领域技术路线图研究主要聚焦于如何节能减排［15］。受美国启发，欧洲绘制了许多医疗行业的技术路线图［16-17］，环境治理领域的技术路线图以节能减排为主［18］。关注高新技术的日本绘制了许多新技术行业的发展技术路线图［19-20］，同时由于资源短缺，因此日本十分重视低碳技术路线图的绘制［21-26］。国内樊东黎［27］引入了技术路线图的概念，之后汽车零配件［28］、生物医药［29］等行业技术路线图逐渐发展起来，但总体上处于技术路线图思想的引进阶段［30］，环境领域的技术路线图研究以学习国外［31］并尝试绘制［32-33］低碳技术路线图为主，没有涉及流域水生态环境治理方面的技术路线图研究。但是，在进行流域水生态环境治理时，迫切需要技术路线图指导，以推进流域精细化管控、流域生态环境保护与修复工作。因此，笔者以湟水流域小峡桥断面上游及其各支流为例，面向水生态环境治理，基于聚类分析方法对河流进行分类，进而解析各类河流的水污染与生态破坏特征，给出配套政策措施，并基于“决策树”方法绘制技术路线图，以期为河流水系统规划与管理提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

湟水流域地处青海省东北部，流域面积约3 200 km2。湟水干流全长374 km，是“青海的母亲河”，也是黄河上游的重要支流。该流域地势由西向东倾斜，最高海拔与最低海拔分别为4 836、2 169 m，气候类型为高原干旱、半干旱大陆性气候，年均降水量为460.5 mm。湟水水系整体呈树枝状，主要支流包括沙塘川河、黑林河、北川河、西纳川河、药水河等，而小峡桥断面是湟水干流在西宁市的出境断面。

1.2 数据来源

研究数据来源于2014年青海省污染源普查数据，2014年海晏县、海东市和西宁市环境统计数据，《西宁统计年鉴》（2015年），以及2014年海晏县、大通回族土族自治县、互助土族自治县、湟中县国民经济和社会发展统计资料等。控制子单元划分依据现有研究成果进行［34-35］，见图1（其中XN-1为西宁城区，HY-2为湟源县大华镇，HY-4为湟源县城关镇东峡乡，HY-1为湟源县巴燕乡申中乡，HZ-2为湟中县鲁沙尔镇多巴镇，HZ-3为湟中县上新庄镇总寨，DT-4为大通县桥头镇长宁镇，DT-2为大通县城关镇良教乡，DT-1为大通县宝库乡青山乡，HB-1为海北州甘子河乡金滩乡，HHZ-2为互助县威远镇塘川镇，HHZ-1为互助县林川乡台子乡，HY-3为湟源县日月藏族乡和平乡，HB-2为海北州哈勒景蒙古族乡，HZ-1为湟中县上五庄镇拦隆口镇，DT-3为大通县向化藏族乡朔北藏族乡）。

图1 控制子单元划分

2 研究方法

2.1 面向水污染治理与生态修复的河流综合分类方法

对各河流进行分类的关键在于构建合理的指标体系，采取合适的分类方法。由于不同河流环境污染、资源短缺、生态破坏问题和社会经济发展状况不同，所采取的水生态环境治理措施也不同，因此有必要在河流分类基础上，针对不同类型河流的特点，制定具有针对性的水生态环境治理技术路线图。通过构建表征河流环境污染、资源短缺、生态破坏问题和社会经济发展状况的指标体系，以聚类分析的方法进行河流综合分类。

2.1.1 河流分类指标体系构建

为较全面评价流域的综合情况，依据水生态系统面临的问题与影响因素，遵循系统性、科学性、综合性、区域性、层次性、动态性等基本原则［36］，从社会经济与人口、水资源、水环境、水生态等方面出发，建立河流综合分类指标体系，见图2。

图2 河流综合分类指标体系

（1）水环境指标。通常以水体污染程度表征水环境指标，而承载率则能较全面表征水体污染程度。河流污染物中，最常见的是COD和氨氮，因此选取COD和氨氮承载率作为水环境指标。COD承载率LCOD计算公式［37］:

式中:ECOD为COD实测值；CCOD为河流水质标准允许的COD上限值。

氨氮承载率LN计算公式［38］:

式中:EN为氨氮实测值；CN为河流水质标准允许的氨氮上限值。

（2）社会经济与人口指标。采用支撑农业发展、工业发展、宏观社会经济发展和人口发展的指标表征社会经济与人口指标，这里以耕地面积占比表征对农业发展的支撑情况、以固定资产投资额表征对工业发展的支撑情况、以GDP表征对宏观社会经济发展的支撑情况、以人口密度表征对人口发展的支撑情况，其中GDP和固定资产投资额从相关统计年鉴和资料中查得。耕地面积占比ε计算公式［34］:

式中:Sa为区域耕地面积；St为区域土地面积总和。

人口密度η计算公式［39］:

式中:P为区域人口总数；S为区域面积。

（3）水资源指标。水资源指标包括表征水量大小的指标和表征水质状况的指标，采用地表水资源丰裕度表征水量大小、水环境脆弱度表征水质情况。地表水资源丰裕度AN计算公式［40］:

式中:S t为第t区域根据人口与经济规模实际可获得的地表水资源量。

水环境脆弱度计算公式［34］:

式中:Ve为河流水质得分；PⅠ、Ⅱ为Ⅰ-Ⅱ类水河段占比；PⅢ为Ⅲ类水河段占比；PⅣ为Ⅳ类水河段占比。

（4）水生态指标。水生态指标应全面表征生境质量和河流应对干扰的自我恢复能力，生境质量采用绿地覆盖度描述，自我恢复能力与生态廊道紧密相关，采用连通度表征。岸边带绿地连通度可用斑块连接度指数来度量，其计算需借助ArcGIS软件完成。首先将岸边带数据栅格化，再导入Fragstats 4.2中计算斑块连接度指数（COHESION）。连接度指数在景观水平和类型水平两个层次上都适用，但公式结构不同，其中类型水平连接度指数表征某一类景观类型中不同斑块之间在功能上或生态系统中的有机关系，景观水平连接度指数表征各类景观类型中不同斑块之间在功能上或生态系统中的有机关系。类型水平连接度指数计算公式为

景观水平连接度指数公式为

式中:p ij为景观类型i中斑块j周长上的像元数；a i j为景观类型i中斑块j的像元数；A为景观中像元的总数量；m为类型总数；n为斑块总数。

岸边带绿地覆盖度的计算也需借助ArcGIS软件，以研究河流为基准，河流两岸各50 m为缓冲区，再分区计算缓冲区中植物（沼泽地、草地、林地和建设用地的绿地部分）面积，与流域内河流缓冲区总面积相比得到绿地覆盖度。覆盖度计算与耕地占比计算方法类似，计算公式为［34］

式中:ξ为绿地覆盖度；Ma为区域沼泽地、草地、林地和建设用地的绿地部分面积；Mt为区域土地面积总和。

2.1.2 基于聚类分析的河流分类

按照各事物间的相似性对事物进行分类属于无监督分类，包括动态聚类、系统聚类、有序样本聚类、聚类预报、图论聚类等［41］。其中，在分类过程中，系统聚类法事先无须知道分类对象的分类结构，只将原始数据标准化后根据数据间亲疏关系归类，而本研究事先并不清楚分类对象应该划分几类，即不清楚其分类结构，因此系统聚类法较为适用［42］。由于各类指标具有不同的量纲，数量级相差悬殊，因此运用标准化方法消除量纲，这里采用极差标准化方法。

常用的系统聚类有直接聚类和最短距离聚类。前者依据距离最小原则按顺序选择分类对象，依据各对象的归类情况，绘制聚类谱系图，适合数据量大的样本。后者在m阶距离矩阵非对角元素中找d p q=min｛d ij｝，把分类对象G p和G q归成新类G r，由d rk=min｛d p k，d qk｝（k≠p，q）可得原来各类与新类之间的距离，从而得到新的（m-1）阶距离矩阵，直到所有类合而为一，适合数据量小的样本［41］。其中:d pq、d ij、d rk、d p k、d qk分别表示p类与q类、任两类、r类与k类、p类与k类、q类与k类的间距，G p、G q、G r分别表示第p、q、r类［41］。因此，最短距离聚类法更适合本研究。

2.2 河流水污染特征解析以及治理与修复技术筛选

借鉴前人研究成果获得河段控制单元划分结果后，通过实地考察与统计文献资料，收集获取各单元、各指标数据，标准化后采用聚类分析方法对河流进行分类。根据ArcGIS可视化分类结果，结合相关参考文献，把握各类河流特征，分析其对应的水生态环境问题。针对不同的水污染与生态破坏特征，分析各类河段应采取的水污染治理与生态修复技术、配套政策方案、管制策略，并采用水污染与水生态破坏+水生态环境治理方法的命名规则对各类河段命名。

2.3 差异化河流水生态环境治理技术路线图绘制

依据各类河流的水生态环境问题，列举可能的环境保护与生态修复措施，作为待采纳技术，采用“决策树”判别法绘制技术路线图。首先依据实际情况，确定各技术应用的时间节点，再对各待采纳技术的时序安排逐一判别，判别准则包括技术适宜性分析、需求性分析、技术成熟度分析和经济可行性分析，见图3。技术适宜性分析:根据各技术的气候、地理条件要求，判断是否适宜该区域，若不适合则不应用；若适合，则是否应用以及何时应用需进一步分析。对于适合的技术进行需求性分析:有的技术虽然适合，但在实际工程应用中无需求，不予应用；有的技术不光适合，而且在实际应用中有需求，其应用的时序安排要进一步分析确定。对于既适宜该地区应用，又有应用需求的技术，分析技术成熟度:有的技术相对成熟，能直接应用，此类技术于前期或中期应用；有的技术不成熟，则将来成熟后，于远期应用。对于适合应用、有需求且较为成熟的技术，具体在前期还是在中期应用，要根据其经济可行性判别:对于成本较低而收益较高的技术，于前期应用，以最快的速度获得收益；对于成本较高的技术，待前期应用的技术初具成效后，于中期应用。

图3 “决策树”的构建方法

3 结果分析与讨论

3.1 河流分类结果分析

湟水流域小峡桥断面上游及其各支流聚类结果树状图见图4，可视化结果见图5，其中控制子单元HY-2、HY-3、HY-1、HB-2、DT-1、HB-1、HY-4、HZ-3地处流域上游，人为活动影响小，自然环境优良，生态系统的抵抗力稳定性较强，划为第1类，命名为水源保护与生态保育区；控制子单元HHZ-1、DT-2、HZ-2、DT-3、HHZ-2生态环境受人类农林活动影响大，存在农业面源污染和水土流失问题，划为第2类，命名为农田面源污染控制与水土保持区；控制子单元DT-4地处城乡系统过渡带，基础设施建设不能满足需要，工业污染叠加，居民环保意识淡薄，划为第3类，命名为工业点源污染控制与河道生态修复区；控制子单元HZ-1多处于流域中游，主产业为养殖业，划为第4类，命名为畜禽养殖污染控制区；控制子单元XN-1地处人口密度大、经济发达的城市地区，人类活动影响大，划为第5类，命名为城市合流制溢流［43］（CSO）管制与河道黑臭水体修复区。

图4 聚类结果树状图

3.2 不同类型河段环境污染与生态破坏特征解析及管制措施选择

水源保护与生态保育区河段人为干扰小，仅有少量农牧业污染源，管制措施为水源地生态保育与环境保护［44］。农田面源污染控制与水土保持区河段化肥、杀虫剂、农业尾水污染严重［45］，管制措施以农田节水、废水处理为主［46］。工业点源污染控制与河道生态修复区河段工业污染严重，污水处理厂水体净化率低［47］，管制措施为治理工业点源污染［48］。畜禽养殖污染控制区河段污染源为畜禽养殖过程中废水的排放［49］，管制措施为合理划分养殖区并引导畜禽养殖产业规模化、集中化，完善废物处理设施。城市CSO管制与河道黑臭水体修复区河段存在污水处理厂水体净化能力不能满足要求、河道生态破坏和黑臭水体等问题［50］，管制措施包括雨污分流、合流制溢流、受损河道修复整治等，见表1。

图5 河流分类结果

表1 各类河段特征解析及管制措施

3.3 不同类型河段差异化治理与生态修复技术筛选

水源保护与生态保育区可采取的技术有，水源地生态保育技术［51］、非规模化养殖废水处理技术［52］、水源地保护区划分［53］、水源地生态红线划定［54］、水源地保护区天地一体化监管技术、水源地生态预警技术［55］等。农田面源污染控制与水土保持区可采取的技术有，农田灌溉节水技术，灌区渠道衬砌节水技术［56］，农田尾水水量预测，农田尾水水质实时监控技术［57］，沉沙池、过滤带、湿地、植物篱净化技术［58］等。工业点源污染控制与河道生态修复区可采取的技术有，工业污水处理厂处理率提高技术［59］、中水回用技术［60］、工业污水深度治理技术［61］、“主槽生态式”河道、人工湿地处理工业污水［62］、基于物联网的监管偷排漏排技术［63］等。畜禽养殖污染控制区可采取的技术有，养殖区和禁养区划分［64］、禁养区生态保育技术［65］、集中化养殖园区废水利用技术［66］、养殖区生态红线划定［67］、养殖场重金属处理技术［68］等。城市CSO管制与河道黑臭水体修复区可采取的技术有，城市污水处理厂处理率提高技术［69］，城市雨污分流技术［70］，污水箱涵技术［71］，中水回用技术［60］，“主槽生态式”河道，沉沙池、过滤带、湿地、植物篱技术［58］，管网破损检测技术［72］，CSO控制技术［73］等。

适应于研究区水源保护与生态保育区的技术:水源地生态保育和预警技术、水源地保护区划分、水源地保护区天地一体化监管技术、水源地生态红线划定；适应于研究区农田面源污染控制与水土保持区的技术:农田灌溉节水技术（如膜下滴灌、渠道衬砌），沉沙池、过滤带、湿地、植物篱净化技术，农田尾水水质、水量预测技术，农田尾水水质、水量实时监控技术；适应于研究区工业点源污染控制与河道生态修复区的技术:中水回用技术、“主槽生态式”河道、工业污水深度治理技术、基于物联网的监管偷排漏排技术；适应于研究区畜禽养殖污染控制区的技术:养殖区和禁养区划分、禁养区生态保育技术、养殖区生态红线划定、集中化养殖园区废水处理与利用技术、养殖场重金属处理技术；适应于研究区城市CSO管制与河道黑臭水体修复区的技术:污水箱涵技术、“主槽生态式”河道、管网破损检测技术、黑臭水体处理技术（如底泥疏浚、资源利用、人工增氧）、CSO控制技术、中水回用技术。

3.4 不同类型河段治理修复技术路线图绘制

对于水源保护与生态保育区，水源地保护区划分、水源地生态红线划定、水源地生态保育和预警技术适宜当地气候地理条件且有需求，技术成熟且经济，故前期开始应用。水源地保护区天地一体化监管技术适宜当地气候地理条件且有需求，技术成熟但不够经济，故中期开始应用。

对于农田面源污染控制与水土保持区，农田灌溉节水技术适宜当地气候地理条件且有需求，技术成熟且经济，故前期开始应用。农田尾水水质、水量实时监控技术，农田尾水水质、水量预测技术适宜当地气候地理条件且有需求，技术成熟但不够经济，故中期开始应用。沉沙池、过滤带、湿地、植物篱净化技术适宜当地气候地理条件且有需求，但与当地实际结合程度不高，故远期开始应用。

对于工业点源污染控制与河道生态修复区，中水回用技术、工业污水深度治理技术、“主槽生态式”河道适宜当地气候地理条件且有需求，技术成熟且经济，故前期开始应用。基于物联网的监管偷排漏排技术适宜当地气候地理条件且有需求，技术成熟但不够经济，故中期开始应用。

对于畜禽养殖污染控制区，养殖区和禁养区划分、养殖区生态红线划定技术、禁养区生态保育技术适宜当地气候地理条件且有需求，技术成熟且经济，故前期开始应用。集中化养殖园区废水处理与利用技术适宜当地气候地理条件且有需求，技术成熟但不够经济，故中期开始应用。养殖场重金属处理技术适宜当地气候地理条件且有需求，预计在将来养殖进一步集中化后会出现较严重的重金属排放入河问题，现今问题不够严重，故远期开始应用。

对于城市CSO管制与河道黑臭水体修复区，中水回用技术、黑臭水体处理技术、“主槽生态式”河道适宜当地气候地理条件且有需求，技术成熟且经济，故前期开始应用。CSO控制技术、污水箱涵技术适宜当地气候地理条件且有需求，技术成熟但不够经济，故中期开始应用，其中CSO控制技术本身包含多类相关技术，难以一次性完成，需依据实际情况将少部分技术于远期开始应用。管网破损检测技术适宜当地气候地理条件且有需求，但近期并不是主要问题，故远期开始应用。不同河段治理修复技术路线图见图6。