刘翔教授 | 城市水环境综合整治工程原理与系统方法
时间：2019-11-21
来源：环境工程
作者：刘翔，等
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住房和城乡建设部海绵城市建设技术指导专家委员会委员，住房和城乡建设部科学技术委员会城镇水务专业委员会委员，住建部环境部城市黑臭水体整治专家库专家，中国环境学会土壤与地下水环境专业委员会理事、中国土木工程学会水工业分会排水委员会委员、国家重大水专项城市主题专家组副组长，国家长江生态环境保护修复联合研究中心总体专家组专家，环保部UNDP项目咨询专家，环保部国家环境保护工业污染场地及地下水修复工程技术中心专家委员会委员，北京市环境保护应急事件处理专家组顾问专家，江苏省环保产业技术创新联盟技术委员会委员等。主要研究方向城市水污染控制与水环境整治、再生水风险控制与安全利用、土壤/地下水污染控制技术与理论等。负责国家及省部级研究课题50余项，指导研究生及博士后60余人，发表学术论文120余篇(其中SCI收录80余篇)，获得省部级以上科技奖励8项，获得国家授权发明专利20余项。
刘 翔 清华大学环境学院 教授 博士生导师
研究背景
城市水环境综合整治是我国水环境保护领域的重要工作，也是许多城市面临的重大问题。我国2015年出台的《水污染防治行动计划》(“水十条”)就明确提出治理城市黑臭水体的目标，要求到2020年，地级及以上城市建成区黑臭水体控制在10%以内;到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除。习近平总书记在2018年全国生态环境保护大会上强调：“要深入实施水污染防治行动计划，基本消灭城市黑臭水体，还给老百姓清水绿岸、鱼翔浅底的景象”。为促进城市黑臭水体治理工作全面推进，2018年，生态环境和住房与城乡建设部联合开展专项督察工作;财政部、住房与城乡建设部、生态环境部共分三批确定了60个城市为黑臭水体治理示范城市;同时，在推进我国海绵城市建设的任务中，也明确提出了关于城市水环境整治的具体目标要求。上述行动都表明了我国开展城市水环境综合整治工作的迫切性和重要性。
一般而言，城市水环境整治任务总体可以分为3类：污染治理、水质改善和生态恢复，三者各有侧重又有关联，也可以说是代表了城市水环境管理的3个阶段。污染治理主要是针对城市高强度、超负荷的污染排放引起的城市水体严重污染问题，通过控源减排等工程措施实现减轻水体污染状况的目的，这类任务以城市黑臭水体治理为典型;水质改善是在开展污染治理的前提下，辅以水体净化、补水活水等技术手段进一步改善水质，以期达到较好水环境质量的目标，这类任务目前多以满足一定水环境质量标准为特征;生态恢复则是在实现水环境质量改善的基础上，借助水生态修复和重构等综合方法，逐步恢复水生态系统和提升城市水环境的景观效果，实现城市水体的亲水、娱乐功能，这类任务则以创建城市水生态文明为标志。
通过解析城市水体污染的原因，探索城市水环境整治的工程原理和技术路线，梳理水环境整治技术的实用性和有效性，进而提出城市水环境综合整治的系统方案编制方法和适用技术体系，可为科学、合理、客观地编制城市水环境综合整治系统方案提供参考。
一 摘 要
通过对城市水环境综合整治目标与需求的梳理，从宏观尺度上分析了城市水环境整治的工程原理，提出了解决城市水环境整治的工程途径和技术方法，根据各类治理技术的对象和功能，构建了城市水环境整治技术体系，为不同适用技术的选择提供了理论指导，并基于工程原理与解决途径提出了城市水环境综合整治系统性方案的编制方法。
二 城市水体污染治理工程原理
城市水体污染主要问题
城市水体作为城市生态空间的构成要素和城市水循环系统的关键载体，也是城市污染物排放的主要受纳体。引起城市水体污染的主要问题有：
高密度的人口聚居、高速度的城市发展、高强度的城市生活与工业生产是产生高通量污染负荷的根本来源。
城市水环境基础设施的规划与建设滞后于城市发展的需求，导致城市污水收集与处理的能力不足，部分污水未经处置直接排放。
城市雨污水管网长期疏于维护管理，管网功能性和结构性缺陷问题严重，导致污水实际收集效能远低于表观数据，同时也大大降低了污水处理设施的实际减负效果。
城市雨水径流排放缺乏合理有效的组织和管理，未能充分发挥绿色设施的减排作用，致使城市面源污染问题未得到有效控制。
城乡结合部和城中村的生活污染问题未引起足够的重视，缺乏有效的管理和处置而成为分散式污染源，而且负荷通常都很高。
宽水面、大水深的传统型城市河道整治和水景观建设方式，导致水体流动性差、生态基流严重不足，致使水体自净能力大幅减弱。
河床和堤岸硬化以及梯级闸坝拦截阻断了水生和陆生生态系统的联系，导致水体生态功能严重退化甚至丧失。
水体流动迟缓甚至滞流，水动力条件极差，局部水域易产生污染累计，同时导致淤积问题严重，是水体内源污染的来源。
上述问题在我国许多城市中是普遍存在的，也是困扰城市水环境综合整治的难题。这些问题的交织并存也决定了城市水污染控制和水环境整治工作的复杂性和长期性。
水体治理工程原理与解决途径
从本质上说，城市水体遭受污染而引起水质恶化的根本原因是域内进入水体的污染负荷总量超过了水环境的现状承受能力，即剩余环境同化容量(residual water environmental assimilative capacity，本文中简称“环境余量”)，因而治理城市水体污染问题进而恢复良性水环境状况的工程原理则是保证输入水体的污染物负荷量不超过水体的环境余量，从而使得水体的水质状态保持平衡，并维持健康而稳定的水环境质量。那么，当输入的污染物负荷总量超出水体环境余量时就会导致水体的水质恶化，根据式(1)所提出的物质平衡原理，城市水体整治的实施的3种途径的平衡状态示意图见图1所示。
图1 城市水环境整治工程原理与解决途径示意
三 城市水环境整治适用技术
根据城市水环境整治工程原理与实施途径分析，适用于城市水体整治工作的技术方法可以分为两类：能够削减污染物输入负荷量的控源减负技术和可以提升水体环境余量的提质增容技术。
2015年8月，由住房城乡建设部和生态环境部(原环保部)联合发布的《城市黑臭水体整治工作指南》中列举了4大类12项适用技术，其中的控源截污和内源治理2大类为控源减负技术属性，而生态修复和其他(活水保质)2大类则为提质增容技术属性。
控源减负技术
输入城市水体的污染物可以根据其来源分为点源、面源和内源三类，而控源减负技术削减水体污染物输入负荷的方式则可以分为在源头控制污染物的产生和在过程中阻止污染物排放进入水体两种。针对污染物产生的来源和污染负荷削减的方式，城市水环境整治控源减负技术汇总如表1所示。
表1 城市水环境整治控源减负技术
提质增容技术
水体环境同化容量的核算是一项复杂而困难的任务，受到水体水文特征、水力学特性、水生态环境、地理和气候因素、季节变化、人工干扰以及水体控制目标设定等因素的影响，通常会因某些因素的变化而发生变化;而环境余量是指水体针对某类污染物在现状浓度水平之上达到与目标控制浓度相平衡状态还可合理容纳多余该类污染物输入的量值。
因此，提量增容技术实现提升水体环境余量可以有两种方式：1)通过水体净化、旁路处理、补水换水等措施降低现状本底浓度以增加静态余量;2)通过生态修复、曝气增氧、水动力改善等措施提升水体自净能力以增加动态余量。城市水环境整治提质增容技术汇总如表2所示。
表2 城市水环境整治提质增容技术
城市水环境整治技术体系
城市水体控源减负和提质增容两大属性的技术类型构成了城市水环境整治的技术支撑体系，结合整治技术应用的对象和实施功能进行分类，形成城市水环境整治技术体系如图2所示。
图2 城市水环境整治技术体系示意
四 城市水环境整治系统方案
城市水环境整治方案编制思路
在《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》提出了“系统治理、有序推进，多元共治、形成合力，标本兼治、重在治本，群众满意、成效可靠”的整治方案编制的基本原则，较为全面地诠释了城市水环境整治方案编制的目标、思路、方法和实施方式。
通过分析工程原理和解决途径，城市水环境整治的技术途径有3种，但通常都采用控源减负和提质增容协同作用的方式(即途径3)来实现城市水环境整治目标。如何确定合适的平衡点作为水体整治方案的设计基准，就成为城市水环境综合整治系统方案编制的关键。
城市水环境整治方案系统策划
通过对城市水体污染物输入负荷与环境余量平衡状态的讨论以及解决途径的分析，获得了城市水环境整治系统方案的编制方法，但在实际应用过程中仍有若干问题需要厘清。
首先是计算时间的选取，许多案例在编制系统方案时，以年均值计算污染物输入负荷和环境余量，这种方法是不科学的。因为无论是污染物输入负荷、还是水体环境余量都是呈现季节性变化的，甚至于每日都有波动。因此美国在《清洁水法》中采用最大日负荷总量(TMDLs，total maximum daily loads)法作为水体水质目标管理的方法，其核心就是在满足水质标准的条件下，水体能够接受的某种污染物的最大日负荷量，同时要考虑安全临界值和季节性变化，采取适当的污染控制措施来保证目标水体每日均能达到相应的水质标准。目前，我国的大多数城市在基础信息的掌握、监测数据的积累以及设计参数的选取等方面都难以支持参照TMDLs的方式对城市水体做出按日计算污染输入负荷和环境余量，可以选择几种典型状况(例如旱季晴天、雨季晴天、雨季雨天等)代表时段(日)，采用情景设计的方式计算污染输入负荷和环境余量，并选取最大差值情景(最不利状况)作为系统方案设计的依据，这样可以保证水体在常态情况下全年满足水质目标要求，见图4a。
其次是控制断面的确定，水体(尤其是河流性水域)控制断面的位置对污染输入负荷和环境余量的计算结果影响很大，若要保证全域水体满足水质目标要求，可以选择几类特征断面(例如水体流态最差点、距离控制措施最远端、最大污染负荷输入点等)分别计算污染输入负荷和环境余量，取最不利位置作为设计依据。若水体过大过长、或是条件差异性过大，则应考虑分段计算和设计，再综合形成水体整治系统方案，见图4b。
图4 城市水环境整治方案动态变化示意
五 讨论与展望
城市水体是一类受到人类活动强烈影响、甚至是完全人工化的水生态系统，同时又会对城市环境和人类活动空间产生重大影响，因此城市水环境整治必然是一项复杂而艰巨的长期任务，在实践过程中不仅要遵循科学规律，还要兼顾社会影响，要坚持系统理念的统筹和做好顶层设计的谋划。在目标上做好水质管理和社会需求的兼顾，在推进上做好消除污染和长制久清的结合，在方案上做好系统策划和因地制宜的统一，在方法上做好控源减负和提质增容的协调，在措施上做好工程治理和运维管理的衔接，以保障城市水环境整治方案的系统性、科学性、针对性和可操作性。
城市水环境综合整治系统方案是城市水体污染治理工作的依据和基础，目前对于其科学编制方法还缺乏足够的的技术支持，后续还应开展相应的基础性研究工作。
1)加强基础理论研究，规范环境余量计算方法。
环境余量的计算是水体整治系统方案设计的核心和关键，目前我国上缺少相应的理论研究和方法支持，也缺乏有关环境条件影响的定量分析和相关计算参数选取与复核的方法，难以保证计算的可靠性和准确性，也直接影响到系统方案的科学性和有效性。
2)加强基础信息的积累，提高污染物输入负荷计算的准确性。
当前关于污染物产生和输入水体的负荷量计算方式繁多，随意性也较大，关键在于基础条件和数据信息的掌握不够系统全面和客观真实，计算方法不够科学规范，计算参数大多采用经验数据，计算结果也缺乏实际验证。应推荐科学规范的计算方法，提出水质水量监测方法和数据获取的规范性要求和质量保证措施，推荐适宜的参数获取方法和率定要求，力求水体输入负荷量计算的准确性;同时加强对现有整治工程案例的监测和绩效评估，核定典型工程措施削减输入负荷量与设计参数的相关关系，从而保证工程措施设计的合理性和可靠性。
3)加强动态调整的探索，提升系统方案设计的精准度和合理性。
分析比较典型情景日输入负荷量及环境余量的变化特征，在选取最不利状况作为系统方案设计依据的基础上，针对几种典型情况提出整体系统方案的典型运行工况，在保证满足水质目标管理要求的前提下优化运行管理、降低运行成本，以提升城市水环境整治的精准度和合理性。
