城市黑臭水体治理进展及水利措施研究

孙 磊，马 巍，吴金海，班静雅，齐德轩

（1.中国水利水电科学研究院水生态环境研究所，北京100038；2.云南省水利水电勘测设计研究院，昆明650021）

随着我国经济社会的快速发展和城市化进程的加快，受城市污水收集、输送、转运及处理系统建设滞后、不合理的水资源开发利用及雨污合流等诸多因素影响，大量污染物质未经有效处理直接汇入附近河道及周边塘库，致使我国许多城市河流出现水体黑臭现象。根据国家城市黑臭水体治理监管平台发布，全国范围内中小黑臭水体分布广泛，截至2020年2月，全国已全部认定黑臭水体2 869 个［1］。2015年国务院发布的《污染防治行动计划》（简称“水十条”）对黑臭水体问题提出明确要求，到2020年，我国地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内；到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除［2］。城市水体黑臭问题，不仅使城市社会与经济发展受限，并影响城市生态文明形象，也给人民群众带来了极差的感官体验，城市黑臭水体治理已成为推进海绵城市建设并提升城市生态文明形象亟须解决的重大水环境问题。目前，我国城市黑臭水体治理从生态学、水污染治理等角度开展研究的占比达到了92%［3］，而水利工作在城市黑臭水体治理过程中应发挥的重要作用却常被忽略。本文基于国内学者对城市黑臭水体治理的研究成果，归纳总结城市黑臭水体成因、治理进展及其治理过程中存在的问题，并结合水利措施的技术需求，提出城市黑臭水体治理的水利措施体系，以期为后续城市黑臭水体的综合治理提供参考依据。

1 城市黑臭水体概念与成因

1.1 城市黑臭水体的概念辨析

城市河流是构成城市生态系统的重要组成部分，肩负着城市防洪排涝、景观美化、生态廊道、气候调节及亲水平台等诸多重要职责与功能［4］。水体黑臭是由于河流中过度纳污而导致水体中供养和耗氧失衡而产生的一种极端现象。黑臭水体水质通常劣于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中的Ⅴ类标准，水体溶解氧浓度一般小于2 mg/L。由于城市黑臭水体影响因素众多，成因复杂，至今未有明确定义，在2015年8月住房和城乡建设部编制的《城市黑臭水体整治工作指南》中，将城市黑臭水体定义为“以百姓的感官判断为主要依据，城市建成区内的具有令人不悦的颜色或散发令人不适气味的水体”［5］。

1.2 城市水体黑臭的成因识别

水体黑臭的形成是由于大量有机物进入水体，好氧微生物通过生化作用分解有机物并大量消耗水中溶解氧，从而导致水体缺氧。同时，在缺氧条件下厌氧微生物大量繁殖，将有机物分解为许多致黑物质（如FeS 和MnS）和致臭物质（如H2S 和挥发性有机硫化物），致使水体黑臭［6］。城市水体黑臭的直接原因是水中溶解氧含量过低导致厌氧或无氧反应而使水体变黑发臭，但其根本原因仍是入河污染物远远超过了水体的环境容量，而污染物来源包括外源流入和内源再释放［7，8］。通常情况下，城市河流变黑发臭的原因主要包括外源污染流入、内源污染再释放、水力与水循环条件的改变及其他原因等方面。

（1）外源污染。外源污染大量流入是造成城市水体黑臭的主要原因之一。改革开放以来，中国经济高速发展四十余年，随着工业化和城镇化脚步的加速，城市人口逐年上升导致城市的生产生活排污量不断上升，加之城市配套的污水收集管网和处理设施尚不完善，城市的集污、排污及治污设施脱节的现象普遍存在，从而造成大量污染物流入城市河流［9］。例如上海的苏州河、青岛的李村河及长沙的圭塘河等均是由外源污染物大量流入，水体中的溶解氧不断被消耗，造成水中溶解氧含量逐步减少，进而通过产甲烷菌等微生物进一步分解，产生H2S、CH4、NH3等气体，形成致臭物质，进而使水体发臭。

（2）内源污染。长期外源污染物流入，在微生物的共同作用下，积累的污染物质随着泥沙、各种垃圾及腐殖质沉积在河道内并逐步形成内源污染，并时刻与上覆水进行交互作用。底泥是河流中内源污染物富集的地方，含有大量的氮、磷等营养盐和有机污染物，在水力冲刷及人为扰动影响下，引起沉积底泥释放出大量的污染物，导致大量的悬浮颗粒漂浮在水中，从而引起水体黑臭。如德国埃姆舍河［10］、江苏滆湖及云南滇池［11］等均是内源污染的代表。另外在水体中存在有机物时，河底淤泥表面也会些黏附少量的放线菌、蓝藻类细菌等微生物代谢作用产生的甲烷也存在释放污染物的风险［12］。而悬浮颗粒物含有的FeS和MnS易被氧化，本身对水体起着致黑的主导作用［13］。

（3）水动力条件的改变。“流水不腐，户枢不蠹”，在污染负荷未超过水体环境容量的前提下，水动力条件是城市河流水体出现黑臭的重要驱动力因素，水动力学条件不足也是引起河道水体黑臭的重要原因之一，例如水体流速缓慢、河道基流不足以及河道渠道化、硬质化等都有可能导致河道黑臭。一些城市的内河、内湖基本上处于半封闭、封闭的状态，所以河道里的水体没有足够的流动性，尽管内河水体本身具有一定的自净能力，但是水体流速缓慢，无法携带大量氧气进入水体，当水体中溶解氧浓度低于2 mg/L 时就容易产生黑臭水体［14］。张敏和杨芹伟等［15］在分析浦东新区城市河道水体黑臭原因时指出，河道污泥淤积会导致的河床抬高、闸坝阻拦造成河道流水不畅，甚至形成死水，导致水环境恶化。吕佳佳等［16］认为人为过度开发河网资源，占用河流两岸滩地，肆意修建水利工程，河道渠道化、硬质化等，会导致河道系统生态环境异质性降低、污染物积累、水体自净能力减弱及生态系统退化，最终导致水体呈现黑臭现象。

除上述原因外，温度较高的工业高温废水、污水处理厂退水以及生活污水等排入河流，将加快水体中微生物分解有机物及氮磷等污染物的速度，导致溶解氧含量降低，从而释放发臭气体［17］。Wood 等［18］研究发现，放线菌当水温达到25 ℃时最活跃，河流最易出现黑臭。此外，如航运污染、石油泄漏等也是导致河流水体发黑发臭的重要因素［19］。

2 城市黑臭水体治理研究进展及存在的问题

2.1 城市黑臭水体治理研究进展

根据2016年环境保护部对我国295 个地级以上城市黑臭水体排查结果显示，全国黑臭水体数量达1 880 个，重度污染613 个，轻度污染1 267 个。位于南方城市的黑臭水体有1 197处（64.3%），位于北方城市有664 处（35.7%）。结合我国省级行政区划情况，可以发现我国的黑臭河道沿“黑河腾冲线”，集中分布在东南地区，黑臭河道的密集程度与经济发达程度成正比。同时在环渤海经济圈、长三角经济圈、珠三角经济圈表现地最为明显［20］（图1）。

图1 我国城市黑臭水体分布图Fig.1 Distribution of urban black-odorous water in China

据不完全统计，截至2020年2月，全国已全部认定黑臭水体2 869 个，正在治理中的556 个，完成治理的2 313 个，完成比例达80.6%，治理的黑臭水体总面积达到2 454.831 km2。其中环渤海经济圈黑臭水体治理已达初步目标，长三角经济圈黑臭水体治理已初显成效，具体治理进度如图2所示［21］。广东经历了30 多年爆发式增长，累积了很多环境欠账，如今广东已完成80%以上城市黑臭水体的治理，尤其广州、深圳市建成区黑臭水体（包括新增）消除比例高于90%［22］，基本实现长治久清。

图2 长三角、环渤海经济圈黑臭水体治理进展图Fig.2 Progresses of urban black-odorous water governance in the Yangtze River Delta and the Bohai Rim Economic Circle

根据2018年6月，中共中央国务院发布《中共中央国务院关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》中要求打好城市黑臭水体治理攻坚战。明确到2020年，地级及以上城市建成区黑臭水体消除比例达90%以上。目前我国黑臭水体治理效果与预期目标仍有较大的差距。可能国内一些城市河道水质治理工作还仍然仅仅依赖于一次性工程投入，尚未建立后续稳定提升水质的常态化治理机制，水体黑臭现象有可能再次发生。

同时由于黑臭水体的成因复杂，需要根据水体的污染原因、污染历史、污染程度和治理阶段的不同以及环境、气候和水力条件，有针对性地选择适用技术和确定组合模式。基于国内外学者对城市黑臭水体治理的研究，归纳并总结当下黑臭水体的治理措施（见表1）［23，24］。

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

续表1 城市黑臭水体治理措施表

2.2 城市黑臭水体治理存在的问题

（1）黑臭原因不清楚。部分城市为了完成2020年黑臭水体数量降到10%以内的治理目标，而没有系统地进行前期资料收集与未能识别出水体黑臭的真正原因。例如部分是由于水动力条件不足导致的水体黑臭，有些是因河道无生态基流或生态基流不充足导致的水体黑臭等；由于无法对黑臭水体进行有效地分类，从而采取针对性的措施。例如韩国清溪川［25］的前期治理错误地采用了“河渠加盖”的措施，导致了清溪川的水质进一步恶化。

（2）治理路线不清晰。目前大部分区域单纯地以行政区域划分进行分段治理，没有对不同支流的黑臭水体按照汇水单元进行统筹考虑［26］，从而无法确定黑臭水体分阶段治理的主要目标，并无法核定适宜的入河污染物总量控制目标需求。

（3）治标不治本。根据国家城市黑臭水体治理监管平台发布数据，对8个省54个城市415个黑臭水体调研中发现，河岸硬化率为45.1%，河底硬化率为11.1%。部分城市治理黑臭水体采取简单硬化措施，片面追求景观工程建设，忽视了河道自然生态属性和缓冲带的生态修复。

（4）管理机制不完善。我国大部分河流都存在跨省、跨地区及跨流域转嫁的污染问题，虽然2016年全面推广“河长制”，为破解碎片化的科层治理体制找到了一个基准点，但是这样的跨流域协调机制却尚未完善［27］。目前我国城市黑臭水体治理过度重视工程建设，而缺乏后期的运行管理，导致工程整治效果难以维持。

3 城市黑臭水体治理的水利措施需求

根据其污染特性城市黑臭水体一般可分为生态基流匮乏型、未完全截污型、雨污混流型及封闭半封闭性缓（滞）流型4种［28］。无论是哪种类型城市黑臭水体，治理技术的选择大方向应按照《城市黑臭水体整治工作指南》中“控源截污、内源治理；活水循环、清水补给；水质净化、生态修复”的基本路线。综合常见的城市黑臭水体治理的技术流程和技术措施体系，水利工作是城市黑臭水体治理技术体系的重要组成部分，并贯穿黑臭水体治理的全过程，在城市黑臭水体治理中具有举足轻重的作用，其主要的技术需求表现在以下几个方面。①城市黑臭水体成因复杂，黑臭类型多样，在黑臭水体产生的原因识别时，应采用水文学、水力学、水环境学与水生态学等多学科相结合的方法，科学识别黑臭水体成因及其主控因素，以便为制定科学合理的整治技术路线并选择适用的技术与组合模式提供支撑。②控源截污和内源治理是城市黑臭水体治理的基础和前提，活水及水动力条件改善是城市黑臭水体转变为良好的城市河流景观并恢复河流廊道功能的外部条件支撑。如何让城市河流“活起来”？需要多大的水量才能让城市河流“流起来”？这些都是需要水利学科解决的问题。③城市河流之所以成为黑臭水体的高发区，就是因为接纳的污水过多，反过来说城市黑臭水体缺乏清洁水补给，即存在生态环境流量严重匮乏问题，所以在控源截污后城市黑臭河流的来水量将急剧减少，如何利用可利用的多水源条件进行优化配置，保障城市河流的生态环境用水，让曾经的黑臭河流“活起来”、“流起来”。④在城市化规模逐步扩大、人口聚集程度逐步增加的情况下，清洁水资源短缺问题将更加突出，在保障城市河流基本的生态环境用水情况下，通过城市水系横向连通、闸坝调度等工程与管理措施，实现城市河流水的“生态循环、梯级利用”，以减少保障河流健康与水生态系统安全对区域清洁水资源的需求与消耗，实现经济、社会、城市生态环境的和谐健康发展。

4 城市黑臭水体治理水利技术措施

4.1 城市黑臭水体治理中的水利技术流程

针对不同的城市黑臭水体类型，对水利措施的需求也不尽相同，因此采用的水利措施也不完全相同。但从城市黑臭水体治理的水利需求出发，黑臭水体治理中的水利技术流程（见图3）为：①在黑臭水体治理之前基本都需要采用水文学、水力学、水环境学与水生态学等多学科相结合的方法对黑臭水体环境问题进行诊断，分析黑臭成因及污染特性，然后可以按照城市黑臭水体污染特性将其分类识别；②调查并估算入河污染负荷量，结合黑臭河道水环境功能区划，确定黑臭水体分阶段治理目标，并核定适宜的入河污染物总量控制目标需求，并制定城市黑臭水体治理实施方案；③按照黑臭水体的入河污染物总量控制要求，分类采取有效措施削减并阻断城市类污染源的输入，实现城市黑臭水体河段入河污染物的总量控制需求；④遵循“流水不腐”原则，通过多水源优化配置，保障城市河流的基本生态流量需求，为城市河流“活”起来提供水资源保障；⑤基于城市河湖水系互联互通需求，并结合适宜的闸坝调度等水力调控措施，让营造城市水景观的“静水”能够“流”起来，以降低因水动力条件不足而带来的黑臭风险；⑥在划界确权的城市河湖水域岸线管控空间范围内，强化非常规水域区的植被恢复和常规水域区的水生态系统重建，以强化沿河两岸陆域来水的末端拦截功效，并有效提升河道水质净化与水生态修复效果，并依托“一河一策”及“河长制”，对治理后的水环境生态系统进行管理。

图3 城市黑臭水体治理的水利措施技术流程图Fig.3 Technical flow chart of water conservancy measures for urban black-odorous water governance

4.2 城市黑臭水体治理水利技术措施

由于城市黑臭水体成因复杂，水利措施通常无法单独应用在黑臭水体的治理中，所以基于国内学者对城市黑臭水体治理的研究成果，并结合城市黑臭水体治理的水利需求，归纳总结提出城市黑臭水体治理的水利措施体系（见表2）［29-35］，主要包括水域岸线内的岸坡修复、河道整治、生态流量保障、河湖水系连通等。

表2 城市黑臭水体治理水利技术措施Tab.2 Water conservancy technical measures for urban black-odorous water governance

续表2 城市黑臭水体治理水利技术措施

5 结 语

城市黑臭水体的形成是近年来经济社会高速发展严重挤占河湖生态用水、城市化进程加快挤压河湖生态空间和长时间大量污染物入河所致，因此，尽管近年来我国加大了对城市黑臭水体的治理力度，也取得了较为显著的成效，但是我国中小黑臭水体数量多、污染程度严重，受治理资金、理念、技术及时限等因素的影响，所以我国城市黑臭水体的治理工作仍存在诸多不足，治理任务仍然任重而道远。城市黑臭水体治理是一个复杂的系统工程，要做到标本兼治，应根据城市水体致黑发臭的成因及其主控因素，将水利措施与城市黑臭水体治理紧密结合，运用系统性思维和“一河（湖）一策”的个性化策略制定城市黑臭水体综合整治方案，并以“河（湖）长制”为监管机制，从而为实现河畅、水清、岸绿、景美的城市水生态长廊提供坚实的技术保障。□