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南水北调中线水源区水资源保护技术研究与信息系统建立的构想 (胡焕发 潘晓斌) 一．项目概况 十堰市是南水北调中线核心水源区，国土面积23639平方公里，其中有86.7%的面积位于丹江口水库上游，占其流域面积的21.5%。十堰市多年平均降水量889.0毫米，多年平均水资源量85.38亿立方米，且有85%左右的水量直接汇入到丹江口水库。十堰市现有5公里以上的河流741条，大型水库5座，中型水库22座，小型水库467座，塘堰18450口，水窖共有46390口。现状供水能力达17.8亿m3。 在十堰市境内水源地核心区内，直接注入到丹江口水库的河流主要有汉江干流、堵河、金钱河、仙河、天河、归仙河、将军河、滔河、神定河、泗河、官山河、剑河、殷河、曲远河、浪河等。丹江口水库大坝加高后，混凝土坝坝顶高程由现在的162米提高到176.6米，水库正常蓄水位从157米提高至170米，可相应增加库容116亿立方米，水库水面面积由现在的745平方公里扩大到1050平方公里。近期2010年调水95亿立方米，后期2030年调水130亿立方米。 目前，丹江口水库水质现状除总氮外为地面水环境质量Ⅱ类标准，威胁水库水质的主要因素是水库沿岸直接排入库区工业废水、城镇生活污水以及面污染源和汉江上游与其它汇入河流带来污染负荷。在强化工业和生活废污水排放和治理的同时，面源污染控制也应积极控制和加强，否则丹江口水库水体污染不会得到根本性的确保。 面源污染包括农田径流、固体废弃物、畜禽养殖、水土流失和城镇地表径流等引起的水体污染。与点污染源相比，面污染源起源于分散的多样的区域，地理边界和发生位置难以识别和确认，随机性强、成分复杂、潜伏周期长，识别和防治十分困难。面源污染是造成丹江口水库总氮超标的主要原因。 在南水北调中线水源核心区内，每年都有2亿立方米左右工业废水和生活污水的排放，是造成一些河段和丹江口水库库区发生水质污染较为严重和富营养化的原因。 随着对工业废水和城市生活污水等点源的有效控制，面源污染尤其是农业面源污染已经或正要取代点源成为水环境污染的最要来源，目前南水北调中线水源区面源的负荷比重在逐步上升。1995年，进入巢湖的污染负荷中，69.54%总氮和51.71%的总磷来自于面源；三峡大坝库区1990年的统计资料也表明，90%D的悬浮物来自农田径流，氮、磷大部分来源于农田径流；在进入南水北调中线调水水源区丹江口水库的总氮和总磷负荷中，66%总氮和59%的总磷来自于面源污染；1994年太湖流域总氮的60%和总磷的30%来自面源。十堰市作为南水北调中线的调水区，面对巨大的人口移民压力、土地淹没压力，农业土地资源的开发已经超强度利用，化肥农药的施用成为提高土地产出的重要途径。因此，面源污染控制关系到农药和区域经济社会的可持续发展，关系的南水北调中线水源区水资源保护的重要措施和途径。 基于以上的考虑，本项目设计研究和解决的主要内容为：一是研究完成《南水北调中线水源区十堰市水资源调查评价》；二是研究完成《南水北调中线水源区十堰市水资源开发利用现状评价》；三是研究完成《南水北调中线水源区十堰市水功能区确定与汉江中上游其十堰市主要河流水体功能区纳污能力分析》；四是研究完成《南水北调中线水源区面源污染控制技术研究》；五是建立《南水北调中线水源区水资源与水环境信息系统》。 项目完成后，可以达到的预期效果是：南水北调中线水源区的水资源数量、质量状况一清二楚；南水北调中线水源区水资源开发利用状况一清二楚；南水北调中线水源区水资源水环境承载能力一清二楚；南水北调中线水源区水环境实时状况一目了然。为各级决策机构和有关部门提供及时、准确、可靠的南水北调水源区的水资源水量、水质信息，为决策机构做好水资源调度决策提供技术支撑和科学依据。 二．项目可观性分析及完成项目的优势 本项目设计符合南水北调“先节水后调水，先治污后通水，先生态后用水”的基本原则，符合水资源可持续利用支撑社会经济可持续发展和构造和谐社会的原则。依据有关的法律法规、行业管理法规、标准及规程规范等有关要求，设计项目实施方案。 项目实施后，可以保证更科学、更合理地配置水资源和保护水资源，保障供水、用水的安全，有效地控制水环境污染；通过改善天然水体的水质状况，起到加强水资源水环境保护的作用，促进水质保护目标的实现；建立水源地水资源综合信息系统，实时反馈水源区的点源、面源污染信息和水源区河流及丹江口水库实时水质动态；预报预警水源区的未来水质状况；以实际行动服务于南水北调这一跨世纪的宏伟工程。因此，结合我市中线水源地水资源特点及开发现状，研究最合理的开发方式和有效控制污染负荷指标，在全省乃至全国大型水源地供水、调水，保障城市饮用水水源地的安全等具有明显的创新意义和推广应用价值。 十堰市水资源勘测局目前拥有高级、中级及助理级等技术员人员和技师、高级工水文专业队伍，技术力量雄厚；本局拥有国家乙级“水文、水资源调查评价资质证书”（水文证乙字第170406号）、国家乙级“建设项目水资源论证资质证书”（水论证乙字第14204007号）。 十堰市水资源水环境监测中心现有面积200平方米，该中心1997年获得“国家计量认证合格单位”（97）量认（国）字（G1637号），2002年通过国家计量复认证。根据《中华人民共和国计量法》、《中华人民共和国计量法实施细则》和《计量授权管理办法》，具备监测地表水45个参数、饮用水（含天然矿泉水、纯净水）34个参数、地下水34个参数、农田灌溉用水21个参数、渔业用水28个参数、废污水23个参数、降水12个参数、景观娱乐用水20参数、底泥质与土壤7个参数。 本局对十堰市的河流、水库等水体监测监测搜集了50多年系列的水文资料；对主要河流、水库水质监测了30多年的系列资料；从1990年开始每年发布了《十堰市水资源公报》和《十堰市水质公报》，2004年开始发布《十堰城区饮用水水源地水质月报》，2005年5月开始，每2个月发布一次《十堰市水体功能区水质公报》。 本中心研究的主要成果有：《十堰市水中长供求计划》、《丹江口市水资源评价》、《郧县水资源评价》、《郧西县水资源评价》、《房县水资源评价》、《竹山县水资源评价》、《竹溪县水资源评价》、《十堰城区水资源评价》、《神农架林区水资源评价》、《十堰市地下水资源开发利用规划》、《神农架林区地下水资源开发利用规划》、《十堰市水功能区划》、《十堰是水资源保护规划》、《十堰市工业和城市用水定额研究》、《十堰市水资源评价》、《十堰市水资源现状问题与对策》、《十堰市可持续利用问题的初步探讨》、《十堰市废污水排放量对南水北调中线水源区的影响及对策》、《十堰市堵河干流黄龙滩至方滩采砂规划报告》、《南水北调十堰水资源现状与允许纳污量分析》、《十堰市水土流失对水环境的影响分析》、《竹溪县冯家湾水电站水资源论证报告》、《竹山县深河水电站水资源论证》、《竹溪县大木档水电站水资源论证》、《竹溪县白沙河水电站水资源论证》、《郧西县鲤鱼头水电站水资源论证》、《郧西县水石门水电站水资源论证》、《郧西县天河水电站水资源论证》、《郧西县彭家湾水电站水资源论证》、《神农架林区水资源保护“十一五”工程规划报告》、《十堰市水资源保护“十一五”工程规划报告》、《十堰市饮用水水源地安全保障规划》、《神农架林区饮用水水源地安全保障规划》、《十堰市水土流失与泥沙评价报告》。 本中心拥有一批较为先进的精密仪器。 三．项目研究和建设主要内容 1．研究完成《南水北调中线水源区十堰市水资源调查评价》 〔1〕调查评价南水北调中线水源区十堰市1956年～2004年水资源多年降水量、蒸发量、地表水资源量、地下水资源量的变化情况； 〔2〕三级水资源分区单元、四级水资源分区单元、主要河流等多年降水量、蒸发量、地表水资源量、地下水资源量的变化情况； 〔3〕各个单元和河流对丹江口水库水资源的贡献率； 〔4〕十堰市地表水环境质量状况； 〔5〕十堰市地下水资源质量状况； 〔6〕水资源单元和主要河流对丹江口水库主要污染物贡献率。 2．研究完成《南水北调中线水源区十堰市水资源开发利用现状评价》。 〔1〕调查评价南水北调中线水源区十堰市水利工程基本情况；蓄水工程、引水工程、提水工程的供水能力； 〔2〕地表水资源供水情况和地下水供水情况； 〔3〕工业用水、农业灌溉用水、城市生活用水、农村人畜饮水、生态用水、建筑用水、服务业用水等情况； 〔4〕水资源开发利用现状； 〔5〕提出水资源配置方案和总体布局，提出水资源工程措施和非工程措施，确保调水的数量； 〔6〕增加供水方面，分析确定蓄水、引水、提水50%、75%、95%保证率及多年平均总供水量； 〔7〕调水工程方面，确定引水规模、年均调出水量、受水区年均调入水量； 〔8〕地下水工程方面，评价年开采量，确定控制减少量； 〔9〕主要骨干水利枢纽工程方面，主要研究工程多年平均增加供水量、供水保证率。 3．研究完成《南水北调中线水源区十堰市水功能区确定与汉江中上游十堰市主要河流水体功能区纳污能力分析》 〔1〕确定南水北调中线水源地水体功能区（已经确定）； 〔2〕调查南水北调中线水源区主要入河、入库排污口，了解排污口的位置、类型、性质、排放规律，确定排污口主要污染物质； 〔3〕水源区排污口调查主要污染源，调查关企业单位的生产情况、用水情况、 废污水排放情况进行调查，对调查搜集的数据和水质分析结果进行汇总、分析、评价； 〔4〕评价COD和氨氮等指标的年总负荷，废污水排放总量、入河总量，确定污染源、排污口的入河、入库排污量； 〔5〕确定汉江中上游、丹江口水库主要入库河流及丹江口水库等水体的纳污能力（环境容量）； 〔6〕提出各个主要功能区入河、入库污染物COD和氨氮等指标的排污控制量和削减量以及对排污口的控制削减的方案； 〔7〕提出水资源保护的工程措施和非工程措施。 达到的效果是：水质达标率99％，污水处理率80～90％，回用率50％以上，从而确保南水北调水源区的水质符合饮用水标准。 4．研究完成《南水北调中线水源区面源污染控制技术研究》。 〔1〕选择官山河孤山水文站以上流域为农村面源污染控制研究与工程示范区。该区是一个封闭的中小流域，总面积322平方公里，区内有一条常年性河流，河两岸是主要的农业生产和农村生活区。示范区包括一个乡，共有人口1.2万人。区内人口较为密集、生产生活活动较为频繁、土地利用程度较高，农业生产以小麦、水稻、玉米为主，具有显著的农村非点源污染的代表性。 [2] 主要技术路线和研究内容。 主要包括面源污染背景调查，即以流域单元的农业面源污染与水体响应调查，以生态单元为基础的化肥、农药迁移转化规律研究；灌区面源污染对地下水污染影响，即化肥对农田及地下水污染防治技术研究，农药在土壤、地下水和作物中的迁移规律及控制技术；农业面源污染对地表水环境的影响。 坚持以环境与农业的协调发展为核心；以人为本和以提高农民的自身能力为关键；控制面源污染同时构建技术支持系统和政策管理支撑系统；把握面源污染的复杂性、长期性和不确定性三个特征，以“水、土、肥”三个要素的综合控制为主线，在三个空间层次构建面源污染控制系统。三个空间层次结构水土流失控制区，主要通过植被恢复、合理的土地利用模式构建以及水土流失阻断工程措施等实现氮磷流失的长期和快速控制；二是在底山坪坝农业生产和农村生活区，主要通过综合手段实现农业废弃物循环或资源化利用，通过土地减肥等清洁生产，以及生活污水和初期雨水的收集和处理等实现区内的污染负荷减量控制；三是在沿河库区域的低洼地以及河岸带，通过构建各种因地制宜的生态隔离带和生态沟等实现污染物阻断和去除，建立污染物入河入库前的最后屏障。研究要坚持六项原则：“源头消减、资源回用、因地制宜、技术实用、优化管理、总量控制”。 依据以上系统控制方案，采用以下面源污染控制成套技术方案作为主要技术突破点：村镇生活污水氮磷污染控制技术、农村固体废物无害化处理技术、高山地氮磷控制技术、精准化平衡施肥技术、暴雨径流与农田排灌水污染控制技术、流域面源污染模拟与综合管理技术。 ⑶研究面源污染研究及面源污染模拟与控制决策支持系统。 对示范区内的总氮（TN）、总磷（TP）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、化学耗氧量（COD）、总悬浮物（TSS）等指标进行分析计算，确定面源污染对水体的影响和规律。 建立一个利用利用可视化编制技术、GIS空间信息技术、RS技术以及数据库管理技术的高度集成的面源污染模拟与控制决策支持系统。通过GIS的数据源，实测水质站的TN、TP、COD、BOD、NH3-N、TSS等水质参数和水文站的水位、流量、降水、泥沙等水文参数传输至信息中心计算机控制平台，经过分析处理后，再以一个准确的数据或图表通过网络平台传输给有关部门，为水资源的管理决策提供技术依据。 5．建立《南水北调中线水源区水资源与水环境信息系统》。 〔1〕建立南水北调中线水源区生态监测中心。 a．设立南水北调中线水源区水质监测站网与水土流失站网，目前已经设立了15个水质监测站；下一步还将设立21个水质监测站，其中3个多参数水质在线自动监测站，设立10个地下水水质量控制站、4个大气沉降监测站、7个水土流失观测站。实时反映南水北调中线水源区内的降雨、径流、水质、大气沉降、水土流失和地下水等等的动态变化过程。 b．建立一个南水北调中线水源区水质与水土流失监测移动实验室。 c．扩建十堰市水资源水环境监测中心。十堰市水资源水环境监测中心现有面积200平方米，该中心1997年获得“国家计量认证合格单位”（97）量认（国）字（G1637号），2002年通过国家计量复认证。根据《中华人民共和国计量法》、《中华人民共和国计量法实施细则》和《计量授权管理办法》，具备监测地表水33个参数、饮用水（含天然矿泉水、纯净水）26个参数、地下水25个参数、农田灌溉用水15个参数、渔业用水22个参数、废污水17个参数、降水10个参数、景观娱乐用水15参数。 为适应南水北调中心水源区生态监测的需要，计划将本监测中心扩建到600平方米，增加现场测试设备和室内测试设备。 〔2〕建立南水北调中线水源区水资源水环境信息系统。 为了便于水质信息资源的共享，水资源管理的决策，从部到省到市，将建立水环境信息系统。信息系统的组成由信息传输系统、信息管理系统和决策支持系统三大部分组成。 a．信息传输系统包括通讯系统、计算机网络系统（包括局域网和广域网）。 通讯系统和计算机广域网，依托国家防汛指挥系统的通讯和网络系统，在中心间和中心与自动监测站、移动监测站、国家级监测站、动态监测站之间建立有线或无线连接，实现实时通讯、信息采集和远程异地数据信息传输。 计算机局域网，用计算机将监测中心内部和管理办公及分析实验仪器相连接，以实现办公和实验分析管理自动化。 b．信息管理系统包括实验室信息管理系统、水环境信息数据库管理系统、信息处理与发布系统。 实验室信息管理系统，通过此系统软件和计算机网络对实验室分析仪器设备(包括异地远程仪器设备)运行和分析质量进行全过程监控，在则信息采集自动化、实验室管理自动化的基础，能够更快速、准确、可靠地提供水质分析数据和相关信息。 水环境信息数据库管理系统，按照“分级管理，资源共享”的原则通过信息传输系统建立起分布式水环境信息数据库，实现全流域信息的分布式存储和管理。 信息处理与发布系统，利用数据库技术、地理信息系统技术和互联网络对水环境监测数据信息进行加工、处理、分析、评价，对水质变化趋势进行预测和成因分析，并实现成果的快速传输、及时发布和实时查询。 c．决策支持系统包括预警预报系统、专家智能系统。 预警预报系统，通过对重点污染区域、突发性污染事故进行动态监测和水质模型分析，根据污染变化情况及时向有关部门发布污染信息和污染情况变化趋势。 专家智能系统，它是对预警预报系统的补充、深化和完善，通过智能化分析和专家系统对水环境状况进行深入的研究和分析，并提出解决问题的可行方案和途径。 通过南水北调中线水源区水资源水环境信息系统，让各级决策机构及时掌握南水北调水源区的水资源信息，为作好水资源调度决策提供科学依据。 四．项目投资筹措渠道 项目总投资包括前期研究总经费、示范工程项目建设费用、水质自动监测站建设费、信息系统建设费、运行费用等。 费用筹措主要从国家南水北调办公室争取项目经费和从省水利厅争取科技项目费用。 五．项目组织管理 1、十堰市水资源水环境监测中心组成技术小组，负责项目的研究，以大专院校为技术支撑，加强科技人员的培训，力争达到技术配套齐全，并落实到项目的每一个环节中去。 2、为保证项目建设的实施，成立领导小组和工作小组。加强项目的组织领导和协调工作，确保项目如期完成，并能起到良好的应用效应，为南水北调中线工程水源区的保护服务。 3、加强对项目专项资金的使用管理力度，项目做到专款专用，强化监督，确保项目的各个技术环节所需的资金如期到位，保证如期完成研究项目的技术经济指标和项目建设能取得预期各项效应。同时，加强对后期科技应用资金的投入，确保课题研究的应用。 4、本研究项目得到十堰市水文水资源勘测局领导的大力支持，工作人员有高级工程师工2人，工程师4人，助理工程师1，技师和高级技工2人，技术力量雄厚，相互协调，共同努力完成项目任务。 六．预期效果预测 本项目的经济和社会效应非常可观，既可以为十堰市的水资源保护提供科学的依据，以水资源的可持续利用支撑十堰市的社会经济可持续发展；又能够保护南水北调中线水源区的水质，确保“一库清水”和“一库净水”向北流，解决华北的水资源短缺问题。在全国大型水源地的保护中具有明显的创新意义和推广应用价值。 项目完成后，可以达到的预期效果是：南水北调中线水源区的水资源数量、质量状况一清二楚；南水北调中线水源区水资源开发利用状况一清二楚；南水北调中线水源区水资源水环境承载能力一清二楚；南水北调中线水源区水环境实时状况一目了然。 利用可视化编制技术、GIS空间信息技术、RS技术以及数据库管理技术的高度集成的面源污染模拟与控制决策支持系统，通过GIS的数据源，实测水文数据、水质数据、水土流失数据、大汽沉降数据和地下水数据等参数传输至信息中心计算机控制平台，经过分析处理后，再以一个准确的数据或图表通过网络平台传输给有关部门，为各级决策机构和有关部门提供及时、准确、可靠的南水北调水源区的水资源水量、水质信息、水土流失信息、大汽沉降信息和地下水信息，为决策机构做好水资源调度决策提供技术支撑和科学依据。 本研究项目完成后，可带来十分可观的社会经济效应,并且对大型水源地的保护可起到示范作用，具有广阔的应用前景。
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