跨境河流环境应急拦污坝及配套纳污湿地建设探讨

高生旺,李萌*,郝爱民,朱建超,刘晓宇,夏训峰，雒新萍

1.中国环境科学研究院 2.生态环境部机动车排污监控中心

随着我国经济的快速发展，生产领域不断扩大，水环境污染事故频繁发生。我国有多条跨境河流[1]，跨境河流一旦发生污染事故，则会影响到其下游国家，引发国际纠纷。我国历来高度重视跨国水环境污染问题并积极采取措施应对。2005年，我国吉林松花江污染事故[2-3]是首次重大跨国环境污染事件，为跨境河流污染事故的应急防范敲响了警钟。2014年12月29日，国务院办公厅印发了《国家突发环境事件应急预案》(国办函〔2014〕119号)。根据该预案，我国突发环境事件共分为4级，从重到轻依次为特别重大突发环境事件、重大突发环境事件、较大突发环境事件和一般突发环境事件，其中“造成重大跨国境影响的境内突发环境事件”为特别重大突发环境事件情形之一。可见，污染较为严重的跨国突发环境事件很容易成为最高等级的特别重大突发环境事件。

鉴于跨境河流的极端重要性和新形势下面临的日益突出的水环境风险问题，严防跨境河流突发环境事件的发生，提高流域水环境风险管理水平，确保跨境河流水质绝对安全，对全力维护我国与邻邦国家边境地区的稳定具有十分重要的战略意义。加强跨境河流水环境污染事故的风险应急保障，改善跨境河流的水环境安全状况，实现下游出境断面水质持续稳定，是落实党和国家生态文明建设总体部署的具体体现，是实现跨境河流生态系统健康发展的重要措施。笔者以某跨境河流为例，分析其可能突发的水污染事故风险情况，提出环境应急拦污设施及其配套纳污湿地工程方案，并对该方案处理突发水污染事故的效果进行模拟，以期为跨境河流突发环境事故的应急提供参考。

1 环境应急拦污设施方案

1.1 设计思路

水污染事故主要是由事故(如车辆或危险化学品交通运输过程中的事故、污染物储存设施破坏、污水管道破裂、污水处理厂事故排放、尾矿库垮坝等)，人为破坏，极端自然现象(如地震、大暴雨)等引起的一处或多处污染泄漏等造成，其特点主要表现为：1)不确定性，即发生的时间和地点、事故水域性质、污染源、危害等的不确定；2)流域性，河流具有流域属性，水体被污染后呈条带状，危害容易被放大；3)影响的长期性和处理的艰巨性，突发性水污染事故处理涉及因素较多，且事发突然，危害强度大，必须快速、及时、有效地处理，否则将对当地的自然和生态环境造成严重破坏，甚至对人体健康造成长期影响，需要长期的整治和恢复；4)应急主体不明确，许多突发性水污染事故不能被人们直接感知且污染物随流输移，造成“事故现场”的不断变化，在输移扩散过程还可能因为各种水力因素的作用而产生脱离，出现多个污染区域[4-6]。不管突发性水污染事故发生在水域还是陆地都会对周围的生态环境、社会环境甚至居民健康造成严重的影响[7]。因此，做好水环境突发性污染事故的预防、应急监测、应急处理及善后工作[8]，针对流域水环境风险源及流域水文状况，建立快速高效的应急处置设施，可最大限度地保证突发性水污染事故对流域生态环境的破坏，保护居民的生命健康，促进经济的持续、稳定发展。

由于一些跨境河流现有水环境风险防控与应急救援能力较薄弱，面对新形势下日益严峻的水环境风险问题，以及跨境河流的极端重要性，亟需提高流域水环境风险整体防控与应急救援能力[9-11]。流域水环境风险防控的要点是建立流域三级风险防控体系：1)基于流域范围内的污染源分布现状，建设或完善环境风险等级较大以上企业环境风险防控设施；2)针对危险化学品运输等环节，制定环境风险防范措施；3)针对环境风险的不确定性、突发性、危害严重等特点建设环境应急拦污设施[12]，作为流域环境风险防范的最终保障措施，并配套建立流域水工构筑物整体调度应急管理系统，以最大限度发挥拦污坝的作用。

水污染事故发生时，河流流量增加对相对急剧增高的污染物浓度的稀释能力十分有限。因此要求在设定的流量条件下实现河流水质达标，有必要建设环境应急拦污设施，通过建设拦污坝对污染团或污染带进行拦截，同时配套建设湿地处理系统，通过重力流将受污染的河水导入流域外可利用的天然或人工湿地，对拦截的污水进行适当处理后再排入下游河流水体，以减轻事故发生时产生的污水对下游水环境的影响，保证下游水体的水质安全，同时为采取其他应急措施争取时间[13-14]。环境应急拦污设施不同于其他水利工程，在设计时要突出风险防控、生态调度、湿地恢复、综合效益4个方面，并以此作为其设计指导思想。环境应急拦污设施的设计思路：首先，考虑在可能发生水环境风险事故处确定合适的坝址位置，合理的坝型及坝高等；其次，选择能够起到暂存截留污水功能的配套纳污湿地位置及纳水量等，并考虑在不发生事故时能够对天然或人工湿地进行水资源补给，以保护和恢复湿地功能[15]；最后，环境应急拦污设施可能拦污流量的考虑不同于其他水利设施考虑的极端水文状况，而是考虑当水环境风险事故发生时对下游水环境造成最大影响的状况。

1.2 设计原则

环境应急拦污设施设计过程中，应突出风险防范、跨境截污、境内治污和湿地保护原则，即“防、截、治、保”4个设计原则。1)防：针对各类固定风险源和移动风险源，确定敏感河段和敏感污染物，除从源头提高污染物风险管理水平和风险事故应急抢险能力外，区域应制定有针对性的全流域水工建筑物风险调度方案，利用各类水工建筑物蓄、泄水量控制风险事故排放污染物的影响范围、历时、强度，提升区域整体水环境风险调控能力。2)截：确保污染不出行政区界和国境，一方面各行政区界应确保污染物不影响下游，另一方面通过修建拦污设施和配套纳污湿地工程，提升区域水环境风险污染物的处置能力，确保污染物在国境内被清除。3)治：利用截污设施及配套纳污湿地工程形成的雍水水面和停留时间，为采取措施快速消除污染物危害和超标影响提供时间，尽可能防止污染物传输出境。4)保：既要防止兴建工程对湿地造成不当影响，又要利用工程为湿地补水，体现工程生态效应，使湿地保护在体现自然净化能力的同时，提升保护水平，恢复湿地功能。

2 环境应急拦污设施设计要点

环境应急拦污设施主要包括拦污坝和配套纳污湿地两部分，其中拦污坝主要起到纳水功能，即当突发环境污染事件发生时，暂存应急拦污设施启动后拦截的污水，为污水的应急处理提供场所，避免被阻隔的污水肆意蔓延扩散污染。配套纳污湿地主要起到生态功能恢复作用，通过不定期的升降拦截坝，留足生态用水，作为水源导入天然湿地，为湿地补水，防止湿地退化，保护好出境河流的自然生态系统，使湿地发挥更好的生态效应。

2.1 拦污坝设计

2.1.1坝址选择

进行拦污坝坝址选择时，一方面应考虑流域风险污染源的分布情况，在污染源源头控制的基础上选择坝址；另一方面应考虑流域干支流水环境风险发生时的薄弱环节和附近有无建设配套湿地的场址；同时尽量节省投资。综合考虑河道形态、河岸地形及土地利用情况，在距离风险源较近且风险防范措施较薄弱之处建设应急拦导工程，突发环境事件发生时能迅速反应，将污染团或污染带拦截并导流至河道外，最大限度地减缓对下游水体的污染。同时，拦污坝尽可能地考虑设置在支流汇合口的上游处，以便进一步降低应急拦污对下游水生生物的影响。

2.1.2最优坝型选择

结合出境河流流域的自然环境特点及应急功能的需求，研究比选出最优的坝型，从而快速、及时、有效且经济地对突发事故污水进行拦截及处理，是拦污坝设计中的重要内容。拦污坝坝型的选择应遵循以下基本原则：1)成本低，投资省；2)结构坚固可靠，使用寿命长；3)尽量减少对河流泄洪的影响；4)具有独特的河水应急净化功能，坝形美观。另外，作为环境应急设施而言，选择坝型时还需考虑设施能迅速启停、对环境气温适应度高、对上游水位调节灵活等要求。

2.1.3最低坝高确定

坝高的确定目的是提供足够的水头，使受污染的河水能快速通过重力流排入可利用的湿地，因此，坝高和湿地的高程差非常重要。坝高的控制受到来水水量的影响，过低的坝高不能有效拦截来水，会造成受污染水流通过溢流排入下游，起不到有效拦截污染水团或污染带的作用；由于出境河流往往水流量较大，过高的坝高会使拦截的河水量随着时间的推移而增大，使坝的拦污有效性降低。因此，在确定拦污坝高时将以最低坝高为设计原则，其在拦污时造成的雍水水面将降至最低，以减少应急时对淹没区的环境影响。

2.2 配套纳污湿地设计

配套纳污湿地设计时，既要考虑尽可能避免兴建工程对周围环境造成不良影响，又要考虑最大限度地发挥湿地的生态效应。配套纳污湿地的设计主要包括湿地应急处理系统、湿地生态补水工程两方面。在湿地应急处理系统设计时，根据工程区土地利用现状，将其建设为独立的湿地净化单元，同时利用现有地形走向，对其分别进行微地形改造与植物种植或补植，提高湿地的污染净化能力；在湿地生态补水设计时，需考虑现场实际情况，不定期开启拦污坝向湿地进行生态补水，使湿地内植物良好生长，并使不同净化单元连通以保持良好的生态功能，有效发挥湿地的生态效应。

2.3 配套应急措施

突发污染源具有不可预测性因素、反应时间短、发生概率低但危害大等特点，其防治和消除较难。但若配套有效的河流突发污染源应急防控措施，可提升拦污坝及其配套纳污湿地的处置能力和效率。

根据风险源的类型、可能的污染物种类，分析可能产生的水污染事故的急性程度，设置引水渠或纳污池，配备一定量的应急物资如应急吸附填料、pH调节试剂、絮凝剂等。一旦发生急性较强的水污染事故，可以在事故水被引入湿地前，通过在引水渠或纳污池中投加相应处理污染物的应急物资，对污染物进行应急处理，大幅削减事故水对湿地的影响。

2.4 低环境影响要求

拦污坝仅在发生水污染事故应急时使用，启用的概率很低，拦污坝日常应起到为湿地生态补水的作用。跨境河流及其支流两岸往往存在湿地退化现象，在保证下游水生生物生态需水量的前提下，日常适当启动拦污坝对湿地进行补水，以恢复湿地功能，增加湿地生物多样性及提高其整体纳污能力。

拦污坝作为水工构筑物，日常不应给河道泄洪带来影响。由于应急时持续时间短，对淹没区的植被等影响总体不大，该影响基本等同于每年或多年出境河流洪水造成的淹没对两岸植被产生的短期影响。在区域三级风险防控措施的协同作用下，较短的应急持续时间对拦污坝下游的水生动植物产生的影响是可以接受的。

2.5 运行工况

我国跨境河流流域气温季节变化较大，丰、平、枯水期明显，因此，要设定合理的运行工况，确保拦污坝和配套纳污湿地正常运行。由于应急拦污坝的启用概率很低，因此运行工况的水量设定不考虑极端天气和洪水期的水量，而是以河流全年出现频次较高的流量作为设计污水量。为保护行洪安全，在汛期洪水来临前要尽量放下拦污坝；非汛期或者河流水量较小时，可适当升起拦污坝，为配套纳污湿地补水，恢复湿地的生态功能；加强河流涵养水源与调蓄洪水的能力，进一步保护跨境河流周边的自然生态系统，在鱼类繁殖和洄游时期，可放下拦污坝，不对鱼类洄游产生影响[16]。

配套纳污湿地的设计尽量利用大块闲置的天然湿地或沙地，减少工程建设对自然环境的破坏。结合现有湿地的面积与可能发生水污染事故时对污染物去除的需要，适当地补种一些不会威胁当地生物物种的净化型植物，通过湿地的过滤与植物净化作用，将水环境风险降到最低。根据突发污染物浓度及类型的不同，可适当调节污染物在湿地内的停留时间，增加污染物的去除量。

3 跨境河流环境应急拦污设施设计案例

以我国西北地区水量较为丰富的某跨境河流为例，进行环境应急拦污设施设计。该跨境河流在我国境内干流总长为593 km，共有支流70余条，流域面积约为5.7万km2，年径流量为119亿m3。该河属于季节性融雪补给为主的河流，径流年内变化显著，前汛期5—6月约有85%的水量由融雪补给，后汛期7—8月约有50%的水量由雨水补给，汛期水量占全年水量的72%～83%。河岸的生态系统类型以草地、荒漠和森林为主。

该河流流域内分布着水闸、泵站等大量的水利设施，可以在突发水环境污染事故时起到拦污和水量调节的作用。但在河流下游至出境前约50 km范围内未建设水利设施，且在此范围内存在固定风险源和移动风险源。拟通过建设环境应急拦污设施，提高该河流域水环境风险的防范能力。当环境污染事故发生时，将被污染的河水通过拦污坝拦截至配套纳污湿地进行处理，最大程度地降低污染物浓度，之后再流入下游河道，以确保下游出境河流的水质安全。

3.1 水环境风险源确定

根据现场调研，该河流涉水的主要环境风险源包括固定源和移动源，即涉重金属的采选冶炼企业和有危险化学品运输的道路。其中，固定源主要来源于支流的几家尾矿库企业，主要风险物质为砷、汞、镉等重金属，此类风险物质可通过上游水库的统筹调蓄及三级防控体系得到控制，而剩余少部分进入下游的固定风险物质拟通过应急强化处理和湿地工程去除。移动源主要为沿该河干流分布的某省道及支流上的几座跨河桥梁，可能运输的危险化学品主要有柴油、汽油等石油类及氰化钠，以及少量酸碱等，可能产生的风险事故为运输危险化学品的车辆在沿河干流或跨河桥梁上翻入河道。柴油、汽油等石油类污染可通过配套应急截污净化屏和湿地净化工程去除，而氰化物和少量酸碱等拟通过应急强化净化和湿地工程去除。

3.2 工程选址

该河流环境应急拦污设施包括拦污坝及配套纳污湿地两部分。工程地址的选择非常重要，根据该河流风险防范现状、两岸地形及土地利用、河岸退化湿地或荒漠地面积等因素，提出2个选址方案(图1)。方案一位于湿地保护区外，该址右侧土壤类型为草甸土和林灌草甸土，草地资源类型为人工草地；左侧土壤类型为风沙土和棕钙土，草地资源类型主要为芦苇及少量具盐豆木伴生的芨芨草；两侧主要为退化的荒漠，种植有少量面积的防风固沙林。方案二位于湿地保护区上游200 m处，该址两侧土壤类型为风沙土与林灌草甸土，草地等级为三等草地，种植有以芦苇、沙拐枣、沙蒿、大赖草为主的植物；两侧主要为退化的荒漠。

图1 应急拦污设施及配套纳污湿地工程选址示意Fig.1 Schematic map for the site selection of environmental emergency interception dam with constructed wetlands

对2个方案进行比选，结果表明：方案一既能防范主河道可能出现的突发环境事件，又能抵御支流可能的突发污染事故，还可通过支流水库的统一调度为下游河道补给流量，从而避免下游断流导致河流生物受到严重威胁，且工程投资更节省；方案一的河滩面积是方案二的5倍多，可用于建设湿地的面积较大，且湿地面积能够满足要求；方案一坝址距离现有道路较近，可节省到达现场抢救的时间。因此，综合考虑，推荐方案一为优选方案。

通过数字高程模型(DEM)进行坝址的集水区域分析，确定集水流域范围(图2)。由确定的坝址做出本工程的集水区域，再根据集水区域分析可能淹没的区域。由图2可见，若只考虑地形因素，湿地的选择需在淹没区域范围内。由于配套纳污湿地工程所需面积较大，方案一有大片面积可为湿地建设所用，因此选择方案一为最终确定坝址方案。

注：绿色为可能淹没区域；灰色为不能淹没区域。图2 基于DEM的集水区域计算结果Fig.2 Calculating results of catchment area based on DEM

3.3 拦污坝设计

3.3.1坝型

该河流流域所在地区属温带大陆性寒冷气候，夏季干热，冬季严寒，降水量少，蒸发量大，昼夜温差大。由于应急拦污坝需要实现快速启停等功能，综合考虑拦污坝的设计原则，分别对比了液压升降坝、钢坝闸、橡胶坝、气动盾形闸的优缺点，结合河流所在地区的环境特征，确定液压升降坝为最优坝型。

液压升降坝具有以下特点：1)可适用于严寒地区，开启高度可以任意调整，可以实现分次破冰，达到防凌汛的目的；2)使用液压控制分扇控制闸门，实现升坝拦水、降坝泄洪和调节水量、水质的目的；3)泄洪区位采用全滑动支撑杆支撑活动闸门面板，构成稳定的支墩；4)采用液压缸带动限位闭锁机构，达到固定拦水、活动降坝的目的；5)采用浮标或超声波开关控制液压系统，实现无人管理和闸门自动升降；6)通过物联网大数据技术对其进行远程控制，根据上游来水的变化，自动匹配河水应急污染治理、泄洪排涝、调节水资源等需求方案，实现一控多管。

3.3.2坝高

根据GB 50201—2014《防洪标准》、SL 252—2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》、GB 50286—2013《堤防工程设计规范》和SL 265—2001《水闸设计规范》等的规定，本工程为中型水闸，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物按3级设计，次要建筑物级别按4级设计，临时建筑物按5级设计；根据工程所处位置及工程等别并与该河段河道治理规划相协调，拦河建筑物工程防洪标准按照20年一遇洪水设计；施工期洪水采用非汛期5年一遇洪水标准；根据GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》，工程区地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.4 s，相应的地震基本烈度Ⅵ度，采用设计烈度为Ⅵ度；混凝土、钢筋的强度与弹模根据SL 191—2008《水工钢筋混凝土结构设计规范》。混凝土设计强度等级采用28 d强度，混凝土抗渗强度等级不低于W4，混凝土抗冻强度等级为F200，水工建筑物主体工程临水部分混凝土强度等级不低于C30。

按照20年一遇防洪标准和河道防洪工程设计的要求，结合河道设计河底高程和现状河道淤积情况，将闸底板高程定为高于原河床淤积高度0.5 m，选定液压坝净宽为120 m，过水断面不减小原设计河道断面。通过DEM做集水流域分析，确定坝高与淹没面积的关系：坝高为1.3 m时，淹没面积为119 km2；坝高为2.3 m时，淹没面积为171 km2；坝高为3.3 m时，淹没面积为195 km2。因此，综合考虑拦截流量、坝高、淹没面积及配套纳污湿地等方面因素，确定工程设计液压升降坝的坝高为3.3 m。

3.4 配套纳污湿地设计

在拦污坝址处建设在线水质监测站，一旦监测到水质超标，立即开启大坝拦水，将河水引至所建的配套纳污湿地进行处理，待水质降至正常水平时，关闭拦水大坝。考虑到突发污染团的污染量，设计拦水规模为3 h河流径流量(80%保证率)，依据此径流量，结合河流的环境条件、水质改善需求提出湿地设计参数(表1)。

表1 某河流纳污湿地设计参数

由表1可知，湿地面积为10 000 hm2，处理水量为324万m3，有效容积为1 500万m3，水力负荷为0.1 m3/(m2·d)。相对于处理水量来说，湿地面积足够大，因此水力停留时间可根据实际来水情况适当延长。为降低事故水对湿地环境的影响，在进入荒漠的前端增设应急强化处理单元，采用物理/化学的方法对事故水进行紧急处理，削减事故水中污染物浓度。保留河道两岸现有的芦苇湿地系统，进行局部补植，将现有的天然水塘建设成为净化单元的厌氧氧化塘，发挥沉淀、截留大颗粒污染物等作用。在河道两岸外的大片荒漠地种植大赖草和沙蒿等本地植物，逐步增加植物种类及数量，使荒漠土地恢复其湿地生态系统功能。

3.5 处理效率模拟

采用混合稀释扩散模型模拟分析，当水闸引水和纳污湿地处理规模达到300 m3/s时，污染物超标风险将从建闸前的97%降至16%；河流平均超过Ⅲ类水的时间将从25.2 h减至2.64 h，下降了90%；各项污染物的峰值浓度下降比例分别为：石油类94%、氰化物94%、砷94%、汞94%、镉94%、硫酸26%、硝酸26%、盐酸27%、烧碱11%(酸碱的削减以pH计算)。可见，环境应急设施的建设将会极大地提高该河流的环境风险防范能力，且在未发生水污染事故时该设施可起到引流和促使沿岸湿地修复的作用。

4 结论

(1)在出境河流干流和支流上建立应急拦污坝及其配套纳污湿地，对于流域范围内突发环境污染情况的控制非常有效，能够迅速拦截污染团向下游移动，有效地避免跨国境断面水质恶化而引起的国际纠纷。

(2)环境应急设施设计过程中，应突出风险防范、跨境截污、境内治污和湿地保护原则。环境应急设施主要包括拦污坝和配套纳污湿地两部分，需从坝址确定、坝型选择、坝高计算等方面对应急拦污坝进行设计，同时考虑配套纳污湿地与强化应急措施的选择与设计。

(3)以某跨境河流为例进行环境应急拦污设施的设计，该河流水环境风险源主要为固定的尾矿企业风险源和化学品运输移动风险源，通过比选，确定该河流湿地保护区外方案地址为环境应急拦污设施建设地址，选用液压升降坝为应急拦污坝的坝型；设计液压升降坝的坝高为3.3 m，配套纳污湿地面积为10 000 hm2，湿地处理水量为324万m3，湿地水力负荷为0.1 m3/(m2·d)。