胡洪營教授：城市水環(huán)境治理面臨的課題與長效治理模式
胡洪營教授
胡洪營，清華大學(xué)研究生院副院長、環(huán)境學(xué)院教授、國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境微生物利用與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，國家杰出青年科學(xué)基金和國家級教學(xué)名師獎獲得者。
長期從事再生水安全高效利用和水環(huán)境修復(fù)研究，現(xiàn)為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織城鎮(zhèn)水回用分委員會(ISO TC282 SC2 )主席 、國際水協(xié)會（IWA）會士，兼任中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會常務(wù)理事和水處理與回用專業(yè)委員會主任、Water Cycle主編和《環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)》副主編等學(xué)術(shù)職務(wù)，曾擔(dān)任國際著名期刊Water Research副主編。
主持制定水質(zhì)安全評價(jià)、城鎮(zhèn)集中式再生水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理等多項(xiàng)ISO國際標(biāo)準(zhǔn)，以及再生水處理技術(shù)和工藝評價(jià)、水質(zhì)評價(jià)、水質(zhì)管理和利用效益等多項(xiàng)國家和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。先后獲得ISO卓越貢獻(xiàn)獎、國家科技進(jìn)步二等獎、省部級科技進(jìn)步一等獎等多項(xiàng)獎勵。
研究背景
水是城市的血脈，城市傍水而建，依水而興，也會因水而衰。水環(huán)境質(zhì)量體現(xiàn)了城市的品位和生活質(zhì)量，也體現(xiàn)了生態(tài)文明建設(shè)水平。我國多數(shù)城市面臨水環(huán)境污染、水生態(tài)破壞和水域空間萎縮等突出水環(huán)境問題，同時(shí)水資源短缺導(dǎo)致水環(huán)境問題加劇，增加了水環(huán)境治理的難度。在缺水城鎮(zhèn)，為優(yōu)先保障生產(chǎn)生活用水，環(huán)境用水往往被擠占，水環(huán)境缺乏補(bǔ)水，導(dǎo)致水生態(tài)基流不足、水體黑臭現(xiàn)象頻發(fā)和親水空間萎縮，嚴(yán)重影響居民生活質(zhì)量。
另一方面，城鎮(zhèn)化發(fā)展將會導(dǎo)致水資源供需矛盾更加突出，水環(huán)境安全保障的壓力也將不斷增加。2018年，我國城鎮(zhèn)化率達(dá)59.58%，城鎮(zhèn)人口8.31億，城市生活用水總量859.9億m3，全國用水總量6015.5億m3。2030年，城鎮(zhèn)數(shù)量將增加至約1000個(gè)，城鎮(zhèn)化率提高至約70%，城鎮(zhèn)人口增長至10億，城鄉(xiāng)生活用水量提高到1021億m3，總用水量將增至7000億m3。
2015年4月，國務(wù)院頒發(fā)的《水污染防治行動計(jì)劃》(“水十條”)提出，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，全國七大重點(diǎn)流域水質(zhì)優(yōu)良比例總體達(dá)到75%以上，城市建成區(qū)黑臭水體總體消除。但是，城市水環(huán)境治理進(jìn)展緩慢，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)存在巨大困難。
在分析城市水環(huán)境特點(diǎn)、面臨的突出問題及其成因的基礎(chǔ)上，提出了水環(huán)境治理的基本措施，探討了水環(huán)境治理的可持續(xù)模式，分析了技術(shù)需求和發(fā)展方向。
一 摘 要
在分析城市水環(huán)境特點(diǎn)、面臨的突出問題以及在水環(huán)境污染成因、水質(zhì)目標(biāo)、治理技術(shù)和治理方案等方面存在的誤解/誤區(qū)的基礎(chǔ)上，提出了城市水環(huán)境治理的基本措施(截污控源、補(bǔ)水活水、生態(tài)修補(bǔ)、親用促管)和生態(tài)耦聯(lián)水循環(huán)模式。未來城市水環(huán)境治理的主要矛盾將從黑臭治理向水華控制問題轉(zhuǎn)化，需要提前布局研發(fā)，儲備相應(yīng)的技術(shù)。城市水體的功能定位需要從景觀娛樂和生態(tài)功能向水的社會循環(huán)重要節(jié)點(diǎn)拓展，即定位為具有水質(zhì)凈化和水量儲存功能的“生態(tài)水場”和“城市第二水源”，以實(shí)現(xiàn)城市水環(huán)境的長效治理和供水能力的可持續(xù)保障。
二 城市水體的基本功能與水質(zhì)特征
城市水體的基本功能和特點(diǎn)
城市水體作為重要的自然要素，是城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及景觀多樣性和物種多樣性維系的基本要素，也是公眾親水娛樂、親近自然的重要場所，具有重要的景觀價(jià)值、娛樂價(jià)值和生態(tài)價(jià)值；同時(shí)，在洪澇災(zāi)害防治方面也發(fā)揮著重要作用。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民對優(yōu)美生態(tài)環(huán)境需要的日益增加，城市水體已成為城市公共空間不可或缺的重要部分，水域空間和水體質(zhì)量決定了城市環(huán)境的舒適感和宜居程度。
城市水體大多為靜止或流動性差的封閉型淺型水體，具有水環(huán)境容量小、水體自凈能力弱、易污染等特點(diǎn)，往往面臨較高的水質(zhì)惡化和水華風(fēng)險(xiǎn)等問題。由于其水動力條件普遍較差，營養(yǎng)鹽輸出慢，易在水體中積聚，且淺型水體上、下水層的光通量均可滿足藻類光合作用所需，可為藻類生長繁殖和水華暴發(fā)提供有利條件。
同時(shí)，藻類及其他水生生物易大量繁殖，造成水體透明度與溶解氧下降，濁度與色度上升，甚至發(fā)黑發(fā)臭，喪失水體基本功能。此外，人為因素的影響，如城市面源污染、點(diǎn)源污染以及不合理的水體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)等，都會導(dǎo)致城市水體的環(huán)境質(zhì)量惡化和生態(tài)系統(tǒng)退化。
城市水體的以上特點(diǎn)，決定了其污染防治和水質(zhì)維系的復(fù)雜性和困難度。
城市水體水質(zhì)變化特征
城市水體是一個(gè)由物理環(huán)境、化學(xué)物質(zhì)和水生生物共同組成的生態(tài)系統(tǒng)，其水質(zhì)變化規(guī)律極其復(fù)雜，受到諸多因素的相互作用、相互制約和相互影響。
1 影響城市水體水質(zhì)的關(guān)鍵要素
影響城市水體水質(zhì)變化的關(guān)鍵要素包括環(huán)境條件、水力學(xué)特征、生態(tài)稟賦、污染物通量和補(bǔ)水退水等(圖1)。
圖1 影響水體水質(zhì)的關(guān)鍵要素
1)環(huán)境條件。
城市水體的環(huán)境條件指氣候條件(溫度、光照等)、水文特征(水位變化與水量平衡、垂直溫度梯度等)和地域/地區(qū)特點(diǎn)(地理位置、人類活動等)等自然環(huán)境要素。
2)水力學(xué)特征。
城市水體的水力學(xué)特征包括水流特性(水力停留時(shí)間、流速分布規(guī)律、紊流特征等)、流場分布特性、流線和底質(zhì)演變、及其水生植物影響下的水流特性和流場結(jié)構(gòu)等特征。
3)生態(tài)稟賦。
城市水體的生態(tài)稟賦也即水體生態(tài)系統(tǒng)的特質(zhì)，是水生生物群落(水生植物、動物等)與環(huán)境要素之間通過物質(zhì)循環(huán)和能量流動，形成的生物群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能。城市水體的生態(tài)功能主要取決于其自身的生態(tài)系統(tǒng)特質(zhì)，健康良好的生態(tài)功能有助于城市水體水質(zhì)的穩(wěn)定和長效維持。
城市水體的環(huán)境條件、水力學(xué)特征和生態(tài)稟賦對水質(zhì)的變化以及水華微藻的生長潛力等水質(zhì)效應(yīng)有重要和復(fù)雜的影響，且各要素之間存在的耦聯(lián)關(guān)系。
4)污染物的輸入和輸出。
城市水體中的氮、磷、碳等污染物的輸入途徑主要包括點(diǎn)源污染、面源污染、底泥釋放、大氣沉降、生物固氮等，輸出途徑主要包括退水、底泥吸附、水生動植物吸收、以及氮、磷、碳自然循環(huán)過程氣體的釋出等。底泥既是污染物的“源”又是“匯”，其具體作用形式與底泥性質(zhì)、水力條件、水生態(tài)特質(zhì)等有關(guān)。
城市水體污染物輸入輸出的關(guān)鍵過程影響其水質(zhì)演變規(guī)律。對于設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理不當(dāng)、自凈能力有限的城市景觀水體，氮、磷、碳等營養(yǎng)物質(zhì)的濃度積累將引起水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和感官愉悅度下降。
5)補(bǔ)水退水。
補(bǔ)水(如人工補(bǔ)水、降雨和地面徑流等)和退水(排出或利用等)是調(diào)節(jié)城市水體水量和水質(zhì)平衡的重要措施。合理的補(bǔ)水與退水可影響水體的水動力和換水周期，有利于水體水質(zhì)的維系。補(bǔ)水中的污染物種類和濃度直接影響水體水質(zhì)。
對于缺水城市，城市水體補(bǔ)水水源基本來源于非常規(guī)水源(如再生水、雨水等)，使得景觀水體污染物成分復(fù)雜(包括氮磷無機(jī)營養(yǎng)鹽、有毒有害有機(jī)污染物、病原微生物等)。城市水體中的微量有毒有害污染物在水體中的長期積累，會對人體健康和生態(tài)環(huán)境造成威脅。
2 影響城市水體水質(zhì)的關(guān)鍵過程
1)溶解氧補(bǔ)充與消耗過程。
水體溶解氧補(bǔ)充與消耗過程是衡量水體自凈功能的重要依據(jù)，直接影響水體中污染物的濃度和存在形態(tài)的變化。
城市水體的溶解氧主要來源于大氣復(fù)氧、藻類和水生植物光合作用釋放的氧，受水體環(huán)境條件(溫度、光照等氣候條件)和水力學(xué)特征(流態(tài)、流場、流速等)等因素的影響。
溶解氧消耗過程主要涉及有機(jī)物的生物好氧分解，包括藻類等一些水生生物死亡后的淤積腐爛分解過程、無機(jī)還原性污染物的氧化等，這些過程會消耗大量的溶解氧，使得水體溶解氧濃度降低，甚至趨于零，此時(shí)厭氧細(xì)菌繁殖活躍，導(dǎo)致水質(zhì)惡化。
2)污染物遷移與轉(zhuǎn)化過程。
污染物導(dǎo)致水體原有物質(zhì)平衡的變化，且參與水體中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和循環(huán)。有機(jī)物生物分解過程涉及溶解氧的消耗和副產(chǎn)物的產(chǎn)生，在好氧條件下，微生物可對有機(jī)物進(jìn)行氧化分解(或分解代謝)，同時(shí)產(chǎn)生CO2、硝酸根、硫酸根等副產(chǎn)物。
當(dāng)水體有機(jī)物濃度超過水體自凈能力后，消耗的溶解氧難以恢復(fù)，且伴隨大量微生物的生長，溶解氧大量消耗，導(dǎo)致水體呈現(xiàn)缺氧或厭氧狀態(tài)，分解產(chǎn)生甲烷、氨、硫化氫、有機(jī)胺、有機(jī)酸等副產(chǎn)物，其中氨、硫化氫和有機(jī)胺等導(dǎo)致水體發(fā)臭。
3)微藻生長繁殖與死亡過程。
微藻生長繁殖過程也即微藻的光合作用過程，是一個(gè)在氮磷等營養(yǎng)元素存在的條件下，微藻吸收光能，把CO2和H2O合成藻細(xì)胞(富能有機(jī)物)，同時(shí)釋放O2的過程。在適宜的溫度、光照等氣候條件下，較高的氮磷等營養(yǎng)元素會導(dǎo)致微藻的大量繁殖，導(dǎo)致水體有機(jī)物濃度的大量增加。在此過程中，雖然微藻的繁殖，使得水中溶解氧含量迅速增加，但是微藻數(shù)量超過限值時(shí)，會促使水中溶解氧濃度迅速下降。一方面大量微藻聚集在水面表層，水體懸浮物濃度增高，影響大氣復(fù)氧和水中植物的光合作用；另一方面同時(shí)浮游動物的增殖導(dǎo)致耗氧量的增加。
大量藻類以及浮游生物死亡后沉降到水體底部，殘骸的好氧微生物分解需要消耗水中的溶解氧，導(dǎo)致水體底層出現(xiàn)厭氧環(huán)境，同時(shí)引起底質(zhì)中鐵、錳的釋放。在藻類衰亡期，將有大量的藻毒素釋放到水體中，造成水體生態(tài)功能的破壞。因此，微藻的大量生長繁殖和死亡過程，也是水體有機(jī)物濃度增加、水中溶解氧減少和有害副產(chǎn)物生成的過程，從而導(dǎo)致水質(zhì)惡化。
三 城市水環(huán)境治理存在的突出問題
城市水環(huán)境治理的“誤區(qū)”
1 水質(zhì)目標(biāo)“誤區(qū)”
我國先后頒布了一系列水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其中與景觀水體相關(guān)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)主要有GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅲ類～Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)、GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和GB 18921—2002《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》等。
一般情況下，當(dāng)水體中的氮和總磷分別超過0.2～0.3，0.02 mg/L時(shí)，即可認(rèn)為水體處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。如果以106個(gè)/mL的藻密度作為水華控制標(biāo)準(zhǔn)，在不考慮水體自凈能力和水質(zhì)保障措施的條件下，景觀水體中的氮磷濃度限值應(yīng)分別為1.7，0.17 mg/L。顯然，僅依據(jù)水體富營養(yǎng)化狀態(tài)定義，用于景觀水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的制定依據(jù)，對氮磷濃度的限制標(biāo)準(zhǔn)過于“嚴(yán)格”，技術(shù)經(jīng)濟(jì)上難以實(shí)現(xiàn)。
GB 18918—2002的一級A標(biāo)準(zhǔn)和GB 18921—2002的湖泊和水景類景觀環(huán)境用水標(biāo)準(zhǔn)，對氮磷濃度的限值則過于“寬松”，對于不流動或流動緩慢的淺水型景觀水體仍存在很大的水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。
GB 3838—2002的Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)對氮磷的要求介于上述“嚴(yán)格”和“寬松”之間。然而，該標(biāo)準(zhǔn)中限定的Ⅴ類水體是指水質(zhì)要求相對較低、水體生態(tài)功能相對較弱的水體。對于淺水型景觀水體極易暴發(fā)水華。
綜上，我國已有的景觀水體相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中，氮磷濃度標(biāo)準(zhǔn)限值的科學(xué)依據(jù)不明確，多種標(biāo)準(zhǔn)并行且不統(tǒng)一，不利于保障城市景觀水體水質(zhì)。依據(jù)污染成因，制定科學(xué)合理的水質(zhì)目標(biāo)，是城市水環(huán)境治理的基礎(chǔ)。
目前的一些水環(huán)境治理工程，機(jī)械套用GB 3838—2002的指標(biāo)(化學(xué)指標(biāo)、物理指標(biāo))，或制訂不合理和不切實(shí)際的水質(zhì)治理目標(biāo)(如達(dá)到Ⅲ、Ⅵ水體標(biāo)準(zhǔn))等，在水質(zhì)目標(biāo)確定方面存在較多“誤區(qū)”，未能重視“水清水活”指標(biāo)，如感官指標(biāo)、水體流動性和生態(tài)指示指標(biāo)等。
2 時(shí)間目標(biāo)“誤區(qū)”
在水環(huán)境治理實(shí)踐中，存在治理期限短，希望在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)治理目標(biāo)的急功近利行為。短期治理行為有可能呈現(xiàn)一定的即時(shí)效果，但是治理后水體水質(zhì)出現(xiàn)反彈，難以穩(wěn)定保持。
水環(huán)境治理是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要經(jīng)歷較長的過程。根據(jù)淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)多穩(wěn)定態(tài)理論，在相同的外界環(huán)境條件下，水體生態(tài)系統(tǒng)有可能出現(xiàn)兩種或多種不同的穩(wěn)定狀態(tài)(如清水穩(wěn)態(tài)和濁水穩(wěn)態(tài))，不同穩(wěn)態(tài)間的轉(zhuǎn)化受到諸多脅迫和驅(qū)動因素的影響，且穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換前后生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、驅(qū)動因素和關(guān)鍵過程均會發(fā)生顯著變化，生態(tài)系統(tǒng)具有明顯的不可逆性。因此，對于受損水體由濁水穩(wěn)態(tài)向清水穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變需要較長的過程。例如，荷蘭Veluwe湖受污染前ρ(TP)約0.15 mg/L，經(jīng)過多年的治理后湖體ρ(TP)降至約0.1 mg/L，此時(shí)湖泊仍處于濁水穩(wěn)態(tài)，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化的遲滯效應(yīng)。
因此，水體的修復(fù)過程也是水質(zhì)的演變過程，應(yīng)當(dāng)遵循水體自身的自然生態(tài)特質(zhì)，將時(shí)間作為水體生態(tài)演變過程的重要因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮短期治理范圍、中期時(shí)間維度和長效水質(zhì)維系。
3 治理措施“誤區(qū)”
在水環(huán)境治理實(shí)踐中，某些措施簡單套用污水處理廠的思路、概念和工藝，未考慮城市水體與污水廠有本質(zhì)的差別。污水廠污染物濃度水平較高、來水具有可控性，通過完善的運(yùn)行管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)達(dá)標(biāo)處理。但是，城市水體的污染物濃度水平雖然相對較低，由于污染物參與水體物質(zhì)流和能量流的轉(zhuǎn)化與循環(huán)過程，與環(huán)境條件、水體水力學(xué)特征、生態(tài)稟賦等諸多因素之間相互影響，水質(zhì)變化機(jī)制更為復(fù)雜。
對于水環(huán)境治理經(jīng)常采用的技術(shù)，如岸帶修復(fù)、原位凈化(生態(tài)凈化、化學(xué)處理和生物處理)、曝氣充氧、殺藻藥劑、引水沖污等，還存在較多應(yīng)用“誤區(qū)”，需高度重視。
岸帶修復(fù)主要是采用植物、自然材料與土木工程手段，建造接近自然的生態(tài)護(hù)岸，是濱水景觀的重要組成部分，以景觀效果為主，可防止水土流失，但是截污效果十分有限，不能承擔(dān)減污治污任務(wù)。
原位凈化是在水體自身空間內(nèi)采用生態(tài)、生物或化學(xué)法去除污染物和強(qiáng)化自凈能力的方法。原位生態(tài)凈化主要依靠水生植物或微生物-植物聯(lián)合等方法，去除水中氮磷等污染物。部分植物和微生物可起到抑藻和控藻作用，但是水生植物的吸收作用對氮磷的去除效果甚微，很難解決根本問題，還需解決植物收割等問題。
曝氣充氧(人工增氧)可避免水體出現(xiàn)缺氧或無氧區(qū)，增強(qiáng)自凈能力。對于有機(jī)污染嚴(yán)重的水體(如黑臭水體)，可以暫時(shí)緩解黑臭現(xiàn)象，但是單獨(dú)對水體曝氣充氧不能從根本解決問題，還會帶來其他負(fù)面影響。如黑臭水體中存在病原微生物污染，曝氣后形成氣溶膠，對周邊人群造成潛在健康風(fēng)險(xiǎn)。
殺藻藥劑法雖然操作簡單，可在短時(shí)間內(nèi)取得一定的除藻效果，提高水體透明度，但是不能將氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)清除出水體，不具有持久凈化作用。值得注意的是，除藻劑的生物富集和生物放大作用會對水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，長期使用低濃度的除藻劑還會使藻類產(chǎn)生抗藥性，大規(guī)模殺藻會加劇藻毒素釋放的二次污染風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)以次氯酸作為殺藻劑時(shí)，還會產(chǎn)生有毒有害副產(chǎn)物，引起生物毒性和健康風(fēng)險(xiǎn)。
引水沖污可以提升河道或水體部分?jǐn)嗝娴乃|(zhì)，但是污染物只是轉(zhuǎn)移而非降解，會導(dǎo)致外排污染物負(fù)荷增加，引起水體其它區(qū)域或下游水體污染。引水沖污與補(bǔ)水活水有本質(zhì)區(qū)別，補(bǔ)水活水是為了降低水力停留時(shí)間，促進(jìn)水質(zhì)維系，而引水沖污并非真正意義的治水�！冻鞘泻诔羲w治理攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案》指出，嚴(yán)控以恢復(fù)水動力為理由的各類調(diào)水沖污行為，防止河湖水通過雨水排放口倒灌進(jìn)入城市排水系統(tǒng)。
總體而言，要科學(xué)對待水環(huán)境問題，厘清核心問題，選擇適宜技術(shù)。認(rèn)識單一治理技術(shù)的工作原理、適用性和局限性；明確組合工藝的整體適宜性、協(xié)調(diào)性、長效性和最優(yōu)化操作參數(shù)，并進(jìn)行科學(xué)管理。
城市水環(huán)境治理的“淺區(qū)”
1 對水體水質(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)制認(rèn)識的“淺區(qū)”
城市水體具有多種污染物共存、組分轉(zhuǎn)化機(jī)制和水質(zhì)效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制復(fù)雜等特點(diǎn)。城市水體的水質(zhì)演變受環(huán)境條件、水力學(xué)特征和生態(tài)稟賦等諸多因素的影響，受損水體水質(zhì)修復(fù)與控制的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于污水廠。水環(huán)境治理“看似門檻低、進(jìn)門易；實(shí)則門檻高、入道難”。系統(tǒng)、深入了解水體的水質(zhì)特征及其演變規(guī)律和影響機(jī)制，是水環(huán)境治理的基礎(chǔ)。
水體中氮、磷、碳等元素的賦存形態(tài)是影響其遷移轉(zhuǎn)化潛勢、生態(tài)效應(yīng)和去除特性的重要參數(shù)。以磷元素為例，在水體中的物理形態(tài)包含溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷，溶解態(tài)磷所含的溶解性活性磷(soluble reactive phosphorus, SRP)易被細(xì)菌、藻類和水生植物吸收利用，也是水華研究中被十分關(guān)注的磷形態(tài)。顆粒態(tài)磷被認(rèn)為是河道總磷輸送通量的主要形態(tài)，我國近海水體及淺水湖泊中顆粒磷占總磷的50%～80%。不同生態(tài)類型湖區(qū)間顆粒物性質(zhì)差異明顯,以太湖為例，河口區(qū)和湖心區(qū)的顆粒物磷含量高于藻型湖區(qū)和草型湖區(qū)。顆粒態(tài)磷可通過隨泥沙懸浮顆粒的重力沉降而從水中遷移到底質(zhì)中，如滯留塘對河水中磷的凈化主要通過顆粒態(tài)磷的重力沉降實(shí)現(xiàn)。
水體中的磷形態(tài)在不同環(huán)境條件下會相互轉(zhuǎn)化，而且即使水體中沒有溶解性磷，藻細(xì)胞中存儲的磷也足夠支撐細(xì)胞在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行分裂和生長，使得水中的藻密度增加。另外，沉積物中的磷會因?yàn)樗?沉積物界面行為(生物作用、化學(xué)作用)和沉積物懸浮等作用而釋放，從而改變水體中磷的賦存形態(tài)和分布規(guī)律。有研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，淺型水體中的有機(jī)碳和氮的轉(zhuǎn)化也會引起沉積物中磷的釋放。
城市水體水質(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)制的復(fù)雜性決定了水環(huán)境治理的難度。目前的一些黑臭水體治理工程，因重治理輕保持、重短期輕長效而導(dǎo)致水體返黑，水質(zhì)反復(fù)惡化，其主要原因就是沒有系統(tǒng)掌握水質(zhì)變化的規(guī)律和成因。系統(tǒng)掌握污染物的賦存形態(tài)及其分布特征，充分認(rèn)識水體水質(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)制、演變規(guī)律及其影響要素對于水環(huán)境治理方案的制定、治水技術(shù)的選擇和治理后水質(zhì)的長效保持都非常重要。
2 對技術(shù)/工程措施認(rèn)識的“淺區(qū)”
水環(huán)境治理過程中，需要根據(jù)水體污染的程度、污染原因和治理階段的不同，選擇適用技術(shù)。對于所選擇的技術(shù)/工程措施需要明確目的，充分認(rèn)識其定位和功能。
例如人工濕地技術(shù)，由于建造費(fèi)用相對較低、運(yùn)行維護(hù)簡便、且具有景觀效果而被廣泛應(yīng)用。但是，目前的一些人工濕地工程，并未起到水體凈化作用，甚至由于植物的管理不當(dāng)?shù)仍蚨霈F(xiàn)出水污染物濃度高于進(jìn)水的情況。人工濕地工程看似簡單，但是其運(yùn)行性能受到諸多環(huán)境因素(季節(jié)變化、溫度、溶解氧、碳氮比及植物種植與生長狀況等)的影響。因此，應(yīng)在明晰水生植物的適應(yīng)性與水質(zhì)凈化能力的基礎(chǔ)上，確定人工濕地的處理目標(biāo)。依據(jù)處理目標(biāo)和環(huán)境影響因素，選擇適宜的濕地類型和植物種類，確定主要設(shè)計(jì)指標(biāo)(如水力停留時(shí)間、布水形式、短流控制等)和運(yùn)行參數(shù)。對于已建成的人工濕地，制定人工濕地的長效運(yùn)行策略和管理方案，包括堵塞控制、水生植物的管理、收割與處理處置等，以保證人工濕地的正常運(yùn)行。
水環(huán)境治理工程往往難以依靠單一技術(shù)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的改善，需要綜合全面地考慮各種不同技術(shù)的組合。但是，目前一些組合工藝的設(shè)計(jì)與運(yùn)維缺乏系統(tǒng)性理論指導(dǎo)，難以實(shí)現(xiàn)協(xié)同凈化效果。對于多個(gè)治理技術(shù)/工程措施的組合，需要針對治理目標(biāo)，分析不同單一技術(shù)的定位和功能，充分發(fā)揮不同技術(shù)間的互補(bǔ)優(yōu)勢，形成協(xié)同聯(lián)動的集成技術(shù)。在考慮技術(shù)方案實(shí)施后短期效果的同時(shí)，更應(yīng)關(guān)注長期水質(zhì)改善效果和水質(zhì)穩(wěn)定性，以及技術(shù)實(shí)施后對水環(huán)境和水生態(tài)的不利影響和二次污染。
城市水環(huán)境治理的“盲區(qū)”
城市水體不僅有其理化特性及其感官效應(yīng)，還具有環(huán)境屬性、生態(tài)屬性、資源屬性和社會屬性等特質(zhì)，并與水體水質(zhì)相互作用、相互制約和相互影響。一些水環(huán)境治理工程在水體現(xiàn)狀了解以及水質(zhì)達(dá)標(biāo)評價(jià)方案等方面存在諸多“盲區(qū)”。
1 對治理對象現(xiàn)狀了解的“盲區(qū)”
缺乏環(huán)境條件對水質(zhì)演變影響的了解。氣候條件、水文特征和地域/地區(qū)特點(diǎn)等是影響水體水質(zhì)演變的主要環(huán)境條件。
缺乏水體水力學(xué)特征對水質(zhì)演變影響的了解。水體的水力停留時(shí)間和水動力條件(流速、流量與水體擾動等)可直接影響水華微藻細(xì)胞的生長繁殖與種間競爭，同時(shí)改變水體環(huán)境及營養(yǎng)鹽的分布與存在形式。
缺乏對水體生態(tài)稟賦的調(diào)研。生態(tài)稟賦對于水體物質(zhì)流和能量流的轉(zhuǎn)化有重要影響，水環(huán)境治理需要了解水體植物群落的歷史和現(xiàn)狀，盡可能恢復(fù)本地植物群落。需要了解水體上下游、左右岸的土壤特性(如透水性、鹽堿度等)，了解土壤的過濾、沉降、緩沖和支持當(dāng)?shù)厣锘顒拥墓δ�。充分考察水體生態(tài)稟賦，有助于實(shí)現(xiàn)城市水體生態(tài)格局的從人工調(diào)控向自然的演化，有利于水質(zhì)的穩(wěn)定和長效維持。
缺乏對水質(zhì)水量變化的科學(xué)統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)分析。城市水體水質(zhì)水量變化規(guī)律是制定水環(huán)境治理方案的基本依據(jù)，在科學(xué)統(tǒng)計(jì)水質(zhì)水量年變化、季節(jié)性變化、逐月變化和日變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析水質(zhì)演變規(guī)律，以及環(huán)境條件、水力學(xué)特征和生態(tài)稟賦的影響，從而確定合理的治理目標(biāo)。
缺乏對污染源的全面解析。治水首先要截污控源，需要對外源(點(diǎn)源、面源污染)污染物濃度的分布及其變化特征進(jìn)行全面分析，進(jìn)行水體污染物通量計(jì)算，解析各類污染物的負(fù)荷并確定其貢獻(xiàn)，從而有的放矢地實(shí)施截污控源。另外，還需考察底泥淤積情況，水中的污染物(氮、磷，重金屬等)通過沉降、水-沉積物界面作用等匯入沉積物中，在一定的條件下(如風(fēng)浪擾動、底棲擾動、氧化還原環(huán)境改變等)又會向上覆水體中釋放，引起水體污染物負(fù)荷的增加。
2 水質(zhì)目標(biāo)達(dá)標(biāo)評價(jià)方法“盲區(qū)”
城市水環(huán)境治理水質(zhì)目標(biāo)即理化指標(biāo)(COD、BOD、TN、NH3-N和TP)的達(dá)標(biāo)判定檢測，目前還存在一些“盲區(qū)”。
取樣方案有待完善與規(guī)范。在取樣過程中，需要特別注意采樣點(diǎn)的分布和監(jiān)測頻率，所取水樣須具有代表性和覆蓋面，包括時(shí)間上的代表性、地點(diǎn)和空間上的代表性、數(shù)量上的代表性。對于城市水體的采樣規(guī)則，可參考HJ 494—2009《水質(zhì) 采樣技術(shù)指導(dǎo)》，但是水體的采樣點(diǎn)分布和位置(平面和斷面)、采樣頻率的仍有待規(guī)范。
城市水體控制斷面選擇與采樣布點(diǎn)應(yīng)綜合考慮水體位置、水面大小、水深、污染程度、周邊居民區(qū)分布和經(jīng)濟(jì)可行性等因素。城市水體監(jiān)測頻率的確定應(yīng)考慮水體水質(zhì)、水量的季節(jié)變化特點(diǎn)和水體評價(jià)的需要。《城市黑臭水體整治工作指南》規(guī)定第三方監(jiān)測機(jī)構(gòu)可按每200～600 m間距設(shè)置檢測點(diǎn)，但每個(gè)水體的檢測點(diǎn)不少于3個(gè)(取樣深度同本指南2.3.2)。每1～2周取樣1次，連續(xù)測定6個(gè)月，取多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)各指標(biāo)的平均值作為評估依據(jù)。
樣品檢測分析前處理方法和檢測質(zhì)量有待規(guī)范。水樣在檢測分析前一般要進(jìn)行過濾、濃縮或純化等預(yù)處理。如何去除水樣中懸浮物質(zhì)的影響，需要明確和規(guī)范。常用的過濾法在濾紙/濾膜材質(zhì)的選擇、濾膜孔徑的選擇目前還不規(guī)范，導(dǎo)致水體溶解性污染物的測定存在較大的不確定性。此外，水質(zhì)監(jiān)測取樣到監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析都應(yīng)該遵守嚴(yán)格的工作流程，檢測分析要求和監(jiān)督環(huán)節(jié)有待健全。
水質(zhì)數(shù)據(jù)的計(jì)算依據(jù)有待規(guī)范。污染物濃度分為瞬時(shí)濃度和平均濃度。平均濃度又分為日平均濃度、月平均濃度和年平均濃度。瞬時(shí)濃度指某一時(shí)間采取到的濃度，該濃度具有隨機(jī)性，一般不能代表污染的整體水平。但是，具有一定時(shí)間跨度或空間覆蓋面的若干個(gè)水樣的瞬時(shí)濃度，可以在一定程度上表征污染的趨勢或狀況。平均濃度掩蓋了較多的水質(zhì)信息，難以客觀、全面的反映水質(zhì)情況。城市水體的水質(zhì)目標(biāo)達(dá)標(biāo)評價(jià)的取樣數(shù)量和計(jì)算依據(jù)還有待考量和規(guī)范。
四 城市水環(huán)境治理的基本措施與長效模式
城市水環(huán)境治理的基本原則
明確目標(biāo)、找準(zhǔn)關(guān)鍵：明確要達(dá)到的水質(zhì)治理目標(biāo)，包括分期分階段目標(biāo)。為了保證治理措施的科學(xué)性和可操作性，事先的污染成因分析和重點(diǎn)治理對象的確定是前提和基礎(chǔ)。
因地制宜、綜合施策：根據(jù)水體污染的程度、污染原因、水文水質(zhì)特征和治理目標(biāo)，制定有針對性的、技術(shù)可行、科學(xué)合理的綜合治理措施。
立足長遠(yuǎn)、確保長效：綜合考慮城市水系統(tǒng)建設(shè)、區(qū)域水循環(huán)體系構(gòu)建和水生態(tài)安全保障進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，以確保長效性。
城市水環(huán)境治理的基本措施
1)截污控源。
截污控源措施是為了防止外來的各種污染物直接或隨雨水排入城市水體，主要包括截污納管和面源污染控制。
截污納管也即建設(shè)和改造水體沿岸的污水管道，將污水截流納入到污水收集和處理系統(tǒng)，從源頭上削減污染物的直接排放。截污納管是避免水體污染最直接、有效的措施，但管道施工的難度和投資較大，實(shí)施周期長�！冻鞘泻诔羲w治理攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案》指出，當(dāng)前需要加快城市生活污水收集處理系統(tǒng)“提質(zhì)增效”、削減合流制溢流污染和強(qiáng)化工業(yè)企業(yè)污染控制。
面源污染主要來源于雨水形成徑流中含有的污染物，主要控制技術(shù)措施包括低影響開發(fā)(LID)技術(shù)、初期雨水控制技術(shù)和生態(tài)護(hù)岸技術(shù)等。技術(shù)的選擇需依據(jù)當(dāng)?shù)氐乇韽搅魑廴咎匦�，加�?qiáng)管理，減少路面垃圾；根據(jù)水體污染物負(fù)荷(如氮、磷負(fù)荷)削減量，選擇合理的污染控制措施，可結(jié)合海綿城市建設(shè)統(tǒng)籌實(shí)施。
2)補(bǔ)水活水。
補(bǔ)水活水是水環(huán)境治理和水質(zhì)維系不可或缺的措施，其作用是保障生態(tài)用水，縮短水體水力停留時(shí)間，提高水體流速，增強(qiáng)水體復(fù)氧能力。補(bǔ)水活水措施包含清水補(bǔ)給、再生水補(bǔ)給和水動力保持技術(shù)等。
清水補(bǔ)給是通過引流清潔的地表水對治理對象水體進(jìn)行補(bǔ)水，促進(jìn)污染物輸移、擴(kuò)散以維系水質(zhì)，適用于滯留型水體、半封閉型及封閉型水體水質(zhì)的長效保持。清水補(bǔ)給的目的是維系水質(zhì)，而非污染治理。
再生水補(bǔ)給是城市污水經(jīng)過處理并達(dá)到再生水水質(zhì)要求后，將其排入治理后的城市水體中，以增加水體流量和減少水力停留時(shí)間。對再生水的水質(zhì)要求需要根據(jù)水體的環(huán)境條件、水力學(xué)特征和生態(tài)稟賦進(jìn)行考量。再生水作為城鎮(zhèn)穩(wěn)定的非常規(guī)水源，是經(jīng)濟(jì)可行、潛力巨大的補(bǔ)給水源，應(yīng)優(yōu)先考慮利用。該措施不僅適用于缺水城市或枯水期的水體治理，也適用于豐水城市水體透明度的提升和水質(zhì)長效保持。
水動力保持是通過工程措施提高水體流速，以提高水體復(fù)氧能力和自凈能力，改善水體水質(zhì)。該措施適用于水體流速較緩的封閉型水體。
3)生態(tài)修補(bǔ)。
生態(tài)修補(bǔ)即通過生態(tài)修復(fù)和水域空間增補(bǔ)措施，提高城市水環(huán)境的自凈能力，為城市內(nèi)澇防治提供蓄水空間；同時(shí)增加城市濱水空間，營造岸綠景美的生態(tài)景觀。
生態(tài)修復(fù)措施主要包括水華藻類控制和水生生物恢復(fù)，適用于營養(yǎng)鹽水平較低水體的水質(zhì)長效保持。黑臭水體水質(zhì)改善后，經(jīng)常會遇到水華藻類暴發(fā)問題，因此控制水華藻類是實(shí)現(xiàn)水質(zhì)長效保持的必要措施，需要采取綜合措施進(jìn)行控制。水生生物恢復(fù)即利用水生植物及其共生生物體系，去除水體中的污染物、改善水體生態(tài)環(huán)境和景觀，需考慮不同水生生物的空間布局與搭配。該措施適用于小型淺水水體。
空間增補(bǔ)是通過恢復(fù)干枯河道、建設(shè)人工濕地、氧化塘、河湖景觀水系等措施，增加城市水域空間，提高水環(huán)境總體容量。
4)親用促管。
親用促管是通過親水設(shè)施建設(shè)和親水活動開展，以及城市水體的利用(如作為城市第二水源)，提高對水體水質(zhì)保持的重視和保護(hù)，通過有效的機(jī)制和制度，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的長效管理。
城市水體應(yīng)在遵循自然規(guī)律的基礎(chǔ)上，最大限度的發(fā)揮其社會屬性和資源屬性，通過親水利用促進(jìn)對水體水質(zhì)保持的重視和保護(hù)程度。將城市水體作為水的社會循環(huán)的重要節(jié)點(diǎn)，使其發(fā)揮水的輸配和城市水源功能，利用于工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)用水，這樣既可緩解解決城市水資源危機(jī)，又能實(shí)現(xiàn)城市水體水質(zhì)的長效保持。
城市水環(huán)境治理的長效模式
城市水環(huán)境問題的根源在“污水”，在于如何看待污水和如何對待污水。污水再生處理與循環(huán)利用是破解經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求與水資源短缺、水環(huán)境污染和水生態(tài)破壞之間的矛盾的有效措施。
水的生態(tài)耦聯(lián)循環(huán)是城市水環(huán)境治理的長效模式，是在遵循水社會循環(huán)過程科學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)上，以城市污水再生處理為節(jié)點(diǎn)，將城市水體作為重要生態(tài)媒介和“生態(tài)水場”，使再生水通過人工濕地、河、湖等自然儲存和凈化后，轉(zhuǎn)化為具有生態(tài)屬性的水資源，再進(jìn)行循環(huán)利用。
水的生態(tài)耦聯(lián)循環(huán)模式以再生水的“自然儲存、生態(tài)凈化、梯級利用”為核心，既保證了生態(tài)用水，提高了水環(huán)境質(zhì)量，又凈化了水質(zhì)，增加了城市水資源，是一箭多雕的可持續(xù)模式。在這種模式下，污水廠和再生水廠的規(guī)模和布局，應(yīng)根據(jù)水環(huán)境治理和再生水利用需求進(jìn)行分布式布局。城市水體人工調(diào)控應(yīng)以生態(tài)學(xué)理念為指導(dǎo)，尊重城市水循環(huán)的整體性，既發(fā)揮水質(zhì)凈化作用，又發(fā)揮其再生水儲存、輸配和水量緩沖、均衡的作用。將城市水體作為第二水源，保障穩(wěn)定供水，通過后續(xù)的工業(yè)、生活、農(nóng)業(yè)梯級利用[36]，縮短停留時(shí)間，促進(jìn)水體循環(huán)。這樣解決了工業(yè)和生活用水與生態(tài)用水間的矛盾，兼顧了各種需求，可實(shí)現(xiàn)水的良性循環(huán)和健康循環(huán)。
綜上所述，綜合考慮城市水體環(huán)境條件、水力學(xué)特征和生態(tài)稟賦，水的生態(tài)耦聯(lián)循環(huán)可最大限度的實(shí)現(xiàn)城市水環(huán)境的長效治理和可持續(xù)維系。
五 結(jié)語與展望
城市水體是一個(gè)極其復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，水環(huán)境治理是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。為了保障水環(huán)境治理措施的科學(xué)性、可操作性和治理效果的長效性，應(yīng)避免“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”行為，重視“綜合解決方案”的制定和實(shí)施。應(yīng)充分發(fā)揮科技的力量，從城市水系統(tǒng)、區(qū)域水循環(huán)和水生態(tài)安全保障的高度進(jìn)行城市水體綜合治理，實(shí)現(xiàn)科學(xué)治水、理性治水、長效治水。
1)城市水體功能定位的拓展轉(zhuǎn)變。
城市水環(huán)境治理要充分遵循水的自然屬性和社會屬性。城市水體的功能定位需要從景觀娛樂和生態(tài)功能向水的社會循環(huán)重要節(jié)點(diǎn)拓展。在遵循自然規(guī)律的基礎(chǔ)上，從環(huán)境、生態(tài)、資源、社會、經(jīng)濟(jì)等多維角度審視城市水體，將水體定位為城市水資源，即具有水質(zhì)凈化和水量儲存等功能的“城市第二水源”，有利于實(shí)現(xiàn)城市水體的長效治理。對于缺水城市，再生水的景觀環(huán)境利用不再是終極利用目標(biāo)，而是通過城市水體的自然儲存和生態(tài)凈化，再次進(jìn)入水的社會循環(huán)。
2)城市水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)制定。
目前我國城市水環(huán)境治理的水質(zhì)目標(biāo)主要參照GB 3838—2002中的Ⅲ類～Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，以及GB 18918—2002、GB 18921—2002和一些地方標(biāo)準(zhǔn)，缺少針對性。城市水體的功能與天然河流、湖泊有顯著的差別，符合城市水體特點(diǎn)和功能定位的、科學(xué)合理的水質(zhì)控制目標(biāo)有待研究和制訂。
目前的水質(zhì)目標(biāo)僅給出了COD、BOD、TN、NH3-N和TP等污染物綜合指標(biāo)對感官、生態(tài)、健康效應(yīng)等指標(biāo)關(guān)注不夠，存在與公眾感受脫節(jié)和與生態(tài)安全脫節(jié)等問題。
一方面，標(biāo)準(zhǔn)與公眾的感受脫節(jié)。理化指標(biāo)與感官指標(biāo)，即公眾的感受脫節(jié)。理化指標(biāo)達(dá)標(biāo)，并不意味著感官指標(biāo)變好和滿足了公眾需求，因此需要重視感官指標(biāo)。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)與生態(tài)安全脫節(jié)。常規(guī)指標(biāo)達(dá)標(biāo)，并不意味著水質(zhì)安全，需關(guān)注水的生態(tài)和健康效應(yīng)指標(biāo)。
3)城市水環(huán)境治理目標(biāo)的矛盾轉(zhuǎn)化。
黑臭水體治理是目前城市水環(huán)境治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。但是，在黑臭水體得到有效消除之后，城市水體將面臨突出的水華問題，水環(huán)境治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)也將向水華治理轉(zhuǎn)變，需要提前布局研發(fā)，儲備相應(yīng)的技術(shù)。
在黑臭水體中，由于缺少光照、高濃度有機(jī)物的抑制作用，微藻難以生長，一般不發(fā)生水華。但是，黑臭治理后，水體的氮磷濃度仍會保持較高的濃度，微藻將容易生長，引起水華爆發(fā)。藻類死亡/細(xì)胞溶化將促使有機(jī)物濃度升高，進(jìn)而導(dǎo)致水體黑臭。水華治理的成敗，也關(guān)系到治理后水體是否返黑返臭和能否長期保持。
4)城市水環(huán)境治理的長效模式。
城市水環(huán)境治理需要從政府、專家、企業(yè)、公眾各個(gè)層面樹立科學(xué)的城市水環(huán)境質(zhì)量觀和治理觀，充分考慮相對質(zhì)量與絕對質(zhì)量的辯證關(guān)系、污染治理與水質(zhì)效應(yīng)的耦聯(lián)關(guān)系、水質(zhì)保障與維系時(shí)限的演變關(guān)系。
城市水環(huán)境問題的本質(zhì)是水資源利用和城市水循環(huán)系統(tǒng)建設(shè)問題。水的生態(tài)耦聯(lián)循環(huán)，是解決水資源短缺和水環(huán)境問題的可持續(xù)措施，需要加強(qiáng)實(shí)踐和大力推廣。
來源：胡洪營,孫迎雪,陳卓,吳光學(xué),李鋒民,種云霄.城市水環(huán)境治理面臨的課題與長效治理模式[J].環(huán)境工程.2019,37(10):6-15.
