美國可持續水規劃采用的水資源管理技術

［美國］ R.E.弗里亞斯 等

美國可持續水規劃采用的水資源管理技術

［美國］ R.E.弗里亞斯 等

圍繞水資源的可持續發展，結合美國缺水方面的管理經驗，介紹了目前美國可持續水規劃中所使用的一些水資源管理技術，包括缺水管理和流域生態管理方面的技術，如實施最佳流域管理實踐(BMP)，以及低影響開發(LID)等。并對項目選擇和優先排序的標準，以及美國正在實施的“大沼澤地”生態系統恢復項目進行了簡要介紹。

水資源管理;可持續水規劃;最佳流域管理實踐(BMP);低影響開發(LID);管理技術;美國

資源可持續的利用與管理，既要求滿足當代人的需求，又要求能提高子孫后代滿足其需求的能力。美國總統設立的可持續發展理事會認為:經濟發展應當使當代人和后代人都受益，并且不會對地球的生態系統或者資源系統造成破壞性的影響。為此，流域管理者需要制定可行的可持續規劃進行水資源管理，如應對缺水、洪水及水質等方面的問題，并適應目前及未來潛在的、可能的氣候變化。

1 可持續水規劃

所謂可持續水規劃，就是在可持續原理的基礎上，采用穩健而多樣化的長期規劃和管理方法來全面解決影響水資源管理和開發的環境、社會和經濟方面的問題。水規劃者應充分理解面臨的各種水資源問題，以使規劃所作出的決定對目前和未來都是適合的，同時認清未來的不確定因素。這就是為什么可持續水規劃提供的綜合性方法能夠解決全流域管理、生態系統管理、缺水和多雨天氣等問題的部分原因。

流域管理和生態系統管理的重點在于弄清和管理徑流、徑流量及環境，以便對流域環境進行保護。人們為尋求城市的快速發展而制定的不完善城市規劃，可能會增加徑流的峰值流量及徑流量，并因土壤侵蝕和非點源性污染而造成地表水水質下降。作為城市水資源管理和規劃的一部分，可以以流域為單元實施最佳管理實踐(BMP)，以管理徑流和保護水源(包括地下水和地表水)供應。

缺水可能是人口增長和開發造成的用水競爭的結果，也可能是水源減少的結果，包括水源獲得的安全性和穩定性，與氣候變化或者氣候適應能力，以及與不斷增加的用水限制措施等均有關系。受到限制的經濟條件也會制約或者減少實施大型供水工程的資金。

應對這些問題的一種持續性方式為:首先檢查供水系統，提高供水系統的供水效率(例如擴大系統的蓄水量)，提供優化服務(例如更新或者改進系統操作)，然后執行需求管理計劃(如水土保持)，以作為增加供水水源的一種方式。在實施這些關鍵性措施時，也需要考慮為開發多樣性供水制定長期的供水規劃。

例如，波多黎各供水和污水管理局(PRASA)是為波多黎各居民提供水源和污水處理服務的政府部門。最近面臨的任務是需要增加拉哈斯(Lajas)灌區的供水，以滿足該地區未來發電、農業、環境(為卡塔赫納瀉湖供水)及飲用水的需求。拉哈斯灌溉系統是一個地表供水系統，位于島嶼的西南部，由2座水電站和6座水庫組成(部分水庫泥沙淤積已經相當嚴重)，電站和水庫由輸水隧洞連接。為了提高系統的穩定性和安全性，PRASA攜手其他政府機構決定對灌溉系統的調度進行優化，使水庫溢流量最小化，從而達到使水庫蓄水量、水電站發電量最大化的目的。這種規劃方式將通過降低成本、增加投資效益來增加系統的供水，同時能夠避免近期實施花費較多的大型投資項目，例如水庫清淤和疏浚等。

多雨的天氣條件會導致洪水和超強度的暴雨徑流，造成水資源質量下降，污水收集系統負擔過重，從而導致合流制系統污水溢流(CSO)達不到聯邦和州規章的要求，并造成生命財產損失。由于目前的動態氣候條件仍將持續，因此，合理評估和規劃現有排水基礎設施極為重要，以便于管理增加的徑流，充分利用暴雨洪水，并將其作為一種供水水源。

2 全面水資源管理

每項技術在針對某一特定地區或某一特定時段時，其優勢和重點各不相同。盡管重點可能是一個或者兩個決定性參數，或者是效果和效益的比較，但還是要謹慎考慮到可能受決策影響的外部因素或者是其他因素。規劃中選定的參數可能受公眾對基本建設改擴建項目、資金約束以及為大多數人謀取社會效益等需求的驅動。更為可能的是，在制定建議方案時，可以對因果關系進行更廣泛的評估。如果設計決定是基于最小化投資和預算周期作出的，則這些參數中只有少數的幾個可能會被進一步量化，或者給出具體的投資效益。如果沒有進行這種廣泛的評估，則所實施的水利基礎設施項目可能不符合《國家環境政策法》這一類型的法律的要求，或者人們可能會就政策的一致性、公眾可接受性，或者能否獲得資金支持等提出質疑。

通常，可以將一系列單一的技術進行整合，用在各種可供選擇的綜合性項目中，然后對這些方案進行規劃以滿足具體的需要。例如，獲得具體水文條件下的年平均水量，減少雨污水的溢出量，使雨污水總量不超過排水系統的排泄能力，基于具體的碳排放量設計基礎設施，或者減少能源的使用和物質消耗。然后根據一系列可持續標準或者原則對這些項目進行評估，最后通過一個專業的和透明的決策支持過程，將這種評估作為確定優先項目的方式。

項目選擇和優先排序的標準如下:

(1)整體性。考慮人與生態的關系，以維持生物物理系統的整體性，以及人類所依賴的、不可替代的生態支持功能。

(2)充足性和機會。確保有足夠的資源來維護預期水平的服務，每個人都有機會尋求改善的途徑，并且不傷害子孫后代尋求效益和機會的可能性。

(3)平等性。從各種不同的用戶群中進行有效選擇，但要縮小在健康、安全、社會認同和政治影響等方面不可接受的差距。這些用戶可能是目前人口中不同的經濟、社會群體或具有不同價值觀的群體，當考慮子孫后代時，這些人群也可能是好幾代人。

(4)效率性。減少對物質、勞力和能源的總需求，并減輕對社會經濟系統的其他壓力。

(5)民主和文明。加強基礎設施能力建設，在一個信息更加發達、綜合性更強的管理、市場、體制及個人決策等實踐中應用可持續性原則。

(6)不確定性和彈性。減少不確定性，避免對可持續性基礎造成嚴重的或不可挽回的損失，并且要應對突發事件，進行適應性管理。

(7)短期和長期的一致性。立即和交互實施可持續性的所有原則，尋求相互支持的長期效益。

對一個或者兩個變量進行規劃，其優越性在于，這種規劃能夠進行直接對比，以及立刻進行權衡評估。然而卻不能將這些內容統合到復雜的水和自然系統中去，因此不能提供一個綜合的可持續的水資源管理方式。應當綜合考慮流域與生態系統管理、缺水和多雨天氣條件各種內在的和外在的關系。實際操作中，應該對這些相互之間的關系進行評估，以確定未來基本改擴建項目申請和實施所必需的計劃步驟。

例如，在考慮流域管理和生態系統管理時，可以進行供水研究，以確定未來可持續供應水源，可能包含有對未來氣候變化的合理假設。一個綜合的流域管理規劃還需要包括對水質和水量的保護，以及對基礎設施適應未來徑流流量、防洪和水資源保護的能力進行可持續評估。

圖1示出了在綜合性或者整體性水資源管理中能夠使用的一些相互關聯的技術，用于應對缺水的其他技術還包括水庫和基礎設施運行、水資源重新分配(短期的和長期的)，以及系統效益評估等。

圖1 可持續水資源管理規劃技術

在美國南佛羅里達州，正在實施一個名為“大沼澤地”(Everglades)的生態系統恢復項目，有3個項目區被納入該規劃。為了恢復這片超大沼澤地的生態系統，流域管理者將重點放在在正確的時間分配正確的水量和確保一定的水質上，以解決流域和生態系統的問題，以及缺水和多雨天氣的問題等。

流域和生態管理包括實施BMP，例如在農耕地帶種植條狀植被，以過濾流經畜牧區的徑流，減少徑流中營養物質的含量等。建立暴雨洪水處理區，以在徑流進入“大沼澤地”之前，進一步減少徑流中營養物質的含量，處理好奧基喬比(Okeechobee)湖的富營養化問題。佛羅里達州政府部門通過購買大片的農業耕地，將會極大地促進水資源管理，改善整個流域的供水，提高水質和促進環境恢復。

缺水問題則可以通過以下兩種方式加以解決:①將多余的水蓄入地上水庫中;②通過實施含水層儲存與回采(ASR)技術來增加地下水蓄量。增加的蓄水量將會在干旱期提供給“大沼澤地”，以解干旱燃眉之需，同時在濕潤多雨的季節儲蓄更多的洪水徑流。

多雨天氣形成的徑流可以通過修建地表水庫的方法加以解決。水庫增加的庫容，能夠產生防洪效益并改善水質，這主要是通過減少洪峰流量和管理徑流量，進而管理剩余徑流量來實現的。

在“大沼澤地”生態恢復的實例中，當這3個區作為綜合性可持續水資源管理方式的一部分進行整合時，它能夠使環境效益、社會效益和經濟效益最大化。如果單獨考慮這幾個區，則需要的經費將會更多。在這種情形下，從長遠來看，“大沼澤地”的利益相關方會得到回報。當考慮減洪、水質改善，以及同時減少建筑材料和勞力方面的花費時，將會獲取更大的效益。

盡管有很多水資源管理技術可以利用，但是可持續水規劃受那些重點在于能夠保護生態系統、增加水源供應和管理洪水條件的技術的支持。下文介紹的是一些在水規劃時需要考慮的、能夠促進可持續水資源綜合管理和一體化管理的技術和實踐。

3 流域和生態系統管理

流域和生態管理技術包括通過改善水質和供水方面的服務保護地表和地下供水水源的流域管理方法及實踐。

低影響開發(LID)是一種綜合性的土地規劃和工程設計方式，旨在維持和保持城市和流域在人類開發之前的水文流量特征。大多數的國家對維護流域的歷史環境和條件作了法律要求，而LID則提供了達到這些要求的方式。

通過LID可在源頭或者接近源頭的地方管理徑流，這些管理控制分布均勻、分散且范圍很小。BMP為其控制形式，即將模擬站點的水文特征設計成人類開發之前的特征，設計技術包括通過入滲、過濾、蓄水、蒸發過程將徑流基本上維持在水源區。

BMP包括:

(1)蓄滯洪區。蓄滯洪區是種植了植被的洼地，除了降雨期間或降雨之后的其他任何時間都是干涸的。地表水徑流流到洼地，但有一定量的徑流被保留下來用以改善水質，其他的徑流允許滲入可透水的泥沙層。在正常設計的情況下，只要所滯蓄的水下滲之前沒有降雨，蓄滯洪區是沒有出流的。

(2)滯留池。和蓄滯洪區不同的是，滯留池是指全年或者雨季可能有，也可能沒有永久性蓄水的水池，也叫暴雨水池或者雨季水塘，這些蓄水池塘周邊有植被(濕地)，通過泥沙沉淀和營養物質的化學吸收，對流入池內的暴雨徑流進行處理。在正常運行情況下，根據設計，這些池塘滯蓄的出流量要小于下游河道設計的排泄能力，并且其流速要明顯低于入流。

(3)植被洼地。植被洼地通常是寬淺的河槽，河槽的兩邊、坡地和底部種植了茂密的直立型植被，例如蘆葦等。植被洼地可以是人工設計或者天然形成的，可以用來沉積徑流中特殊的污染物，例如懸浮泥沙、重金屬等，對暴雨徑流進行過濾，減緩暴雨洪水的流速，進而減少對土壤的沖刷。

(4)集雨園。集雨園是指長著天然深根植物的淺盆地或者淺洼地，這些植物允許水流滲入土壤中。適當合理的集雨園能夠有效地沉積暴雨徑流中大部分常見污染物，改善水質，促進污染物轉化為無毒物質。

(5)透水性鋪蓋。透水性鋪蓋是能夠承受一定重量的鋪蓋，同時下面還有一層粒狀結構，便于水流在入滲和排入控制出口之前可暫時存蓄起來。水滲入顆粒狀物質，從而使從非透水區流出來的徑流流速減緩。

(6)滲濾槽。滲濾槽是一種填滿了碎石和石塊的低淺的渠槽，它能夠形成臨時性地下蓄水池，增加暴雨徑流的下滲。徑流通過渠槽的底部和濾槽兩側進入底土，最終到達地下水面。

BMP包括各種合理的方式和手段，能夠被納入LID的組成部分，通過無數個成本低、效益高的系統方法在源頭上限制暴雨徑流的流速。當對為降低徑流流速和減少徑流量而建的小區域的排水系統進行管理時，在區域及以下層面考慮實施BMP很重要，因為這能夠大大減少暴雨徑流管理和處理方面的花費。

4 結論

水資源管理不善或管理效率低下對全人類都有負面影響，不管是在發展中國家還是發達國家。實際上，全球每30 min就會有125人死于因飲用水惡化而導致的水傳播疾病。

水系統是相互關聯的，且當有目的地對運行工程和基本建設改擴建項目進行規劃時，水系統便能夠發揮多種效果和效益。美國聯邦和州的相關制度要求，應對所建議采取的行動的整體原因和效果進行評估，而這種評估在認定對環境破壞最小或者是投資最省的項目方面起著關鍵性作用。人們常常尋求多個目標，并從所選擇的方式中獲得次要的效益和效果。

聯邦和州為公共健康和環境保護制定的政策已經制約了附加的規章制度的執行，從而影響了企業或者實體對其基礎設施系統的管理，包括供水水源、污水管理和水質保護等。這些公共政策的制定通常會隨著嚴重程度、實施進度以及圍繞政治進程的各種要素的變化而變化。可持續水規劃應當考慮所有管理者在將決策轉化為可執行規劃時遇到的經費問題，而這些規劃在資金投入方面是可以接受的，并且得到政治上的支持。

對于專業規劃者來說，將水和自然資源系統作為一個整體進行考慮很重要。這對用戶滿足其目前和未來對基礎設施的需求既是限制也是機會。

水資源綜合規劃者可以建立一個大型的技術工具箱，應當使用透明的、包括了多方利益集團以及信息靈通的決策支持方式提出靈活的建設性建議。如果應用得當，這些方法可以支持政治進程，適應需要的基本建設改擴建項目，并能夠應對常常需要增加服務成本的現實。

建立技術工具箱可能是采納和實施大型水資源項目過程中最簡單的一環。更大的困難包括獲得不同社會群體(政治的、環境的、經濟發展組織等)的支持，這就是為什么精心開發的、設計良好的技術總是被束之高閣的原因。

如果技術方案得不到實施，基礎設施就不能為用戶提供滿意的服務，并且當危機發生時，還要為未來更大的投資承擔更多的責任。這在拉斯維加斯(內華達州南部)、坦帕(美國佛羅里達州西部港市)和薩克拉門托三角洲(加州)等很常見。

面對諸多壓力——人口增長、基礎設施老化、改擴建基礎設施資金投入滯后、變化的水文條件(包括干旱和洪水)，以及多方利益團體要求更多參與政治進程等，迫切需要有一個可持續的水規劃。

李紅梅 孔祥林 摘譯自《美國水行業協會會刊》

2009年第5期

TV213.4

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1006-0081(2011)09-0001-04

2011-04-20