城市黑臭水體治理進(jìn)展及水利措施研究

孫 磊，馬 巍，吳金海，班靜雅，齊德軒

（1.中國水利水電科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所，北京100038；2.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，昆明650021）

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，受城市污水收集、輸送、轉(zhuǎn)運(yùn)及處理系統(tǒng)建設(shè)滯后、不合理的水資源開發(fā)利用及雨污合流等諸多因素影響，大量污染物質(zhì)未經(jīng)有效處理直接匯入附近河道及周邊塘庫，致使我國許多城市河流出現(xiàn)水體黑臭現(xiàn)象。根據(jù)國家城市黑臭水體治理監(jiān)管平臺發(fā)布，全國范圍內(nèi)中小黑臭水體分布廣泛，截至2020年2月，全國已全部認(rèn)定黑臭水體2 869 個［1］。2015年國務(wù)院發(fā)布的《污染防治行動計劃》（簡稱“水十條”）對黑臭水體問題提出明確要求，到2020年，我國地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi)；到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除［2］。城市水體黑臭問題，不僅使城市社會與經(jīng)濟(jì)發(fā)展受限，并影響城市生態(tài)文明形象，也給人民群眾帶來了極差的感官體驗(yàn)，城市黑臭水體治理已成為推進(jìn)海綿城市建設(shè)并提升城市生態(tài)文明形象亟須解決的重大水環(huán)境問題。目前，我國城市黑臭水體治理從生態(tài)學(xué)、水污染治理等角度開展研究的占比達(dá)到了92%［3］，而水利工作在城市黑臭水體治理過程中應(yīng)發(fā)揮的重要作用卻常被忽略。本文基于國內(nèi)學(xué)者對城市黑臭水體治理的研究成果，歸納總結(jié)城市黑臭水體成因、治理進(jìn)展及其治理過程中存在的問題，并結(jié)合水利措施的技術(shù)需求，提出城市黑臭水體治理的水利措施體系，以期為后續(xù)城市黑臭水體的綜合治理提供參考依據(jù)。

1 城市黑臭水體概念與成因

1.1 城市黑臭水體的概念辨析

城市河流是構(gòu)成城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，肩負(fù)著城市防洪排澇、景觀美化、生態(tài)廊道、氣候調(diào)節(jié)及親水平臺等諸多重要職責(zé)與功能［4］。水體黑臭是由于河流中過度納污而導(dǎo)致水體中供養(yǎng)和耗氧失衡而產(chǎn)生的一種極端現(xiàn)象。黑臭水體水質(zhì)通常劣于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，水體溶解氧濃度一般小于2 mg/L。由于城市黑臭水體影響因素眾多，成因復(fù)雜，至今未有明確定義，在2015年8月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部編制的《城市黑臭水體整治工作指南》中，將城市黑臭水體定義為“以百姓的感官判斷為主要依據(jù)，城市建成區(qū)內(nèi)的具有令人不悅的顏色或散發(fā)令人不適氣味的水體”［5］。

1.2 城市水體黑臭的成因識別

水體黑臭的形成是由于大量有機(jī)物進(jìn)入水體，好氧微生物通過生化作用分解有機(jī)物并大量消耗水中溶解氧，從而導(dǎo)致水體缺氧。同時，在缺氧條件下厭氧微生物大量繁殖，將有機(jī)物分解為許多致黑物質(zhì)（如FeS 和MnS）和致臭物質(zhì)（如H2S 和揮發(fā)性有機(jī)硫化物），致使水體黑臭［6］。城市水體黑臭的直接原因是水中溶解氧含量過低導(dǎo)致厭氧或無氧反應(yīng)而使水體變黑發(fā)臭，但其根本原因仍是入河污染物遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了水體的環(huán)境容量，而污染物來源包括外源流入和內(nèi)源再釋放［7，8］。通常情況下，城市河流變黑發(fā)臭的原因主要包括外源污染流入、內(nèi)源污染再釋放、水力與水循環(huán)條件的改變及其他原因等方面。

（1）外源污染。外源污染大量流入是造成城市水體黑臭的主要原因之一。改革開放以來，中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展四十余年，隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化腳步的加速，城市人口逐年上升導(dǎo)致城市的生產(chǎn)生活排污量不斷上升，加之城市配套的污水收集管網(wǎng)和處理設(shè)施尚不完善，城市的集污、排污及治污設(shè)施脫節(jié)的現(xiàn)象普遍存在，從而造成大量污染物流入城市河流［9］。例如上海的蘇州河、青島的李村河及長沙的圭塘河等均是由外源污染物大量流入，水體中的溶解氧不斷被消耗，造成水中溶解氧含量逐步減少，進(jìn)而通過產(chǎn)甲烷菌等微生物進(jìn)一步分解，產(chǎn)生H2S、CH4、NH3等氣體，形成致臭物質(zhì)，進(jìn)而使水體發(fā)臭。

（2）內(nèi)源污染。長期外源污染物流入，在微生物的共同作用下，積累的污染物質(zhì)隨著泥沙、各種垃圾及腐殖質(zhì)沉積在河道內(nèi)并逐步形成內(nèi)源污染，并時刻與上覆水進(jìn)行交互作用。底泥是河流中內(nèi)源污染物富集的地方，含有大量的氮、磷等營養(yǎng)鹽和有機(jī)污染物，在水力沖刷及人為擾動影響下，引起沉積底泥釋放出大量的污染物，導(dǎo)致大量的懸浮顆粒漂浮在水中，從而引起水體黑臭。如德國埃姆舍河［10］、江蘇滆湖及云南滇池［11］等均是內(nèi)源污染的代表。另外在水體中存在有機(jī)物時，河底淤泥表面也會些黏附少量的放線菌、藍(lán)藻類細(xì)菌等微生物代謝作用產(chǎn)生的甲烷也存在釋放污染物的風(fēng)險［12］。而懸浮顆粒物含有的FeS和MnS易被氧化，本身對水體起著致黑的主導(dǎo)作用［13］。

（3）水動力條件的改變。“流水不腐，戶樞不蠹”，在污染負(fù)荷未超過水體環(huán)境容量的前提下，水動力條件是城市河流水體出現(xiàn)黑臭的重要驅(qū)動力因素，水動力學(xué)條件不足也是引起河道水體黑臭的重要原因之一，例如水體流速緩慢、河道基流不足以及河道渠道化、硬質(zhì)化等都有可能導(dǎo)致河道黑臭。一些城市的內(nèi)河、內(nèi)湖基本上處于半封閉、封閉的狀態(tài)，所以河道里的水體沒有足夠的流動性，盡管內(nèi)河水體本身具有一定的自凈能力，但是水體流速緩慢，無法攜帶大量氧氣進(jìn)入水體，當(dāng)水體中溶解氧濃度低于2 mg/L 時就容易產(chǎn)生黑臭水體［14］。張敏和楊芹偉等［15］在分析浦東新區(qū)城市河道水體黑臭原因時指出，河道污泥淤積會導(dǎo)致的河床抬高、閘壩阻攔造成河道流水不暢，甚至形成死水，導(dǎo)致水環(huán)境惡化。呂佳佳等［16］認(rèn)為人為過度開發(fā)河網(wǎng)資源，占用河流兩岸灘地，肆意修建水利工程，河道渠道化、硬質(zhì)化等，會導(dǎo)致河道系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境異質(zhì)性降低、污染物積累、水體自凈能力減弱及生態(tài)系統(tǒng)退化，最終導(dǎo)致水體呈現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。

除上述原因外，溫度較高的工業(yè)高溫廢水、污水處理廠退水以及生活污水等排入河流，將加快水體中微生物分解有機(jī)物及氮磷等污染物的速度，導(dǎo)致溶解氧含量降低，從而釋放發(fā)臭氣體［17］。Wood 等［18］研究發(fā)現(xiàn)，放線菌當(dāng)水溫達(dá)到25 ℃時最活躍，河流最易出現(xiàn)黑臭。此外，如航運(yùn)污染、石油泄漏等也是導(dǎo)致河流水體發(fā)黑發(fā)臭的重要因素［19］。

2 城市黑臭水體治理研究進(jìn)展及存在的問題

2.1 城市黑臭水體治理研究進(jìn)展

根據(jù)2016年環(huán)境保護(hù)部對我國295 個地級以上城市黑臭水體排查結(jié)果顯示，全國黑臭水體數(shù)量達(dá)1 880 個，重度污染613 個，輕度污染1 267 個。位于南方城市的黑臭水體有1 197處（64.3%），位于北方城市有664 處（35.7%）。結(jié)合我國省級行政區(qū)劃情況，可以發(fā)現(xiàn)我國的黑臭河道沿“黑河騰沖線”，集中分布在東南地區(qū)，黑臭河道的密集程度與經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度成正比。同時在環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈、長三角經(jīng)濟(jì)圈、珠三角經(jīng)濟(jì)圈表現(xiàn)地最為明顯［20］（圖1）。

圖1 我國城市黑臭水體分布圖Fig.1 Distribution of urban black-odorous water in China

據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2020年2月，全國已全部認(rèn)定黑臭水體2 869 個，正在治理中的556 個，完成治理的2 313 個，完成比例達(dá)80.6%，治理的黑臭水體總面積達(dá)到2 454.831 km2。其中環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈黑臭水體治理已達(dá)初步目標(biāo)，長三角經(jīng)濟(jì)圈黑臭水體治理已初顯成效，具體治理進(jìn)度如圖2所示［21］。廣東經(jīng)歷了30 多年爆發(fā)式增長，累積了很多環(huán)境欠賬，如今廣東已完成80%以上城市黑臭水體的治理，尤其廣州、深圳市建成區(qū)黑臭水體（包括新增）消除比例高于90%［22］，基本實(shí)現(xiàn)長治久清。

圖2 長三角、環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈黑臭水體治理進(jìn)展圖Fig.2 Progresses of urban black-odorous water governance in the Yangtze River Delta and the Bohai Rim Economic Circle

根據(jù)2018年6月，中共中央國務(wù)院發(fā)布《中共中央國務(wù)院關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》中要求打好城市黑臭水體治理攻堅戰(zhàn)。明確到2020年，地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體消除比例達(dá)90%以上。目前我國黑臭水體治理效果與預(yù)期目標(biāo)仍有較大的差距?？赡車鴥?nèi)一些城市河道水質(zhì)治理工作還仍然僅僅依賴于一次性工程投入，尚未建立后續(xù)穩(wěn)定提升水質(zhì)的常態(tài)化治理機(jī)制，水體黑臭現(xiàn)象有可能再次發(fā)生。

同時由于黑臭水體的成因復(fù)雜，需要根據(jù)水體的污染原因、污染歷史、污染程度和治理階段的不同以及環(huán)境、氣候和水力條件，有針對性地選擇適用技術(shù)和確定組合模式。基于國內(nèi)外學(xué)者對城市黑臭水體治理的研究，歸納并總結(jié)當(dāng)下黑臭水體的治理措施（見表1）［23，24］。

表1 城市黑臭水體治理措施表Tab.1 Treatment measures for urban black-odorous water governance

續(xù)表1 城市黑臭水體治理措施表

2.2 城市黑臭水體治理存在的問題

（1）黑臭原因不清楚。部分城市為了完成2020年黑臭水體數(shù)量降到10%以內(nèi)的治理目標(biāo)，而沒有系統(tǒng)地進(jìn)行前期資料收集與未能識別出水體黑臭的真正原因。例如部分是由于水動力條件不足導(dǎo)致的水體黑臭，有些是因河道無生態(tài)基流或生態(tài)基流不充足導(dǎo)致的水體黑臭等；由于無法對黑臭水體進(jìn)行有效地分類，從而采取針對性的措施。例如韓國清溪川［25］的前期治理錯誤地采用了“河渠加蓋”的措施，導(dǎo)致了清溪川的水質(zhì)進(jìn)一步惡化。

（2）治理路線不清晰。目前大部分區(qū)域單純地以行政區(qū)域劃分進(jìn)行分段治理，沒有對不同支流的黑臭水體按照匯水單元進(jìn)行統(tǒng)籌考慮［26］，從而無法確定黑臭水體分階段治理的主要目標(biāo)，并無法核定適宜的入河污染物總量控制目標(biāo)需求。

（3）治標(biāo)不治本。根據(jù)國家城市黑臭水體治理監(jiān)管平臺發(fā)布數(shù)據(jù)，對8個省54個城市415個黑臭水體調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，河岸硬化率為45.1%，河底硬化率為11.1%。部分城市治理黑臭水體采取簡單硬化措施，片面追求景觀工程建設(shè)，忽視了河道自然生態(tài)屬性和緩沖帶的生態(tài)修復(fù)。

（4）管理機(jī)制不完善。我國大部分河流都存在跨省、跨地區(qū)及跨流域轉(zhuǎn)嫁的污染問題，雖然2016年全面推廣“河長制”，為破解碎片化的科層治理體制找到了一個基準(zhǔn)點(diǎn)，但是這樣的跨流域協(xié)調(diào)機(jī)制卻尚未完善［27］。目前我國城市黑臭水體治理過度重視工程建設(shè)，而缺乏后期的運(yùn)行管理，導(dǎo)致工程整治效果難以維持。

3 城市黑臭水體治理的水利措施需求

根據(jù)其污染特性城市黑臭水體一般可分為生態(tài)基流匱乏型、未完全截污型、雨污混流型及封閉半封閉性緩（滯）流型4種［28］。無論是哪種類型城市黑臭水體，治理技術(shù)的選擇大方向應(yīng)按照《城市黑臭水體整治工作指南》中“控源截污、內(nèi)源治理；活水循環(huán)、清水補(bǔ)給；水質(zhì)凈化、生態(tài)修復(fù)”的基本路線。綜合常見的城市黑臭水體治理的技術(shù)流程和技術(shù)措施體系，水利工作是城市黑臭水體治理技術(shù)體系的重要組成部分，并貫穿黑臭水體治理的全過程，在城市黑臭水體治理中具有舉足輕重的作用，其主要的技術(shù)需求表現(xiàn)在以下幾個方面。①城市黑臭水體成因復(fù)雜，黑臭類型多樣，在黑臭水體產(chǎn)生的原因識別時，應(yīng)采用水文學(xué)、水力學(xué)、水環(huán)境學(xué)與水生態(tài)學(xué)等多學(xué)科相結(jié)合的方法，科學(xué)識別黑臭水體成因及其主控因素，以便為制定科學(xué)合理的整治技術(shù)路線并選擇適用的技術(shù)與組合模式提供支撐。②控源截污和內(nèi)源治理是城市黑臭水體治理的基礎(chǔ)和前提，活水及水動力條件改善是城市黑臭水體轉(zhuǎn)變?yōu)榱己玫某鞘泻恿骶坝^并恢復(fù)河流廊道功能的外部條件支撐。如何讓城市河流“活起來”？需要多大的水量才能讓城市河流“流起來”？這些都是需要水利學(xué)科解決的問題。③城市河流之所以成為黑臭水體的高發(fā)區(qū)，就是因?yàn)榻蛹{的污水過多，反過來說城市黑臭水體缺乏清潔水補(bǔ)給，即存在生態(tài)環(huán)境流量嚴(yán)重匱乏問題，所以在控源截污后城市黑臭河流的來水量將急劇減少，如何利用可利用的多水源條件進(jìn)行優(yōu)化配置，保障城市河流的生態(tài)環(huán)境用水，讓曾經(jīng)的黑臭河流“活起來”、“流起來”。④在城市化規(guī)模逐步擴(kuò)大、人口聚集程度逐步增加的情況下，清潔水資源短缺問題將更加突出，在保障城市河流基本的生態(tài)環(huán)境用水情況下，通過城市水系橫向連通、閘壩調(diào)度等工程與管理措施，實(shí)現(xiàn)城市河流水的“生態(tài)循環(huán)、梯級利用”，以減少保障河流健康與水生態(tài)系統(tǒng)安全對區(qū)域清潔水資源的需求與消耗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會、城市生態(tài)環(huán)境的和諧健康發(fā)展。

4 城市黑臭水體治理水利技術(shù)措施

4.1 城市黑臭水體治理中的水利技術(shù)流程

針對不同的城市黑臭水體類型，對水利措施的需求也不盡相同，因此采用的水利措施也不完全相同。但從城市黑臭水體治理的水利需求出發(fā)，黑臭水體治理中的水利技術(shù)流程（見圖3）為：①在黑臭水體治理之前基本都需要采用水文學(xué)、水力學(xué)、水環(huán)境學(xué)與水生態(tài)學(xué)等多學(xué)科相結(jié)合的方法對黑臭水體環(huán)境問題進(jìn)行診斷，分析黑臭成因及污染特性，然后可以按照城市黑臭水體污染特性將其分類識別；②調(diào)查并估算入河污染負(fù)荷量，結(jié)合黑臭河道水環(huán)境功能區(qū)劃，確定黑臭水體分階段治理目標(biāo)，并核定適宜的入河污染物總量控制目標(biāo)需求，并制定城市黑臭水體治理實(shí)施方案；③按照黑臭水體的入河污染物總量控制要求，分類采取有效措施削減并阻斷城市類污染源的輸入，實(shí)現(xiàn)城市黑臭水體河段入河污染物的總量控制需求；④遵循“流水不腐”原則，通過多水源優(yōu)化配置，保障城市河流的基本生態(tài)流量需求，為城市河流“活”起來提供水資源保障；⑤基于城市河湖水系互聯(lián)互通需求，并結(jié)合適宜的閘壩調(diào)度等水力調(diào)控措施，讓營造城市水景觀的“靜水”能夠“流”起來，以降低因水動力條件不足而帶來的黑臭風(fēng)險；⑥在劃界確權(quán)的城市河湖水域岸線管控空間范圍內(nèi)，強(qiáng)化非常規(guī)水域區(qū)的植被恢復(fù)和常規(guī)水域區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)重建，以強(qiáng)化沿河兩岸陸域來水的末端攔截功效，并有效提升河道水質(zhì)凈化與水生態(tài)修復(fù)效果，并依托“一河一策”及“河長制”，對治理后的水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行管理。

圖3 城市黑臭水體治理的水利措施技術(shù)流程圖Fig.3 Technical flow chart of water conservancy measures for urban black-odorous water governance

4.2 城市黑臭水體治理水利技術(shù)措施

由于城市黑臭水體成因復(fù)雜，水利措施通常無法單獨(dú)應(yīng)用在黑臭水體的治理中，所以基于國內(nèi)學(xué)者對城市黑臭水體治理的研究成果，并結(jié)合城市黑臭水體治理的水利需求，歸納總結(jié)提出城市黑臭水體治理的水利措施體系（見表2）［29-35］，主要包括水域岸線內(nèi)的岸坡修復(fù)、河道整治、生態(tài)流量保障、河湖水系連通等。

表2 城市黑臭水體治理水利技術(shù)措施Tab.2 Water conservancy technical measures for urban black-odorous water governance

續(xù)表2 城市黑臭水體治理水利技術(shù)措施

5 結(jié) 語

城市黑臭水體的形成是近年來經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展嚴(yán)重擠占河湖生態(tài)用水、城市化進(jìn)程加快擠壓河湖生態(tài)空間和長時間大量污染物入河所致，因此，盡管近年來我國加大了對城市黑臭水體的治理力度，也取得了較為顯著的成效，但是我國中小黑臭水體數(shù)量多、污染程度嚴(yán)重，受治理資金、理念、技術(shù)及時限等因素的影響，所以我國城市黑臭水體的治理工作仍存在諸多不足，治理任務(wù)仍然任重而道遠(yuǎn)。城市黑臭水體治理是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要做到標(biāo)本兼治，應(yīng)根據(jù)城市水體致黑發(fā)臭的成因及其主控因素，將水利措施與城市黑臭水體治理緊密結(jié)合，運(yùn)用系統(tǒng)性思維和“一河（湖）一策”的個性化策略制定城市黑臭水體綜合整治方案，并以“河（湖）長制”為監(jiān)管機(jī)制，從而為實(shí)現(xiàn)河暢、水清、岸綠、景美的城市水生態(tài)長廊提供堅實(shí)的技術(shù)保障?！?/p>