城市水環境的修復與綜合治理

李新貴　孫亞月　黃美榮

摘要：隨著城市化進程的加快，城市水環境問題越來越嚴重，水環境污染早已超過城市水體的環境容量及自凈能力，導致水質惡化、洪澇頻繁、水生生態系統退化等諸多亟待解決的問題。在城市發展過程中，應著重加強對城市水環境的治理，不僅要實現對城市水環境的污染修復，同時也要防止在修復治理的過程中出現其他環境問題，甚至是新的污染，因此需要找出適合城市水環境治理的修復技術。對城市水環境的污染現狀進行分析，對常見的幾種典型的水環境治理技術、應用案例進行分析比較，盡可能地論述城市水環境修復的綜合整治思路和模式，將不同的修復技術相結合，讓其聯手合作，共同治理水環境污染的現狀，力求探索出適合城市水體污染的綜合治理模式，有助于最大程度地促進城市水環境的改善和美化。

城市水環境是由城市周邊和內部的湖泊、河流、水庫、池塘與地下水等水體所構成，是城市生態系統的重要組成部分，在城市發展的過程中，具有供水排水、交通運輸、防御洪澇、調節溫度、景觀休閑等多種功能。[1]它關系到城市的生存與發展，是影響城市可持續發展、城市居民身心健康和城市環境風貌的極其重要的因素。伴隨著中國城市化進程的加快，取水、筑壩、河道固化和汽車有毒有害廢氣大量排放等人類活動，對城市水體生態系統也造成了極大的干擾，導致水體中多項毒害污染物嚴重超標，進而出現水體富營養化、惡臭難聞、蚊蠅滋生、生態系統退化、生物多樣性銳減等諸多問題，導致城市水系的生態結構與功能日益衰退。這些問題極大地超出了生態系統的正常承受能力，嚴重影響了人類社會、經濟與環境的可持續發展，也危害著人類與其他生物的健康和繁衍，因此城市水體環境的修復已成為當前環境科學與工程研究的熱點和難點。

由于水環境中的污染物來源比較廣泛，導致其組成較為復雜，不同的水體所受的污染情況也不一樣，使得目前單一治理技術很難徹底完成城市水環境的生態修復，我們需要在單一治理技術的基礎上進行改良和創新，創造出新型的生態修復技術，這是目前水環境修復的主要發展方向。[2]基于以上原因，我們發現將傳統的物理、化學、生物及生態修復技術進行組合處理是完美實現未來水環境修復工程的首選，并通過理論研究，將其運用到實踐中，從而對城市水環境進行改造，形成完整的河湖水系，達到完善和美化城市水環境建設的效果。

（一）城市水環境的污染現狀

水是城市的重要組成部分，它不僅起到美化環境的作用，還影響著水體動植物的生存，同樣制約著城市環境與居民生活水平和幸福感的提升。目前我國城市水體的水質嚴重下降，主要是由于人類活動頻繁，又缺乏系統的、統一的規劃，加上管理的缺失所造成的。這些行為都將導致水體被嚴重污染，人類及其他生物的生存環境遭到了極大的破壞。如Leng等以京津冀地區為基礎，研究概述了地表水污染的影響因素，制定了“驅動力-壓力-狀態-影響響應”為模型的水環境風險評估指標體系。[3]Xu等以經濟發達而水問題突出的浙江省義烏市為例，以社會水文學理論為基礎，構建了多層次視角分析框架，并提出了多種城市水污染控制的解決方案。[4]

根據中國環保部的相關調查，我國每天的生活污水與工業廢水排放總量約為1.64億立方米，其中約80%的污水未經任何處理就排出，使得水環境中污染物總量持續累積。[5]2016年1月，水利部發布的《地下水動態月報》中數據顯示，我國地下水普遍存在著“水質較差”的問題。其中，V類水994個，占總數47.3%；IV類水691個，占總數32.9%；兩者合計占到80.2%。這兩類水顯然已經不宜飲用，這表明，超八成地下水已經受到一定程度的難以逆轉的污染。

2015年甘肅尾礦庫發生尾砂泄漏事件，導致了嘉陵江數百公里河道重金屬銻的濃度嚴重超標，此次事故造成的直接經濟損失為6 121萬元，約11萬人因供水問題生活受到嚴重影響，約257畝農田被污染，0～40厘米農田土壤銻超標率為20%。2016年4月，央視新聞頻道播出了常州外國語學校493名學生血液指標異常，個別學生還被查出患有淋巴癌、白血病等。經檢測發現，該校新校區的土地、地下水中均含有較高濃度的污染物。[6]2016年10月16日，清華大學飲用水研究課題組對外公布了一項研究報告：通過長達3年的時間，該校研究人員在全國23個省、44個城市的117個自來水檢測樣本中檢測全部9種亞硝胺類消毒副產物成分，結果發現劇毒亞硝基二甲胺含量最高。結合前期的流行病學研究表明，亞硝胺和中國某些區域的消化道癌癥發病率有著密切相關性，國際癌癥研究機構（IARC）也把亞硝胺列為2A類致癌物。此次監測到的這些區域的自來水主要是受到了工業廢水中亞硝胺的污染。

由此可知，水體污染所造成的危害已經嚴重到了難以想象的程度，它直接影響著地球上所有生物的健康及生存環境，影響著工農業生產與生活，嚴重威脅著人類的生存和健康發展。

（二）城市水環境中污染物特征及來源

我國城市地表水體主要是受到氮、磷等富營養元素污染，同時還受到一些有機難降解物、農藥、懸浮物、汽車尾氣、霧霾的污染。越來越多的污染物排放到水體中，在水環境中經過長期的積累，使得水體污染的特征越來越凸顯：由于水體流動性較小，自凈能力也較差，使得城市水體形成一個具有內在動力的密閉系統，水體通過此系統進行各種物質的轉化。與此同時，水體中多種污染物共存并相互作用，多種污染行為同時發生，多種污染效應之間出現協同作用或者拮抗作用。這些同時發生的物理、化學及生物作用，使得水環境污染問題變得更加棘手和恐怖。[7]

我國城市水體污染物的來源具有多樣性，一方面有天然污染與人為污染，另一方面又有外源性污染和內源性污染。[8]外源性污染是指污染物來源于水體外部，主要有生活污水、工業廢水、垃圾滲濾液及初期雨水等，它是導致城市水體污染的最主要原因，也是城市水體治理最主要的內容。內源性污染是指污染物來源于水體內部，主要有底泥污染物的釋放、水生生物殘體及水生動物代謝產物等。內源性污染相對于外源性污染，所占的比重相對較少。因此，城市水體環境的治理與修復可從兩個方面著手：控制外源性污染物，應盡可能地減少甚至阻斷外源性污染物進入城市水體環境，可從減少人為污染出發，通過嚴苛的法律手段來控制人為污染源的排入；而對于內源性污染物的控制，則需建立合適的種群結構等多種手段，以此來減緩內源污染物的釋放速度。

（三）城市水環境污染的危害

眾所周知，水質污染會造成非常嚴重的危害，它直接影響著地球上所有生物的健康及其生存環境，影響著工農業生產與人類的生活，嚴重威脅著人類的生存和發展。

未經處理的生活污水和自然降水流入河渠或湖泊中，此過程會帶入各種病菌及有害物質；農業生產中的氮、磷等營養元素進入到河流、湖泊等水域，能夠造成水體的富營養化；工業廢水中常見的多氯代二苯及二惡英等難降解有機劇毒物和鎘、鉛、銅、汞、銻等大量重金屬被隨意排放到水環境都導致水體受到嚴重污染，水體中多種污染物含量嚴重超標，進而出現水量短缺、水質惡化、水生生態系統退化、生物多樣性銳減以及城市水體功能的日益衰退等一系列問題。同時，人類及其他動物長期飲用被污染的水體后，這些污染物則較容易在體內積累，進而導致機體無法維持正常的代謝，嚴重破壞水域生態系統。因此，水資源短缺與水環境污染及水生態系統受損，三者相輔相成，相互惡性影響。Sun等詳細介紹了水資源規劃與管理綜合工具“水匱乏指數”（WPI）在中國城鄉地區水資源狀況評估中的應用研究，并建立了和諧發展模型，來分析城鄉水資源短缺狀況。[9]

二、城市水環境生態修復的發展現狀分析

（一）城市水環境生態修復的國內外現狀

許多國家和地區都在生態修復領域的研究上取得了可喜的成績，其中值得參考的有加拿大的沙利文礦場（Sullivan Mine）案例。沙利文礦場從1909年開始生產到2001年停產，所造成的生態問題日益嚴重：一方面，礦石中硫和鐵含量較高，酸性巖排水系統以及廢石場與尾礦積水都對地表水與地下水造成了嚴重的影響；另一方面，尾礦區會對地表植被造成一定程度的破壞，從而導致該地區生物多樣性銳減。直至1979年，開始建造水處理廠，將原本流向酸性廢石堆的溪流進行改道，并把酸性廢石堆排出的廢水、井中廢水以及尾礦水一起加以回收處理后排放。緊接著在上世紀90年代，又進行了重要的整改，并制定了詳細的生態修復計劃，開始在裸露的廢石場上恢復植被，最終在2010年完成了生態修復。原本光禿裸露的尾礦區已完全變成茂盛的草甸，偶爾還會有大隊的駝鹿出沒。

19世紀以來伴隨著工業革命日益興起，大量的工業廢水未經處理直排到泰晤士河中。1858年，倫敦爆發了最臭名昭著的“大惡臭”事件，由此政府才開始意識到河流污染問題。1859年，倫敦開始修建7條支線管網并將其接入排污干渠系統中，以此來減輕主城區的河流污染，但這只是將污水從主城區轉移到海洋，并未對污水進行處理。早期的污水處理工藝主要是簡單的沉淀、消毒等，處理效果也并不理想。直到20世紀五六十年代，開始研發活性污泥法，并對尾水進行了進一步的深度處理，使得出水生物需氧量BOD能達到5～10毫克/升，效果比較顯著，成為改善水質的主要方法之一。到20世紀70年代，泰晤士河中才重新出現魚類。當前，泰晤士河的水質已經恢復到了工業化前的狀態。[10]

北京轉河的環境工程改造，主要從城市河流的生態屬性和景觀屬性兩方面對轉河進行修復和整治。在治理過程中，在河岸帶、近岸水域及河道中種植大量的植物，如蘆葦、慈姑、蓮、香蒲等，以增加河流的自凈能力，凈化水質，同時起到了增加綠化、延伸景觀的作用，也為水生動物提供了合適的棲息地。

基于以上實例，我們可以看出，隨著社會的發展，國內外對水體生態的修復越來越重視，生態修復的方法也出現多元化，并日益完善。截至目前，很多生態修復工程案例都取得了較好的成果。

（二）城市水環境生態的修復

水體的生態修復是根據生態系統的運行原理，選取適當的方法修復已受損的水體生態系統中的生物群體和生態結構，使生態系統具有合理的組織結構和良好的運轉功能，能夠實現自我維持和自我協調的良性循環。鑒于城市河道的自身特點，近些年來，對城市受損水體的修復進行了大量的實驗探索與研究。目前河道水體修復主要方法有物理修復法、化學修復法、生物修復法及生態修復法。[11]

1.物理修復法

當前處理水體污染的物理方法主要有引水稀釋沖刷、機械除藻、深層排水、疏挖底泥等，其主要原理是通過將污染物從水體環境移除，從而使得被污染水體的水質和水體環境得到極大改善，甚至恢復到其原有狀態的方法。在具體實施上，可以對過水構筑物進行改良，充分利用水體在流到過水構筑物時所呈現的翻騰、攪動等水流現象，增加空氣在水中的溶解量，增強河道的自凈能力與復氧能力，以達到改善水質的目的。[12]美國的基西米河就是運用河道的物理修復方法，在整個流域進行大尺度、大范圍的生態修復建設，效果非常顯著。也可以采用曝氣的方法對封閉水體進行充氧，從而防止因藻類快速繁殖而導致魚類缺氧死亡，對維持水體生態平衡能起到積極的作用。[13]此外，還可以通過疏浚底泥將污染物從河道系統中清除，這種方法可以較大程度地削減底泥對其上覆水體的污染率，從而改善水質。[14]但是這些方法存在兩個主要問題：一是工程量較大，因而成本較高；二是對防止水質發生進一步惡化起到延緩作用，不能從根本上解決水質問題。

2.化學修復法

化學修復法是根據水體中污染物的類型和特點，有針對性地向水體中投放化學藥劑（如氧化劑、除藻劑、脫硝劑等），通過化學反應使污染物發生絮凝、沉淀及分解，從而達到降低或者去除水體中污染物的目的?，F如今，有許多新型天然和合成高分子材料，不同種類的藥劑對水質參數的影響效果均不一樣。利用藥劑法去除水體中污染物的例子很多，如在水體中加入含銅制劑或者各種氧化非氧化等化學藥劑，以此來破壞相關藻類的細胞壁、細胞膜和其內含物等，使其失去活性甚至解體，進而殺滅活體細胞；[15]如果是受重金屬污染的河流，則需要向水體中加入某些能夠將重金屬進行氧化還原或者吸附的化學吸附劑，通過吸附去除水中的金屬離子來降低金屬的生物毒害性，加入鐵鹽、鋁鹽等混凝沉淀從而除磷，或者加入石灰脫氮等。[16]

加入化學試劑雖然在短時間內可以產生凈水效果，但是無法進行永久性的修復，同時對水生生態系統產生的后期影響也難以評估，可能還會增加水體中的其他污染；另一方面化學修復只改變了重金屬的離子形態，并沒有改變金屬本身的元素，金屬元素在適當條件下還可以重新活化，繼續危害人類以及動植物的健康?？偟膩碚f，用化學藥劑處理城市水系，具有方便、見效迅速、效果顯著、處理效果穩定等優點，但是相對而言，運行費用相對比較高，同時容易造成二次污染，引入新的污染源。因此，使用化學修復法需要進行科學評估。

3.生物修復

生物修復主要是利用動植物或微生物來對河道中的污染物進行吸收與轉化，從而達到凈化水體、恢復生態的目的。河道生物修復過程中，可以是單一的動植物或微生物，也可以將它們進行隨機組合，形成生態循環系統。但是生物修復技術也存在一些不足，比如：重金屬等有毒物質對生物降解存在抑制作用，不能被生物降解；有些污染物在降解的過程中則會轉化成有毒的代謝產物，從而進一步污染水體。

植物修復主要是在水體中栽培水生植物。水生植物在生長的過程中能夠對水體中的污染物能進行吸收、轉化與過濾，從而達到凈化水質的目的。[17]例如，喬云蕾等研究發現，沉水植物苦草對水體底泥中鎘、鋅重金屬污染具有較好的去除效果，[18]不同植物或者同種植物的不同器官中銫的積累量也表現出顯著的差異，各種植物的葉片比根莖積累得多，莖葉部位除銫較好，并且去除速率較快；[19]唐永金等研究了10科13種植物對高濃度Sr、Cs的抗性與富集能力，進而篩選針對土壤Sr或Cs污染的修復植物。[20]動物修復是指利用水生動物種群的直接或間接作用來修復河流污染的過程。在受污染的水中加入某些抵抗力強的水生動物，將一些有機污染物進行吸收、分解與轉化，使其變成沒有毒害的物質，繼而改善受污染的城市河道環境。水生動物群落構建主要包括大型魚類、底棲動物及浮游動物群落。[21]底棲動物群落可以捕食水體的有機質與水生動植物殘體等，在水體中起著過濾器和沉淀器的作用，從而大幅降低水質中有機物含量及營養物質的釋放；[22]浮游動物群落主要通過在河道內投加枝角類浮游動物（水蚤）來攝取藍綠藻、水體細微腐泄物等，可以迅速提高水體的透明度。[23]

4.生態修復

生態修復主要是利用生物間的相互作用，增強水體生態系統本身的適應性、組織性及自調節能力，加速水體生態系統的恢復或使生態系統向良性循環方向發展。以自然演化為主導，再適當通過人工強化，并增強水體的自凈能力與物質循環規律來治理被污染的水體，使其逐漸恢復到本來的面貌。通常對于以富營養化為主要特征的景觀水體的生態修復主要包括去除藻類和氮、磷等營養元素，改善水體生態等。

常用的生態修復包括人工濕地、人工浮島、生態河道、穩定塘、生態溝渠、礫石床、生物格柵、植物浮床技術、土地滲透系統、曝氣生態凈化系統與水生植物處理系統等。例如，柯慶等利用Delft3D軟件進行模擬東營河段的水流特性，得到水質時空分布，提出在河段適當位置添加人工濕地來修復黑臭水體，取得了較好的效果；[24]楊潔等以深圳市碧嶺水綜合整治工程為例，論述了城市河道治理中的水土保持的常用方法。[25]這種生態修復技術具有實用、高效、經濟、系統、不需要能耗、運行成本較低、發展潛力較大等諸多優點，當前正在逐漸成為河流污染修復的主要技術手段，是人與自然和諧相處的比較有效治污思路，具有很大的科學研究價值與探討意義。建立海綿城市也是修復城市水生態的強有力措施之一。[26]

（三）城市水環境的綜合治理

1.城市水環境綜合治理的必要性

隨著城市化進程加快，城市水體環境持續惡化，水體污染程度不斷加劇，是城市化進程中面臨的一個嚴峻的問題。近年來，世界各地都對水體生態修復進行了大量相關的研究和實踐，但是這些理論研究和實踐都有自己的優勢和弊端，在現有的針對城市水體環境修復的方法中，物理修復是通過移除水體環境中的污染物來使得被污染的水體得到改善的方法，但這種方法對防止水質進一步惡化只能起到延緩作用，不能從根本上控制水體的污染；化學修復法是指向水體中投放化學合成材料，通過其與污染物發生化學反應來達到降低或者去除水體中污染物的目的，[27-29]但是如果選用的化學合成材料不當，可能容易造成二次污染；生物修復主要是利用動植物和微生物來對河道中的污染物進行吸附、吸收和轉化，從而達到凈化水體和逐步恢復生態的目的，[30]但是重金屬等有毒物質對生物降解存在抑制作用，不能被生物降解。因此，這些方法都無法成功解決我國城市水環境的污染現狀，必須在原有技術上進行改進和調整，并結合水體污染的具體情況，探索出能持久性解決我國城市水環境的治理辦法。

2.城市水環境綜合治理的措施

我國在水環境修復過程中雖然借鑒了國外水環境成功修復案例中的一些經驗，[31-34]但是我國的水體修復工程依然存在著很多不足：首先，由于設計人員缺少詳細的理論指導，也沒有完善的設計技術和施工技術，導致很多修復工作未能完全實現其預期的修復目標；其次，沒有對我國國情進行深入的分析，沒有對我國各污染水域進行詳細的分析，在修復理論、設計思路、施工技術及后期評估等各方面沒有形成適應我國國情、統一的體系，沒有做到因地制宜。[35]由于我國城市水環境較為復雜，這就決定了任何一種技術都不能一勞永逸地解決我國城市水污染問題，但是可以通過有效的調整，在對原有水環境進行結構調整的基礎上，增加新的結構或者同時采用其他修復技術，有效地避免弊端。[36]同時，在具體的實踐中還要根據污染水域的實際狀況，如污染物的種類和污染物的性質，是有機污染還是無機污染、重金屬還是營養元素、有毒無毒、能否降解等選擇合適的水環境修復的思路，以達到全方位改善水環境質量的目的。

生態修復法相對于其他方法具有以下幾點優勢：（1）造價相對較低，運行成本也較低，因而總成本較低；（2）耗能較低甚至無需耗能；（3）無二次污染，不會對環境產生任何影響。基于以上幾點，這種低成本的實用技術非常適用于水環境的治理。因此，我們可以考慮以生態修復技術為基礎、以生物修復作技術支撐、以水質凈化能力為評價標準，通過組建水生植物群落來重建水環境中的多樣性，同時再配置相應的植物，將水體修復與改善景觀和綠化環境相結合，從而達到在保證水域的生態系統多樣性、景觀優美的同時，還探索了城市水體近自然生態修復的新理念、新技術及新模式，即城市水環境生態修復除了要滿足供水、輸送等功能外，還能長久有效地解決水環境污染問題等，建設出人與自然相融合的優美環境，從而為人類提供休閑、綠色的理想場所。

總的來說，要根據對水體污染所進行的初步判斷，先采用物理方法清淤，除藻或者曝氣充氧，將污染水體進行前期預處理，然后再根據具體情況分析是否有必要進行化學修復。如果不是緊急突發污染，一般不采用化學修復法，避免出現新的污染物。應優先考慮生態修復法和生物修復法，或者兩者結合使用，即將多種治理技術有效結合起來，對受污染水體進行結合，最后再加上后期的整治，分階段完成。[37]例如蘇州河環境綜合治理一期工程考慮到各階段的治理目標不同、各種污染源的特性不同以及現有的水利設施，在施工過程中就采用了引水沖淤、底泥疏通、河道曝氣復氧等多種水體修復技術，取得了良好效果。

因此，在我國進行城市水體生態修復的過程中，應結合水環境污染的具體情況，將水體污染的各種修復技術相結合，實現對城市水環境的長久性治理與修復，從而長期有效地改善水環境，建設出人與自然相融合的優美環境，最終為人類提供生態可持續發展的理想的工作、休閑、生活的城市水環境。

三、結束語

隨著城市建設速度的加快，人類活動及自然因素已經對城市水體生態系統造成了較大的干擾，城市水環境問題越來越嚴重，不僅使水體中的污染物更為復雜，而且其對生態系統的危害也更嚴重。近年來，世界各地科研工作者分別從“控源減污、基礎環境改善、生態修復和重建、優化群落結構”等方面進行了大量的研究與實踐，本文對常見的幾種水環境修復與綜合治理技術進行了比較分析，最終考慮以生態修復技術為基礎，將多種修復技術進行整合，取長補短，從而完善適合城市水環境修復的綜合整治模式和思路，實現人與環境、生物與環境、社會經濟發展與資源環境達到持續的協調統一和可持續發展。

說明：本文系基金項目，受同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室（PCRRY14003）基金資助。

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責任編輯：張 煒