劉翔教授 | 城市水環(huán)境綜合整治工程原理與系統(tǒng)方法
時間：2019-11-21
來源：環(huán)境工程
作者：劉翔，等
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住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部海綿城市建設(shè)技術(shù)指導(dǎo)專家委員會委員，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)委員會城鎮(zhèn)水務(wù)專業(yè)委員會委員，住建部環(huán)境部城市黑臭水體整治專家?guī)鞂＜遥袊h(huán)境學(xué)會土壤與地下水環(huán)境專業(yè)委員會理事、中國土木工程學(xué)會水工業(yè)分會排水委員會委員、國家重大水專項(xiàng)城市主題專家組副組長，國家長江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)聯(lián)合研究中心總體專家組專家，環(huán)保部UNDP項(xiàng)目咨詢專家，環(huán)保部國家環(huán)境保護(hù)工業(yè)污染場地及地下水修復(fù)工程技術(shù)中心專家委員會委員，北京市環(huán)境保護(hù)應(yīng)急事件處理專家組顧問專家，江蘇省環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟技術(shù)委員會委員等。主要研究方向城市水污染控制與水環(huán)境整治、再生水風(fēng)險控制與安全利用、土壤/地下水污染控制技術(shù)與理論等。負(fù)責(zé)國家及省部級研究課題50余項(xiàng)，指導(dǎo)研究生及博士后60余人，發(fā)表學(xué)術(shù)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(xiàng)，獲得國家授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)。
劉 翔 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院 教授 博士生導(dǎo)師
研究背景
城市水環(huán)境綜合整治是我國水環(huán)境保護(hù)領(lǐng)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(biāo)，要求到2020年，地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體控制在10%以內(nèi);到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除。習(xí)近平總書記在2018年全國生態(tài)環(huán)境保護(hù)大會上強(qiáng)調(diào)：“要深入實(shí)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(jìn)城市黑臭水體治理工作全面推進(jìn)，2018年，生態(tài)環(huán)境和住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合開展專項(xiàng)督察工作;財政部、住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)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(jìn)我國海綿城市建設(shè)的任務(wù)中，也明確提出了關(guān)于城市水環(huán)境整治的具體目標(biāo)要求。上述行動都表明了我國開展城市水環(huán)境綜合整治工作的迫切性和重要性。
一般而言，城市水環(huán)境整治任務(wù)總體可以分為3類：污染治理、水質(zhì)改善和生態(tài)恢復(fù)，三者各有側(cè)重又有關(guān)聯(lián)，也可以說是代表了城市水環(huán)境管理的3個階段。污染治理主要是針對城市高強(qiáng)度、超負(fù)荷的污染排放引起的城市水體嚴(yán)重污染問題，通過控源減排等工程措施實(shí)現(xiàn)減輕水體污染狀況的目的，這類任務(wù)以城市黑臭水體治理為典型;水質(zhì)改善是在開展污染治理的前提下，輔以水體凈化、補(bǔ)水活水等技術(shù)手段進(jìn)一步改善水質(zhì)，以期達(dá)到較好水環(huán)境質(zhì)量的目標(biāo)，這類任務(wù)目前多以滿足一定水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為特征;生態(tài)恢復(fù)則是在實(shí)現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量改善的基礎(chǔ)上，借助水生態(tài)修復(fù)和重構(gòu)等綜合方法，逐步恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)和提升城市水環(huán)境的景觀效果，實(shí)現(xiàn)城市水體的親水、娛樂功能，這類任務(wù)則以創(chuàng)建城市水生態(tài)文明為標(biāo)志。
通過解析城市水體污染的原因，探索城市水環(huán)境整治的工程原理和技術(shù)路線，梳理水環(huán)境整治技術(shù)的實(shí)用性和有效性，進(jìn)而提出城市水環(huán)境綜合整治的系統(tǒng)方案編制方法和適用技術(shù)體系，可為科學(xué)、合理、客觀地編制城市水環(huán)境綜合整治系統(tǒng)方案提供參考。
一 摘 要
通過對城市水環(huán)境綜合整治目標(biāo)與需求的梳理，從宏觀尺度上分析了城市水環(huán)境整治的工程原理，提出了解決城市水環(huán)境整治的工程途徑和技術(shù)方法，根據(jù)各類治理技術(shù)的對象和功能，構(gòu)建了城市水環(huán)境整治技術(shù)體系，為不同適用技術(shù)的選擇提供了理論指導(dǎo)，并基于工程原理與解決途徑提出了城市水環(huán)境綜合整治系統(tǒng)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(tài)空間的構(gòu)成要素和城市水循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)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(fā)展、高強(qiáng)度的城市生活與工業(yè)生產(chǎn)是產(chǎn)生高通量污染負(fù)荷的根本來源。
城市水環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃與建設(shè)滯后于城市發(fā)展的需求，導(dǎo)致城市污水收集與處理的能力不足，部分污水未經(jīng)處置直接排放。
城市雨污水管網(wǎng)長期疏于維護(hù)管理，管網(wǎng)功能性和結(jié)構(gòu)性缺陷問題嚴(yán)重，導(dǎo)致污水實(shí)際收集效能遠(yuǎn)低于表觀數(shù)據(jù)，同時也大大降低了污水處理設(shè)施的實(shí)際減負(fù)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(fā)揮綠色設(shè)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(xiāng)結(jié)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(fù)荷通常都很高。
寬水面、大水深的傳統(tǒng)型城市河道整治和水景觀建設(shè)方式，導(dǎo)致水體流動性差、生態(tài)基流嚴(yán)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(tài)系統(tǒng)的聯(lián)系，導(dǎo)致水體生態(tài)功能嚴(yán)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(chǎn)生污染累計，同時導(dǎo)致淤積問題嚴(yán)重，是水體內(nèi)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(huán)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(huán)境整治工作的復(fù)雜性和長期性。
水體治理工程原理與解決途徑
從本質(zhì)上說，城市水體遭受污染而引起水質(zhì)惡化的根本原因是域內(nèi)進(jìn)入水體的污染負(fù)荷總量超過了水環(huán)境的現(xiàn)狀承受能力，即剩余環(huán)境同化容量(residual water environmental assimilative capacity，本文中簡稱“環(huán)境余量”)，因而治理城市水體污染問題進(jìn)而恢復(fù)良性水環(huán)境狀況的工程原理則是保證輸入水體的污染物負(fù)荷量不超過水體的環(huán)境余量，從而使得水體的水質(zhì)狀態(tài)保持平衡，并維持健康而穩(wěn)定的水環(huán)境質(zhì)量。那么，當(dāng)輸入的污染物負(fù)荷總量超出水體環(huán)境余量時就會導(dǎo)致水體的水質(zhì)惡化，根據(jù)式(1)所提出的物質(zhì)平衡原理，城市水體整治的實(shí)施的3種途徑的平衡狀態(tài)示意圖見圖1所示。
圖1 城市水環(huán)境整治工程原理與解決途徑示意
三 城市水環(huán)境整治適用技術(shù)
根據(jù)城市水環(huán)境整治工程原理與實(shí)施途徑分析，適用于城市水體整治工作的技術(shù)方法可以分為兩類：能夠削減污染物輸入負(fù)荷量的控源減負(fù)技術(shù)和可以提升水體環(huán)境余量的提質(zhì)增容技術(shù)。
2015年8月，由住房城鄉(xiāng)建設(shè)部和生態(tài)環(huán)境部(原環(huán)保部)聯(lián)合發(fā)布的《城市黑臭水體整治工作指南》中列舉了4大類12項(xiàng)適用技術(shù)，其中的控源截污和內(nèi)源治理2大類為控源減負(fù)技術(shù)屬性，而生態(tài)修復(fù)和其他(活水保質(zhì))2大類則為提質(zhì)增容技術(shù)屬性。
控源減負(fù)技術(shù)
輸入城市水體的污染物可以根據(jù)其來源分為點(diǎn)源、面源和內(nèi)源三類，而控源減負(fù)技術(shù)削減水體污染物輸入負(fù)荷的方式則可以分為在源頭控制污染物的產(chǎn)生和在過程中阻止污染物排放進(jìn)入水體兩種。針對污染物產(chǎn)生的來源和污染負(fù)荷削減的方式，城市水環(huán)境整治控源減負(fù)技術(shù)匯總?cè)绫?所示。
表1 城市水環(huán)境整治控源減負(fù)技術(shù)
提質(zhì)增容技術(shù)
水體環(huán)境同化容量的核算是一項(xiàng)復(fù)雜而困難的任務(wù)，受到水體水文特征、水力學(xué)特性、水生態(tài)環(huán)境、地理和氣候因素、季節(jié)變化、人工干擾以及水體控制目標(biāo)設(shè)定等因素的影響，通常會因某些因素的變化而發(fā)生變化;而環(huán)境余量是指水體針對某類污染物在現(xiàn)狀濃度水平之上達(dá)到與目標(biāo)控制濃度相平衡狀態(tài)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(shù)實(shí)現(xiàn)提升水體環(huán)境余量可以有兩種方式：1)通過水體凈化、旁路處理、補(bǔ)水換水等措施降低現(xiàn)狀本底濃度以增加靜態(tài)余量;2)通過生態(tài)修復(fù)、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(tài)余量。城市水環(huán)境整治提質(zhì)增容技術(shù)匯總?cè)绫?所示。
表2 城市水環(huán)境整治提質(zhì)增容技術(shù)
城市水環(huán)境整治技術(shù)體系
城市水體控源減負(fù)和提質(zhì)增容兩大屬性的技術(shù)類型構(gòu)成了城市水環(huán)境整治的技術(shù)支撐體系，結(jié)合整治技術(shù)應(yīng)用的對象和實(shí)施功能進(jìn)行分類，形成城市水環(huán)境整治技術(shù)體系如圖2所示。
圖2 城市水環(huán)境整治技術(shù)體系示意
四 城市水環(huán)境整治系統(tǒng)方案
城市水環(huán)境整治方案編制思路
在《城市黑臭水體治理攻堅戰(zhàn)實(shí)施方案》提出了“系統(tǒng)治理、有序推進(jìn)，多元共治、形成合力，標(biāo)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(huán)境整治方案編制的目標(biāo)、思路、方法和實(shí)施方式。
通過分析工程原理和解決途徑，城市水環(huán)境整治的技術(shù)途徑有3種，但通常都采用控源減負(fù)和提質(zhì)增容協(xié)同作用的方式(即途徑3)來實(shí)現(xiàn)城市水環(huán)境整治目標(biāo)。如何確定合適的平衡點(diǎn)作為水體整治方案的設(shè)計基準(zhǔn)，就成為城市水環(huán)境綜合整治系統(tǒng)方案編制的關(guān)鍵。
城市水環(huán)境整治方案系統(tǒng)策劃
通過對城市水體污染物輸入負(fù)荷與環(huán)境余量平衡狀態(tài)的討論以及解決途徑的分析，獲得了城市水環(huán)境整治系統(tǒng)方案的編制方法，但在實(shí)際應(yīng)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(tǒng)方案時，以年均值計算污染物輸入負(fù)荷和環(huán)境余量，這種方法是不科學(xué)的。因?yàn)闊o論是污染物輸入負(fù)荷、還是水體環(huán)境余量都是呈現(xiàn)季節(jié)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(fù)荷總量(TMDLs，total maximum daily loads)法作為水體水質(zhì)目標(biāo)管理的方法，其核心就是在滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的條件下，水體能夠接受的某種污染物的最大日負(fù)荷量，同時要考慮安全臨界值和季節(jié)性變化，采取適當(dāng)?shù)奈廴究刂拼胧﹣肀ＷC目標(biāo)水體每日均能達(dá)到相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。目前，我國的大多數(shù)城市在基礎(chǔ)信息的掌握、監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累以及設(shè)計參數(shù)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(fù)荷和環(huán)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(shè)計的方式計算污染輸入負(fù)荷和環(huán)境余量，并選取最大差值情景(最不利狀況)作為系統(tǒng)方案設(shè)計的依據(jù)，這樣可以保證水體在常態(tài)情況下全年滿足水質(zhì)目標(biāo)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(fù)荷和環(huán)境余量的計算結(jié)果影響很大，若要保證全域水體滿足水質(zhì)目標(biāo)要求，可以選擇幾類特征斷面(例如水體流態(tài)最差點(diǎn)、距離控制措施最遠(yuǎn)端、最大污染負(fù)荷輸入點(diǎn)等)分別計算污染輸入負(fù)荷和環(huán)境余量，取最不利位置作為設(shè)計依據(jù)。若水體過大過長、或是條件差異性過大，則應(yīng)考慮分段計算和設(shè)計，再綜合形成水體整治系統(tǒng)方案，見圖4b。
圖4 城市水環(huán)境整治方案動態(tài)變化示意
五 討論與展望
城市水體是一類受到人類活動強(qiáng)烈影響、甚至是完全人工化的水生態(tài)系統(tǒng)，同時又會對城市環(huán)境和人類活動空間產(chǎn)生重大影響，因此城市水環(huán)境整治必然是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的長期任務(wù)，在實(shí)踐過程中不僅要遵循科學(xué)規(guī)律，還要兼顧社會影響，要堅持系統(tǒng)理念的統(tǒng)籌和做好頂層設(shè)計的謀劃。在目標(biāo)上做好水質(zhì)管理和社會需求的兼顧，在推進(jìn)上做好消除污染和長制久清的結(jié)合，在方案上做好系統(tǒng)策劃和因地制宜的統(tǒng)一，在方法上做好控源減負(fù)和提質(zhì)增容的協(xié)調(diào)，在措施上做好工程治理和運(yùn)維管理的銜接，以保障城市水環(huán)境整治方案的系統(tǒng)性、科學(xué)性、針對性和可操作性。
城市水環(huán)境綜合整治系統(tǒng)方案是城市水體污染治理工作的依據(jù)和基礎(chǔ)，目前對于其科學(xué)編制方法還缺乏足夠的的技術(shù)支持，后續(xù)還應(yīng)開展相應(yīng)的基礎(chǔ)性研究工作。
1)加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，規(guī)范環(huán)境余量計算方法。
環(huán)境余量的計算是水體整治系統(tǒng)方案設(shè)計的核心和關(guān)鍵，目前我國上缺少相應(yīng)的理論研究和方法支持，也缺乏有關(guān)環(huán)境條件影響的定量分析和相關(guān)計算參數(shù)選取與復(fù)核的方法，難以保證計算的可靠性和準(zhǔn)確性，也直接影響到系統(tǒng)方案的科學(xué)性和有效性。
2)加強(qiáng)基礎(chǔ)信息的積累，提高污染物輸入負(fù)荷計算的準(zhǔn)確性。
當(dāng)前關(guān)于污染物產(chǎn)生和輸入水體的負(fù)荷量計算方式繁多，隨意性也較大，關(guān)鍵在于基礎(chǔ)條件和數(shù)據(jù)信息的掌握不夠系統(tǒng)全面和客觀真實(shí)，計算方法不夠科學(xué)規(guī)范，計算參數(shù)大多采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計算結(jié)果也缺乏實(shí)際驗(yàn)證。應(yīng)推薦科學(xué)規(guī)范的計算方法，提出水質(zhì)水量監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)獲取的規(guī)范性要求和質(zhì)量保證措施，推薦適宜的參數(shù)獲取方法和率定要求，力求水體輸入負(fù)荷量計算的準(zhǔn)確性;同時加強(qiáng)對現(xiàn)有整治工程案例的監(jiān)測和績效評估，核定典型工程措施削減輸入負(fù)荷量與設(shè)計參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，從而保證工程措施設(shè)計的合理性和可靠性。
3)加強(qiáng)動態(tài)調(diào)整的探索，提升系統(tǒng)方案設(shè)計的精準(zhǔn)度和合理性。
分析比較典型情景日輸入負(fù)荷量及環(huán)境余量的變化特征，在選取最不利狀況作為系統(tǒng)方案設(shè)計依據(jù)的基礎(chǔ)上，針對幾種典型情況提出整體系統(tǒng)方案的典型運(yùn)行工況，在保證滿足水質(zhì)目標(biāo)管理要求的前提下優(yōu)化運(yùn)行管理、降低運(yùn)行成本，以提升城市水環(huán)境整治的精準(zhǔn)度和合理性。
