劉翔教授 | 城市水環境綜合整治工程原理與系統方法
時間：2019-11-21
來源：環境工程
作者：劉翔，等
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住房和城鄉建設部海綿城市建設技術指導專家委員會委員，住房和城鄉建設部科學技術委員會城鎮水務專業委員會委員，住建部環境部城市黑臭水體整治專家庫專家，中國環境學會土壤與地下水環境專業委員會理事、中國土木工程學會水工業分會排水委員會委員、國家重大水專項城市主題專家組副組長，國家長江生態環境保護修復聯合研究中心總體專家組專家，環保部UNDP項目咨詢專家，環保部國家環境保護工業污染場地及地下水修復工程技術中心專家委員會委員，北京市環境保護應急事件處理專家組顧問專家，江蘇省環保產業技術創新聯盟技術委員會委員等。主要研究方向城市水污染控制與水環境整治、再生水風險控制與安全利用、土壤/地下水污染控制技術與理論等。負責國家及省部級研究課題50余項，指導研究生及博士后60余人，發表學術論文120余篇(其中SCI收錄80余篇)，獲得省部級以上科技獎勵8項，獲得國家授權發明專利20余項。
劉 翔 清華大學環境學院 教授 博士生導師
研究背景
城市水環境綜合整治是我國水環境保護領域的重要工作，也是許多城市面臨的重大問題。我國2015年出臺的《水污染防治行動計劃》(“水十條”)就明確提出治理城市黑臭水體的目標，要求到2020年，地級及以上城市建成區黑臭水體控制在10%以內;到2030年，城市建成區黑臭水體總體得到消除。習近平總書記在2018年全國生態環境保護大會上強調：“要深入實施水污染防治行動計劃，基本消滅城市黑臭水體，還給老百姓清水綠岸、魚翔淺底的景象”。為促進城市黑臭水體治理工作全面推進，2018年，生態環境和住房與城鄉建設部聯合開展專項督察工作;財政部、住房與城鄉建設部、生態環境部共分三批確定了60個城市為黑臭水體治理示范城市;同時，在推進我國海綿城市建設的任務中，也明確提出了關于城市水環境整治的具體目標要求。上述行動都表明了我國開展城市水環境綜合整治工作的迫切性和重要性。
一般而言，城市水環境整治任務總體可以分為3類：污染治理、水質改善和生態恢復，三者各有側重又有關聯，也可以說是代表了城市水環境管理的3個階段。污染治理主要是針對城市高強度、超負荷的污染排放引起的城市水體嚴重污染問題，通過控源減排等工程措施實現減輕水體污染狀況的目的，這類任務以城市黑臭水體治理為典型;水質改善是在開展污染治理的前提下，輔以水體凈化、補水活水等技術手段進一步改善水質，以期達到較好水環境質量的目標，這類任務目前多以滿足一定水環境質量標準為特征;生態恢復則是在實現水環境質量改善的基礎上，借助水生態修復和重構等綜合方法，逐步恢復水生態系統和提升城市水環境的景觀效果，實現城市水體的親水、娛樂功能，這類任務則以創建城市水生態文明為標志。
通過解析城市水體污染的原因，探索城市水環境整治的工程原理和技術路線，梳理水環境整治技術的實用性和有效性，進而提出城市水環境綜合整治的系統方案編制方法和適用技術體系，可為科學、合理、客觀地編制城市水環境綜合整治系統方案提供參考。
一 摘 要
通過對城市水環境綜合整治目標與需求的梳理，從宏觀尺度上分析了城市水環境整治的工程原理，提出了解決城市水環境整治的工程途徑和技術方法，根據各類治理技術的對象和功能，構建了城市水環境整治技術體系，為不同適用技術的選擇提供了理論指導，并基于工程原理與解決途徑提出了城市水環境綜合整治系統性方案的編制方法。
二 城市水體污染治理工程原理
城市水體污染主要問題
城市水體作為城市生態空間的構成要素和城市水循環系統的關鍵載體，也是城市污染物排放的主要受納體。引起城市水體污染的主要問題有：
高密度的人口聚居、高速度的城市發展、高強度的城市生活與工業生產是產生高通量污染負荷的根本來源。
城市水環境基礎設施的規劃與建設滯后于城市發展的需求，導致城市污水收集與處理的能力不足，部分污水未經處置直接排放。
城市雨污水管網長期疏于維護管理，管網功能性和結構性缺陷問題嚴重，導致污水實際收集效能遠低于表觀數據，同時也大大降低了污水處理設施的實際減負效果。
城市雨水徑流排放缺乏合理有效的組織和管理，未能充分發揮綠色設施的減排作用，致使城市面源污染問題未得到有效控制。
城鄉結合部和城中村的生活污染問題未引起足夠的重視，缺乏有效的管理和處置而成為分散式污染源，而且負荷通常都很高。
寬水面、大水深的傳統型城市河道整治和水景觀建設方式，導致水體流動性差、生態基流嚴重不足，致使水體自凈能力大幅減弱。
河床和堤岸硬化以及梯級閘壩攔截阻斷了水生和陸生生態系統的聯系，導致水體生態功能嚴重退化甚至喪失。
水體流動遲緩甚至滯流，水動力條件極差，局部水域易產生污染累計，同時導致淤積問題嚴重，是水體內源污染的來源。
上述問題在我國許多城市中是普遍存在的，也是困擾城市水環境綜合整治的難題。這些問題的交織并存也決定了城市水污染控制和水環境整治工作的復雜性和長期性。
水體治理工程原理與解決途徑
從本質上說，城市水體遭受污染而引起水質惡化的根本原因是域內進入水體的污染負荷總量超過了水環境的現狀承受能力，即剩余環境同化容量(residual water environmental assimilative capacity，本文中簡稱“環境余量”)，因而治理城市水體污染問題進而恢復良性水環境狀況的工程原理則是保證輸入水體的污染物負荷量不超過水體的環境余量，從而使得水體的水質狀態保持平衡，并維持健康而穩定的水環境質量。那么，當輸入的污染物負荷總量超出水體環境余量時就會導致水體的水質惡化，根據式(1)所提出的物質平衡原理，城市水體整治的實施的3種途徑的平衡狀態示意圖見圖1所示。
圖1 城市水環境整治工程原理與解決途徑示意
三 城市水環境整治適用技術
根據城市水環境整治工程原理與實施途徑分析，適用于城市水體整治工作的技術方法可以分為兩類：能夠削減污染物輸入負荷量的控源減負技術和可以提升水體環境余量的提質增容技術。
2015年8月，由住房城鄉建設部和生態環境部(原環保部)聯合發布的《城市黑臭水體整治工作指南》中列舉了4大類12項適用技術，其中的控源截污和內源治理2大類為控源減負技術屬性，而生態修復和其他(活水保質)2大類則為提質增容技術屬性。
控源減負技術
輸入城市水體的污染物可以根據其來源分為點源、面源和內源三類，而控源減負技術削減水體污染物輸入負荷的方式則可以分為在源頭控制污染物的產生和在過程中阻止污染物排放進入水體兩種。針對污染物產生的來源和污染負荷削減的方式，城市水環境整治控源減負技術匯總如表1所示。
表1 城市水環境整治控源減負技術
提質增容技術
水體環境同化容量的核算是一項復雜而困難的任務，受到水體水文特征、水力學特性、水生態環境、地理和氣候因素、季節變化、人工干擾以及水體控制目標設定等因素的影響，通常會因某些因素的變化而發生變化;而環境余量是指水體針對某類污染物在現狀濃度水平之上達到與目標控制濃度相平衡狀態還可合理容納多余該類污染物輸入的量值。
因此，提量增容技術實現提升水體環境余量可以有兩種方式：1)通過水體凈化、旁路處理、補水換水等措施降低現狀本底濃度以增加靜態余量;2)通過生態修復、曝氣增氧、水動力改善等措施提升水體自凈能力以增加動態余量。城市水環境整治提質增容技術匯總如表2所示。
表2 城市水環境整治提質增容技術
城市水環境整治技術體系
城市水體控源減負和提質增容兩大屬性的技術類型構成了城市水環境整治的技術支撐體系，結合整治技術應用的對象和實施功能進行分類，形成城市水環境整治技術體系如圖2所示。
圖2 城市水環境整治技術體系示意
四 城市水環境整治系統方案
城市水環境整治方案編制思路
在《城市黑臭水體治理攻堅戰實施方案》提出了“系統治理、有序推進，多元共治、形成合力，標本兼治、重在治本，群眾滿意、成效可靠”的整治方案編制的基本原則，較為全面地詮釋了城市水環境整治方案編制的目標、思路、方法和實施方式。
通過分析工程原理和解決途徑，城市水環境整治的技術途徑有3種，但通常都采用控源減負和提質增容協同作用的方式(即途徑3)來實現城市水環境整治目標。如何確定合適的平衡點作為水體整治方案的設計基準，就成為城市水環境綜合整治系統方案編制的關鍵。
城市水環境整治方案系統策劃
通過對城市水體污染物輸入負荷與環境余量平衡狀態的討論以及解決途徑的分析，獲得了城市水環境整治系統方案的編制方法，但在實際應用過程中仍有若干問題需要厘清。
首先是計算時間的選取，許多案例在編制系統方案時，以年均值計算污染物輸入負荷和環境余量，這種方法是不科學的。因為無論是污染物輸入負荷、還是水體環境余量都是呈現季節性變化的，甚至于每日都有波動。因此美國在《清潔水法》中采用最大日負荷總量(TMDLs，total maximum daily loads)法作為水體水質目標管理的方法，其核心就是在滿足水質標準的條件下，水體能夠接受的某種污染物的最大日負荷量，同時要考慮安全臨界值和季節性變化，采取適當的污染控制措施來保證目標水體每日均能達到相應的水質標準。目前，我國的大多數城市在基礎信息的掌握、監測數據的積累以及設計參數的選取等方面都難以支持參照TMDLs的方式對城市水體做出按日計算污染輸入負荷和環境余量，可以選擇幾種典型狀況(例如旱季晴天、雨季晴天、雨季雨天等)代表時段(日)，采用情景設計的方式計算污染輸入負荷和環境余量，并選取最大差值情景(最不利狀況)作為系統方案設計的依據，這樣可以保證水體在常態情況下全年滿足水質目標要求，見圖4a。
其次是控制斷面的確定，水體(尤其是河流性水域)控制斷面的位置對污染輸入負荷和環境余量的計算結果影響很大，若要保證全域水體滿足水質目標要求，可以選擇幾類特征斷面(例如水體流態最差點、距離控制措施最遠端、最大污染負荷輸入點等)分別計算污染輸入負荷和環境余量，取最不利位置作為設計依據。若水體過大過長、或是條件差異性過大，則應考慮分段計算和設計，再綜合形成水體整治系統方案，見圖4b。
圖4 城市水環境整治方案動態變化示意
五 討論與展望
城市水體是一類受到人類活動強烈影響、甚至是完全人工化的水生態系統，同時又會對城市環境和人類活動空間產生重大影響，因此城市水環境整治必然是一項復雜而艱巨的長期任務，在實踐過程中不僅要遵循科學規律，還要兼顧社會影響，要堅持系統理念的統籌和做好頂層設計的謀劃。在目標上做好水質管理和社會需求的兼顧，在推進上做好消除污染和長制久清的結合，在方案上做好系統策劃和因地制宜的統一，在方法上做好控源減負和提質增容的協調，在措施上做好工程治理和運維管理的銜接，以保障城市水環境整治方案的系統性、科學性、針對性和可操作性。
城市水環境綜合整治系統方案是城市水體污染治理工作的依據和基礎，目前對于其科學編制方法還缺乏足夠的的技術支持，后續還應開展相應的基礎性研究工作。
1)加強基礎理論研究，規范環境余量計算方法。
環境余量的計算是水體整治系統方案設計的核心和關鍵，目前我國上缺少相應的理論研究和方法支持，也缺乏有關環境條件影響的定量分析和相關計算參數選取與復核的方法，難以保證計算的可靠性和準確性，也直接影響到系統方案的科學性和有效性。
2)加強基礎信息的積累，提高污染物輸入負荷計算的準確性。
當前關于污染物產生和輸入水體的負荷量計算方式繁多，隨意性也較大，關鍵在于基礎條件和數據信息的掌握不夠系統全面和客觀真實，計算方法不夠科學規范，計算參數大多采用經驗數據，計算結果也缺乏實際驗證。應推薦科學規范的計算方法，提出水質水量監測方法和數據獲取的規范性要求和質量保證措施，推薦適宜的參數獲取方法和率定要求，力求水體輸入負荷量計算的準確性;同時加強對現有整治工程案例的監測和績效評估，核定典型工程措施削減輸入負荷量與設計參數的相關關系，從而保證工程措施設計的合理性和可靠性。
3)加強動態調整的探索，提升系統方案設計的精準度和合理性。
分析比較典型情景日輸入負荷量及環境余量的變化特征，在選取最不利狀況作為系統方案設計依據的基礎上，針對幾種典型情況提出整體系統方案的典型運行工況，在保證滿足水質目標管理要求的前提下優化運行管理、降低運行成本，以提升城市水環境整治的精準度和合理性。
