项目背景
中国渤海是黄海的大型浅水港湾,而黄海与太平洋相连。这些水体之间存在共同的物理联系和生物联系,因此,它们之间的连接非常重要。渤海也是世界上生态压力最大的水体之一,渤海的退化有两大主要原因:淡水流入量持续减少;周边流域(辽河流域、海河流域、黄河流域)污染负荷不断增加。
为了解决渤海环境质量退化问题,2015 年,在在财政部和世界银行的支持下,生态环境部和水利部合作开发实施了《全球环境基金水资源与水环境综合管理主流化项目》。并选择河北省石家庄市和承德市(分别位于海河流域滹沱河子流域和滦河子流域)开展试点示范活动。项目采用基于遥感 / 耗水(RS/ET)和基于环境容量(EC)的创新性的方法,并辅以政策和环境容量(EC)评价工具,开展水资源与水环境综合管理(IWEM)试点示范创新研究,其成果将推广到与渤海相连的海河、辽河和黄河流域,同时可以为世界上其它国家或国际界河的类似问题提供宝贵的经验教训。
项目目标
在项目区域内提高水分生产率,减少污染排放,并将创新性的水资源与水环境管理综合方法推广到流入渤海的海河、辽河、黄河三大流域。
关键技术与创新方法
1 形成IWEMP的整体思路
构建节水优先、系统治理的治水新理念,形成IWEMP的整体思路。
2 引入基于ET管控的“3E”目标管理技术
基于ET管控的“3E”目标管理是以 ET 耗水管理为核心的水资源、水环境、水生态综合管理新理念和方法,通过改变耗水(ET),增加对水环境容量(EC)与生态服务功能(ES)的促进作用,实现流域节水、水质达标和生态系统健康等目标要求,为开展“三水统筹”工作提供先进的科技方法和工具手段。
“3E”目标管理的整体思路是构建基于蒸散发量ET的闭合评价体系,借助遥感ET模拟技术,开展流域耗水量、不可控ET和可控ET模拟,通过优化管控可控ET确定ET的目标值,研究目标ET确定后对补给河道水量、减少污染排放的作用。在水质目标要求下,基于目标ET的影响,确定目标允许排放量EC,进一步分析目标ET和EC对于提升流域生态服务功能ES的效果,最终基于目标EC和ES的提升效果,反而验证目标ET的合理性,从而推断可行的“3E”目标值。
3 “3E”方法概述
蒸发蒸腾(耗水)量,也 称 蒸 散 发 量 (Evapotranspiration, 简 写 为ET),是蒸发 (Evaporation) 和蒸腾 (Transpiration) 量的总称。它由植被截流蒸发量、植被蒸腾量,土壤蒸发量和水面蒸发量构成,涉及水循环过程、能量循环过程和物质循环过程,并伴随着物理反应、化学反应和生物反应。一方面蒸发蒸腾(ET)通过改变不同含水子系统内水量的组成直接影响产汇流过程,进而影响陆地表面降水的重新分配。另一方面,蒸发蒸腾(ET)通过影响进入陆地表面的太阳净辐射的分配比率 ( 主要体现在土壤热通量、返回大气的显热通量和因蒸发进入到大气的潜热通量之间分配关系 ) 来影响区域的生态地理环境状况和水分条件。
由此可见,蒸发蒸腾耗水(ET)作为区域水量平衡和能量平衡的主要成分,不仅在水循环和能量循环过程中具有极其重要的作用,而且也是生态过程与水文过程的重要纽带。
对于资源型缺水地区,蒸发蒸腾(ET)是水资源最主要的消耗量(“ET 耗水量”)。要实现水资源可持续利用,应通过减少无效或低效耗水,提高单位水的产出效益,使区域 ET 控制在满足水资源可持续利用和保持生态环境良性变化的范围内。在流域与区域水资源管理中以 ET 管理为中心,关键是根据流域降水、经济发展与生态环境要求等因素确定流域允许消耗的目标 ET 值,并将其分配到流域内的不同省(自治区、直辖市)、县(市、区)行政管理区域,通过行政、技术、经济和法律等手段,使流域内各不同区域的 ET 值调整到与可利用的水资源量相适应,并取得最优的经济、社会和环境效益。
遥感监测以像元为基础,能够监测作物蒸散发量在空间上的差别。应用遥感技术测量耗水(ET),即应用遥感技术监测生态、环境、农业和城市区域中实际的耗水量。遥感监测 ET 技术具有传统 ET 观测方法无法比拟的优势,即空间上的连续性与时间上的可延续性,这使得遥感监测 ET 技术既可以实现宏观范围 ( 流域尺度 ) 观测,又可以获取微观 ( 点数据 )ET 数据,为以 ET 管理为中心的水资源管理提供了有效监测手段。基于该技术获得的数据,应在流域层面结合实地调查获得的工业用水和生活用水的耗用数据,进行更可靠的水平衡分析。根据分析所得到的结果,在分配能够确保流域内实现绿色可持续增长所必需的生态流量以及消除地下水超采的水资源的前提下,可得出不同用水行业各项经济发展活动的 ET 目标值(或允许的或最大的水耗用量,简称 TVAP)。
基于 ET 耗水管理下的 EC 目标值,不仅与污染物排放总量相关,更与农业灌溉、工业和生活用水等各项经济活动的 ET 耗水目标值密切相关。假定一个流域内的平均可用水量不变,ET 目标值越高,则 EC 目标值越低,这是因为 ET 目标值越高,该流域内河流的环境流量越低或者地下水净开采量越多。ET 决定多少水通过消耗而进入生态系统大循环,因此可知道剩下了多少水,这将有助于权衡决定需要为环境保留多少剩余的水,以及各项经济活动可以(最多)消耗多少水。可见,ET 目标值和 EC 的目标值相互关联,需要在流域层面通过其相互作用计算得出。
将水体生态流量、水生生物生存条件和生态空间发展需求合并定为目标 ES。一方面保障区域内水体生态流量,另一方面满足当地的生态发展和生物生存条件的要求。流域内的相关主管部门(地方政府及其授权的生态环境和水资源部门及其他利益相关者)通过建立合作机制,研究确定流域 ET 和 EC 的最大可持续水平,并推进这些目标实现。水生态规划研究技术路线如图所示。
4 基于“3E”的流域水资源水环境综合管理主流化规划新方法
基于“3E”的流域综合管理规划方法,是指在对流域内生态系统不造成负面影响的情形下,开展以供流域区域各种经济活动可消耗的水量(而不是可供使用的水量)为约束指标的水资源与水环境综合管理活动。
规划的内容包括:如何确保以可持续的方式,使流域实际耗用水量不超过可供消耗的水量;如何确保实际水污染排放量不超过河流 /湖泊的环境容量;应采取哪些行动来实现流域内社会和经济发展与生态保护之间更加平衡的状态。主要模式如右:
5 创新水资源与水环境综合管理部门合作机制
海河流域水资源与水环境综合管理是一系列“自上而下”和“自下而上”的双向活动。“自上而下”的活动包括建立法律、政策、规章制度、标准以及水分配计划;“自下而上”的活动包括在项目县(市、区)一级( 含乡镇、村级以及个体用水者 ) 进行的水资源与水环境综合管理活动的规划和实施,包括水权、打井许可管理、污染排放控制、产业结构调整、“真实节水”措施、废污水处理及中水回用等。建立“自上而下”和“自下而上”的合作机制,是 GEF 海河项目和 GEF 主流化项目成功实施的关键。
实现流域综合管理目标的关键是最大程度进行横向和纵向的结合。横向结合主要是跨部门间的合作,包含水利部和生态环境部之间的横向合作,以及与农业、建设等其他部门之间的协调与合作,以及这些机构相对应的各省、市、县机构之间的合作。项目的成功之处还在于行政层面的纵向合作,体现了国家级、海河流域级、滦河子流域和滹沱河子流域级、承德市和石家庄市级生态环境及水利部门之间的持续沟通与互动。同时,该项目最大程度地进行横向和纵向的结合,建立了横向和纵向的项目协调机制,签订了水资源与水环境综合管理规划(IWEMP)编制与实施合作协议,从体制与机制上为实现流域和区域水资源与水环境综合管理提供了制度保障。
主要成果
1 基于“3E”编制滦河流域和滹沱河流域规划,助力流域水生态环境质量综合改善
基于“3E”方法应用遥感监测 ET 技术,耦合计算模型得出滦河子流域研究区现状和目标 ET、EC 和ES 值,针对性开展情景模拟,并制定相应的行动方案,促进子流域环境质量改善。
GEF 主流化项目作为种子基金与国内海河流域试点示范项目区“十三五”环保和水利部门配套工程项目共同发挥积极作用,产生了良好的环境效益,社会效益和经济效益,助力海河子流域水质改善,渤海综合治理攻坚战取得阶段性成效。一是试点区域河流断面水质得到改善。2017-2020 年间,承德市试点示范项目区河流断面水质达标率从 89.5% 提升到 100%,其中,2020 年Ⅰ~Ⅲ类断面比例为 100%,无Ⅳ~劣Ⅴ类断面。作为试点子流域,近年来,随着滹沱河生态修复工程完工,河北省石家庄市藁城区境内 32 公里滹沱河已全面进行了综合治理,建成水面 600 万平方米,生态绿化 6 万亩。使滹沱河成为一条贯穿藁城水绿相间、生态休闲、亲水乐水、风景靓丽的生态廊道。二是入渤海水体污染物排放总量显著消减。其中 COD削减 13892 吨、NH3-N 削减 1483.9 吨、TN 削减 861吨、TP 削减 98.5 吨。三是农业水分生产率显著提高。滹沱河流域的两个农村试点示范地区藁城区和晋州市农业水分生产率单位用水的粮食产量从 1.10kg/m3 提升到 2.03kg/m3,而河北省石津灌区的水分生产率从1.10kg/m3 提升到 2.31kg/m3;四是地下水超采明显降低。藁城和晋州地下水年开采量减少 16900.29 万m3/ 年。五是地下水位提升。石家庄市藁城区 14 个自动浅层水位监测井 10 个点位不同季节地下水位上升,其中,4 个点位全年稳定上升;6 个自动深层水位监测井中 4 个点位不同季节地下水位上升,其中 2 个全年稳定上升;晋州市 10 个自动浅层水位监测井中 9个点位不同季节地下水位上升,其中 3 个点位全年稳定上升;9 个自动深层水位监测井不同季节地下水位上升。
2 建立联席会议制度,密切承德市环保、水利部门合作
为解决滦河子流域规划编制中的水质、水量数据共享等问题,通过共同努力,生态环境部和水利部 GEF 主流化项目办与承德市生态环境局、水利局签署了四方合作框架协议,为滦河子流域规划编制,水环境管理平台建设等工作提供机制保障,积极地促进了部门间合作,今后还将在“十四五”流域水环境保护中继续发挥沟通协调作用。承德市生态环境局制作了滦河子流域水污染防治专题宣传片,介绍 GEF 主流化项目在滦河子流域水环境保护中的作用,向国内外讲好中国水环境保护故事。
3 建设流域综合管理平台,加强项目成果宣传推广
水利部 GEF 项目办开发的遥感 ET 技术和灌区耗水管理监测的管理平台系统,生态环境部 GEF 项目办开发的流域和区域环境容量(EC)监测管理平台系统和全国通用的环境容量(EC)管理工具已在河北省石津灌区、内蒙古自治区河套引黄灌区、海河流域和承德市滦河子流域进行试点,并建立了适用于全国大中型灌区灌溉用水、耗水、排水以及农业作物产量等科学管理的系统工具。
目前,项目办已编制辽河、海河、黄河流域推广计划,并选定地市(廊坊、邢台、衡水、唐山、鞍山、盘锦、抚顺)试点示范区开展示范推广活动。通过平台运维,在流域层面和实地监测指标之间建立了定量联系(例如,目标 ET 值与目标污染排放量),实现了流域内各地方政府间水量与水质的统一管理,取水许可和排污许可综合管理,水资源、水环境监测信息资源共享,促进了流域水资源与水环境的综合管理和科学决策。