【专家视角】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
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，北京 100038）
摘要
按照新时期治水思路，系统介绍了城乡河湖水环境治理的特点，并提出了流域视角下全覆盖、全过程、全要素，以及问题可定位定时识别、措施可落地有效、效果可定量预测的城乡河湖水环境治理三全三可策略。总结了三全三可策略在实施中的应用逻辑路线。最后介绍了北京海淀区的典型案例策略实践应用。三全三可策略体系可为城乡河湖水环境治理方案编制及顶层设计等相关工作提供借鉴。
关键词：流域；城乡河湖；水环境治理；三全三可策略
目前世界各地的河湖生态系统普遍出现了水污染河湖生态功能退化等问题，对经济社会的可持续发展造成了严重影响[1]。推进水生态系统保护与修复，维持河湖健康美丽城市，建设美丽乡村、实施乡村振兴是新时期赋予水利部门的重要职责与重大任务[2]。河湖作为城乡中的重要绿色基础设施，承担着防洪排涝、景观休闲、文化提升等多种功能。同时，作为水生态系统的一种类型，城乡河湖生态系统的健康直接影响着其供给、支持、调节、文化等生态系统服务功能的正常发挥。河湖水系处于流域最低处，为水沙、各种污染物质的统一承载体，河湖水环境状况是流域内自然状况变化和社会经济活动叠加影响的最直接反映。所以，开展城乡河湖水环境治理工作，需在流域视角下考虑系统治理策略。
本文按照新时期治水思路，从流域视角出发[3]，遵循流域水文水动力过程、水环境过程与水生态过程基本规律，连接源头控制、过程阻控和末端治理三个关键环节，统筹流域山水林田湖草生态要素，考虑城乡河湖水系自然—社会高度耦合特点，探索形成全覆盖、全过程、全要素，以及问题可定位定时识别、措施可落地有效、效果可定量预测的城乡河湖水环境治理三全三可策略，并在典型案例进行了实践应用。
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是否达标上[4]，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空间尺度大且多、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、平和枯水期周期交替变化，直接影响着河湖内水环境容量高低，相同的污染负荷排入河湖水系，在不同水期的同一断面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，水质断面—陆域影响区的响应关系建立需长期观测，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，地方管理部分对城乡水环境治理的复杂性和长期性认识不足，往往存在制定过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，在具体实施过程中忽视了流域水文和污染物迁移规律，导致事倍功半[5,6]。
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，解决这个问题的第一步是在技术层面构建一个相对科学合理的治理方案。本文提出了流域视角下城乡河湖水环境治理的三全三可策略，用于指导城乡河湖水环境治理方案的制订。具体来说，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，将全部陆域面积进行网格划分，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和入河。在水资源配置、水量分配等环节根据水质类别进行分质供用水，合理分配生产、生活、生态用水，最大限度减少入河污染负荷，强化“节水就是治污，就是减少污染负荷排放”的意识，形成以水量平衡和污染负荷排放最低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，从污染源源头控制、污染负荷过程阻控到水系内末端治理的全环节。在污染源源头控制方面，通过点源、面源、内源、移动源等不同类型污染源控制，减少污染负荷产生量。对于入河排污口直排、不达标污水处理厂站排放、管网漏排溢流排放等点源类型尤其需重点关注。对于农林田地、城市初雨径流、密集的农村生活污水、畜禽养殖废水等面源主要类型需通过产业调整、土地利用方式优化、分散式处理等方式减小源头排放。因多年水产养殖或污染物累积排放所造成的河湖底泥等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，或生态清淤，或原位处理，或加强监测，并形成清淤—处理—资源化利用的全链条模式。对于船舶航运、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，需基于生态水文学和生态水工学原理[7]，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、自然型湿地等工作，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，从而影响流域污染负荷的产生量和入河量。山体坡度、植被覆盖度等特征直接影响其水源涵养能力，也是非点源污染输移的重要影响因素；水则是是维持生态系统良性运行的核心要素，是流域内污染负荷输移的重要载体；林不仅能涵养水源、调节河川径流、保护土地资源，还能降低林间径流的流速，促进颗粒状污染物沉积，从而对泥沙及污染物进行阻截与削减；农田既是非点源污染的重要来源[8]，也是可进行土壤渗滤、沟渠阻控等污染负荷削减的重要空间；湖泊是调蓄洪水的主要空间，对于水量及水体自净能力均有较大影响[9]；而城乡建设区，人为改变了自然流域的下垫面状况，增加了流域不透水面积，从而影响了降雨径流的产流过程，并且城乡建设区的污染物来源和处理过程更加复杂，直接影响了河湖内的水量及水质变化过程。
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来引起某个控制断面某项指标超标的关键陆域控制单位或片区，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[10]，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方面因素对于河湖水环境质量存在的长期或短期影响。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社会经济条件，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。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，其逻辑路线图如图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，三全三可策略指导具体方案制定的始末。
（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，使治理措施可以落地有效的到各个控制单元上。
（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，形成治理区可落地有效的措施清单，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削减效果，判断控制断面水质是否达到规划水质目标管理要求。
图1 三全三可策略逻辑路线图
三实践案例
在深刻理解三全三可策略基础上，解析流域主要污染源和水质超标原因的基础上，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，构建解决河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。
下面以北京市《海淀区水系生态治理工作方案（2016-2020）—“水清岸绿”行动》[11]编制进行举例说明。
1.项目背景及治理区概况
（1）项目背景
本项目围绕海淀区发展的战略定位，在现有基础设施规划及其他涉水规划的基础上，编制了《海淀区水系生态治理工作方案（2016-2020）—“水清岸绿”行动》。项目聚焦海淀区水系在水量、水质、水生态方面存在的主要问题，以现有方案目标评估和措施优化为导向，综合运用水质监测、统计分析、空间分析、数学模型等研究手段，以“现有方案—既定目标”关系为切入点，紧扣三全三可策略，针对治理方案中存在的具体问题，提出科学、合理、可行的优化措施，构建解决海淀区水问题的技术体系。
（2）治理区概况
海淀区位于北京市城区西部与西北部，面积约为430.77km2，属温带湿润季风气候区，年降水量为568.19mm。海淀区现有纳入水务管理的河道沟渠共93条段，长318.52km。方案编制前，海淀区水污染和水体富营养化问题突出，水环境质量总体较差。北部地区南沙河流域部分支流水体黑臭现象严重，是水环境问题最严重和最突出的地区。
“十三五”期间海淀区将进入强化核心功能、全面深化改革、推动转型升级、破解深层次矛盾、深度融合发展的重要时期，水环境以及生态等问题直接关乎到区域的发展和生态价值的提升[12]。
2.规划目标及总体布局
（1）规划范围
规划范围为海淀区全区，结合陆域水域全覆盖思路划分72个控制单元（图2），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。
图2 海淀区控制单元示意图
（2）规划目标
到2018年底，全区实现河道水体主要指标达到或接近地表水Ⅲ类，水清岸绿；到2020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，常年水质指标保持地表水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（图3），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。
图3 海淀区水环境综合治理方案总体布局
3.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（图4），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。
图4 海淀区水环境综合治理方案措施体系
4.效果评价
针对治理措施体系，以措施可落地有效为基本要求通过模型模拟定量评价各治理措施的污染负荷削减效果。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，即假设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，针对3.1.3提出的措施体系设计的水质达标保障方案。
（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可有效的削减面源污染负荷，但污染负荷无法削减至V类标准，方案2采用之后可进一步将污染物削减至V类标准以下，但COD、TN、TP在降雨期间仍有部分天数超出V类标准（如图5，以COD为例），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。
图5 海淀区南沙河流域总出水口降雨-径流COD指标变化情况
（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，以及南水北调补水的形式，将方案2水质达标保障方案分成以下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。
表1各类方案断面达标率结果
方案名称
COD
NH3-N
TP
TN
III类水达标率（TN除外）
方案1
79%
97%
80%
0
63%
工况1
83%
98%
98%
0
83%
工况2
85%
98%
98%
1%
85%
工况3
86%
99%
98%
1%
86%
注：III类水达标率指除TN外，其余各项指标在当天同时达标时的达标率
根据流域水环境系统模型结果表明，方案2可以有效进一步削减由降雨—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。
四小结
本文以流域为视角，按照新时期治水思路，提出了城乡河湖水环境治理的三全三可策略，即全覆盖、全过程、全要素和问题可定位定时识别、措施可落地有效、效果可定量预测，并以北京市海淀区水系生态治理工作方案为例简要介绍了三全三可策略的应用实例。目前三全三可策略已成功应用于北京市海淀区、湖北省松滋市、四川省成都市、河南省濮阳市等多个地区的城乡河湖水环境治理方案的编制中。
推进城乡河湖水环境治理首先要尊重自然、敬畏自然，同时应当识别流域水生态系统的基本规律，道法自然。三全三可策略本身是一个不断完善的过程，任何技术措施都有其自身特点与适用范围，应当具体分析流域的地域性特点，并以此量身定做最适宜的修复方案。在城乡河湖水环境治理过程中，需要多学科的交叉，多行业的协同，以及多部门的合作，统筹水利、生态环境、城市住建以及农业农村等部门力量形成合力，共同建设生态河湖[13]。拥有健康、美丽、安全的河湖水系，河湖生态系统服务功能才能够有序发挥，人类社会的可持续性才能得到保障。
参考文献
在青春之书里，我们同在一行字之间。被窝是青春的坟墓。关于少年时代，冷暖自知，最朴素的生活，与最遥远的梦想。这一切将在被回忆肆意篡改
[1]彭文启. 河湖健康评估指标、标准与方法研究[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2018, 16(05): 76-86+98.
[2]彭文启. 新时期水生态系统保护与修复的新思路[J]. 中国水利, 2019(17): 25-30.
[3]杨志峰. 流域生态学及其应用[J]. Engineering, 2018, 4(05): 9-12.
[4]赵玉红,等. 我国城市河湖水生态环境评价体系构建与实证分析[J].南水北调与水利科技, 2013, 11(06): 58-61.
[5]左其亭. 基于人水和谐调控的水环境综合治理体系研究[J]. 人民珠江, 2015, 36(03): 1-4.
[6]胡洪营, 等. 城市水环境治理面临的课题与长效治理模式[J]. 环境工程, 2019, 37(10): 6-15.
[7]董哲仁. 生态水利工程学[M]. 北京: 水利水电出版社, 2019.
[8]董哲仁. 河流生态修复[M]. 北京: 水利水电出版社, 2013.
[9]饶恩明, 等. 中国湖泊水量调节能力及其动态变化[J]. 生态学报, 2014, 34(21): 6225-6231.
[10]邬建国. 景观生态学：格局、过程尺度与等级[M]. 北京 高等教育出版社, 2007.
[11]彭文启,赵进勇,等.海淀区水系生态治理工作方案（2016-2020）—“水清岸绿”行动[R]. 北京:中国水利水电科学研究院.2019.
[12]北京市海淀区人民政府. 海淀区“十三五”规划研究编制工作方案.[EB/OL].http://www.bjhd.gov.cn/hdy/cyzc/hdqzc/201810/t20181027_3912674.htm, 2015-02-26.
[13]付意成, 陈绍金, 等. 长江大保护背景下两湖地区农村生态水系建设实践经验分析[J]. 中国水利, 2020(11): 23-26.
文章已收录到《中国水利》2020年第23期
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