京津冀地区流域水质目标管理技术集成研究

王菲菲，伍海闻，雷坤，安立会

中国环境科学研究院

京津冀地区是海河流域的核心区域，也是国家生态环境保护的重点地区。近年来，京津冀地区高度重视水环境保护工作，不断推进生态建设和污染治理，并取得积极成效。但目前京津冀地区仍是全国水资源短缺、水环境污染较严重、水生态破坏较突出的地区之一。“十三五”期间，《京津冀协同发展规划纲要》《京津冀协同发展生态环境保护规划》等一系列文件陆续出台，特别是雄安新区的战略定位，对京津冀地区水环境保护提出了更高要求，也为长远谋划区域水环境保护明确了方向[1-2]。笔者在“十一五”“十二五”和“十三五”国家水体污染控制与治理科技重大专项（简称水专项）各课题研究基础上，结合《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）对京津冀地区水环境保护管理的技术需求[3]，以支撑京津冀地区水环境质量改善为目标，结合流域特征，围绕水资源、水环境、水生态（简称“三水”）综合管理，集成京津冀地区“三水”统筹的流域水质目标管理技术，探讨其对京津冀地区北运河、永定河和大清河3个主要流域水质目标管理的支撑意义并提出相关建议，以期为京津冀地区水环境保护提供技术支撑。

1 国内外流域水质目标管理技术进展

1.1 发达国家流域水质目标管理技术进展

流域生态系统的组成、结构和功能是承载区域水环境压力的基础。流域水质目标管理已成为发达国家水环境管理的主要模式。美国水环境管理以《清洁水法》为基石，不断融入水生态分区、水质标准、最大日负荷总量计划（TMDL）、排污许可证等管理要素，有力支撑受损水体逐步恢复[4]。美国流域水质目标管理技术从初级的一般性污染控制开始，发展到基于技术的污染源浓度控制，再发展到基于水质的污染控制，最后发展到TMDL[5-7]。欧盟水环境管理先后经历了水环境质量标准与排放标准管理不同阶段，至2000年《水框架指令》的提出，标志着欧盟由此进入了以水生态系统为核心的流域管理阶段[8-9]。欧盟水框架指令的核心思想是建立综合的一体化的水环境管理体系，排污许可管理是控制水体污染物排放的根本手段，水质目标管理技术是一种基于最佳技术的总量控制方法[7]。日本于20世纪70年代末开始实施以部分区域总量控制为核心的综合防治，对污染严重地区的经济与环境的协调发展起到良好的效果[10]。美国与欧盟在水环境管理方面的共同点都是实现了从污染控制向生态管理的战略转型，水质目标实现是其根本。开展以水生态功能分区为基础的流域水环境综合管理，已成为美国、欧盟及日本等发达国家和地区保护水环境的重要手段。美国、欧盟与日本的流域水质目标管理均是基于流域水生态管理的技术体系[11]。

1.2 我国流域水质目标管理技术的发展历程

我国流域水质目标管理技术研究可以追溯到20世纪70年代，在“九五”和“十五”期间，确定了污染物排放总量控制指标，标志着我国污染控制由浓度控制进入总量控制阶段[12]。1996年，修订的《中华人民共和国水污染防治法》明确提出“防治水污染应当按流域或者区域进行统一规划，水污染防治规划是防治水污染的基本依据”，这标志着我国以流域为对象的水污染防治方略基本建立[13-14]。流域水污染防治规划思路基本实现了由以往的单纯治理污染向污染治理和生态保护并重转变，规划导向由污染物总量控制向环境质量控制转变[15]。“十一五”和“十二五”水专项紧紧围绕流域水生态功能分区、水环境质量基准标准、容量总量控制三大核心技术研发，构建我国流域水质目标管理技术体系，标志着我国开始推动基于水生态功能分区的流域水环境质量目标管理技术体系[11,16-17]。《重点流域水污染防治规划（2016—2020年）》以细化落实“水十条”目标要求和任务措施为基本定位，提出了以改善水环境质量为核心和“三水”统筹的系统思路[18-19]。“十三五”水专项对流域水质目标管理技术进行了集成研究，构建了集功能分区、基准标准、排污许可、最佳可行技术、风险管理、管理平台六大技术环节于一体的水质目标管理技术体系[20]。

2 京津冀地区面临的主要“三水”问题

京津冀地区地处海河流域，是海河流域水资源开发程度最高的区域，水资源稀缺和水污染问题削弱了水体的生态服务功能，进而影响了社会经济的可持续发展，成为京津冀发展的最大短板。北京市由永定河、大清河、北运河、潮白河和蓟运河五大水系串联。天津地区的海河自金钢桥起到大沽口流入渤海湾，整个海河水系由海河上游的北运河、永定河、大清河、子牙河和南运河五大河流及300多条支流共同组成。河北地区水系较多，其中海河水系占河北地区绝大部分，包括潮白河（北运河）、永定河（主支流有桑干河、洋河）、大清河（主要支流有唐河等）、子牙河（滹沱河与滏阳河汇集而成）、南运河（上游为漳河和卫河所汇集）[21]。可见，北运河、永定河、大清河是京津冀水系连通的关键。

2.1 水资源短缺和统筹调配能力不足

京津冀地区水资源主要问题在于水资源总量不足、地下水超采严重、粗放用水方式持续加重水资源短缺程度、水资源统筹调配能力不足[22]。京津冀地处海河流域平原区，多处于干旱半干旱地区，近年来降水量的减少和水资源开发利用程度的加强，导致海河流域水资源总量持续减少。2019年海河流域平均降水量为449.2 mm，比多年平均降水量少16.0%，2019年年末浅层地下水蓄量比年初减少39.74亿m3[23]。高耗水生产方式仍未转变，尤其是农业用水效率远低于工业和服务业[24]。京津冀地区是全国水资源供需矛盾最尖锐的地区之一，供水水源经历了以地下水、地表水水源为主到再生水、南水北调水、地下水和地表水多水源联合调配的过程。自南水北调中线工程通水后，水资源量得到一定的提升，但水资源空间不均衡状态仍然持续存在，多源供水格局尚未形成[25]。

2.2 水环境污染严重和协同治理水平较弱

目前，京津冀地区水污染仍较为严重。《2020中国生态环境状况公报》显示，海河流域水质整体有所好转，但仍属于轻度污染，主要污染指标为化学需氧量（COD）、高锰酸盐指数和五日生化需氧量；Ⅰ类～Ⅲ类水质断面占比为64.0%，比2019年上升12.1个百分点，但仍比全国数据低23.4个百分点；劣Ⅴ类水质断面占比为0.6%，比2019年下降6.9个百分点，但仍比全国数据高0.4个百分点[26]。京津冀工业源水污染排放空间集聚特征研究显示，工业源COD和NH3-N排放最多的行业集中在造纸和纸制品业、农副食品加工业、化学原料和化学制品制造业、纺织业等十大行业，工业源COD排放主要集中在邯郸、天津、张家口和秦皇岛，合计占京津冀地区COD总排放量的56%[27]。京津冀地区水污染综合管控力度和区域协同综合治理水平仍有待提高。

2.3 水生态退化和稳定性趋向脆弱

京津冀地区水生态退化严重，水生生物资源受损严重，湿地失去天然河流补给，面积萎缩。据全国第一次水利普查水土保持普查数据，京津冀地区水土流失面积为 50 534 km2。其中，北京市为 3 202 km2，占京津冀地区水土流失总面积的6.34%；天津市为 236 km2， 占 0.47%； 河 北 省 为 47 096 km2，占93.20%[28]。大清河流域建设用地面积逐渐增加，且增长速度不断加快；太行山东麓林地、草地面积由于人口的扩张逐渐减少[29]；白洋淀湿地生态系统稳定性趋向脆弱，湿地生物多样性保护功能呈退化趋势[30]。北京市河流大型底栖动物空间格局及其环境响应研究显示，山区河流中保持了较高的生物多样性，而城市河流及其过渡区的大型底栖动物退化明显[31]。

因此，针对京津冀地区流域特征，为了有效利用水资源、改善水环境和恢复水生态，有必要系统集成“十一五”“十二五”和“十三五”水专项京津冀地区水环境管理技术相关项目和课题的研究成果，凝练该区域流域水质目标管理集成技术，为京津冀地区北运河流域、永定河流域和白洋淀—大清河流域“三水”统筹流域水质目标管理思路的确定提供建议和技术支撑。

3 技术集成思路与方法

3.1 技术集成数据来源

水专项设置了一系列流域水生态管理方面的研究课题，如“十一五”水专项涉及海河流域水生态管理方面的8个课题，“十二五”水专项涉及海河流域水生态管理方面的10个课题，而“十三五”水专项设置了京津冀地区综合调控重点示范板块，涉及京津冀地区水生态管理方面的23个课题（表1）。经过“十一五”“十二五”和“十三五”水专项科技成果的积累，已经具备建立京津冀地区“三水”统筹的流域水质目标管理技术集成的基本技术条件。因此，有必要系统集成京津冀地区水专项管理技术成果，提出北方缺水地区“三水”统筹的流域治理模式，为京津冀地区协同发展提供重要技术支撑。

3.2 技术集成方法及工作流程

技术集成概念的提出源于20世纪80年代，在研究起始阶段以单项技术与其应用环境之间的匹配为目标，通过调查、评估和提炼等研究过程来融合所需技术，这就是被Iansiti[32]称为技术集成的研究开发模式。技术集成并非创造一项新技术，其核心在于评估技术选项并进行技术选择，最终实现同类技术交叉融合[33-34]。本次集成研究主要根据3个标准来评估和选择技术：1）技术的可靠性，筛选的依据在于技术的原理、流程、要点及创新性；2）技术的可用性，筛选的依据在于技术在京津冀地区的示范应用情况；3）技术的可达性，筛选的依据为技术就绪度。技术集成流程见图1。

图 1 技术集成流程Fig.1 Process of technology integration

4 “三水”统筹的流域水质目标管理技术集成体系

4.1 技术集成体系框架

从“十一五”“十二五”及“十三五”水专项涉及的京津冀地区水生态管理相关的41个课题中提炼出90项关键技术。根据各项关键技术的特点，以支撑京津冀地区流域水质目标管理为目标，从水资源、水环境、水生态3个方面进行凝练，形成12项集成技术，进一步构建京津冀地区“三水”统筹的流域水质目标管理技术体系框架（图2）。

4.2 水资源集成技术

水资源集成技术由生态水量保障管理技术与政策相关技术组成，包括不同类型河流廊道生态水量确定技术、多水源背景下流域水资源优化配置技术、跨界水质-水量联合生态补偿标准制定技术和京津冀区域水价改革方案（图3）。

图 2 “三水”统筹的流域水质目标管理技术集成体系框架Fig.2 Technical framework of watershed water-quality target management technology based on "three waters"

图 3 水资源集成技术组成Fig.3 Components of water resources integration technology

针对京津冀地区长期以来水资源开发利用率高和存在严苛的水文水资源条件问题，提出了面向生态水量与维持良好生境功能的分区、分类、分级、分期（简称“四分”）的生态流量组分和阈值确定以及生态流量整体协调优化技术，形成不同类型河流廊道生态水量确定技术。该技术可指导制定协调流域上下游、兼顾社会用水的生态流量标准方案，解决京津冀地区流域河流生态流量底线难以科学确定、生态流量管理难以与水资源管理结合的难题。

针对京津冀地区河流实现“流动的河”大部分都面临十分严苛的水资源条件的问题，基于生态需水目标，建立统筹当地径流、再生水、外调水等多种水源的流域水量统一优化配置技术体系，并结合现有水资源和防洪调度，提出以保障生态用水为目标的流域水资源配置技术，形成多水源背景下流域水资源优化配置技术。该技术可支持流域和区域水资源统一调度，确保实现生态水量下泄目标，是保障京冀津地区绿色生态廊道修复不可或缺的前提条件。

在目前国内已成功试点的跨界流域生态补偿机制上进行补偿标准的改进，将原有单一的水质补偿机制扩展形成以水量为主、水质为调控因子的流域生态补偿技术，形成跨界水质-水量联合生态补偿标准制定技术。该技术的核心在于补偿标准的确立，针对京津冀区域水资源量紧缺现状，将补偿标准权重的设置偏向水量补偿，为京津冀地区以及北方水资源匮乏河流生态补偿提供了考核标准选择，并为上下游管理决策部门沟通、协商和达成共识提供了依据。

针对京津冀地区再生水循环利用措施是河流水源补充的重要来源特点，而当前再生水水价采用政府最高指导水价，缺乏分用户、分质再生水水价，不利于再生水利用的问题，集成形成京津冀区域水价改革方案。该方案通过水价改革有效促进区域水资源的节约、保护和循环利用，对改善和保护水生态与环境具有重要意义，特别是对于缺水地区流域环境保护具有重要现实意义。

4.3 水环境集成技术

水环境集成技术由基于水质目标的流域污染物排放管控相关技术组成，包括水生态功能四级分区管理及目标制定技术、高分辨率源清单构建与水环境容量总量分配技术、基于水质的流域排放标准制定与排污许可管理技术和工业聚集区水环境风险管控技术（图 4）。

图 4 水环境集成技术组成Fig.4 Components of water environment integration technology

水生态功能四级分区管理及目标制定技术：在识别水生态功能分区和水环境功能区差异化的基础上，开展了京津冀地区水生态环境质量调查和生态分区与功能定位研究，并叠加“十二五”海河流域水生态功能四级分区方案，划分出基于水生态功能和水生态服务功能的、可实现差异化管理的京津冀地区水生态功能四级分区；同时通过耦合京津冀地区“三线一单”管控目标要求，制定了涵盖水质管控、水生态管理、空间管控和生物物种、群落指数、生境的管理目标。

高分辨率源清单构建与水环境容量总量分配技术：通过水环境调查数据和污染源数据以及源解析方法，衔接第二次全国污染源普查，建立以断面为约束、控制单元为载体的高时空分辨率水环境污染源清单，为实现京津冀地区水环境精细化管理提供支撑；同时，构建了总量分配体系，为水质规划与管理提供支撑。该技术有利于削减京津冀地区污染负荷和优化污染源空间分布，为实施有效的水环境管理方案提供科学依据。

基于水质的流域排放标准制定与排污许可管理技术：针对流域水质目标管理与排污标准和排污许可管理相关脱节的问题，以污染物排放与水质的响应关系为依据，解析固定污染源对水质的影响和贡献，依据容量总量分配结果，确定控制单元“多源”排放限值，实现固定污染源减排精准支持流域水质目标改善。《京津冀协同发展生态环境保护规划》中提出了三地协同管理政策，该技术可为京津冀水环境一体化管理提供技术支撑。

京津冀滨海工业带位于河流下游，是河流入海前最后流经区域，该区域一旦发生水污染事故，将导致受纳水体水质迅速恶化，破坏水生态环境，严重影响经济社会的正常活动和人民群众的生命安全。集成形成工业聚集区水环境风险管控技术，通过技术创新、集成研究与示范，最终形成“查—控—处”一体化水环境风险管控体系，有效提升京津冀地区水污染应急处置能力，为水环境管理、水资源安全等提供科技支撑。

4.4 水生态集成技术

十九大报告强调“构建生态廊道和生物多样性保护网络，提升生态系统质量和稳定性”。依托河流生态廊道解决现阶段水生态环境保护修复问题是河流治理的新思路。河流生态廊道是河流生态服务功能的载体，是由山水林田湖草多种自然要素相互组成的复杂生命共同体，能提供多种生态服务功能，包括水源涵养、水土保持、生物多样性维持、河流自净功能等，这些生态服务功能是维持良好生态环境的根本所在[35]。水生态集成技术由河流廊道生态系统健康和服务功能评估及空间格局构建优化相关技术组成，包括河流廊道水生态系统健康评估技术、河流生态廊道服务功能评估技术、河流生态廊道空间格局构建技术和河流生态廊道生态空间优化与管控技术（图 5）。

图 5 水生态集成技术组成Fig.5 Components of water ecology integration technology

针对京津冀地区河流生态廊道的水生态系统健康评估诊断技术尚未成熟的问题，结合本土化指标研究成果，构建了适合京津冀地区河湖特点和以水生生物为核心的基于水生态系统完整性指数的河流廊道水生态系统健康评估技术。在京津冀地区社会经济高速发展导致河流生态系统健康状况日益恶化的严峻形势下，基于该技术开展河流廊道水生态系统健康诊断研究对于促进水生态系统建设及稳定发展具有重要意义。

河流生态廊道服务功能评估技术针对京津冀地区河流断流、干涸、水生生态系统退化现象，通过模拟河流生态廊道自然要素的垂直及水平循环流动，研发耦合陆地生态系统模型和流域水文模型的生态系统服务评估技术，对各生态服务功能之间的联动关系及其空间异质性进行解析，构建河流生态服务功能评估技术，定量评估河流廊道生态系统服务功能变化，为生态景观格局重构奠定基础。

针对河流廊道不畅、水环境质量下降、生态完整性降低、水安全风险等导致的京津冀地区生态支撑区和水源涵养区的生态退化问题，提出了针对不同流域尺度和生态需求的三级生态廊道构建方法，形成河流生态廊道空间格局构建技术。该技术可实现流域重要生态节点连通，加强生态廊道建设和提升重点保护生态廊道植被与水生态环境，增加流域生态系统的多样性、稳定性和完整性，适用于我国北方缺水地区不同地貌地势的生态廊道空间格局的构建。

针对京津冀协同发展区景观格局向破碎化、生态类型分布向分散化发展等问题，开展强化水源涵养功能的京津冀协同发展区生态空间格局优化及管控方案研究，形成河流生态廊道生态空间优化与管控技术。该技术依据坝上和坝下2个地区的地形地貌、气候土壤等自然条件，设定了不同的生态空间格局优化目标，在评估生态系统服务功能的基础上，在乡镇尺度提出了细化至树种、作物种类优化的生态格局优化方案，从生态优化的角度支撑流域减少负荷量、保障生态需水量及改善水环境。

5 京津冀流域“三水”统筹水质目标管理建议

应用京津冀地区流域水质目标管理集成技术，对京津冀地区永定河、北运河和白洋淀—大清河3个重点流域进行生态系统健康和生态服务功能评估；基于评估结果，采用河流廊道空间格局构建与生态空间优化技术，构建特征性河流生态廊道；通过基于水质目标的流域污染物排放管控技术和生态水量保障管理技术与政策，对重点流域“三水”统筹流域水质目标管理思路提出建议。集成技术支撑京津冀流域“三水”统筹水质目标管理的逻辑见图6。

图 6 集成技术体系应用逻辑Fig.6 Application logic diagram of integration technology system

5.1 永定河流域

永定河是北京的母亲河，是华北地区联结山地、平原、都市和海洋等自然和人文物质文化的重要的流动载体，同时也是贯穿京津冀生态功能区的天然走廊，是区域协同发展在生态领域率先突破的着力点[36-37]。针对永定河上游水源涵养与生态环境支撑保障能力弱、下游自然河道形态消失，水资源过渡开发利用、供/用水结构不尽合理，水质呈波动变化趋势、未能稳定达标，水生态系统严重退化、水生态环境碎片化问题突出的特征，构建生态严重退化型河流生态廊道。近期以水资源优化配置、水环境质量改善、生态空间管控为重点，中远期逐步推进水资源优化配置、水环境质量改善、水生态系统修复、生态空间优化与管控。以山水林田湖草系统治理思路为引领，优化上游地区生态空间格局，提升水源涵养功能；同时，加强平原区生态节点建设，重构下游河道物理形态，建设河岸生态缓冲带和河流生境，支撑水生态系统健康状况改善。以流域尺度水资源优化配置和节水为重点，恢复生态廊道的水资源供给功能、物质和能量输运功能。以农业面源污染控制为主，辅以流域污染物排放控制，改善河流水质状况，逐步恢复廊道的生态完整性。通过上述措施组合，在近期实现“有河有水，水清岸绿”，初步具备绿色河流生态廊道的特征，在中远期实现“有水有鱼，人水和谐”的局面。

5.2 北运河流域

北运河是京杭大运河的重要组成部分，连接北京和天津2个超大型城市，贯穿北京城市副中心，社会经济属性突出。北运河流域环境容量极为有限，污染物的过量排放是造成流域水环境质量得不到根本改善的最直接原因；另外，北运河采用城市污水处理厂尾水或再生水厂出水进行补水，河道缺乏清洁水源补给[38]。针对河道全线受闸坝控制，河道严重人工化、渠道化，河流栖息地环境特征与自然河流存在明显差异，河道生态系统结构和功能发生明显变化，水生态退化严重的特征，构建再生水补给型河流生态廊道。按照河流“三水”统筹系统管理的思路，采取以生态流量保障为核心的再生水补给型河流水资源和水环境管理模式，具体表现为“污水处理厂超高标准再生水补给—河流生态流量与河湖湿地生态用水保障—城市面源污染控制”。立足城市化半城市化河流特征，以城镇生活污水资源化利用为突破口，进行多闸坝、多水源补给的水资源优化配置，构建基于分质水资源利用的流域水量水质调度技术，恢复生态廊道物质和能量输运功能及水质净化功能；以河湖生态补水为主要途径，充分发挥再生水减污增容作用，营造适宜生境条件，逐步恢复廊道的生态完整性；同时，控制流域城市面源和农业面源污染物排放，进一步提升水环境质量，保障河流生态完整性。近期确保清水入河，中远期实现流域水生态系统改善。

5.3 白洋淀—大清河流域

白洋淀是大清河南支水系湖泊，华北唯一的大型平原湖泊湿地，是雄安新区蓝绿空间的重要组成部分。大清河流域水资源禀赋差，主要入淀河流几近干涸，造成白洋淀生态需水严重短缺；入淀河流污染严重，导致白洋淀存量污染大；入淀河流水生态系统退化严重，生态廊道基本功能丧失[39-40]。针对白洋淀—大清河流域生态需水缺口大、水环境容量不足、水生态敏感等关键问题，从水环境质量改善和水生态安全保障的总体需求出发，构建生态脆弱型河湖水系廊道。以山水林田湖草的系统治理思路为引领，以生态空间格局构建为基础，形成水陆兼顾的河流“三水”统筹系统管理模式，具体表现为“生态空间格局构建—水资源优化配置与生态用水保障—水质提升”。综合考虑保障生态用水，确保水路畅通，保障淀区水环境质量，构建多水源耦合、多目标协同的入淀河流水量配置及水资源保障机制，恢复生态廊道的水资源供给功能、物质和能量输运功能，营造适宜生境条件。同时，以流域污染物排放控制为重点，逐步恢复廊道的生态完整性。

6 结论

（1）根据水专项 41 个课题中提炼出的 90 项关键技术，从“三水”统筹角度，以支撑京津冀地区流域水质目标管理为目标，从空间格局构建与管控、基于水质目标的流域污染物排放管控、生态水量保障管理技术与政策三大方面进行凝练，形成 12 项集成技术，构建京津冀地区“三水”统筹的流域水质目标管理技术体系框架。基于集成技术体系提炼重点流域水质目标管理的思路，并提出工作建议。

（2）集成的水质目标管理技术针对京津冀地区3个重点流域“三水”差异性特征，对以永定路流域为代表的生态严重退化型河流生态廊道、以北运河为代表的再生水补给型河流生态廊道和以白洋淀—大清河流域为代表的生态脆弱型河湖水系廊道的“三水”统筹水质目标管理思路提出建议。

（3）技术集成已逐渐成为当代技术发展的普遍现象和重要创新方法，对于管理战略决策具有重要的技术支撑价值。但是限于目前技术集成方法学对于专业知识领域专家的依赖程度较高，集成技术有效的验证手段较为缺乏，导致技术集成的过程和结果都存在较大的主观性。关于如何更广泛地应用技术集成结果仍然处于探索之中。