他山之石 | 国外治水理念与技术的生态化历程探析
近年来，我国水问题形势严峻，生态空间侵占、生态环境用水挤占、水污染、地下水超采等问题突出，水生态环境保护治理和修复任务日益艰巨。从国家到地方水行政主管部门需要加快治水理念和技术转变，实现从重水资源开发和工程建设向重水生态环境保护治理的转型，但由于我国发展整体起步较晚，在水利发展思路转变和技术创新上，与应对当前复杂严峻的水问题的需求仍有较大差距。一些学者对国外防洪管理、水资源开发利用、节水、水生态系统保护与修复等方面典型理念、实践发展进行总结，较少从系统治水角度、治水理念到水生态治理具体措施的演变历程进行系统研究。本研究从防洪排涝减灾、水资源开发利用、农田灌溉、水生态保护与修复、制度建设、资源环境监测等主要治水领域出发，对国外发达国家治水理念转变和技术发展过程进行了系统梳理，总结提炼出可供进一步学习与思考的经验与启示，为中国与水相关行业治水理念和技术的生态化发展，提供了重要的借鉴。
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防洪排涝减灾
早期河道治理强调防洪和排涝，忽略了河道的生态功能，因而大量采用裁弯取直、固化河岸等手段，并使用混凝土、块石等硬质材料，影响了河流系统的自然形态、水生生境复杂度、生态水文过程的可持续性，带来河道淤积、自净能力减弱、生物多样性遭破坏等一系列问题。这些问题的出现促使西方国家不断反思传统河道治理技术，从而产生了“近自然河道治理”的理念。1938 年德国Seifert 首先提出“近自然河溪治理”概念，1950 年代德国创立“近自然河道治理工程学”，1965 年德国Ernst Bittmann 在莱茵河用芦苇和柳树进行生态护岸试验，1980 年代德国、瑞士提出了“河流再自然化”概念，将河流修复到接近自然的程度。
归纳起来，近自然河道治理是指基于对生态系统的深刻认识，为实现防洪减灾、生物多样性保护以及自然资源永续利用，以安全为原则、以生态为基础，留足河流空间，对河湖进行近自然生态整治，有效降低人类行为对环境的冲击，减少工程行为对自然生态的破坏，保留和恢复自然修复力。可表现为高坝低矮化、坡度缓坡化、材质自然化等，具体措施可包括修建鱼类洄游通道、拆除高大陡峭护岸、恢复湿地、河岸缓冲带等。
在近自然河道治理理念倡导下，德国、美国、日本、法国、瑞士、奥地利、荷兰等国家纷纷大规模拆除了以前在河床上铺设的硬质材料，代之可以生长灌草的土质边坡，逐步恢复河道及河岸自然状态。在保障安全的前提下，生态型护岸技术逐步成熟。河流整治中，在工程措施之外，防洪理念也不断发生转变，从“抵御洪水”“控制洪水”和“管理洪水”到“与洪水共存”“还河流以空间”不断变化，通过建设分洪道和降低河漫滩高程等措施予以实施。近年来又兴起了“洪水风险管理”“流域综合整治”等新江河治理模式，治理目标由过去以防洪为主逐渐转变为防洪减灾、水资源保障、改善环境及生态系统等多目标综合整治。
早期城市防洪除涝主要依靠建设大规模排水系统，如伦敦和巴黎的下水道系统已经有150多年历史，然而这种措施难以适应城镇化快速发展带来的挑战，为此西方国家在城市规划和建设过程中逐步形成了低影响开发(LID)、海绵城市等理念，经过不断探索形成了现今较完善的城市雨洪管理体系。
LID从美国最佳管理措施(BMP)发展而来，是指在城市开发建设过程中采用源头削减、中途转输、末端调蓄等多种手段，通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术，实现城市良性水文循环，提高对径流雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放能力，维持或恢复城市“海绵”功能。20世纪70年代首先在美国出现“雨水花园”设计理念，90年代在马里兰州乔治王子县形成真正意义的雨水花园，并推出第一部LID设计技术规范，现在美国已进入系统化、规范化LID应用阶段。类似的做法在其他国家不断出现，澳大利亚“水敏感城市设计(WSUD)”、英国“可持续排水系统(SUDS)”、新西兰“低影响城市设计和开发(LIUDD)”等均强调在城市建设中充分考虑雨水资源利用与城市防洪除涝相结合，运用生态方法改善雨水系统条件，在源头上避免雨水的汇聚，全面、持久地提升城市的防洪排涝效能。
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水资源开发利用与节约
随着水利工程技术、混凝土筑坝技术的发展，在水资源相对丰沛地区，西方国家早期一般采取“以需定供”的原则，通过修建大量工程来加强对水资源的控制和调蓄，以满足经济社会对水资源的需求。然而，这些措施在不断提高水资源保障能力的同时，带来了一系列生态问题: 河流的连通性受到阻隔，无限制的水资源开发导致一些河流断流萎缩。这些严重的问题促使人们进行反思，逐步提出了“水资源可利用量”和“环境流量”概念，进而以此为基础，大力加强需水管理。
早期出现的“水资源”概念过于宽泛，经过多年演进，国外水资源可利用量定义基本涵盖了经济与经济、生态环境需水量、工程措施、水权和回归水等要素，是指在保护生态环境且经济技术合理的前提下，在水资源总量中可供人类净消耗的那部分按水权配置的水资源量。随着各国对水资源、水能需求的日益增加，激发了河流水资源开发利用、生物多样性保护、维持生态系统完整性之间的矛盾。到1970年代末以水文学法为代表的环境流量研究与实践迅速兴起，至今在美国、澳大利亚、南非、欧洲等各国都有广泛的应用。环境流量也称生态流量等，目前尚无统一明确的定义，可指在用水矛盾突出且水量可以进行调度的河流、湖泊、沼泽等区域，为维持其正常生态系统及功能需要保留的水量。随着人们逐渐认识到环境流量的重要性，环境流量的概念从最小生态需水量扩展到具有消长节律的动态值，提出用河道内环境流量来控制水资源、水能开发利用量和过程，维持河湖、湿地等淡水生态系统健康。
随着一些国家意识到高用水量将无法实现水资源可持续利用，决定大力加强需水管理。需水管理旨在通过控制需水，避免水资源系统衰退，确保水资源持续利用，其核心是通过工程、技术、法律、经济等多种手段强化节水和水循环利用，遏制供水量增长。美国从1978年开始实施需水管理策略，迅速收到了效果，1980年美国供水量达到顶峰后，逐渐回落并基本稳定在5600亿立方米上下；加拿大、瑞典、荷兰、日本，先后实施了需水管理措施，逐步实现供水安全，先后进入需水量零增长的过程。
在控制需水增长的同时，很多国家把节水作为一项重要的战略性措施，农业、工业生产用水和城市生活用水等各个领域都推广了大批先进、适用的节水技术，取得了显著成效。工业节水通过改进节水工艺和设备，加强污水治理回用，提倡一水多用和少用，技术主要有提高间接冷却水循环、逆流洗涤和各种高效洗涤技术、物料换热技术，此外各种节水型生产工艺、无水生产工艺都在不断发展和完善。采用节水型公共和家庭卫生设施设备是许多国家城市的节水重点。发达国家农业节水技术包括实施精确灌水、培育新的节水品种、工程措施节水、推广节水灌溉新技术、推广增墒保水技术和机械化旱地农等。此外，各国均把降低供水管网系统漏损水量作为供水企业主要任务之一。
在加强节水的同时，缺水国家和科技先进国家把大力发展非常规水源利用作为开源重要措施。许多沿海国家工业用水量的接近一半用海水代替淡水，日本、美国、意大利、法国、以色列等每年都大量直接利用海水。德国发展成为雨水收集利用最先进的国家之一。新加坡超过一半国土面积成雨水收集区，新生水技术开发和利用走在世界前列。发达国家还特别重视废污水治理、排放和回收利用。以色列把再生水作为国家水量平衡的重要组成部分，废污水经处理46%用于农业灌溉；澳大利亚的再生水利用在2001—2003年全国干旱时期发挥重大作用，在缺水地区一度成为不可替代的饮用水源。
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农田灌溉
西方发达国家早期基本都经历过开放式、无组织、无计划的土地开发和无节制的大水漫灌阶段，这导致了一系列严重的生态环境问题。如著名的“咸海危机”是由于在注入咸海的主要河流沿岸大量发展灌溉面积，导致注入咸海的水量急剧减少，咸海水位逐年降低，呈现始料不及的灾难性生态后果。水资源短缺、土壤板结和荒漠化、土壤污染等问题促使人类开始转变灌溉方式，不断推进节水灌溉。到1970年代中期，澳大利亚、以色列、墨西哥、新西兰、南非和美国等6个国家开始推广滴灌，自动化灌溉普遍使用。以色列人提出“浇灌作物而不是浇灌土壤”的灌溉理念，目前以色列所有灌溉农田均采用滴灌和喷灌的高效节水灌溉技术。低压节能是目前节水灌溉技术的发展方向，地下滴灌显示出广阔的发展前景。在源头减少灌溉用水的同时，一些国家也加强了渠系防渗。一些发达国家的管道输水灌溉技术应用十分广泛，甚至有逐步代替田间地面渠道灌溉系统的趋势。此外，优化配水、自动化配水灌溉技术在美国、日本、法国等国家应用较广，起源于无土栽培的水肥一体化在近40多年里伴随高效节水灌溉技术的发展在全世界迅猛发展。在加强节水的同时，美国、英国、德国、日本等国家将灌区生态健康作为重要目标，以避免对生态系统造成负面影响。
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水生态保护与修复
面对日益严重的水生态环境问题，进入20世纪以来西方主要发达国家逐渐加强了水生态保护与修复，治理与修复的对象、手段、措施、范围经历了一个从点源向面源、从局部到流域、从工程到制度的不断演化过程。在治理对象上，早期点源污染问题较为突出，水生态治理以控制点源污染为主，随着点源污染逐步得到控制，非点源污染、洪泛平原污染沉积物等持久性的、相对难以察觉的和难以控制的污染成为主要问题。美国在控制非点源污染过程中，提出了“实施最佳管理实践”(BMP)理念，并且认识到系统解决水生态问题的有效途径是流域综合管理。在治理手段和范围上，随着发达国家水污染问题逐步得到缓解，水生态系统载体—河湖湿地生态退化、结构和功能受损得到重视，治理重点逐步转移到河流生态修复，并且从区域治理转变到流域系统修复，从仅注重水环境改善转变到兼顾河湖形态修复、水生动植物修复、栖息地保护、亲水空间建设的人—水—自然关系全方位改善。韩国清溪川整治、莱茵河“2000年鲑鱼计划”、美国洛杉矶河修复、RushCreek流域生态恢复等，均体现出以保持河流生态系统生态整体性为目标，实现河流景观与其周围环境相和谐的流域尺度下河流生态修复理念和做法。
发达国家水生态系统保护与修复都是首先借助物理或化学手段进行水质治理，除源头控污治污外，稀释冲刷法、生态清淤和曝气法是使用较早、收效明显、广为采用的改善水体水质技术。生态—生物法是国外近年来发展最快的方法，主要凭借自然修复能力自净水体，其中有水生植物修复、生物调控、生物修复、生物膜等技术方法。目前整体发展趋势逐渐演变成在流域尺度借助生态水利工程进行治理。
除河道整治措施外，目前国外河流生态修复技术主要有:通过建设低坝并设置鱼道以及堤防拆除或后退等恢复河流纵向和横向连续性、河流蜿蜒性恢复、河道岸坡生态防护、河流深槽和浅滩序列重建、洪泛区湿地特征创建、河流内栖息地结构加强(如遮蔽物、遮荫、导流设施等)亲水设施建设、河道浚挖泥土利用等。目前国外至少有几十条河流已经进行或正在进行水库生态调度实践，其中美国数量上远超过其他国家。
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制度建设
伴随着水生态治理的不断深入，西方国家逐步意识到必须要通过制度建设，建立长效机制。随着认识和探索的不断深入，水生态保护与治理体制机制等制度建设经历了从分散到集中、从松散到强化、从低级到高级、从政府到市场的转变过程。
为改变由于长期以来采取分割式管理模式所带来不同程度资源破坏与生态环境恶化问题，人们逐渐意识到，以流域为整体单元进行资源可持续开发利用、生态环境整治和社会经济可持续发展统一规划和综合管理，才能达到人与自然和谐的可持续发展目标，推进流域综合管理需要在政府、企业和公众等共同参与下，应用行政、市场、法律手段，对流域内全面实行协调的、有计划的、可持续的管理，促进流域公共福利最大化。
泰晤士河治理过程中有超过200多个管水单位合并，改变了以往水管理各环节之间相互牵制和重复劳动的局面，成立泰晤士河水务管理局(后为公司)，引入市场机制，向排污者收取排污费，并发展沿河旅游娱乐业，多渠道筹措资金。莱茵河流域各国认识到凭借自身力量无法解决跨界河流莱茵河问题，建立莱茵河保护国际合作治理机制，使得莱茵河成为目前世界上管理得最好的一条河，协调合作机制建立的基础是各方参与者形成统一认知并致力于共同治理。同时，生态补偿、水污染税等经济手段逐步出现，德国、法国、荷兰等许多发达国家早已全面征收水污染税，对向水域(包括地表水和地下水)直接或间接排放废弃物、污染物和有毒物质的单位或个人征收水污染税，并且效果十分明显。美国、英国、澳大利亚等发达国家明确水权界定，开展水权交易，近年来引入水银行，在加州等地成功实践。
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资源环境监测
监测工作是进行生态保护和修复的基础性工作。西方国家环境监测大体上经历了3个发展阶段，早期以典型污染事故调查监测，逐步发展为以污染源监督性监测，到目前以环境质量监测为主。早期，由于无法明确环境污染事故发生的物理机制和引发原因，政府只能组织技术人员开展针对性的调查监测，查明起因。随着环境保护相关法律的完善，企业排污被严格监控限制，极大地推动了污染源监测工作的进步。20世纪70年代以来，随着西方国家对生态环境问题认识的不断加深，监测工作的重点从对污染源监控转移到对环境质量监控上来，同时随着自动化技术的迅速发展和遥感技术、无线传输应用，使得对大区域环境质量系统监控成为现实，在线监测是未来发展方向，可以在极短时间内观察到水体污染浓度变化，预测未来环境质量，实现污染的预警预报。西方国家努力提高流域水环境综合管理技术、监控和预警技术以及综合整治技术，以构建水资源合理开发、水污染控制和水环境改善的技术体系，从而达到有效改善流域水循环和水环境，治理流域水污染的目的。
近几十年来，水生生物监测逐步开展。2000年出台的《欧盟水框架指令》是欧盟各国开展水生态与生物监测提供操作标准和技术规范。生物完整性指标是目前水生态系统研究中应用最广泛的指标之一，其研究对象从最初的鱼类，发展到目前的底栖动物、浮游生物、附着生物等。
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经验与启示
纵观国外发达国家治水发展，普遍经历了“先污染后治理”“先末端后前端”“先工程后制度”“先单一后系统”的历程，从早期采用破坏自然的手段与技术，单纯为满足人类需求而兴建防洪、供水、灌溉设施的治水理念，以不断升级的水生态环境治理技术为手段，逐步把传统水利建设各个领域与水生态保护修复紧密相连，将治水理念与可持续发展等生态理念相结合。国外发达国家在上述领域生态化进程中的主要做法和经验，为中国提供了提供了重要启示。
启示一治水理念转变和技术生态化是相辅相成的长期过程。治水理念转变引领技术发展，技术革新推动理念进步。以色列、新加坡自建国伊始就将水资源作为国家战略资源管理，为贯彻理念大力发展水资源节约和高效利用技术，成为全球技术领先理念超前的节水大国。“低地之国”荷兰持续创新技术，治水思想逐步从过去围海造田、“人与水抗争”转向“人与洪水共存”和“还河流以空间”。澳大利亚长期重视河流环境流量，墨累—达令流域从19 世纪开始分水，关注墨累河干流下游有最低限度的水流，到21 世纪开展墨累河生命行动计划改善河流健康状况，政府从农民手中回购水权用于河流生态修复。美国开展水库生态调度，实施环境流量管理需要较长的时间才能见到明显实效，而长期生态环境调查和信息积累过程也为技术创新找到了突破口。泰晤士河从开始立法全面控制污染到水质恢复，百年间不断完善优化治理措施，不断调整思路，技术与理念相互促进，最终实现鱼类重返。
启示二生态化的治水思路必须依靠系统化的保护和治理措施实现。水生态环境涉及因素众多，情况复杂多变，决定了治水必须以流域为单元，采取系统综合措施，协调多部门间利益关系，协调不同政府间冲突和矛盾，取得社会、经济、生态效益的协调。以莱茵河治理为例，上莱茵河“河道倍增”恢复河流空间，“2000 年鲑鱼计划”加强排污企业管控、修复河流生态廊道、开展增殖放流以恢复生物多样性，“欧盟水框架指令”从制度上约束开发行为，莱茵河保护国际合作治理机制协调各方行动致力于莱茵河生态修复。这些不同措施相互配合，多国不同部门相互协调，最终推动了莱茵河的系统治理。
启示三涉水基础设施建设生态化是推进理念与技术生态化的重要抓手。美国芝加哥水环境治理、俄罗斯莫斯科河生态化治理等都是依托水系连通工程、发挥工程生态效益改善河流水环境的成功案例。莱茵河鲑鱼归来离不开对现有水坝增加鱼道建设，伊菲茨海姆水电站就耗时3 年建造了当时欧洲最大的鱼道，帮助鲑鱼等洄游鱼类重返家园。莱茵河、泰晤士河等污染严重河流治理的基础是源头控制，1859 年伦敦在泰晤士河南北两岸修建污水支线管网并接入排污干渠，但是未经处理将污水转移到海洋，19 世纪末以来伦敦建设了数百座小型污水处理厂，并最终合并为几座大型污水处理厂。新加坡加冷河河道恢复和韩国清溪川整治均采用了生态化的治理工程措施。由于工程实施和装备较为完善先进，发达国家对敏感区水生态环境的监测、对水资源和洪水的管理调度、对河湖环境流量的调控能力以及对受损河湖的修复能力等方面均达到了比较高的水平。
启示四营造良好的市场氛围可以带动治水技术创新的经济动力。活跃的市场可以吸引资金流入与水相关的科研领域，通过政企合作可以将技术高效精准投入实施与运用，进一步开拓市场潜力，形成良性循环，而市场内竞争又激发公共机构和私人企业界紧密合作、优势互补、最终双方共赢，实现国家水生态环境良好保护和治理。如以色列和新加坡水资源节约利用、泰晤士河治理、欧盟《水框架指令》实施等实践，均采用了一定的市场手段，有效推动了相关措施的实施。
启示五因地施策、因势利导是治水理念与技术实现生态化的方式。不同地区、同一地区不同经济社会发展阶段的水问题不同、治理技术不同、经济承受能力不同，需要针对不同阶段特点，采取有针对性的措施。英国泰晤士河治理从早期修建管道隔离排污，到控制污染物排放，到采取流域综合管理，到引入市场机制，有效的改善了泰晤士河水生态环境。澳大利亚墨累—达令流域生态用水保障也经历了为保障河道最低流量进行分水，发展到水市场交易促进节水，到近期通过政府购买返回部分水权给河流。
启示六制度和文化建设是在理念转变与技术发展的过程中起着关键作用。欧盟的《水框架指令》、新加坡的水文化建设等，都体现出制度和文化建设对于形成全社会合力共同推进水生态保护修复的重要性，用制度保护环境，用文化养成氛围，使新理念传播到大众心中，使新技术发挥到细节之处。欧盟《水框架指令》是国际上流域综合管理和保护水资源较为成功的典范，执行不力的羞耻感极力促进各成员国维护其生效和实施。新加坡政府使环境危机感变成了全民共同的忧患意识，强烈忧患意识成为新加坡环境保护的主要动力。
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结语
随着国际上对水生态环境重视程度加大，水生态保护地位愈加突出，从顶层设计到项目施工，从理念到技术都有了日新月异的变化。从各国防洪排涝、水资源开发利用与节约、农田灌溉、水生态保护与修复、制度建设、资源环境监测等方面的生态变化看，治水理念与技术生态化是伴随着人类进步缓慢发展的，理念和技术是相互支撑的螺旋上升过程；生态化的治水思路必须依靠系统化措施实现；生态化的出发点和落脚点都在水利基础设施上；市场可以促进生态化历程的加快；生态化也需要结合当地实际情况，因地制宜；水生态相关的制度与文化也对推进治水理念和技术生态化具有重要影响。未来中国在治水思路与技术的生态化发展任重而道远。
来源：水利规划与设计 2019年第12期
作者：田英，赵钟楠，黄火键，张越
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