我国城市河流黑臭问题分类与系统化治理实践
前言
改革开放以来，随着中国内地城市化进程不断加快，城市人口比例从1978年不足20%到2018年增长为约60%，人口总数达到8亿。由于环境基础设施建设起步晚，人口密度高，我国城市河流水系单位面积的污水排放量是欧美城市的3~4倍，污染治理更为困难，处于探索阶段，却背负最严格的考核指标。到2020年，地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内，2030年，全国城市建成区黑臭水体总体得到消除。在政策效应和资本助力下，黑臭水体整治工作被空前重视并迅速开展，取得了阶段性和局部性的成效。
城市河流黑臭治理是一项长期的系统性工程，与城市规划不合理、基础设施不匹配、监督管理不完善等复杂因素密切相关。一项需要系统谋划的工程急匆匆开展，常常缺乏对症下药的关键技术和因地制宜的治理分析，政府诉求和参与各方的利益不相统一，有不少城市河流黑臭治理项目，工程投资浪费，水质改善并不明显，“反复治理，治理反复”是当下我国黑臭水体治理的顽疾。
城市河流黑臭是当今中国最突出的环境问题之一。本文详细分析了我国河流黑臭的成因，针对我国城市环境基础设施建设情况，将城市河流黑臭分成管网高覆盖率城市河流黑臭、污水高截污率城市河流黑臭、晴天不黑臭但是雨天黑臭三类。针对这些问题，研究了城市水环境污染源的溯源与追踪技术、河网水系水流调控技术、溢流污染控制技术、村镇污水人工湿地处理技术等。由此，建立了管网与河网耦合、上游与下游耦合、治理与调控耦合的系统性治理技术。系统介绍了相关技术在我国苏州河治理中的成功应用以及苏州河富有成效的河长管理体系，以期为中国河流黑臭治理尤其是东南沿海地区河流黑臭治理提供借鉴。
1我国城市河流黑臭类别与成因
根据相关部委统计数据，我国地级以上城市管网覆盖率大都在85%以上，城市污水处理率达到90%。由此，我国城市河流黑臭可以分为三类，一是管网高覆盖率城市的河流黑臭，二是污水高截污率城市的河流黑臭，三是晴天不黑臭但是雨天黑臭。这是中国和发展中国家特有的问题，技术解决方案没有先例可循。
1.1管网高覆盖率城市河流黑臭成因分析
由于管理和经济政策等方面的问题，我国排水管网工程，从设计到建设，往往只重视污水总管和干管，没有同步推进收集管网建设和污水截污纳管工程，大量污染源仍然直排河道。各种关于截污率和处理率的统计数据是根据总管和干管覆盖范围和污水处理能力推算的，并不是真实的污水处理率，这是管网高覆盖率城市河道黑臭的真实成因。如20年前，苏州河治理一期工程启动之初，上海城区污水仅有40%被截流，60%的污水排入河流。治理关键是系统性溯源与追踪，有的放矢，完善污水收集管网。
1.2污水高截污率城市河流黑臭成因分析
主要发生在东南沿海地区，东南沿海多为冲积平原、地势平坦，河网密布、沟联互通、相互影响，构成了更为复杂的河网水系。在潮汐动力作用下，污染在河网中往复回荡，日积月累，日趋严重。流动性能差和自净容量低是高截污率城市河流黑臭的主要成因。与其他地区的河流治理相比，这些地区的水环境治理牵一发而动全身，更具系统性、综合性和复杂性。欧美城市河流治理的成功案例中，河流净泄流量往往是我国东南沿海城市的数十倍甚至上百倍，如流经法国巴黎市区的塞纳河，年均流量380m3/s；流经英国伦敦市区的泰晤士河年均流量67m3/s。相比之下同为感潮河流的上海市苏州河，实施水利调控措施前平均流量不足10m3/s，污染物在苏州河市区段的停留时间长达10~15d。污水高截污率城市河流黑臭治理关键是加大净泄流量，提高流动性。最为经济的方法是利用潮汐动能，引排结合，合理确定复氧速率与停留时间，统筹过境水质与受纳河道水质，制定基于潮汐动力推移的自净容量动态提升的水系调控方案。
1.3晴天不黑臭雨天黑臭的成因分析
我国河道雨天黑臭主要成因是合流制系统雨天溢流和分流制系统初期雨水排放。我国大部分城市的老城区为合流制系统，大管径的合流制管道在远距离输送过程中，污染沿程沉淀，沉积率高达40%以上，由此，也导致了我国大中城市末端污水处理厂进水浓度普遍偏低，沉积污染伴随雨水排入河流，造成冲击性污染。历史原因，分流制地区污水管网的建设严重滞后于城市发展，许多污染源只能就近排入雨水管道。近年来，随着城市积水改造工程的推进，许多雨水管道随意或有意接入污水管道，挤占了污水的输送容量，部分污水管道接入了雨水管道。雨水管道成为混接污水的积蓄池和厌氧反应池，初期雨水排放往往造成河道瞬间黑臭。与法国、德国、美国等国家的雨天溢流水质浓度数据库对比，我国东南沿海典型城市的雨天溢流SS和COD浓度，是发达国家排水系统雨天溢流污染浓度的2倍以上，远高于典型生活污水浓度。
以上所述三类城市河流黑臭问题，在发展中国家具有普遍性，很难借鉴欧美城市河流治理成功经验，需要自主探索系统性治理技术体系。
2我国河流黑臭治理关键技术研究
2.1河网、管网污染溯源技术和混接诊断方法
水环境污染源调查是一项庞大的工作，数据调查非常困难，但是对于管网设计和河网水质改善十分重要。为此，建立了追踪与溯源相结合的城市水环境污染排放系统分析方法。
通过调研获取大量的污染物排放和排水系统数据，进行相应的处理，构建数字化的城市水环境污染排放追踪溯源系统（UWPDS）。将GIS的网络分析方法中的几何网络工具和公用设施网络分析工具，作为追踪溯源工具，运用有向图论理论，以排水系统中的组成元素为对象，包括污水处理厂、泵站、非法排放口、污染源与排水管网，可以分析排水系统中与该对象的连通性和数字化流向。根据环境系统分析与有向图论理论，构建了城市水环境污染排放系统网络，如图1所示。
应用于某城市的水系污染源调查，所得结果如图2所示。对于污水处理厂溯源分析可知，排入污水处理厂的总污水量为28038.606m3/d，截污率为80.98%，由UWPDS查询相关属性信息可知，大约有6km合流管，19km污水管未接入污水处理厂，此外，还有10km雨水管连接至污水处理厂，增加了污水处理厂雨天的处理负荷。
雨水管网混接调查更加困难，全面物探费时费力。为此，建立了雨水管网中污染特征表达和显著差异分析方法，通过雨水管网节点污染负荷动态平衡分析和排放路径寻优求解方法，实现管网混接污染诊断。基本原理是节点入流和出流的化学质量平衡分析。通过化学质量平衡法建立关系式：
式中，Ci为第i个水质特征因子的雨水管网旱天排放浓度，可通过监测获得；Φij为第j个混接污染类型的第i个水质特征因子浓度，可以通过污染源排放口监测获得；αj为第j个混接污染类型的雨水管网旱天入流水量比例，这是待求变量；n为混接污染类型的数量。通过雨水管网服务范围的污染源类型调查和现场监测，可以确定混接污染及其水量。
如图3所示的研究区域，主要混接污染来源于生活污染和电子企业，管网中的水量还包括地下水，根据特征因子的混接识别计算确定了混接污水量和地下水量。如表1所示，为混接改造提供了依据。
2.2基于沉积污染减排的雨天溢流污染控制技术
排水系统溢流污染是雨天河道水质恶化的重要影响因素，上海苏州河沿岸37个合流泵站一年的COD溢流污染相当于近20万人口当量的COD污染负荷排放。管道沉积物是溢流污染的主要来源，统计分析发现沉积物对溢流污染COD和总磷的贡献值为57%~62%，与国内外的报道基本一致。
管道沉积物的清淤国内仍以机械清通为主，人力、物力消耗较大，这给水力冲刷技术引入提供了契机。针对我国雨水管道和合流管道沉积物的剪切力的研究分析，自主研发了基于弹簧压缩的排水管道自动翻转闸板冲刷装置。当蓄水水位达到设定高度时，瞬时翻转闸板，形成冲刷水波对底部沉积物产生强烈冲刷作用，达到清淤效果。在雨水管道末端，设置截流管，进行拦截，解决了沉积物雨天冲刷入河的问题。在某排水干管安装的自动翻转闸板拦截冲洗装置监测数据表明，悬浮颗粒物浓度从200~250mg/L下降至30~70mg/L，说明自动冲刷可以取代人工清淤，这应该是我国排水管网下一步改造的方向。
在溢流污染的末端控制中，水力旋流分离器因其占地面积小、无需外部动力、无活动部件、建设和维护费用低等优点，得到USEPA推荐使用，在欧美等国家被广泛使用。大型水力旋流分离装置国内首次应用于巢湖市洗耳池水体治理，研发的短时絮凝与旋流分离耦合分离的技术方法，使得旋流分离器的分离效果有显著提高，SS和COD的相对去除率分别提高了40%和58%。
2.3农村污水低碳生态治理技术
分散污水人工湿地处理具有经济、简单的优势，在国际上应用普遍，在我国大规模推广应用亟需改进的是减少处理用地，提高处理负荷，实现人工湿地脱氮，并能有效预防湿地堵塞。
高负荷潜流人工湿地无动力脱氮技术的关键是建立无动力复氧量和基质、湿地构造的关系，通过表层复氧廊道和空气导管实现无动力复氧，水力负荷为0.05～0.5m3/(m2·d)、进水负荷小于175gCOD/(m2·d)、布水管间距1.0～1.2m、大气复氧廊道宽度为表层面积的1/3时，基质层中细菌总数、亚硝酸细菌、硝酸细菌普遍增加2.9、1.3和2.0倍，饱和区生物膜优势菌种以好氧假单胞菌为主，硝化速率和反硝化速率明显增强。采用变浸润水位自动运行方式，动态调控湿地内氧化还原电位，实现硝化反硝化反应的交替进行，一个周期内，总氮去除率为50%左右。崇明前卫村人工湿地工程，2007年建设，设计水量630m3/d，占地面积5900m2，出水好于一级B标准，运行成本仅为0.3元/m3。
通过蚯蚓修复人工湿地堵塞也取得了实效，利用“碱洗+热碱+低速离心”方法，确定了堵塞物主要是有机物、蛋白质和多糖类物质。筛选了生命力强、摄食量大的赤子爱胜蚓来修复湿地堵塞，平均每克蚯蚓在48h内能取食0.31mg，同化0.236mg的有机物，消化吸收0.033mg的蛋白质和0.013mg的多糖，最佳投放密度为0.4～0.8kg/m2。崇明森林公园人工湿地污水处理工程2004年建成，处理水量3000m3/d，占地面积13100m2，分割成30块，蚯蚓最大投放量1.2kg/m2，配以多块湿地交替进水，实现堵塞修复，出水标准达到一级A，总投资402万元，运行成本0.28元/m3。
复合厌氧组合水肥应用应是农村化粪池污水处理的主攻方向，人工湿地成本低、运行简便、生态高效，与水资源回用、生态保育、景观建设相结合，在农村污水治理中具有广阔的应用前景。
2.4河网水系自净容量提升的潮汐水流调控方法
东南沿海城市，河网水系潮汐推移，导致污染往复回荡，即使全面截污，也很难实现河流水质全面改善。在截污治污的基础上，潮汐河网水动力调控是重要辅助措施，必须借助于数学模型，国际上著名的河流整治中都开发了符合流域特性的水环境数学模型。
东南沿海城市河网水质模拟可以选用BOD5—NH3-N—DO耦合模型。该耦合模型的基本参数是碳化BOD的耗氧速率及硝化速率、底泥耗氧速率、大气复氧速率等，表现出空间异质性的特点。关键是参数的选择、率定和验证，这是模型计算结果是否真实的前提。大型河流应采用现场监测和实验室测定相结合的方法，确定上述模型参数在空间尺度上的变化范围，小型河流可以借鉴相似河流的研究成果。通过建立数学模型，开展潮汐河流对流扩散运动的数值模拟，建立复氧速率、流速、水深的非线性响应关系，形成闸门控制下的大气复氧速率调控方法，通过提高大气复氧速率提高水体自净能力。苏州河污染物迁移转化参数如表2所示。
苏州河水系通过闸门调控，潮汐往复流改变成单向流动，流量从调控前的平均净泄流量10m3/s增加至20~40m3/s，溶解氧浓度提高17.5%~53.4%，苏州河流入黄浦江断面水质改善，主要指标均达到V类水。
2.5基于数值模拟的综合治理决策分析
城市河流污染治理工程，往往投资巨大，这些工程在实施之前，都应该借助先进的计算机模拟技术，进行科学论证和决策。构建决策支持系统，是一种国际通行的方法。
模型系统一般包括三个模块：前处理模块、计算模块、后处理模块，如图4所示。
计算模块负责调用模型软件，将前处理模块中设定的工程案例参数导入模型中并进行计算，在计算之后再将模型生成的二进制格式结果文件转换为文本格式文件，生成结构化数据，使其能够被分析和查询。该模块应计算的指标包括水位、流量、溶解氧、水温、氨氮、硝酸盐氮、BOD和COD等。
后处理模块负责将数据进行合理分类，实现数据的图形可视化，将不同案例的计算结果进行比较，为工程决策提供科学合理的理论支持。
苏州河环境综合整治工程开发了决策支持系统，借助该系统，对苏州河截污治污、水系调控、底泥疏浚等方案进行了比较分析(如图5所示)，根据计算分析，综合工程措施才能显著提高河道的DO值。
2.6跨界河流水质综合评价方法
河流水质评价是河长责任制考核中的重要基础性工作，目前，依据最差指标进行考核，发挥了积极作用，但也存在弊端，如以偏概全，容易全盘否定；上下游断面水质最差的指标可能不相同，无法对比分析；有些断面来水指标已经劣于V类，单一指标考核注定无法完成V类水目标要求。
科学合理的水质考核评价方法应具有以下特点：①能够对一组水质指标进行综合评价，而不是单一指标；②能够结合国家标准评价综合水质类别，并在同一类别中进行定量比较；③能够对劣V类水质和黑臭水体进行定量区分；④能够对跨界河流综合水质变化进行定量考核，强化河长责任制。
在上海苏州河水系综合治理责任制考核中，探索建立了水质标识指数评价方法。综合水质标识指数基于主要污染指标（COD、BOD5、NH3-N、DO、TP等）的计算结果，反映的是整体水质情况，由整数位和小数点后一位有效数字组成，WI=X1·X2，其中，X1为综合水质类别，X2表征同一类别的比较。综合水质标识指数具有三个简单的含义：整数位代表水质类别；数据越大，水质越差；X1X2>6.0表示劣V类水，X1X2>7.0，水体开始黑臭。
图6表示了苏州河下游1994年到2003年综合水质的变化，如果用单一指标，苏州河水质总磷一直劣于V类水，无法表达水质的改善。图7表达了黄浦江2003年上游到下游各断面综合水质的变化，可以清晰界定区域责任，如果采用单一指标，很难对比。
以上技术方法的组合应用，可以建立管网与河网耦合、上游与下游耦合、治理与调控耦合的系统性治理方案，形成解决我国城市河流黑臭问题的技术体系。总之，城市河流黑臭治理，外源和内源控制是根本性措施，流动性和自净容量提升是重要辅助方法，君臣佐使，相得益彰，不可偏颇。
3苏州河案例介绍
苏州河是上海发展史上最重要的地表水体，两岸孕育了中国现代化工业文明，与黄浦江一道被称为上海的母亲河。苏州河水系涵括上海9个行政区，包括上海人口最密集、商业最繁华的中心城区。1999年以前，苏州河水系污染严重，全年黑臭，两岸居民不敢开窗，路过行人掩鼻而过，上海市之前多次对苏州河污染进行治理，总体而言，收效不明显。
苏州河干流上海市境内全长53.1km，水系面积855km2，大小河流2000多条，水环境污染源上万个。复杂的河网、庞大的管网、众多的污染源、通往外江外海的闸门群，构成了一个污染迁移转化的复杂网络系统。国际上城市河流治理中，苏州河水系治理最为复杂；与国内其他城市相比，也更为艰巨。
3.1工程概况
1996年，苏州河环境综合整治一期工程立项，至今先后实施了四期整治工程，总投资超过140亿元。工程规划系统考虑了河流的上游和下游、干流和支流、管网和河网、水体及底泥、水域和陆域之间的相互作用，研发了针对特大城市黑臭河道治理的系统性关键技术。
在苏州河环境综合整治初期，开展了全面的污染源调查，对污染成因进行了深入剖析，一是大量污水直接排放至苏州河上下游及其大小支流，二是合流制泵站溢流污染严重，三是潮汐作用导致中心河段污水滞留，四是河网水系割裂不通。
运用系统化的治理思想与技术，确立了治理重点，制定了治理目标，划分了治理阶段。苏州河环境综合整治工程的目标主要体现在两个阶段，一是2000年之前，基本消除黑臭；二是2010年之前，基本恢复河道生态景观功能，主要指标稳定达到Ⅴ类水标准。
苏州河污染治理强化了干流和支流、上游和下游、中心城区和郊区农村全系统截污治污，污水截流率从22%提至约85%；针对苏州河往复回荡问题，利用潮汐动力调控了水体流动，消除了晴天黑臭；基于水动力和水质耦合分析，延后了部分泵闸工程的建设和底泥的疏浚，节省工程投资16.5亿元；通过优化调度和末端调蓄，控制沿岸市政泵站溢流污染，改善了市区河段雨天黑臭现象；考虑苏州河局部水域在特定时期内（如泵站放江期间）会出现“黑臭”现象，采用阶段性局部曝气迅速补充溶解氧；分析了河床底泥与上覆水体的相互影响，苏州河水质稳定改善之后开展了底泥疏浚。
在苏州河治理历程中，坚持系统目标就是工程目标，系统决策变量就是工程措施，系统约束条件就是投资预算等，是系统工程理论和方法学应用的成功案例。
3.2治理成果
经过十几年的努力，苏州河消除了黑臭，河道年平均水质逐年改善（如图8），河道水生生物（底栖生物）的数量和种类显著增加，绝迹多年的河鱼和海鸥重归苏州河。苏州河治理成效在国内外引起广泛关注，成为我国乃至国际上重污染河流治理的成功范例，2004年获全球能源奖（水资源组一等奖）。
3.3苏州河治理的河长制度
苏州河治理的成效，得益于一个实实在在的“河长制度”。20年前，上海市成立苏州河环境综合整治领导小组，组长由上海市市长担任，领导小组副组长由分管副市长担任，相当于现在总河长和副总河长；领导小组成员由市政府相关委办局主要领导担任，还成立了领导小组办公室协调具体事务，组建苏州河环境治理建设有限公司负责工程建设，形成合力共同治水。为了提高科学治水的水平，成立了技术小组和专家委员会，聘请国外专业咨询机构进行咨询，设立科技专项，组织国内外高校开展技术攻关。
顶层决策者、管理组织者、工程建设者、技术负责者以及咨询专家形成了行之有效的组织架构，这样一种机制始终确保苏州河治理在技术合理、高效实施的轨道上前进，确保苏州河治理按期甚至提前实现既定目标，并节省了工程投资。
上海市委、市政府在苏州河水环境综合整治中对河长制早期探索的成功经验表明，黑臭河道治理是久久为功的艰巨任务，必须确立实实在在的领导者，尊重专家意见，深入现场，积极推进；建立权责一致的责任专家队伍，长期跟踪研究，融合国际经验和工程实际，制定技术方案；集聚一批兢兢业业的管理者和建设者，熟悉情况，尊重科学，踏实做事。
4总结
城市河流黑臭治理工程必须开展完善的系统分析和科学的工程规划，不能是决策者的主观意志和经验，坚持污染治理和提高河流自净能力，特别是污水处理厂和管网的建设，要坚持管网和河网系统化设计和建设，提高污水收集率和污染负荷输送率，强化污水处理厂进水水质提高和技术经济效益优化。
管网高普及率城市河流黑臭治理，事先要开展污染溯源与排放清单分析，实现有的放矢截污治污。污水高截污率城市河流黑臭治理的关键技术是河网水流调控，提高大气复氧速率与净化速率。雨天河流黑臭治理，要有效控制溢流污染，关键是管网改造与末端净化相结合。
同时，要建立权责利相匹配的河长制和科学评估方法，按流域或水系设立河长，切忌按条段设立责任制；河长不一定懂专业，但是河长应有专业的、固定的技术咨询和顾问；河流黑臭整治工程建设应该设立工程监理，确保技术方案落到实处。
总之，我国城市河流污染治理任重道远，不可能一蹴而就，苏州河治理的经验，证实了只要坚持截污治污、系统规划、科学管理，持之以恒，定有成效。
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