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建立流域水质目标管理技术体系,引领我国流域生态文明建

阅读次数: 发布日期:2017-11-18 13:32:18

内容提要:

流域水质目标管理是实现我国总量控制、质量控制和风险防范三位一体的管理模式,是“十八大”提出的生态文明制度建设的主要支撑手段。水专项监控预警主题下属的“流域水生态功能分区与质量目标管理技术”项目,针对我国当前流域水环境管理制度建设滞后、水污染控制目标管理“一刀切”、水生态系统保护不足,缺乏“分区、分类、分级、分期”管理支撑技术等问题,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,构建了我国流域水质目标管理技术体系,在辽河、太湖等重点流域进行应用示范。项目突破了37项关键技术,形成了20项技术规范建议稿,完成了我国10个重点流域的水生态功能一级二级分区方案,提出了3大类12种特征污染物的水环境质量基准建议值,完成了辽河、太湖等流域的30%控制单元容量总量控制(TMDL)方案,有效支撑了重点流域的污染减排及水环境质量改善,大幅提升了我国流域水环境管理制度创新的科学技术水平。

一、背景

自上世纪八十年代起,流域水质目标管理陆续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》和《安全饮用水法》为基石,不断融入水生态分区、水质标准、TMDL、排污许可证等管理要素,有力地帮助受损水体逐步恢复。欧盟水环境管理先后经历了水环境质量标准管理与排放标准管理阶段,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。日本于1970年确立了环境优先的原则,实行了世界上最严格的排放标准,建立了基于水生态系统保护的污染物容量总量控制制度。美国、欧盟与日本在水环境管理方面的共同点是实现了从污染物控制向流域水生态管理的战略转型,实现水质目标是其根本。

我国现行的水环境管理体系仍然以污染物排放控制为核心,与国际上以水生态系统为核心的水环境管理相比,我国的水环境管理存在差距,难以满足我国水环境管理到2050年实现水生态系统健康的长期目标需求。其中,水功能区划和水环境功能区划主要是从水体使用功能保护角度出发,对水生态区域差异及其功能保护考虑不足;现行水环境标准主要参考发达国家的水质基准值来确定,缺乏本土基准值支持,不能反映我国水生态系统保护的要求,可能导致环境“欠保护”或“过保护”的风险;近十几年来实施的总量控制主要以目标总量为主,未充分考虑水环境容量和水生态承载力,导致污染物削减与水质改善相脱节。国家提出的主体功能区战略缺乏对具体区域、流域生境、生态系统及其服务功能的认识,难以具体操作和落实。为了转变我国的水环境管理思路,创新管理模式,建立我国水环境管理技术体系,亟需对水质目标管理的核心技术进行突破和创新,彻底解决如何确定水体生态功能及水质目标,实施容量总量控制制度等技术难题。为此,水专项“十一五”期间设置了“流域水生态功能分区与质量目标管理技术”项目,通过关键技术突破和流域应用示范,初步构建了我国的流域水质目标管理技术体系。

二、取得的主要成果及推广应用情况

(一)突破流域水生态功能分区和水生态健康评估关键技术,奠定了国家开展重点流域水生态保护和修复的基础

我国现行的水功能区划目的是界定水体使用功能,水环境功能区划主要关注水体使用功能的环境保护目标要求,都较少考虑水生态系统背景、生境类型以及生态服务功能的区域差异,难以满足水生态功能保护要求,如何构建多尺度的水生态功能分类体系成为流域水生态保护的基础问题。根据国际经验和我国管理制度特点,水生态功能分区是依据水生态系统完整性保护要求、水生生境类型以及服务功能区域特征,在不同尺度上划定具有特定水生态功能特征的区域或者水体单元,是识别揭示各地区水生态系统结构特征、水生生境类型特征和水生态功能的主要依据,是开展水体健康评价和确定水生态红线的基础。项目在借鉴国内外各类分区研究成果的基础上,依据水生态系统区域差异理论,在河流分类和生态服务功能评价的基础上,构建了我国流域水生态功能分区理论框架和技术方法。根据水生态类型尺度和功能区域差异,按照“生态区-生态亚区-河流分类-河段功能分类”的思路,将流域划分为四级水生态功能区。其中,一级和二级分区主要反映了水生态系统的区域差异,根据气候、地势、地貌、植被、土壤及水生生物群落分区分布格局特征等进行划分;三级和四级分区主要反映了水体功能类型的空间差异,根据生境类型以及功能类型差异进行划分。该项工作奠定了全国现代水环境管理制度设计的基础,大幅提升了流域水环境管理水平,适应我国生态文明建设的基本要求。

“十一五”期间,项目开展了辽河、太湖、松花江等10个重点流域水生态系统调查,采集水生生物数据10余万个,构建了重点流域水生生物信息数据库。在此基础上对我国辽河、太湖、松花江等10个重点流域的水生态系统健康状况进行了科学评估。评估结果表明,海河和黑河流域水生态健康状况已退化至“极差”和“差”的水平,而松花江、辽河、淮河、东江、太湖、巢湖和滇池等流域健康状况也仅为“一般”水平,只有洱海流域能达到“好”的健康等级,说明我国水生态系统退化严重,水生态健康状况堪忧,突出表现在本地特有物种数量显著减少。

项目提出了“自上而下”和“自下而上”相结合的水生态功能分区及其定量划分方法,突破了流域水生态系统健康评价、流域水生态功能一级二级分区指标筛选、水生态功能分区校验等水生态功能一级二级分区关键技术10项,完成了辽河、太湖、松花江、海河、淮河等10个重点流域的水生态功能一级二级分区方案,总结了各分区的主要特征、功能定位及功能特征,形成《流域水生态功能分区技术导则(建议稿)》、《河流水生态调查技术规范(建议稿)》和《河流健康评价技术规范(建议稿)》,为环保部制定《江河生态安全调查与评估技术指南》奠定了基础,为重点流域水生态系统修复工作的开展提供了支撑。

(二)突破流域水环境基准制定关键技术,构建了我国流域水环境质量基准技术体系

水环境质量基准通常是指水环境中某物质对人或其他生物不产生有害影响的安全浓度,主要由水质生态学基准与水质人体健康基准两大类构成,是水质标准制定的科学基础。我国现行的水质标准虽研究发展了约30年,但都参照国外发达国家的水质基准或相关标准制定,水质标准指标体系尚不完全。水质基准研究非常薄弱,没有基于人体健康和区域性水生生物安全制定基准,对我国水环境保护的制度和标准建设明显欠缺科技支撑。因此,项目在“十一五”阶段针对我国流域水质基准开展系统性研究,致力于构建具有我国特色的流域水环境质量基准方法技术框架体系,研究提出一批适应我国流域水环境特征的水质基准阈值,为我国转变水环境管理模式、保护流域水生态系统健康和修订水质标准制提供了强有力的技术支持。

在水生生物基准推导过程中,为充分考虑生物多样性和数据代表性,美国明确要求应涵盖至少3门8科的生物分类单元。本项目突破了本土物种筛选技术,提出了我国的“3门6科”最少生物毒性数据要求,初步筛选和培育了10种基准模式生物,为我国生态毒理受试物种筛选和基准推导奠定了基础。

项目借鉴国际水质基准制定的理论方法,研究提出了适合我国水质基准的水效应比(WER)技术和生物效应比(BER)技术,为有效借鉴国外水质基准以及制定区域特异性基准标准提供了技术支撑;根据水生生物完整性评估,提出了流域水生态学基准制定技术方法,填补了我国在生态学基准领域的研究空缺;提出了基于相平衡和生物效应的沉积物基准制定技术,优化和修正了国外沉积物基准计算参数和模型,使之更加适合我国流域沉积物基准值的推导。研究突破了我国水质基准制定关键技术6项,提出了技术导则6项。

我国缺乏本土水环境基准阈值,现行水环境标准值主要参考发达国家水环境基准制定,由于水生生物具有明显的生态地域性,借鉴其他国家的水环境基准来确定我国的水环境质量标准导致科学性不足。针对典型流域水环境特征污染物,结合实验研究与实地验证,研究提出了我国典型流域水环境中镉、铬、氨氮、硝基苯、毒死蜱等3大类12种特征污染物的水环境质量基准建议值(见表1),对我国相关污染物水质标准的修订提出了有益建议,编制出版了《中国水环境质量基准绿皮书》,为《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)的修订提供科学依据。

表1 3大类12种特征污染物水环境质量基准建议值

水质基准

类别

污染物名称

水质基准阈值

急性基准(μg/L)

慢性基准(μg/L)

水生生物

基准

5.25

0.53

六价铬

13.72

2.47

氨氮

2800

250

硝基苯

39

26

毒死蜱

0.036

0.034

水生态学

基准

基准指标

太湖流域(μg/L)

辽河流域(μg/L)

叶绿素a

4.6(夏季)

/(12,辽河口)

氨氮

240

750(/,辽河口)

总磷

87

91(70,辽河口)

总氮

1385

2530(2500,辽河口)

沉积物基准

特征污染物

TEL(mg/kg dw)

PEL(mg/kg dw)

3.0

19.0

45.5

181.1

47.3

204.1

74.9

403.6

 

(三)创新流域容量总量控制关键技术,支撑辽河、太湖及赣江流域的水环境管理转型和污染减排

流域水生态承载力是在流域水环境承载力、流域水资源承载力基础上发展而来的流域综合管理概念,水环境承载力或水资源承载力主要考虑了水量和水质因子,但对生态因子的考虑较少。项目阐明了流域水生态承载力内涵,在传统的水资源承载力、水环境承载力等强调水量、水质约束的基础上,整合了反映水生生物需求的约束,更好地体现了水量、水质、水生态的“量、质、序”的递进约束;基于“驱动力-压力-状态响应”(DPRS)概念模型,建立了流域水生态承载力评估指标体系与评估方法,构建了流域水生态承载力分区耦合系统动力学模型,提出了流域水生态承载力主要变量预测与关键指标阈值确定方法,实现了不同控制单元的水生态承载力优化调控,创新了我国流域水生态承载力的计算方法。结合辽宁省国民经济“十二五”发展规划、沈阳经济圈建设以及新城区建设规划等,提出了基于水生态承载力的辽河流域产业结构优化调整方案,为辽河流域的结构减排提供了支持。

水污染物容量总量控制是支撑基于水质标准的水环境管理实施,实现水质目标的重要手段。我国现行的污染物目标总量控制以行政区为单位采用“一刀切”的排放限制管理模式,未建立起污染排放与水质目标的对应关系,容量总量控制尚未成为管理手段,没有形成真正的水质目标管理机制。项目在考虑污染物空间差异基础上有效衔接污染排放与水质标准要求,提出了流域-控制区-控制单元的多级水污染物容量总量控制体系。以流域、控制区为单元开展水环境容量计算和分配,实现以水生态承载力优化流域产业合理布局,协调控制单元上下游冲突矛盾问题;以控制单元为基础落实流域水环境容量分配方案,建立污染源与水质目标的响应关系,确定污染源最大允许排放负荷。在流域-控制区容量总量计算和分配过程中,针对流域整体协调性要求,研究提出基于流域水质响应系数矩阵的多类多目标优化计算方法。完成了辽河、太湖、赣江流域的主控污染物COD和氨氮的水环境容量的计算。在控制单元-污染源总量分配过程中,突破了不同类型地区非点源污染负荷估算技术、控制单元水质目标核定技术、允许纳污量计算的设计水文条件选择技术等关键技术,形成了控制单元水质目标管理的成套技术。项目共提出水环境容量总量控制创新性技术14项,完成相关技术规范建议稿12项。

应用控制单元水质目标管理技术体系,将辽河流域划分为48个控制单元、太湖流域划分为119个控制单元、赣江流域划分为38个控制单元。分别选取辽河流域15个控制单元、太湖流域31个控制单元、赣江流域13个控制单元,完成了控制单元水环境模型构建、污染物允许排放量计算、污染负荷分配,制定了污染物削减优化方案,提出了各控制单元的水环境管理指导建议,形成了《水质目标管理指导手册》。项目研究成果在示范流域的“十二五”环境保护规划、主要污染物总量控制规划和生态文明建设规划编制中发挥了重要支撑作用。根据项目提出的污染削减方案,辽河流域“十二五”规划减排量为COD 18133.76吨/年、氨氮1400.72吨/年;太湖流域“十二五”规划减排量为COD 34047.58吨/年、氨氮3112.14吨/年;赣江流域“十二五”规划减排量为COD 16987吨/年、氨氮2553.1吨/年,有效支撑了示范流域“十二五”污染减排和水质改善。

三、建议

按照国家生态文明建设的总体布置,深化水环境管理体制改革与制度设计,是当前我国经济社会发展的必然选择和重要任务。遵循“山水林田湖”作为一个完整生命体,坚持生态系统健康、服务功能、自然资源资本稳定增长的指导思想,全面建立国家流域水质目标管理制度,全面实施以环境质量和生态系统健康为核心的水环境管理新模式。

(一)开展全国流域水生态功能分区方案制定。为推进实施流域水质目标管理、生态资产确权及生态红线的划定奠定基础。在全国水生态功能分区的基础上,完善流域水生态系统健康评价方法,实施全国水生态系统健康评估。建立和健全基于水生态功能分区的法律政策体系及其实施机制,积极推进水生态功能分区在环境管理中的应用。

(二)建立国家水环境基准发布制度。逐步构建在国家层面上发布基准、由地方参照国家基准建立地方环境标准的制度。建议尽快建立我国环境质量基准研制平台,从研究人员、经费保障、管理制度以及法律法规等方面,提供切实保障的长效运行机制。

(三)实施流域控制单元质量管理与许可证制度。实施基于水环境容量总量的排污许可证管理制度,尽快整合水资源管理与水环境保护的总量控制要求,建立流域统筹协调的容量总量控制方案。加强以水环境容量为生态红线的环境管理机制,发挥总量控制在产业结构调整中的倒逼作用。