城市水环境的修复与综合治理

李新贵　孙亚月　黄美荣

摘要：随着城市化进程的加快，城市水环境问题越来越严重，水环境污染早已超过城市水体的环境容量及自净能力，导致水质恶化、洪涝频繁、水生生态系统退化等诸多亟待解决的问题。在城市发展过程中，应着重加强对城市水环境的治理，不仅要实现对城市水环境的污染修复，同时也要防止在修复治理的过程中出现其他环境问题，甚至是新的污染，因此需要找出适合城市水环境治理的修复技术。对城市水环境的污染现状进行分析，对常见的几种典型的水环境治理技术、应用案例进行分析比较，尽可能地论述城市水环境修复的综合整治思路和模式，将不同的修复技术相结合，让其联手合作，共同治理水环境污染的现状，力求探索出适合城市水体污染的综合治理模式，有助于最大程度地促进城市水环境的改善和美化。

城市水环境是由城市周边和内部的湖泊、河流、水库、池塘与地下水等水体所构成，是城市生态系统的重要组成部分，在城市发展的过程中，具有供水排水、交通运输、防御洪涝、调节温度、景观休闲等多种功能。[1]它关系到城市的生存与发展，是影响城市可持续发展、城市居民身心健康和城市环境风貌的极其重要的因素。伴随着中国城市化进程的加快，取水、筑坝、河道固化和汽车有毒有害废气大量排放等人类活动，对城市水体生态系统也造成了极大的干扰，导致水体中多项毒害污染物严重超标，进而出现水体富营养化、恶臭难闻、蚊蝇滋生、生态系统退化、生物多样性锐减等诸多问题，导致城市水系的生态结构与功能日益衰退。这些问题极大地超出了生态系统的正常承受能力，严重影响了人类社会、经济与环境的可持续发展，也危害着人类与其他生物的健康和繁衍，因此城市水体环境的修复已成为当前环境科学与工程研究的热点和难点。

由于水环境中的污染物来源比较广泛，导致其组成较为复杂，不同的水体所受的污染情况也不一样，使得目前单一治理技术很难彻底完成城市水环境的生态修复，我们需要在单一治理技术的基础上进行改良和创新，创造出新型的生态修复技术，这是目前水环境修复的主要发展方向。[2]基于以上原因，我们发现将传统的物理、化学、生物及生态修复技术进行组合处理是完美实现未来水环境修复工程的首选，并通过理论研究，将其运用到实践中，从而对城市水环境进行改造，形成完整的河湖水系，达到完善和美化城市水环境建设的效果。

（一）城市水环境的污染现状

水是城市的重要组成部分，它不仅起到美化环境的作用，还影响着水体动植物的生存，同样制约着城市环境与居民生活水平和幸福感的提升。目前我国城市水体的水质严重下降，主要是由于人类活动频繁，又缺乏系统的、统一的规划，加上管理的缺失所造成的。这些行为都将导致水体被严重污染，人类及其他生物的生存环境遭到了极大的破坏。如Leng等以京津冀地区为基础，研究概述了地表水污染的影响因素，制定了“驱动力-压力-状态-影响响应”为模型的水环境风险评估指标体系。[3]Xu等以经济发达而水问题突出的浙江省义乌市为例，以社会水文学理论为基础，构建了多层次视角分析框架，并提出了多种城市水污染控制的解决方案。[4]

根据中国环保部的相关调查，我国每天的生活污水与工业废水排放总量约为1.64亿立方米，其中约80%的污水未经任何处理就排出，使得水环境中污染物总量持续累积。[5]2016年1月，水利部发布的《地下水动态月报》中数据显示，我国地下水普遍存在着“水质较差”的问题。其中，V类水994个，占总数47.3%；IV类水691个，占总数32.9%；两者合计占到80.2%。这两类水显然已经不宜饮用，这表明，超八成地下水已经受到一定程度的难以逆转的污染。

2015年甘肃尾矿库发生尾砂泄漏事件，导致了嘉陵江数百公里河道重金属锑的浓度严重超标，此次事故造成的直接经济损失为6 121万元，约11万人因供水问题生活受到严重影响，约257亩农田被污染，0～40厘米农田土壤锑超标率为20%。2016年4月，央视新闻频道播出了常州外国语学校493名学生血液指标异常，个别学生还被查出患有淋巴癌、白血病等。经检测发现，该校新校区的土地、地下水中均含有较高浓度的污染物。[6]2016年10月16日，清华大学饮用水研究课题组对外公布了一项研究报告：通过长达3年的时间，该校研究人员在全国23个省、44个城市的117个自来水检测样本中检测全部9种亚硝胺类消毒副产物成分，结果发现剧毒亚硝基二甲胺含量最高。结合前期的流行病学研究表明，亚硝胺和中国某些区域的消化道癌症发病率有着密切相关性，国际癌症研究机构（IARC）也把亚硝胺列为2A类致癌物。此次監测到的这些区域的自来水主要是受到了工业废水中亚硝胺的污染。

由此可知，水体污染所造成的危害已经严重到了难以想象的程度，它直接影响着地球上所有生物的健康及生存环境，影响着工农业生产与生活，严重威胁着人类的生存和健康发展。

（二）城市水环境中污染物特征及来源

我国城市地表水体主要是受到氮、磷等富营养元素污染，同时还受到一些有机难降解物、农药、悬浮物、汽车尾气、雾霾的污染。越来越多的污染物排放到水体中，在水环境中经过长期的积累，使得水体污染的特征越来越凸显：由于水体流动性较小，自净能力也较差，使得城市水体形成一个具有内在动力的密闭系统，水体通过此系统进行各种物质的转化。与此同时，水体中多种污染物共存并相互作用，多种污染行为同时发生，多种污染效应之间出现协同作用或者拮抗作用。这些同时发生的物理、化学及生物作用，使得水环境污染问题变得更加棘手和恐怖。[7]

我国城市水体污染物的来源具有多样性，一方面有天然污染与人为污染，另一方面又有外源性污染和内源性污染。[8]外源性污染是指污染物来源于水体外部，主要有生活污水、工业废水、垃圾渗滤液及初期雨水等，它是导致城市水体污染的最主要原因，也是城市水体治理最主要的内容。内源性污染是指污染物来源于水体内部，主要有底泥污染物的释放、水生生物残体及水生动物代谢产物等。内源性污染相对于外源性污染，所占的比重相对较少。因此，城市水体环境的治理与修复可从两个方面着手：控制外源性污染物，应尽可能地减少甚至阻断外源性污染物进入城市水体环境，可从减少人为污染出发，通过严苛的法律手段来控制人为污染源的排入；而对于内源性污染物的控制，则需建立合适的种群结构等多种手段，以此来减缓内源污染物的释放速度。

（三）城市水环境污染的危害

众所周知，水质污染会造成非常严重的危害，它直接影响着地球上所有生物的健康及其生存环境，影响着工农业生产与人类的生活，严重威胁着人类的生存和发展。

未经处理的生活污水和自然降水流入河渠或湖泊中，此过程会带入各种病菌及有害物质；农业生产中的氮、磷等营养元素进入到河流、湖泊等水域，能够造成水体的富营养化；工业废水中常见的多氯代二苯及二恶英等难降解有机剧毒物和镉、铅、铜、汞、锑等大量重金属被随意排放到水环境都导致水体受到严重污染，水体中多种污染物含量严重超标，进而出现水量短缺、水质恶化、水生生态系统退化、生物多样性锐减以及城市水体功能的日益衰退等一系列问题。同时，人类及其他动物长期饮用被污染的水体后，这些污染物则较容易在体内积累，进而导致机体无法维持正常的代谢，严重破坏水域生态系统。因此，水资源短缺与水环境污染及水生态系统受损，三者相辅相成，相互恶性影响。Sun等详细介绍了水资源规划与管理综合工具“水匮乏指数”（WPI）在中国城乡地区水资源状况评估中的应用研究，并建立了和谐发展模型，来分析城乡水资源短缺状况。[9]

二、城市水环境生态修复的发展现状分析

（一）城市水环境生态修复的国内外现状

许多国家和地区都在生态修复领域的研究上取得了可喜的成绩，其中值得参考的有加拿大的沙利文矿场（Sullivan Mine）案例。沙利文矿场从1909年开始生产到2001年停产，所造成的生态问题日益严重：一方面，矿石中硫和铁含量较高，酸性岩排水系统以及废石场与尾矿积水都对地表水与地下水造成了严重的影响；另一方面，尾矿区会对地表植被造成一定程度的破坏，从而导致该地区生物多样性锐减。直至1979年，开始建造水处理厂，将原本流向酸性废石堆的溪流进行改道，并把酸性废石堆排出的废水、井中废水以及尾矿水一起加以回收处理后排放。紧接着在上世纪90年代，又进行了重要的整改，并制定了详细的生态修复计划，开始在裸露的废石场上恢复植被，最终在2010年完成了生态修复。原本光秃裸露的尾矿区已完全变成茂盛的草甸，偶尔还会有大队的驼鹿出没。

19世纪以来伴随着工业革命日益兴起，大量的工业废水未经处理直排到泰晤士河中。1858年，伦敦爆发了最臭名昭著的“大恶臭”事件，由此政府才開始意识到河流污染问题。1859年，伦敦开始修建7条支线管网并将其接入排污干渠系统中，以此来减轻主城区的河流污染，但这只是将污水从主城区转移到海洋，并未对污水进行处理。早期的污水处理工艺主要是简单的沉淀、消毒等，处理效果也并不理想。直到20世纪五六十年代，开始研发活性污泥法，并对尾水进行了进一步的深度处理，使得出水生物需氧量BOD能达到5～10毫克/升，效果比较显著，成为改善水质的主要方法之一。到20世纪70年代，泰晤士河中才重新出现鱼类。当前，泰晤士河的水质已经恢复到了工业化前的状态。[10]

北京转河的环境工程改造，主要从城市河流的生态属性和景观属性两方面对转河进行修复和整治。在治理过程中，在河岸带、近岸水域及河道中种植大量的植物，如芦苇、慈姑、莲、香蒲等，以增加河流的自净能力，净化水质，同时起到了增加绿化、延伸景观的作用，也为水生动物提供了合适的栖息地。

基于以上实例，我们可以看出，随着社会的发展，国内外对水体生态的修复越来越重视，生态修复的方法也出现多元化，并日益完善。截至目前，很多生态修复工程案例都取得了较好的成果。

（二）城市水环境生态的修复

水体的生态修复是根据生态系统的运行原理，选取适当的方法修复已受损的水体生态系统中的生物群体和生态结构，使生态系统具有合理的组织结构和良好的运转功能，能够实现自我维持和自我协调的良性循环。鉴于城市河道的自身特点，近些年来，对城市受损水体的修复进行了大量的实验探索与研究。目前河道水体修复主要方法有物理修复法、化学修复法、生物修复法及生态修复法。[11]

1.物理修复法

当前处理水体污染的物理方法主要有引水稀释冲刷、机械除藻、深层排水、疏挖底泥等，其主要原理是通过将污染物从水体环境移除，从而使得被污染水体的水质和水体环境得到极大改善，甚至恢复到其原有状态的方法。在具体实施上，可以对过水构筑物进行改良，充分利用水体在流到过水构筑物时所呈现的翻腾、搅动等水流现象，增加空气在水中的溶解量，增强河道的自净能力与复氧能力，以达到改善水质的目的。[12]美国的基西米河就是运用河道的物理修复方法，在整个流域进行大尺度、大范围的生态修复建设，效果非常显著。也可以采用曝气的方法对封闭水体进行充氧，从而防止因藻类快速繁殖而导致鱼类缺氧死亡，对维持水体生态平衡能起到积极的作用。[13]此外，还可以通过疏浚底泥将污染物从河道系统中清除，这种方法可以较大程度地削减底泥对其上覆水体的污染率，从而改善水质。[14]但是这些方法存在两个主要问题：一是工程量较大，因而成本较高；二是对防止水质发生进一步恶化起到延缓作用，不能从根本上解决水质问题。

2.化学修复法

化学修复法是根据水体中污染物的类型和特点，有针对性地向水体中投放化学药剂（如氧化剂、除藻剂、脱硝剂等），通过化学反应使污染物发生絮凝、沉淀及分解，从而达到降低或者去除水体中污染物的目的。现如今，有许多新型天然和合成高分子材料，不同种类的药剂对水质参数的影响效果均不一样。利用药剂法去除水体中污染物的例子很多，如在水体中加入含铜制剂或者各种氧化非氧化等化学药剂，以此来破坏相关藻类的细胞壁、细胞膜和其内含物等，使其失去活性甚至解体，进而杀灭活体细胞；[15]如果是受重金属污染的河流，则需要向水体中加入某些能够将重金属进行氧化还原或者吸附的化学吸附剂，通过吸附去除水中的金属离子来降低金属的生物毒害性，加入铁盐、铝盐等混凝沉淀从而除磷，或者加入石灰脱氮等。[16]

加入化学试剂虽然在短时间内可以产生净水效果，但是无法进行永久性的修复，同时对水生生态系统产生的后期影响也难以评估，可能还会增加水体中的其他污染；另一方面化学修复只改变了重金属的离子形态，并没有改变金属本身的元素，金属元素在适当条件下还可以重新活化，继续危害人类以及动植物的健康。总的来说，用化学药剂处理城市水系，具有方便、见效迅速、效果显著、处理效果稳定等优点，但是相对而言，运行费用相对比较高，同时容易造成二次污染，引入新的污染源。因此，使用化学修复法需要进行科学评估。

3.生物修复

生物修复主要是利用动植物或微生物来对河道中的污染物进行吸收与转化，从而达到净化水体、恢复生态的目的。河道生物修复过程中，可以是单一的动植物或微生物，也可以将它们进行随机组合，形成生态循环系统。但是生物修复技术也存在一些不足，比如：重金属等有毒物质对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过程中则会转化成有毒的代谢产物，从而进一步污染水体。

植物修复主要是在水体中栽培水生植物。水生植物在生长的过程中能够对水体中的污染物能进行吸收、转化与过滤，从而达到净化水质的目的。[17]例如，乔云蕾等研究发现，沉水植物苦草对水体底泥中镉、锌重金属污染具有较好的去除效果，[18]不同植物或者同种植物的不同器官中铯的积累量也表现出显著的差异，各种植物的叶片比根茎积累得多，茎叶部位除铯较好，并且去除速率较快；[19]唐永金等研究了10科13种植物对高浓度Sr、Cs的抗性与富集能力，进而筛选针对土壤Sr或Cs污染的修复植物。[20]动物修复是指利用水生动物种群的直接或间接作用来修复河流污染的过程。在受污染的水中加入某些抵抗力强的水生动物，将一些有机污染物进行吸收、分解与转化，使其变成没有毒害的物质，继而改善受污染的城市河道环境。水生动物群落构建主要包括大型鱼类、底栖动物及浮游动物群落。[21]底栖动物群落可以捕食水体的有机质与水生动植物残体等，在水体中起着过滤器和沉淀器的作用，从而大幅降低水质中有机物含量及营养物质的释放；[22]浮游动物群落主要通过在河道内投加枝角类浮游动物（水蚤）来摄取蓝绿藻、水体细微腐泄物等，可以迅速提高水体的透明度。[23]

4.生态修复

生态修复主要是利用生物间的相互作用，增强水体生态系统本身的适应性、组织性及自调节能力，加速水体生态系统的恢复或使生态系统向良性循环方向发展。以自然演化为主导，再适当通过人工强化，并增强水体的自净能力与物质循环规律来治理被污染的水体，使其逐渐恢复到本来的面貌。通常对于以富营养化为主要特征的景观水体的生态修复主要包括去除藻类和氮、磷等营养元素，改善水体生态等。

常用的生态修复包括人工湿地、人工浮岛、生态河道、稳定塘、生态沟渠、砾石床、生物格栅、植物浮床技术、土地渗透系统、曝气生态净化系统与水生植物处理系统等。例如，柯庆等利用Delft3D软件进行模拟东营河段的水流特性，得到水质时空分布，提出在河段适当位置添加人工湿地来修复黑臭水体，取得了较好的效果；[24]杨洁等以深圳市碧岭水综合整治工程为例，论述了城市河道治理中的水土保持的常用方法。[25]这种生态修复技术具有实用、高效、经济、系统、不需要能耗、运行成本较低、发展潜力较大等诸多优点，当前正在逐渐成为河流污染修复的主要技术手段，是人与自然和谐相处的比较有效治污思路，具有很大的科学研究价值与探讨意义。建立海绵城市也是修复城市水生态的强有力措施之一。[26]

（三）城市水环境的综合治理

1.城市水环境综合治理的必要性

随着城市化进程加快，城市水体环境持续恶化，水体污染程度不断加劇，是城市化进程中面临的一个严峻的问题。近年来，世界各地都对水体生态修复进行了大量相关的研究和实践，但是这些理论研究和实践都有自己的优势和弊端，在现有的针对城市水体环境修复的方法中，物理修复是通过移除水体环境中的污染物来使得被污染的水体得到改善的方法，但这种方法对防止水质进一步恶化只能起到延缓作用，不能从根本上控制水体的污染；化学修复法是指向水体中投放化学合成材料，通过其与污染物发生化学反应来达到降低或者去除水体中污染物的目的，[27-29]但是如果选用的化学合成材料不当，可能容易造成二次污染；生物修复主要是利用动植物和微生物来对河道中的污染物进行吸附、吸收和转化，从而达到净化水体和逐步恢复生态的目的，[30]但是重金属等有毒物质对生物降解存在抑制作用，不能被生物降解。因此，这些方法都无法成功解决我国城市水环境的污染现状，必须在原有技术上进行改进和调整，并结合水体污染的具体情况，探索出能持久性解决我国城市水环境的治理办法。

2.城市水环境综合治理的措施

我国在水环境修复过程中虽然借鉴了国外水环境成功修复案例中的一些经验，[31-34]但是我国的水体修复工程依然存在着很多不足：首先，由于设计人员缺少详细的理论指导，也没有完善的设计技术和施工技术，导致很多修复工作未能完全实现其预期的修复目标；其次，没有对我国国情进行深入的分析，没有对我国各污染水域进行详细的分析，在修复理论、设计思路、施工技术及后期评估等各方面没有形成适应我国国情、统一的体系，没有做到因地制宜。[35]由于我国城市水环境较为复杂，这就决定了任何一种技术都不能一劳永逸地解决我国城市水污染问题，但是可以通过有效的调整，在对原有水环境进行结构调整的基础上，增加新的结构或者同时采用其他修复技术，有效地避免弊端。[36]同时，在具体的实践中还要根据污染水域的实际状况，如污染物的种类和污染物的性质，是有机污染还是无机污染、重金属还是营养元素、有毒无毒、能否降解等选择合适的水环境修复的思路，以达到全方位改善水环境质量的目的。

生态修复法相对于其他方法具有以下几点优势：（1）造价相对较低，运行成本也较低，因而总成本较低；（2）耗能较低甚至无需耗能；（3）无二次污染，不会对环境产生任何影响。基于以上几点，这种低成本的实用技术非常适用于水环境的治理。因此，我们可以考虑以生态修复技术为基础、以生物修复作技术支撑、以水质净化能力为评价标准，通过组建水生植物群落来重建水环境中的多样性，同时再配置相应的植物，将水体修复与改善景观和绿化环境相结合，从而达到在保证水域的生态系统多样性、景观优美的同时，还探索了城市水体近自然生态修复的新理念、新技术及新模式，即城市水环境生态修复除了要满足供水、输送等功能外，还能长久有效地解决水环境污染问题等，建设出人与自然相融合的优美环境，从而为人类提供休闲、绿色的理想场所。

总的来说，要根据对水体污染所进行的初步判断，先采用物理方法清淤，除藻或者曝气充氧，将污染水体进行前期预处理，然后再根据具体情况分析是否有必要进行化学修复。如果不是紧急突发污染，一般不采用化学修复法，避免出现新的污染物。应优先考虑生态修复法和生物修复法，或者两者结合使用，即将多种治理技术有效结合起来，对受污染水体进行结合，最后再加上后期的整治，分阶段完成。[37]例如苏州河环境综合治理一期工程考虑到各阶段的治理目标不同、各种污染源的特性不同以及现有的水利设施，在施工过程中就采用了引水冲淤、底泥疏通、河道曝气复氧等多种水体修复技术，取得了良好效果。

因此，在我国进行城市水体生态修复的过程中，应结合水环境污染的具体情况，将水体污染的各种修复技术相结合，实现对城市水环境的长久性治理与修复，从而长期有效地改善水环境，建设出人与自然相融合的优美环境，最终为人类提供生态可持续发展的理想的工作、休闲、生活的城市水环境。

三、結束语

随着城市建设速度的加快，人类活动及自然因素已经对城市水体生态系统造成了较大的干扰，城市水环境问题越来越严重，不仅使水体中的污染物更为复杂，而且其对生态系统的危害也更严重。近年来，世界各地科研工作者分别从“控源减污、基础环境改善、生态修复和重建、优化群落结构”等方面进行了大量的研究与实践，本文对常见的几种水环境修复与综合治理技术进行了比较分析，最终考虑以生态修复技术为基础，将多种修复技术进行整合，取长补短，从而完善适合城市水环境修复的综合整治模式和思路，实现人与环境、生物与环境、社会经济发展与资源环境达到持续的协调统一和可持续发展。

说明：本文系基金项目，受同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室（PCRRY14003）基金资助。

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责任编辑：张 炜