我國城市河流黑臭問題分類與系統化治理實踐
前言
改革開放以來，隨著中國內地城市化進程不斷加快，城市人口比例從1978年不足20%到2018年增長為約60%，人口總數達到8億。由于環境基礎設施建設起步晚，人口密度高，我國城市河流水系單位面積的污水排放量是歐美城市的3~4倍，污染治理更為困難，處于探索階段，卻背負最嚴格的考核指標。到2020年，地級及以上城市建成區黑臭水體均控制在10%以內，2030年，全國城市建成區黑臭水體總體得到消除。在政策效應和資本助力下，黑臭水體整治工作被空前重視并迅速開展，取得了階段性和局部性的成效。
城市河流黑臭治理是一項長期的系統性工程，與城市規劃不合理、基礎設施不匹配、監督管理不完善等復雜因素密切相關。一項需要系統謀劃的工程急匆匆開展，常常缺乏對癥下藥的關鍵技術和因地制宜的治理分析，政府訴求和參與各方的利益不相統一，有不少城市河流黑臭治理項目，工程投資浪費，水質改善并不明顯，“反復治理，治理反復”是當下我國黑臭水體治理的頑疾。
城市河流黑臭是當今中國最突出的環境問題之一。本文詳細分析了我國河流黑臭的成因，針對我國城市環境基礎設施建設情況，將城市河流黑臭分成管網高覆蓋率城市河流黑臭、污水高截污率城市河流黑臭、晴天不黑臭但是雨天黑臭三類。針對這些問題，研究了城市水環境污染源的溯源與追蹤技術、河網水系水流調控技術、溢流污染控制技術、村鎮污水人工濕地處理技術等。由此，建立了管網與河網耦合、上游與下游耦合、治理與調控耦合的系統性治理技術。系統介紹了相關技術在我國蘇州河治理中的成功應用以及蘇州河富有成效的河長管理體系，以期為中國河流黑臭治理尤其是東南沿海地區河流黑臭治理提供借鑒。
1我國城市河流黑臭類別與成因
根據相關部委統計數據，我國地級以上城市管網覆蓋率大都在85%以上，城市污水處理率達到90%。由此，我國城市河流黑臭可以分為三類，一是管網高覆蓋率城市的河流黑臭，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。這是中國和發展中國家特有的問題，技術解決方案沒有先例可循。
1.1管網高覆蓋率城市河流黑臭成因分析
由于管理和經濟政策等方面的問題，我國排水管網工程，從設計到建設，往往只重視污水總管和干管，沒有同步推進收集管網建設和污水截污納管工程，大量污染源仍然直排河道。各種關于截污率和處理率的統計數據是根據總管和干管覆蓋范圍和污水處理能力推算的，并不是真實的污水處理率，這是管網高覆蓋率城市河道黑臭的真實成因。如20年前，蘇州河治理一期工程啟動之初，上海城區污水僅有40%被截流，60%的污水排入河流。治理關鍵是系統性溯源與追蹤，有的放矢，完善污水收集管網。
1.2污水高截污率城市河流黑臭成因分析
主要發生在東南沿海地區，東南沿海多為沖積平原、地勢平坦，河網密布、溝聯互通、相互影響，構成了更為復雜的河網水系。在潮汐動力作用下，污染在河網中往復回蕩，日積月累，日趨嚴重。流動性能差和自凈容量低是高截污率城市河流黑臭的主要成因。與其他地區的河流治理相比，這些地區的水環境治理牽一發而動全身，更具系統性、綜合性和復雜性。歐美城市河流治理的成功案例中，河流凈泄流量往往是我國東南沿海城市的數十倍甚至上百倍，如流經法國巴黎市區的塞納河，年均流量380m3/s；流經英國倫敦市區的泰晤士河年均流量67m3/s。相比之下同為感潮河流的上海市蘇州河，實施水利調控措施前平均流量不足10m3/s，污染物在蘇州河市區段的停留時間長達10~15d。污水高截污率城市河流黑臭治理關鍵是加大凈泄流量，提高流動性。最為經濟的方法是利用潮汐動能，引排結合，合理確定復氧速率與停留時間，統籌過境水質與受納河道水質，制定基于潮汐動力推移的自凈容量動態提升的水系調控方案。
1.3晴天不黑臭雨天黑臭的成因分析
我國河道雨天黑臭主要成因是合流制系統雨天溢流和分流制系統初期雨水排放。我國大部分城市的老城區為合流制系統，大管徑的合流制管道在遠距離輸送過程中，污染沿程沉淀，沉積率高達40%以上，由此，也導致了我國大中城市末端污水處理廠進水濃度普遍偏低，沉積污染伴隨雨水排入河流，造成沖擊性污染。歷史原因，分流制地區污水管網的建設嚴重滯后于城市發展，許多污染源只能就近排入雨水管道。近年來，隨著城市積水改造工程的推進，許多雨水管道隨意或有意接入污水管道，擠占了污水的輸送容量，部分污水管道接入了雨水管道。雨水管道成為混接污水的積蓄池和厭氧反應池，初期雨水排放往往造成河道瞬間黑臭。與法國、德國、美國等國家的雨天溢流水質濃度數據庫對比，我國東南沿海典型城市的雨天溢流SS和COD濃度，是發達國家排水系統雨天溢流污染濃度的2倍以上，遠高于典型生活污水濃度。
以上所述三類城市河流黑臭問題，在發展中國家具有普遍性，很難借鑒歐美城市河流治理成功經驗，需要自主探索系統性治理技術體系。
2我國河流黑臭治理關鍵技術研究
2.1河網、管網污染溯源技術和混接診斷方法
水環境污染源調查是一項龐大的工作，數據調查非常困難，但是對于管網設計和河網水質改善十分重要。為此，建立了追蹤與溯源相結合的城市水環境污染排放系統分析方法。
通過調研獲取大量的污染物排放和排水系統數據，進行相應的處理，構建數字化的城市水環境污染排放追蹤溯源系統（UWPDS）。將GIS的網絡分析方法中的幾何網絡工具和公用設施網絡分析工具，作為追蹤溯源工具，運用有向圖論理論，以排水系統中的組成元素為對象，包括污水處理廠、泵站、非法排放口、污染源與排水管網，可以分析排水系統中與該對象的連通性和數字化流向。根據環境系統分析與有向圖論理論，構建了城市水環境污染排放系統網絡，如圖1所示。
應用于某城市的水系污染源調查，所得結果如圖2所示。對于污水處理廠溯源分析可知，排入污水處理廠的總污水量為28038.606m3/d，截污率為80.98%，由UWPDS查詢相關屬性信息可知，大約有6km合流管，19km污水管未接入污水處理廠，此外，還有10km雨水管連接至污水處理廠，增加了污水處理廠雨天的處理負荷。
雨水管網混接調查更加困難，全面物探費時費力。為此，建立了雨水管網中污染特征表達和顯著差異分析方法，通過雨水管網節點污染負荷動態平衡分析和排放路徑尋優求解方法，實現管網混接污染診斷。基本原理是節點入流和出流的化學質量平衡分析。通過化學質量平衡法建立關系式：
式中，Ci為第i個水質特征因子的雨水管網旱天排放濃度，可通過監測獲得；Φij為第j個混接污染類型的第i個水質特征因子濃度，可以通過污染源排放口監測獲得；αj為第j個混接污染類型的雨水管網旱天入流水量比例，這是待求變量；n為混接污染類型的數量。通過雨水管網服務范圍的污染源類型調查和現場監測，可以確定混接污染及其水量。
如圖3所示的研究區域，主要混接污染來源于生活污染和電子企業，管網中的水量還包括地下水，根據特征因子的混接識別計算確定了混接污水量和地下水量。如表1所示，為混接改造提供了依據。
2.2基于沉積污染減排的雨天溢流污染控制技術
排水系統溢流污染是雨天河道水質惡化的重要影響因素，上海蘇州河沿岸37個合流泵站一年的COD溢流污染相當于近20萬人口當量的COD污染負荷排放。管道沉積物是溢流污染的主要來源，統計分析發現沉積物對溢流污染COD和總磷的貢獻值為57%~62%，與國內外的報道基本一致。
管道沉積物的清淤國內仍以機械清通為主，人力、物力消耗較大，這給水力沖刷技術引入提供了契機。針對我國雨水管道和合流管道沉積物的剪切力的研究分析，自主研發了基于彈簧壓縮的排水管道自動翻轉閘板沖刷裝置。當蓄水水位達到設定高度時，瞬時翻轉閘板，形成沖刷水波對底部沉積物產生強烈沖刷作用，達到清淤效果。在雨水管道末端，設置截流管，進行攔截，解決了沉積物雨天沖刷入河的問題。在某排水干管安裝的自動翻轉閘板攔截沖洗裝置監測數據表明，懸浮顆粒物濃度從200~250mg/L下降至30~70mg/L，說明自動沖刷可以取代人工清淤，這應該是我國排水管網下一步改造的方向。
在溢流污染的末端控制中，水力旋流分離器因其占地面積小、無需外部動力、無活動部件、建設和維護費用低等優點，得到USEPA推薦使用，在歐美等國家被廣泛使用。大型水力旋流分離裝置國內首次應用于巢湖市洗耳池水體治理，研發的短時絮凝與旋流分離耦合分離的技術方法，使得旋流分離器的分離效果有顯著提高，SS和COD的相對去除率分別提高了40%和58%。
2.3農村污水低碳生態治理技術
分散污水人工濕地處理具有經濟、簡單的優勢，在國際上應用普遍，在我國大規模推廣應用亟需改進的是減少處理用地，提高處理負荷，實現人工濕地脫氮，并能有效預防濕地堵塞。
高負荷潛流人工濕地無動力脫氮技術的關鍵是建立無動力復氧量和基質、濕地構造的關系，通過表層復氧廊道和空氣導管實現無動力復氧，水力負荷為0.05～0.5m3/(m2·d)、進水負荷小于175gCOD/(m2·d)、布水管間距1.0～1.2m、大氣復氧廊道寬度為表層面積的1/3時，基質層中細菌總數、亞硝酸細菌、硝酸細菌普遍增加2.9、1.3和2.0倍，飽和區生物膜優勢菌種以好氧假單胞菌為主，硝化速率和反硝化速率明顯增強。采用變浸潤水位自動運行方式，動態調控濕地內氧化還原電位，實現硝化反硝化反應的交替進行，一個周期內，總氮去除率為50%左右。崇明前衛村人工濕地工程，2007年建設，設計水量630m3/d，占地面積5900m2，出水好于一級B標準，運行成本僅為0.3元/m3。
通過蚯蚓修復人工濕地堵塞也取得了實效，利用“堿洗+熱堿+低速離心”方法，確定了堵塞物主要是有機物、蛋白質和多糖類物質。篩選了生命力強、攝食量大的赤子愛勝蚓來修復濕地堵塞，平均每克蚯蚓在48h內能取食0.31mg，同化0.236mg的有機物，消化吸收0.033mg的蛋白質和0.013mg的多糖，最佳投放密度為0.4～0.8kg/m2。崇明森林公園人工濕地污水處理工程2004年建成，處理水量3000m3/d，占地面積13100m2，分割成30塊，蚯蚓最大投放量1.2kg/m2，配以多塊濕地交替進水，實現堵塞修復，出水標準達到一級A，總投資402萬元，運行成本0.28元/m3。
復合厭氧組合水肥應用應是農村化糞池污水處理的主攻方向，人工濕地成本低、運行簡便、生態高效，與水資源回用、生態保育、景觀建設相結合，在農村污水治理中具有廣闊的應用前景。
2.4河網水系自凈容量提升的潮汐水流調控方法
東南沿海城市，河網水系潮汐推移，導致污染往復回蕩，即使全面截污，也很難實現河流水質全面改善。在截污治污的基礎上，潮汐河網水動力調控是重要輔助措施，必須借助于數學模型，國際上著名的河流整治中都開發了符合流域特性的水環境數學模型。
東南沿海城市河網水質模擬可以選用BOD5—NH3-N—DO耦合模型。該耦合模型的基本參數是碳化BOD的耗氧速率及硝化速率、底泥耗氧速率、大氣復氧速率等，表現出空間異質性的特點。關鍵是參數的選擇、率定和驗證，這是模型計算結果是否真實的前提。大型河流應采用現場監測和實驗室測定相結合的方法，確定上述模型參數在空間尺度上的變化范圍，小型河流可以借鑒相似河流的研究成果。通過建立數學模型，開展潮汐河流對流擴散運動的數值模擬，建立復氧速率、流速、水深的非線性響應關系，形成閘門控制下的大氣復氧速率調控方法，通過提高大氣復氧速率提高水體自凈能力。蘇州河污染物遷移轉化參數如表2所示。
蘇州河水系通過閘門調控，潮汐往復流改變成單向流動，流量從調控前的平均凈泄流量10m3/s增加至20~40m3/s，溶解氧濃度提高17.5%~53.4%，蘇州河流入黃浦江斷面水質改善，主要指標均達到V類水。
2.5基于數值模擬的綜合治理決策分析
城市河流污染治理工程，往往投資巨大，這些工程在實施之前，都應該借助先進的計算機模擬技術，進行科學論證和決策。構建決策支持系統，是一種國際通行的方法。
模型系統一般包括三個模塊：前處理模塊、計算模塊、后處理模塊，如圖4所示。
計算模塊負責調用模型軟件，將前處理模塊中設定的工程案例參數導入模型中并進行計算，在計算之后再將模型生成的二進制格式結果文件轉換為文本格式文件，生成結構化數據，使其能夠被分析和查詢。該模塊應計算的指標包括水位、流量、溶解氧、水溫、氨氮、硝酸鹽氮、BOD和COD等。
后處理模塊負責將數據進行合理分類，實現數據的圖形可視化，將不同案例的計算結果進行比較，為工程決策提供科學合理的理論支持。
蘇州河環境綜合整治工程開發了決策支持系統，借助該系統，對蘇州河截污治污、水系調控、底泥疏浚等方案進行了比較分析(如圖5所示)，根據計算分析，綜合工程措施才能顯著提高河道的DO值。
2.6跨界河流水質綜合評價方法
河流水質評價是河長責任制考核中的重要基礎性工作，目前，依據最差指標進行考核，發揮了積極作用，但也存在弊端，如以偏概全，容易全盤否定；上下游斷面水質最差的指標可能不相同，無法對比分析；有些斷面來水指標已經劣于V類，單一指標考核注定無法完成V類水目標要求。
科學合理的水質考核評價方法應具有以下特點：①能夠對一組水質指標進行綜合評價，而不是單一指標；②能夠結合國家標準評價綜合水質類別，并在同一類別中進行定量比較；③能夠對劣V類水質和黑臭水體進行定量區分；④能夠對跨界河流綜合水質變化進行定量考核，強化河長責任制。
在上海蘇州河水系綜合治理責任制考核中，探索建立了水質標識指數評價方法。綜合水質標識指數基于主要污染指標（COD、BOD5、NH3-N、DO、TP等）的計算結果，反映的是整體水質情況，由整數位和小數點后一位有效數字組成，WI=X1·X2，其中，X1為綜合水質類別，X2表征同一類別的比較。綜合水質標識指數具有三個簡單的含義：整數位代表水質類別；數據越大，水質越差；X1X2>6.0表示劣V類水，X1X2>7.0，水體開始黑臭。
圖6表示了蘇州河下游1994年到2003年綜合水質的變化，如果用單一指標，蘇州河水質總磷一直劣于V類水，無法表達水質的改善。圖7表達了黃浦江2003年上游到下游各斷面綜合水質的變化，可以清晰界定區域責任，如果采用單一指標，很難對比。
以上技術方法的組合應用，可以建立管網與河網耦合、上游與下游耦合、治理與調控耦合的系統性治理方案，形成解決我國城市河流黑臭問題的技術體系。總之，城市河流黑臭治理，外源和內源控制是根本性措施，流動性和自凈容量提升是重要輔助方法，君臣佐使，相得益彰，不可偏頗。
3蘇州河案例介紹
蘇州河是上海發展史上最重要的地表水體，兩岸孕育了中國現代化工業文明，與黃浦江一道被稱為上海的母親河。蘇州河水系涵括上海9個行政區，包括上海人口最密集、商業最繁華的中心城區。1999年以前，蘇州河水系污染嚴重，全年黑臭，兩岸居民不敢開窗，路過行人掩鼻而過，上海市之前多次對蘇州河污染進行治理，總體而言，收效不明顯。
蘇州河干流上海市境內全長53.1km，水系面積855km2，大小河流2000多條，水環境污染源上萬個。復雜的河網、龐大的管網、眾多的污染源、通往外江外海的閘門群，構成了一個污染遷移轉化的復雜網絡系統。國際上城市河流治理中，蘇州河水系治理最為復雜；與國內其他城市相比，也更為艱巨。
3.1工程概況
1996年，蘇州河環境綜合整治一期工程立項，至今先后實施了四期整治工程，總投資超過140億元。工程規劃系統考慮了河流的上游和下游、干流和支流、管網和河網、水體及底泥、水域和陸域之間的相互作用，研發了針對特大城市黑臭河道治理的系統性關鍵技術。
在蘇州河環境綜合整治初期，開展了全面的污染源調查，對污染成因進行了深入剖析，一是大量污水直接排放至蘇州河上下游及其大小支流，二是合流制泵站溢流污染嚴重，三是潮汐作用導致中心河段污水滯留，四是河網水系割裂不通。
運用系統化的治理思想與技術，確立了治理重點，制定了治理目標，劃分了治理階段。蘇州河環境綜合整治工程的目標主要體現在兩個階段，一是2000年之前，基本消除黑臭；二是2010年之前，基本恢復河道生態景觀功能，主要指標穩定達到Ⅴ類水標準。
蘇州河污染治理強化了干流和支流、上游和下游、中心城區和郊區農村全系統截污治污，污水截流率從22%提至約85%；針對蘇州河往復回蕩問題，利用潮汐動力調控了水體流動，消除了晴天黑臭；基于水動力和水質耦合分析，延后了部分泵閘工程的建設和底泥的疏浚，節省工程投資16.5億元；通過優化調度和末端調蓄，控制沿岸市政泵站溢流污染，改善了市區河段雨天黑臭現象；考慮蘇州河局部水域在特定時期內（如泵站放江期間）會出現“黑臭”現象，采用階段性局部曝氣迅速補充溶解氧；分析了河床底泥與上覆水體的相互影響，蘇州河水質穩定改善之后開展了底泥疏浚。
在蘇州河治理歷程中，堅持系統目標就是工程目標，系統決策變量就是工程措施，系統約束條件就是投資預算等，是系統工程理論和方法學應用的成功案例。
3.2治理成果
經過十幾年的努力，蘇州河消除了黑臭，河道年平均水質逐年改善（如圖8），河道水生生物（底棲生物）的數量和種類顯著增加，絕跡多年的河魚和海鷗重歸蘇州河。蘇州河治理成效在國內外引起廣泛關注，成為我國乃至國際上重污染河流治理的成功范例，2004年獲全球能源獎（水資源組一等獎）。
3.3蘇州河治理的河長制度
蘇州河治理的成效，得益于一個實實在在的“河長制度”。20年前，上海市成立蘇州河環境綜合整治領導小組，組長由上海市市長擔任，領導小組副組長由分管副市長擔任，相當于現在總河長和副總河長；領導小組成員由市政府相關委辦局主要領導擔任，還成立了領導小組辦公室協調具體事務，組建蘇州河環境治理建設有限公司負責工程建設，形成合力共同治水。為了提高科學治水的水平，成立了技術小組和專家委員會，聘請國外專業咨詢機構進行咨詢，設立科技專項，組織國內外高校開展技術攻關。
頂層決策者、管理組織者、工程建設者、技術負責者以及咨詢專家形成了行之有效的組織架構，這樣一種機制始終確保蘇州河治理在技術合理、高效實施的軌道上前進，確保蘇州河治理按期甚至提前實現既定目標，并節省了工程投資。
上海市委、市政府在蘇州河水環境綜合整治中對河長制早期探索的成功經驗表明，黑臭河道治理是久久為功的艱巨任務，必須確立實實在在的領導者，尊重專家意見，深入現場，積極推進；建立權責一致的責任專家隊伍，長期跟蹤研究，融合國際經驗和工程實際，制定技術方案；集聚一批兢兢業業的管理者和建設者，熟悉情況，尊重科學，踏實做事。
4總結
城市河流黑臭治理工程必須開展完善的系統分析和科學的工程規劃，不能是決策者的主觀意志和經驗，堅持污染治理和提高河流自凈能力，特別是污水處理廠和管網的建設，要堅持管網和河網系統化設計和建設，提高污水收集率和污染負荷輸送率，強化污水處理廠進水水質提高和技術經濟效益優化。
管網高普及率城市河流黑臭治理，事先要開展污染溯源與排放清單分析，實現有的放矢截污治污。污水高截污率城市河流黑臭治理的關鍵技術是河網水流調控，提高大氣復氧速率與凈化速率。雨天河流黑臭治理，要有效控制溢流污染，關鍵是管網改造與末端凈化相結合。
同時，要建立權責利相匹配的河長制和科學評估方法，按流域或水系設立河長，切忌按條段設立責任制；河長不一定懂專業，但是河長應有專業的、固定的技術咨詢和顧問；河流黑臭整治工程建設應該設立工程監理，確保技術方案落到實處。
總之，我國城市河流污染治理任重道遠，不可能一蹴而就，蘇州河治理的經驗，證實了只要堅持截污治污、系統規劃、科學管理，持之以恒，定有成效。
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