◆刘晓星

牡丹江是松花江第二大支流，河流水生态系统具有较好的代表性和重要性，水质一旦恶化，治理成本和难度将成倍增加。国家水专项“牡丹江水质综合保障技术及工程示范研究”课题在对牡丹江流域自然地理概况、流域内河流的水量、水质、水生态特征分析的基础上，明确了河流生态系统的退化程度，分析了河流生态系统的退化成因，并对河流健康状况及水环境安全状况进行了评价，提出牡丹江水质安全保障的总体方案，找到了牡丹江水质安全保障的治理途径。

以实现国控柴河大桥断面达到Ⅲ类水质为目标，经过5年的科技攻关取得重大突破与进展，课题研发了梯级电站生态环境影响补偿方案（干流型）、寒冷地区受污染城市内河的水质改善和生态修复工程技术模式（支流型）及农业面源综合治理的工程技术模式（支流型）3种技术策略，建成北安河生态恢复关键技术示范区和牡丹江流域面源综合整治关键技术示范区两个工程示范区，形成了1种基于水质改善的产业结构和经济社会发展模式管理模式，搭建1个牡丹江水环境质量保障预警决策支持平台保障平台，最终构建了寒冷地区水质改善和区域可持续发展模式。

牡丹江水质综合保障技术及工程示范研究课题研究成果为地方社会经济发展宏观决策提供了技术支撑，具有较大的推广应用价值，可应用于松花江流域中其他支流和国内其他类似河流的水质安全保障，有力地推动河流水质保障技术的科技进步。

关注一

基于水质改善的产业结构和经济社会发展模式

“十一五”期间，国家大力投入松花江流域水污染防治工作，松花江流域总体水质得到明显改善。2013年《中国环境状况公报》显示，松花江干流水质良好，主要支流为轻度污染，Ⅰ~Ⅲ类、Ⅳ~Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面比例分别为58.8%、32.4%和8.8%，Ⅰ~Ⅲ类支流的水质安全是保障松花江干流水质安全的关键。

牡丹江全长726 公里，流域总面积为3.7万平方公里，流域面积占松花江的7%，总径流量约占松花江流域10%，是松花江第二大支流，河流水生态系统具有较好的代表性和重要性。

数据显示，“十一五”末期，牡丹江国控柴河大桥断面水质从Ⅴ类改善到Ⅳ类，为松花江支流水质保障和2010年松花江流域化学需氧量削减10%提供了有力的技术支撑。但2012年水质监测结果表明，牡丹江多数支流水质普遍超标，加之“十二五”期间牡丹江市规划建设多项重点工业项目，牡丹江水质安全仍然受到威胁，同时牡丹江水资源保障性差、环保基础设施薄弱。因此，“十二五”期间，国家水专项在推广应用“十一五”研究成果的基础上，结合《松花江流域“十二五”水污染防治规划》需求，开展牡丹江水质综合保障技术及工程示范研究，研究成果对于整个松花江流域的水质安全保障具有特别重要的意义。

“十一五”和“十二五”期间，“牡丹江水质综合保障技术及工程示范研究”课题组先后开展了“牡丹江水质保障关键技术及工程示范”和“牡丹江水质综合保障技术及工程示范研究”两个课题的研究工作，形成了寒冷地区水质改善和区域可持续发展模式。

针对牡丹江干、支流存在的水环境问题，从整个流域经济社会发展角度入手，寻找经济社会发展最佳模式，提出了基于水质改善的产业结构调整方案和支流水质保障方案，形成了基于水质改善的产业结构和经济社会发展模式。

利用多目标线性规划的方法构建了牡丹江产业结构调整优化模型，根据牡丹江经济发展速度对牡丹江经济、用水和排污情况进行了预测，利用建立的模型对牡丹江2020年和2025年近中期进行了模型模拟，分别给出3种可能方案并对方案可行性进行了对比分析，对牡丹江工业结构调整给出了初步建议。

从行业发展分析看，要保持造纸行业在工业总产值中的比重不变，但是企业必须加强新技术、新工艺的研发应用、推行清洁生产和节水技术，加强污染治理，防止污染超标排放；形成牡丹江林木林纸的规模化发展；要保持石油加工业快速增长，形成一批新的带动行业发展的骨干企业和新的经济增长点；必须控制化工行业发展规模；煤炭和电力行业作为国民经济发展的基础行业，要保持其稳定地发展，加强节能减排，尤其是电力行业作为耗水大的行业，应降低其耗水系数，减少用水总量。其他行业可作为牡丹江经济发展的配套行业，适当加快其发展速度，保证其在总产值中达到一定比例，由此形成比较完善的牡丹江流域工业体系。

关注二

研发了梯级电站生态环境影响补偿方案（干流型）、寒冷地区受污染城市内河的水质改善和生态修复工程技术模式（支流型）及农业面源综合治理的工程技术模式支流型3种技术策略

针对电站日调度产生的高频、快速、大幅调峰水流导致的干流生态水文型河流退化问题，从调峰水流动力特征及生态环境影响调查分析入手，进行相关研究模型的开发，揭示调峰水流的生态环境影响作用机制，提出有针对性的控制措施，形成梯级电站生态环境影响补偿方案。

干流、支流水流的运动均遵循浅水方程，它们在交汇点处满足质量平衡和黎曼不变量相等的条件，基于此，提出汊点水位预测——校正法，建立了干支流耦合的水动力——水质模型，利用该模型模拟了石岩电站下游日调度引起的流量-水位变化。利用模拟结果分析了不同断面生境的变化。结果表明，调峰水流导致生境空间格局发生较大的变动，当水深下降到一定程度时，河道生境呈现空间上的破碎化；在时间维度上，河道水文情势和水力要素在周期内频繁而急促的变化，导致每个生境类型的持续时间较短，不同生境类型之间切换迅速，造成生境的片段化和不连续，致使部分动物搁浅，导致水生生物种类减少以及生物量下降。调峰水流对水生生物的影响机制可划分为3种途径：高流速时的底质冲刷、低水位时的生境裸露、水位快速下降过程中的生物搁浅。基于此，提出了缓解生

态影响的技术方案，包括调度管理类措施、工程补偿类措施、河道整治类措施，以及它们的综合运用。通过实施生态调度，减缓梯级电站的生态或水环境效应，保障生境和水生态安全。

针对寒冷地区受污染城市内河河道植被多样性差、河流底栖种类单一、河滨带功能薄弱、低C/N比城市污水脱氮除磷效率低的问题，研发北方生态恢复集成技术并开展相关工程示范，形成寒冷地区受污染城市内河的水质改善和生态修复工程技术模式。

基于北方寒冷地区河流、气候、植被及水环境特点，筛选了适合北方寒冷地区气候特点的、以土著性群落为主体的挺水植物和沉水植物，研发了具有抗水力冲击和植物根系保护作用的生态滤床，以生态滤床和优选植物结合构建河道生态缓冲带，使河流恢复因人类活动的干扰而丧失或退化的自然功能和自净能力。探索了利用北方寒温带植物的城市内河近自然恢复方式，优选既耐寒又具有较强面源污染物降解能力的挺水、沉水植物组合以及具有拦截面源污染物作用的岸边本地乔、灌木等构建河滨带，河滨带植物对降雨所携带N、P有一定截留效果，对防止河流富营养化具有显著意义。结合北方河流特征探寻底栖生态系统恢复模式，通过增加食物链起始环节生产者数量带动食物链中消费者的恢复，底栖动物种类有一定增加后再延长食物链，以维持整个生态系统的稳定。通过城市污水处理厂深度处理工艺的改进和研发，可提高污水处理厂脱氮除磷效率，保证污水厂出水达标排放。

工程示范段净生物量由60 g/m2提高到919.8 g/m2，Shannon-Wiener多样性指数由0.66提高到1.52；北安河口断面主要污染物浓度大幅下降。北方生态恢复集成技术是寒冷地区受污染城市内河水质改善和生态修复工程技术模式的核心，它将河流底栖动物恢复、河流底质改善、河道植被多样性建设以及污染源治理等集成一个有机系统（见图1），具有显著的地域性特点。该技术模式的综合应用可以为北方寒冷地区河流水质达到规划目标要求提供重要的技术支撑。

针对农业面源型的重污染支流，生活垃圾到处堆弃、生活污水随意排放、畜禽粪便污染突出、化肥农药过量施用等环境问题。建立面源污染综合防控体系并开展相关工程示范，形成农业面源综合治理技术模式。

基于寒冷地区小城镇污水排放现状和特点，研发了兼具活性污泥法和生物膜法优点的“接触氧化+人工湿地”工艺，抗冲击负荷能力强，负荷高，占地面积省，运行费用低、操作要求低。出水可达一级A标准，处理后的废水可以用于灌溉，阳光板的隔离保温使潜流人工湿地在冬季可以维持8℃水温，保证冬季正常运行。为解决常规畜禽发酵工艺冬季无法稳定运行的问题，研发了畜禽废弃物处置技术。采用两段式厌氧消化工艺，使产酸菌和产甲烷菌各自在最佳环境条件下生长，达到提高容积负荷率，CSTR冬季稳定运行的目的。利用畜禽废弃物处置过程中产生的含有腐殖质的沼渣替代化肥，既可以起到缓释肥作用，又可以增加土壤中微生物量，直接或者间接有利于植物生长。针对雨水携带大量泥沙以及肥料中的氮磷进入水体的问题，研发了雨水高效截污技术。采用三层颗粒级配砾石床过滤去除减化学需氧量和悬浮物，利用湿地植物去除氮磷等污染物。

工程示范区建设化肥减量及绿色化肥替代示范区1000亩，向农田施用沼渣2~3 t/亩，不同种类作物每亩可减少50~80公斤化肥用量；对沿岸两公里雨水进行了收集处置，经过两年运行可以有效减少雨水带来的悬浮物和氮磷物质进入水体，阻止了农田面源污染；小城镇污水处理及畜禽废弃物处置示范工程削减化学需氧量148.19 t/a。农业面源污染综合防控体系是农业面源综合治理工程技术模式的核心，它将农田、污水、雨水、禽畜粪便结合在一起形成源头减量、过程截留、后续修复三位一体面源污染综合防控体系（见图2），突破已有技术的应用局限，更便于推广和应用。

关注三

牡丹江水环境质量保障预警决策支持平台

河流经过治理后的水质保障决定于管理，通过强化牡丹江区域河流的监管能力和平台建设，提供一种管理保障。针对牡丹江流域监控预警体系薄弱的问题，课题搭建牡丹江水环境质量保障预警决策支持平台，目前功能已基本实现。

课题在分析现有水质监测站网布设的基础上，根据国家和行业相关规范规程要求，结合流域水环境特点，优化牡丹江流域水环境监控网络体系。以水环境监测资料为基础，采用单因子或多因子综合评价方法对水环境质量的总体现状进行评价，采用Shannon-Wiener指数（H）、Margalef指数（D）和Pielou均匀度指数（E），对牡丹江流域浮游植物多样性进行分析，开展基于DPSIR模型的牡丹江市水环境安全评价，构建了适合牡丹江流域的水环境质量评估指标体系和预警模型，对模拟水体底部糙率、水平扩散系数、紊动粘滞系数、紊动扩散系数、冰封期与非冰封期化学需氧量及氨氮综合衰减速率等参数进行了率定，确定了适用于牡丹江水体的水动力水质模型参数体系。集成GIS和水动力、水质数值模型，搭建牡丹江水环境质量保障预警决策支持平台。平台功能包括水质数据采集、水质评价分析（断面水质评价功能、流域水质评价功能、断面水质趋势分析功能、流域水质趋势分析功能、水质数据统计分析）、水质预测预警、污染溯源分析、应急水污染模拟、数据展示与查询（数据展示、数据查询与统计展示、智能报表、三维展示）等。

经过“十一五”和“十二五”期间的研究，牡丹江水质越来越好，课题从整个河流生态退化和水环境改善问题的诊断和认识到形成治理方案策略。截至目前，基于水质改善的牡丹江流域经济发展模式研究成果，被《牡丹江市“十二五”环境保护规划》、《松花江流域牡丹江市优先控制单元水污染防治“十二五”综合治污方案》、《黑龙江省松花江流域水污染防治规划》（2011~2015年）吸纳，为牡丹江流域环境保护、经济发展提供了决策技术依据。

北方生态恢复技术及工程示范经过连续3年的运行，已经初见成效。北安河的生态多样性大幅度提高，水质明显改善。相关研究成果为牡丹江市“一河三溪”治理和环境综合整治提供了技术支持，示范工程与依托工程相结合，全面提升了牡丹江市区北安河沿线居民生活质量和幸福指数，获得河道治理、环境改善、生态宜居和城市品位提升“四位一体”的同步效益。

污水处理厂深度处理技术得到了牡丹江城市污水厂的肯定，该集成技术为要求深度减排的污水厂工艺改进提供了一种行之有效的解决办法，势必会得到广泛应用。

在牡丹江典型支流建立的面源污染防控体系中，生活污水经组合工艺处理后用于农田灌溉，年回用水量为14.6万立方米，在一定程度上提高了水资源利用率；沼气工程中沼渣、沼液的利用，节省了大量化肥和农药、改善了土壤条件，使农业生产逐步向生态化方向转变，农场2016年利用沼渣肥、沼液肥种植1万亩有机蔬菜和6000亩有机水稻，沼气站每天可生产600立方米高质量的清洁甲烷气，24 小时供应当地居民，极大方便了人民生活。

梯级电站生态环境影响补偿方案阐明了干流生境破碎的原因，方案的实施使干流生物多样性得到了恢复。有关电站日调度的相关研究手段已经纳入基金委的重大研究计划“西南河流源区径流变化和适应性利用”，可望促进相关河流的生态环境保护。

牡丹江水质保障预警决策支持平台已经部署在牡丹江市环境信息中心，运行效果良好，可直接为牡丹江水污染防治与水质管理提供决策支持服务。

课题研究成果为牡丹江流域的治理和改善提供了一个污染控制可实施的路径，牡丹江是具有典型代表意义的松花江支流。同时，牡丹江是黑龙江城市发展的缩影。牡丹江流域水质保障的相关研究成果将来可推广复制到其他流域。