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从国家治理层面,有必要对当前盛行的“生态补水”做法,进行审慎的科学评估,如果真的像模型分析的结果那样,加大湖库换水频次不利于湖库的生态环境修复,就应当尽快制止。湖泊是一个静水生态系统,过高的换水频率,可能会改变湖泊的基本属性。

从模型分析的结果来看,n小于0.1,即每年湖库更新不超过10%的水,从环境表现上来看是可以接收的;新疆天池、喀纳斯湖、马湖、扎陵湖、博斯腾湖、鄂陵湖、白洋淀、兴凯湖、泸沽湖、长白山天池、抚仙湖等知名湖泊,换水周期都超过10年,水质明显要好于其他湖泊。当n大于3,湖库的生态修复工作没有任何意义;洞庭湖、鄱阳湖、高邮湖、淀山湖、洪泽湖、南漪湖、石臼湖、骆马湖等,换水周期只有几天到几十天,其水质状况完全取决于补给水。另外还有一些湖泊,如镜泊湖、巢湖、太湖、滇池、洱海等,换水周期介入二者之间,其水生态建设何去何从,是减水还是补水,有待慎重抉择。

从这个数据来看,我国工业废水和城市生活污水处理厂排放的总磷合计仅0.205万吨,占比仅0.7%,说明在污染治理方面,能收集到的含磷污废水处理已经达到极限,再进一步深度挖潜,对全国水环境总体而言,意义不大。

从以上分析,不难得出一个结论:农村地区已逐渐成为我国水污染防治攻坚战的主战场,农村地区的水污染物是不可收集并处理的,不可控的巨量产生情况将长期存在;只有解决好农村地区水污染物排放问题,我国的水环境才能发生根本性的质变。

我认为应当根据必要性和生态修复的难易程度,对湖泊水库进行分类。将社会关注度高的历史名湖,环境受众多的城市内湖、景观湖,具有饮用水水源涵养的重要湖库,直接向大江大河排放尾水的湖库等,列为生态修复必要性最强的湖库;那些只承担渔业和农业功能的湖库,列为生态修复必要性弱的湖库。生态修复的难易程度主要根据换水周期来确定,换水频次过快,n值较大的湖库为难以生态修复;换水周期长,超过10年的湖库,确定为容易修复。

从模型分析来看,湖库的自净能力实在是太重要了。湖库的换水周期n,实际上反映的是湖泊上游来水的多少,它对湖泊的净化能力是纯物理过程,比较单一;而且净化效果是有下限的,下限就是补给河流的浓度;同时,它的可塑性不大,湖库的换水周期跟周围的水文环境息息相关,没有水利工程的改变它是不会有大变化的。与n相对应的是,湖库的自净能力包含物理、化学和生化过程,取值范围从0到1,可塑性极强,而且理论上处理效果是无下限的,可以将污染物降解到0。如果说换水周期反映的是湖泊的“家底够不够厚实”,那么自净系数代表的是湖泊“长得够不够强壮”,反映的是湖泊生态系统的生命力。对于湖泊污染物浓度而言,n能带来量变,但k能产生质变。纵观我国水质最为优秀的几个湖泊,如青海湖、西藏纳木错、云南抚仙湖等,都有一个共同的特点:除了补给水非常优良外,湖泊的水草系统非常发育,也就是说湖泊的生态系统非常旺盛,自净能力非常强壮。

以湖北省为例,全省总磷年排放量约2.5万吨,与其他省份一样,基本来自农村地区。2.5万吨总磷,如果按0.1mg/L稀释(这个数值可以让湖库直接恶化到劣Ⅴ类),需要2500亿立方米的水。而湖北省全省地表水资源量约为1800亿立方米,其中大中型水库(含三峡库区和丹江口水库)蓄水总量约为480亿立方米,13个典型湖泊蓄水总量约为24亿立方米。从数据上来看,来自农村地区的污染,即便是水资源相对较丰富的湖北省来说,也是难以承受之重。

总体来说,农村地区污染特点就是量大面广浓度低,相对于城市和工矿企业而言,农村地区污染是分散源、面源。就其中的生活源(主要指农村居民生活污水和零散畜禽养殖废水)来说,理论上是可以参照城镇生活污水一样,进行收集并处理,但实际上是极难做到的,不仅工程投资巨大,而且规模小而众多,维持正常运行更是极为困难。再看农业源,研究资料显示,我国农田灌溉水有效利用系数普遍略高于50%,这意味着有近一半的农田灌溉水还是要回到河流或湖库,化肥的流失情况也可想而知。

一个生命系统较为强健的湖库,是有非常强的污染耐受能力的,每年接纳10%的污水,哪怕是黑臭水体,甚至是未经处理的生活污水,都不会显著影响湖水的水质,生态系统强健的湖库具有很好的减污能力。从这一点来说,湿地,尤其是湖泊、水库,有“地球之肾”的称号是当之无愧的。恢复和构建湖库的生态系统,既是我们生态环境工作的目的,也是我们削减污染物可以依赖的渠道。

不要以为Ⅴ类湖库与Ⅲ类河流在污染物(总磷)浓度值上差不多,就认为它们的环境表现也差不多。事实上,它们的环境表现就跟它们的水质类别的差别一样大,Ⅲ类水体会给人一种清爽、愉悦的感觉,而V类水体则在透明度、藻腥味、颜色等理化特征上,会给人明显不适的感觉。例如,湖北省的清江干流水质非常优秀,总体为Ⅱ类水质,由于水利水电工程的开发,清江干流的局部河汊水流变缓,形成类湖库型的水文特征,早些年就曾发生过“水华”事件,大量呈棉絮状的硅藻短时间内爆发式生长,场面非常壮观。

当前水环境保护工作中,绝大部分注意力都放在C河上,即尽可能地降低补给水的污染物浓度。事实上,结合模型分析,对于湖泊和水库而言,n和k更为重要。

在模型公式中,k总是与换水周期n出现在相同的位置。与n相比,k总体上要小很多,这是不是意味着相对于n,k就没那么重要呢?

而农业源和生活源合计排放量达到34.3万吨,占比超过99%。其中生活源6.6万吨指的就是未被收集处理的生活污水,考虑到当前我国全部城市和部分乡镇都已建成生活污水处理厂,因此这6.6万吨生活源基本上就是指农村居民生活污水。从这个意义上讲,我国今后水环境总体状况,完全取决于来自农村地区的污染,包括农业生产尾水和农村居民生活污水。

通常情况下,同样的总磷浓度,湖库的水质类别会比河流劣约2个档。这就是为什么当前我国的河流大部分是Ⅱ、Ⅲ类的不错形势下,湖泊、水库多数在Ⅳ类及以下的主要原因。一个很有代表性的例子是湖南省的洞庭湖,该湖主要的补给水是长江干流(Ⅱ类),入湖后按照湖库标准评价为Ⅳ类,环境表现为中度富营养化。

从模型分析情况来看,加大湖库的补给水量,对湖库水质改善是有害的。这一点,与很多人的直觉,以及当前在工作实践中惯用做法,是完全矛盾的。一些地方为了改善湖库水质,加大所谓的“生态补水”力度,虽然能起到一定的“立竿见影”效果,但从长远来看,无异于“饮鸩止渴”。有些地方,甚至在河道补种水草,试图用这种方法降解河流中的污染物,实际上效果是不佳的。

模型显示,通过生态修复和水利控制,将湖库的年换水比例控制在不超过10%,自净能力提升到0.7以上,对于生态环境、科学技术和经济成本来说,是一个较为理想的平衡点。

一方面,我国湖泊、水库的水质标准要比河流严苛很多(主要指湖泊、水库总磷的标准限值,比同类级别的河流严格2到4倍),另一方面,在当前的水环境工作实践中,还存在对湖库生态系统和环境保护特点,在认识上还不够统一,这不仅影响了我国水环境保护工作的决策,还导致一些地方湖泊治理工作事倍功半。

个人认为是商业性渔业。渔业即便不是湖库生态破坏的首要罪魁祸首,也应该是极其重要的因素。纵观国内一些生态环境问题突出的湖泊,大多数生态环境问题突变是发生在湖泊水库开始实施商业化的水产养殖(很不幸的是,同期也是我国城镇化和工业化开始腾飞的时候,无形中为水产养殖背锅)。武汉市的东湖,据老一辈的人回忆,五六十年代,东湖的水草非常茂盛,行船只能走专门开辟的航道。但从七十年开始,东湖就被定位为一个“浅水养殖湖泊”,开始打造“鱼库”,每年投放了大量的以鲢鳙鱼为主的四大家鱼鱼苗。数据显示,1971年东湖年产鱼180吨,到1995年,年产鱼达到1840吨。渔业是发展了(实际上也没多数收益,整个东湖的渔业产值也就是几千万元的水平),但自此后湖区水草逐渐绝迹,东湖变成一个没有生命力的城市内湖,湖水污染问题不断加剧。

。假设这个湖库总磷初始浓度C0=0.2mg/L,Ⅴ类标准的上限。当K=0.5时(这很容易,一般水草茂盛的湖库都可以达到这样净化能力),1年后湖库总磷浓度通过自净会降到0.1mg/L,达到Ⅳ类标准;2年后降到0.05mg/L,达到Ⅲ类标准;3年后降到0.025mg/L,达到Ⅱ类标准;4年零4个月后,湖库总磷浓度将降到0.01mg/L以下,达到Ⅰ类标准。如果K=0.7,湖库水质改善速度将会更快:7个月后达到Ⅳ类标准,13个月后达到Ⅲ类标准,18个月后达到Ⅱ类标准,30个月后达到Ⅰ类标准。K要是能培育到0.9,湖库水质改善将会神速:不到4个月就提升到Ⅳ类标准,7个月就达到Ⅲ类标准,不到1年就提升到Ⅱ类标准,15个月后达到Ⅰ类标准。

这个推论是基于我国当前污染治理水平和污染物排放情况得出的,是生态环境工作发生历史性转变后形成的新形势,与过去我国以工业污染和城市污水污染为主的局面是完全不同的。因此,就水环境常规污染物而言,污染防治攻坚战的主战场应该从城市转为农村,从工业转为农业。只有承认并顺应这种形势的变化,我国水环境工作才能发生质变。

仿效城镇生活污水处理和工业点源的治理模式,通过工程的方式削减污染物,这是一种直线思维模式,很显然是劳而无功的,也是没有必要的。我们必须要转换思维方式,农村地区的水污染物,主要是含碳、氮、磷的常规污染物,对于水环境来说,它们是“讨厌”的污染物,但对于农作物来说,它们是“受欢迎”的肥料。另辟蹊径,如果能将农村地区的污水控制在农产区,尽可能地循环利用,这可能才是我国水环境发生质变的根本出路。这个蹊径的核心就是“湖泊和水库”。

尽管我们在农业面源控制方面做了很多艰苦的努力,比如测土配方、农药化肥减量化、高标准农田建设、科学滴灌技术推广等等,但很显然,农业源是不可收集并处理的。考虑到我国的国情,人口众多粮食压力大,必须承认,农村地区的污染物总量,将在很长一段时间都会维持在目前的水平。

河流对湖库的水量补给,本质上只是个物理稀释过程,并不会减少污染物。考虑到河流和湖库总磷标准上的差异,那些以“生态补水”的名义加大湖库的换水频次,并不能显著改善湖库的水质类别,甚至对改善湖库生态环境保护是“南辕北辙”。湖库的水污染问题治又治不了,换水也不行,是不是对湖库的保护问题绝望了?

立博官网质地优良的湖泊、水库承载着国人对美好生活的向往,是美丽中国不可或缺的重要拼图。近些年来,我国不断加大环境保护力度,生态环境的各个要素都有非常显著的改善,但与大江、大河的水质相比,全国湖泊、水库水质类别现状要低很多。

“n”变小,容易形成“静水”水文特征,给藻类的滋生创造条件,因此,很多地方在治理湖库生态环境问题时,自然而然想到的第一个办法就是给湖泊“换水”,将“n”做大。通过模型,我们假设用Ⅲ类河流给劣Ⅴ类湖库“换水”,看看这样做会有多大效果。由于Ⅲ类河流和劣Ⅴ类湖库总磷污染物浓度是差不多,因此这样做其实对改善湖库水质类别帮助不大,对于其他污染因子,如化学需氧量等,还是有些许作用。湖南省常德市安乡县为了修复珊珀湖,投资超过6亿元实施环湖截污、底泥清淤,并大量引澧水入湖,确保珊珀湖水每月一次大循环(即n大于12),整治工作不可谓不彻底。但效果呢?也只是将珊珀湖从劣Ⅴ类“改善”到Ⅳ类。武汉市实施“江湖联通”工程,加大了城市内湖的换水频次,城市内湖水质有了一定程度改观,湖水腥臭味明显降低,“水华”暴发程度也明显减弱,但水质也只能维持在Ⅳ、Ⅴ类水准。

渔业对湖库生态环境的破坏,至今我们还只是停留在投肥养殖污染湖水这一显性的污染上,实际较高密度的水产养殖对水草的啃食破坏是非常明显的,再加上拖网捕捞,对湖库水草系统简直是毁灭性的打击。湖北黄石市的网湖、湖南常德市的珊珀湖等,开展商业性的水产养殖后,水草近乎消失。

当前,一提到湖库的生态环境问题,舆论的第一反应就是是污染造成的,久而久之就形成了污染导致湖库生态破坏的惯性思维,水环境保护工作也是在这个惯性思维指导下开展的。诚然,湖库的污染物浓度上升与水草生态系统的受损,在绝大多数情况下是存在数据相关性,但并不能就可以简单地认为是环境污染导致湖库的生态破坏,我们总不能说是树叶黄了导致秋天到了吧?湖库的环境污染与生态破坏,谁是因谁是果的问题必须要理清楚,因为这是我们的很多工作的基础,个人更倾向认为是生态破坏导致湖库的环境污染。因为生态破坏意味着湖库的自净能力减弱,k值减小,导致污染物在湖库中只能富集而不能降解。反而,很少有科学证据证明,污染物在一定浓度范围内增加,会导致湖库的水草生长受阻。

仍以总磷初始浓度C0=0.2mg/L的Ⅴ类湖库为例,补给水源为C河=0.2mg/L的Ⅲ类河流,假设K=0.7,当n=0.1时,7个月后,水质改善到Ⅳ类标准;4年后稳定在0.016mg/L,为Ⅱ类水质。n=0.3时,8个月后总磷浓度降到0.1mg/L以下,之后稳定在0.04mg/L,水质改善到Ⅲ类。n=0.5时,9个月后总磷浓度降到0.1mg/L以下,之后稳定在0.06mg/L,水质Ⅳ类。n=1时,14个月后总磷浓度降到0.1mg/L以下,之后稳定在0.091mg/L,水质Ⅳ类。n=3时,总磷浓度稳定在0.14mg/L,水质Ⅴ类,污染物浓度有所降低,但水质类别没有改善。

我国当前水质较差的江河湖泊中,绝大部分是总磷超标。据《全国生态环境统计年报》(2022年),全国总磷排放量为34.6万吨。其中,工业源(含非重点)废水中总磷排放量为0.2万吨,集中式污染治理设施废水(含渗滤液)排放为0.005万吨,农业源27.7万吨,生活源6.6万吨。

就水环境常规污染物而言,污染防治攻坚战的主战场应该从城市转为农村,从工业转为农业,只有解决好农村地区水污染物排放问题,我国的水环境才能发生根本性的质变。

对于必要性强、易修复的湖库,只要方法得当,是很容易获得生态环境效益和社会效益。在方法上,应当首先是控渔,其次是补草,最后才是控污。控渔非常关键,它决定了生态修复的成败。控渔不仅要禁捕禁捞,而且要禁养禁放,同时还要对密度过大的鱼群进行疏密。在补草方面,个人认为应当优先考虑沉水型草种,与漂浮植物相比,沉水植物可以沿湖深竖向生长,是立体的,生物质体量更具优势,意味着污染物吸收能力更强;漂浮植物和挺水植物不仅污染物吸收能力相对要弱一些,而且遮盖湖面,不利于湖水充氧和日光对沉水植物的照射,容易导致湖库沼泽化,同时还影响人们对湖光水色的欣赏。

经模拟计算,绝对纯净的湖库经过0.7个换水周期(对于一年换一次水的湖库来说,就是约8个半月),污染物浓度就会上升到入湖河流的一半;3个换水周期后就非常接近入湖河流的浓度。这意味着,即便补给水源是水质不错的Ⅲ类河流(总磷≤0.2mg/L),流入湖库后就变为Ⅴ类水体;哪怕补给水是极其优良的Ⅱ类水质,情况也好不了太多,湖库最大可能呈Ⅳ类水体,其功能最好的表现也只是“人体非直接接触”的娱乐用水。

结合水环境零维模型,有必要认识一下湖泊和水库生态环境的特点。湖库水环境零维模型揭示一个库容为V的湖库,其污染物浓度C是如何随补给水变化而变化的。该模型假设该湖库的补给水源为流量为Q的河流,河水污染物浓度为C河;湖泊的自净系数为K(直观的理解就是湖泊一年内能将污染物减少多少百分比,是一个0~1之间的常数,通常可以指征水生态系统的好坏。模型中用的自净系数k与K还存在一个数学换算的关系,k=-ln(1-K)),湖库的污染物初始浓度为C0,那么:

对于必要性弱的湖库,应当以科学管理入湖出湖为主,尽可能地蓄积只含常规污染物的城市生活污水和农村地区污水,尽可能地循环用于农业灌溉和水产养殖。这项措施对我国当期条件下进一步大幅削减污染物排放、全面有效改善水环境,至关重要。我国西部大江大河的水质非常优良,并不是因为西部的污染治理水平有多高,也不完全是因为西部开发强度低,主要是因为西部水资源缺乏,当地都会把城市污水处理厂的尾水和农牧区的污水,蓄积到水库,梯度、循环、有序地供给下游农牧区,既节约了资源,又大幅减少了向大江大河的污染物排放,实现社会经济与环境效益双赢。

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