德国埃姆歇河流域水生态环境综合治理技术体系及启示

尹文超，卢兴超，薛晓宁，张 卫，董紫君,赵 昕，王宝贞

(1.中国建筑设计研究院有限公司绿色设计研究中心，北京 100044；2.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；3.深圳职业技术学院建筑与环境工程学院，广东深圳 518055；4.哈尔滨工业大学水污染治理研究中心，黑龙江哈尔滨 150001)

为深入学习贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神，中共中央、国务院发布了“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”，吹响了污染防治攻坚战的号角。为此，住房和城乡建设部与生态环境部联合发布了《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》，明确治理目标、工作原则和主要措施，确定每年开展一次地级及以上的城市黑臭水体整治环境保护专项行动；明确提出，至2020年年底，全国地级及以上城市建成区的黑臭水体消除比例高于90%。2020年是污染防治攻坚战核心阶段性目标实现的收官之年，在这个时间节点，巩固城市黑臭水体治理的成果，进一步向2035年生态环境质量实现根本好转、美丽中国目标基本实现的下一个核心阶段性目标迈进，需要总结经验和不足，更需要有典型案例作为参照。

良好的生态环境是实现中华民族永续发展的内在要求，也是增进民生福祉的优先领域。改革开放40多年来，伴随着我国社会经济高速增长、城镇化进程加速推进，城市水体环境出现了季节性或长期的黑臭问题[1]。城市黑臭水体对经济发展造成了严重制约，对居民的生活环境和身体健康造成了严重威胁。埃姆歇河是德国城市水环境综合治理的成功典范，从其一个多世纪的治理历程来看，目前已经形成一套较为成熟的治理模式；从工业兴起的时间来看，我国相对于德国起步晚几十年，城镇化进程也相对较滞后；从所处相同的历时阶段来看，我国城市黑臭水体整治工作近几年已全面开展，这与埃姆歇河流域的综合治理第一阶段和生态修复阶段正好对应，同时，我国有部分城市原有地下排水系统的建设借鉴德国排水体制经验，在建设思路和模式上具有一定的相似性。因此，德国埃姆歇河流域的水环境综合整治经验，可为我国流域水生态环境的改善提供重要的借鉴价值。

1 流域概述

埃姆歇河是莱茵河的重要支流，位于德国西北部的北莱茵-威斯特法伦州，该河流为东西走向，起源于多特蒙德东南部，经过83 km在丁斯拉肯流入莱茵河，河床高差达到122 m，流经德国工业重地鲁尔区[2](图1)。埃姆歇河流域面积为865 km2，包含22个城市[3]，流域总人口为220万人。从19世纪60年代开始，埃姆歇河流域煤炭产业兴起，多年产量逐步增加到100万t/a，城市人口数量增多，但导致地面沉陷、洪水泛滥、居民生活污染排放增多等问题[4]。

煤炭业的快速发展、城市人口的增多，导致每天有大量的工业废水和生活污水产生。当时，污水排放唯一路径是排入埃姆歇河及其支流和开采沉陷区，造成地表水、地下水污染，洪水积存泛滥。20世纪20年代，埃姆歇河流域开始建设硬质渠道，露天明渠逐渐成为工业废水和生活污水的受纳水体，这对周边区域居民的生活和健康带来巨大威胁。从19世纪末开始，随着埃姆歇河协会(EMGE)的成立，埃姆歇河开始了一个多世纪的治理之路。

图1 埃姆歇河流域区位图Fig.1 Location Map of Emscher River Basin

2 流域综合治理历程

2.1 流域治理历程

经过一个多世纪的治理，埃姆歇河流域完成治理的河段及周边生态已恢复到接近自然的水平，原本衰退的重工业基地也重新焕发生机，城市和社区品质得到大幅提升。回顾埃姆歇河整个治理历程，分为4个阶段：卫生条件改变阶段(1906年—1949年)、现代化阶段(1950年—1982年)、综合治理第一阶段(1981年—1990年)、第二阶段生态治理(1991年至今)。与此同时，EMGE 1991年制定了长期规划，2006年发布了埃姆歇河总体规划，2020年计划完成整个河道治理工程(图2)。

图2 埃姆歇河治理的时间轴线图Fig.2 Timeline Diagram of Emscher River Management

2.2 综合治理计划

从1992年开始，埃姆歇河计划用20年时间，完善流域内污水处理厂和地下隧道系统的建设，即灰色基础设施的建设；用25-30年时间，对埃姆歇河及其支流开展生态修复，即河道的修复。另外，在全流域内开展雨水管理，建设绿色雨水基础设施。在埃姆歇河沿岸集中设置4座生活污水处理厂和26座工业废水处理厂，每年生活污水处理量为6.29亿m3、工业废水处理量为1 600万m3；为保证污水输进污水处理厂的重要途径，埃姆歇河流域共建设地下深隧97 km；修复河道及岸线生态系统是埃姆歇河流域“重返自然”的开始，通过恢复或拓宽河道断面、硬化岸坡恢复为生态岸坡、恢复河道弯曲等措施，恢复河道的自然生态功能；建设绿色雨水基础设施，制定“15/15”项目，推广雨水花园、下凹绿地、透水铺装、绿色屋顶等生态设施，提高流域雨水的滞纳能力和净化效果(图3)。

图3 埃姆歇河流域综合治理计划Fig.3 Comprehensive Management Plan for Emscher River Basin

3 综合治理技术体系介绍

3.1 流域排水体制改善

图4 埃姆歇河流域排水体制Fig.4 Drainage System of Emscher River Basin

新的埃姆歇河流域排水系统，通过合流制干管将生活污水和工业废水进行集中收集、输送到带溢流的雨污混合水沉淀净化池，并被输送到埃姆歇河沿岸新建设的地下隧道系统，再在雨季污水处理厂的高负荷下运行处理，最后排入埃姆歇河，实现雨污混合污水的全面净化处理。部分地下隧道系统中剩余的雨污混合水，先经过沉淀池沉淀净化，再溢流到混合污水的塘-湿地净化系统中进一步净化，最终排入埃姆歇河支流[图4(b)]。

德国埃姆歇河流域生态环境综合治理的过程中，特别强调了对受污染径流雨水的收集、调蓄、净化与利用，无论是合流制下水道的溢流水(combined sewerage overflow，CSO)，还是分流制雨水管道的径流雨水，都收集、调蓄、处理与利用，用作水资源。除了雨季雨污混合污水通过市政污水处理厂处理外，还对溢流雨污水采用雨水沉淀池、雨水净化塘和地表径流人工湿地等方式进行处理(图5)。

图5 雨水净化塘Fig.5 Rainwater Purification Pond

3.2 污水处理厂建造或扩建

3.2.1 流域污水分析

根据北莱茵-威斯特法伦州气候、环境、农业和自然保护部(北威州环保部)发布的《北莱茵-威斯特法伦州污水处理发展与现状》，埃姆歇河流域共48个主要水体，水网总长度达到335 km，据统计，2012年埃姆歇河水量达到4.5亿m3/a。埃姆歇河流域的主要污染源包括生活污水、工业废水、硬化地面径流雨水，会对水体和生物栖息地造成重大影响。根据德国北威州环保部对埃姆歇河流域的污水和雨水的统计分析，得到流域污水雨水排放基本信息，如表1所示。

表1 埃姆歇河流域污水雨水排放情况Tab.1 Sewage and Stormwater Drainage in Emscher River Basin

3.2.2 市政污水处理厂

建造或扩建污水处理厂是改善埃姆歇河流域水环境问题的第一步。在埃姆歇河沿岸埃共建设4个集中式市政污水处理厂进行二级生物处理，分别是埃姆歇河河口污水处理厂、多特蒙德-杜森污水处理厂、波特洛普污水处理厂以及杜伊斯堡污水处理厂(图6)。2012年，4座污水厂的总处理污水量为6.29亿m3。

图6 埃姆歇河流域市政污水处理厂分布图Fig.6 Distribution of Municipal Sewage Treatment Plants in Emscher River Basin

多特蒙德-杜森污水处理厂服务人口为62.5万人，人均污水排放量为151 L/(人·d)，污水处理量为94 375 m3/d；波特洛普污水处理厂是1929年在此建立的第一座污水处理厂，仅为机械澄清设施，处理负荷为134万人口当量；杜伊斯堡污水处理厂服务居民人口为37.5万人，其中，24万人产生家庭生活污水，其余为蒂森克虏伯的工商业废水；埃姆歇河口污水处理厂早前处理大量的河水以及上游污水处理厂净化后的出水，为保障埃姆歇河河水的干净提供了最后一道防线，2017年后转变为传统城市生活污水处理厂，从地下隧道中取雨污混合物污水进行处理，重建后将配备双层沉淀系统，处理效率提升日最大流量为16.5 m3/s，处理负荷相当于230万人口当量[6-8](表2)。

表2 埃姆歇河流域所有市政污水处理厂的处理效果Tab.2 Treatment Effectiveness of All Municipal Sewage Treatment Plants in Emscher River Basin

根据“污水条例”，规模>10万人口当量的市政污水处理厂出水TN必须低于13 mg/L。考虑到污水处理厂对营养物质削减的要求，如果TN的去除率低于75%，则需采取行动。在埃姆歇河流域，所有污水处理厂都满足所要求的污染物排放浓度。

3.2.3 工业废水处理厂

3）道路绿化带宜疏密相间，在路外有重要景观节点，不宜过多用道路景观进行遮挡，保证驾驶人在行驶过程中能同时能享受丰富的沿江风光。

在埃姆歇河流域有60家工业企业进行污水和冷却水的处理。与城市污水相比，工业废水较少，为1 600万m3/a。经处理的工业废水也排入埃姆歇河，并通过埃姆歇河口污水处理厂进行净化。流域中主要工业企业的污水排放参数如表3所示。

表3 埃姆歇河流域主要工业企业污染物排放量Tab.3 Pollutants Discharge from Major Industrial Enterprises in Emscher River Basin

3.3 地下深隧系统构建

地下深隧系统是埃姆歇河流域污水、雨水全面截污的重要措施(图7)。在雨季时，埃姆歇河流域的合流制地下深隧中进入大量雨水，在污水处理厂遇到超出负荷时，地下深隧将雨水存储于澄清池中，可防止系统崩溃。作为混合污水的地下储池，不会被污水处理厂立即处理，在雨水消退后，储存的雨水逐渐进入污水处理厂进行处理。经过地下深隧系统中的雨水溢流池和排水管渠，初期雨水中的污染物已经沉降在其底部，即使临时存储池被充满，高度稀释和机械预澄清的废水也可以直接排入水体，不会对水体带来太大压力。

图7 地下深隧系统分布图Fig.7 Distribution Map of Underground Tunnel System

埃姆歇河沿岸地下深隧系统是全世界最长的地下排水系统，分为2段：第1段由多特蒙德东南部至多特蒙德-杜森污水处理厂；第2段由多特蒙德-杜森污水处理厂到埃姆歇河口污水处理厂。如表4所示，第1段长度为23 km，直径为800～4 000 mm，埋深为2～20 m，于2009年施工完成投入使用，负责将沿岸所有污水和受污染的雨水通过地下隧道排入污水处理厂处理。第2段地下深隧长度为74 km，直径为1 600～2 800 mm，埋深为10～40 m，于2017年内完工，负责收集河道沿线污水、受污染雨水以及处理后的工业废水，并经3个大型提升泵站(盖尔森基兴泵站、波特洛普泵站、奥博豪森泵站)，提升进入波特洛普污水处理厂和埃姆歇河口污水处理厂处理(图8)。

表4 地下隧道系统建设参数Tab.4 Construction Parameters of Underground Tunnel System

图8 第二段地下隧道各管段参数详图Fig.8 Detailed Drawing of Parameters in Each Section of Second Underground Tunnel

埃姆歇河的截流总干管为成本较低的单管道合流制管道，从多特蒙德-杜森污水处理厂至盖尔森基兴泵站之前2.6 km形成一标段，总长度为47 km，为单管系统。随着管道埋深的增加，考虑到单管系统发生故障而造成的功能丧失，从胡勒布鲁克至盖尔森基兴泵站之间采用双管道系统。废水流量超过3 m3/s或管道埋深超过25 m的地区，管道必须设计为双管道(表5)。在波特洛普污水处理厂中，有一个特殊的解决方案：当现有的双管系统液压系统出现故障时，可由第3条管道补充。地下隧道沿程坡度为1.5‰～1.7‰，在盖尔森基兴泵站之前坡度较大，为1.6‰～1.7‰，从盖尔森基兴泵站往后的管段坡度均为1.5‰。

表5 第二段地下隧道各管段系统技术参数Tab.5 Technical Parameters of Each Section of Underground Tunnel in Second Stage

埃姆歇河流域地下深隧系统是一套庞大的工程技术系统，从规划设计到建造运营，历时近30年，投资量巨大，是结合德国经济社会发展情况，经过长期规划论证后的决策，且分阶段实施验证效果。但是，它的建设是在德国雨污水收集排放处理系统日趋完善的基础上提出的，从这一技术系统应用的工程技术和时代条件背景，以及德国埃姆歇河流域生态环境综合治理的历程来看，这是近30年实施的重大工程，是流域“重返自然”的又一铺垫。

3.4 河道生态修复体系

在污水处理和截污干管建设后，对河流和小溪的河床、岸线进行生态恢复，给河道提供更多的水域空间[9]。EMGE先后制定了重返自然、蓝绿生态网络、生态屏障等生态修复工程，以改善城市气候和水的自然循环。一是通过恢复或拓宽河道断面，使河道生态更有连续性和延伸性；二是逐段将梯形河槽恢复成自然河道，但按防洪要求保留原有堤坝；三是使河道弯曲，增加河道的水力粗糙度，降低河道水流速度。重返自然从埃姆歇河支流开始，到目前，已经拆除了120 km的开敞式硬质污水明渠，并建立了大约相同长度的人行道和骑行道(图9)[10-11]。

图9 滨水步道和骑行道路Fig.9 Waterfront Trail and Cycling Road

与此同时，从源头到莱茵河的河口，对埃姆歇河流域中每一条河流进行生态空间优化(图10)，织成一张整体生态网络[12]，以促进整个流域生态系统功能的提升，形成一个连续的、多样化的水生生物生态功能区，在埃姆歇河1～3 km内建设生态走廊，并将走廊进一步拓展到周边区域，形成“蓝绿生态网络”(图11)。蓝绿生态网络的构建意义主要是实现了城市人工环境到河道自然生态环境的缓冲空间，最大限度地减少人工活动对自然水系的干扰。

图10 埃姆歇河支干流河道断面生态修复方式Fig.10 Ecological Restoration Method of Channel Section of Emscher Main and Branch Streams

图11 埃姆歇河流域生态网络Fig.11 Ecological Network of Emscher River Basin

埃姆歇河入莱茵河河口处有大约6 m高的跌水堰，该堰成为埃姆歇河与莱茵河之间的一道生态屏障，鱼等生物无法通过[13]。从2014年开始对该河口进行建设，形成一个0.2 km2的水草甸地区，建成后的河口根据莱茵河水位波动，形成充满水的塘、湿地和溪流(图12)。

图12 埃姆歇河汇入莱茵河入河口处Fig.12 Emscher River Joining Rhine River into the Estuary

3.5 绿色雨水基础设施建设

图13 埃姆歇河流域雨水管理项目路线图Fig.13 Roadmap for Emscher River Basin Stormwater Management Project

为了降低排入埃姆歇河的雨水量和径流污染负荷，EMGE采用自然的、分散的方式进行雨水原位净化，避免雨水直接从汇水片区快排排入合流制管网中。自20世纪90年代以来，埃姆歇河流域实施了许多最佳管理实践(best management practices，BMPs)项目，从2000年进入了大范围实施的阶段，埃姆歇河地区也称为“城市雨水管理”(urban storm water management, USWM)的先驱者之一(图13)。城市雨水绿色管理，一方面减少雨水进入下水道系统，可以降低传统雨污水处理基础设施的建设规模和运营成本；另一方面，就地利用也有利于降低内涝和洪水风险，同时，可改善微气候，并营造良好的城市景观。

埃姆歇河协会与周边17个城镇达成协议，在未来15年内计划降低15%的雨水径流进入下水道系统，称为“15/15”项目，其战略目标是将径流量(流量和峰值流量)减少15%，为此形成了“未来暴雨公约”[14]。虽然公约要求只对15%的雨水径流进行原位消纳，雨水径流总量控制比重相对较少，但在总不透水面积为266 km2的情况下，可切断的雨水径流约为26.4亿m3/a，这对埃姆歇河流域雨水的排放具有重要意义。除在雨量上严格控制外，也应特别重视入渗雨水可能对地下水带来的污染，以及可能对建筑物、构筑物结构安全造成的影响，提出相应保护距离，为此EMGE建立了绿色雨水标准规范及指南，如DWA-A 138E标准[15]和DWA-M 153E标准[16]。

埃姆歇河流域建立了许多绿色雨水基础设施管理工程项目，涉及建筑小区、公园广场和城市水系等方面。例如，韦尔海默马克小区雨水控制与利用、波茨坦广场雨水调蓄与循环系统、凤凰湖(Phoenix See)水质净化回用系统均是埃姆歇河流域绿色雨水基础设施建设的典型代表。韦尔海默马克小区是现代化住房小区，该小区屋顶面积达到16 600 m2，通过采用雨水渗透系统，将小区屋顶产生的干净雨水，直接汇集到小区低洼处的雨水调蓄塘和植草沟渠进行渗透(图14)，不能渗透的超量雨水溢流排入雨水排放管道，最终进入埃姆歇河。小区机动车路、广场、人行道等污染较为严重的雨水径流，通过雨水篦收集进入下水道系统，与生活污水一起进入污水处理厂处理。通过分类布局与设计，不仅保护了埃姆歇河水环境，也提升了小区环境品质，且排入下水道的雨水渐少，雨水收费降低，租金附加成本下降，该项目获得EMGE颁发的“水印”奖。

图14 韦尔海默马克小区渗透调蓄系统Fig.14 Penetration and Storage System of Community

波茨坦广场雨水调蓄与循环系统分为屋面雨水调蓄利用系统和景观水体循环净化系统[17]，主要设施包括：绿化屋顶面积为40 000 m2，雨水储存池容积为3 500 m3，人工湖面积为12 000 m2，用于雨水处理的人工湿地为1 200 m2，屋面雨水收集净化后补充景观水体，多余的水通过溢流管排入兰德维尔河，景观水体中的水通过循环净化维持整个景观水体的水质(图15、图16)。

图15 波茨坦广场雨水控制利用系统流程Fig.15 Process Flow of Rainwater Control and Utilization System in Potsdamer Platz

图16 波茨坦广场景观水体净化湿地Fig.16 Landscape Water Purification Wetland in Potsdamer Platz

凤凰湖靠近埃姆歇河的源头[18]，主要承担雨水收集储存和洪涝调蓄功能，改造前为凤凰炼钢厂所在地，河水通过1根管道流过，改造后原有的钢厂搬迁，场地开挖形成了人工湖，其岸线长度为1 230 m，最大湖宽为310 m，水深>4 m，容量约为600 000 m3，湖面面积为0.316 km2。凤凰湖处于整个区域的最低处，有利于通过重力排水调蓄周边区域的雨水。埃姆歇河沿湖北岸流过，凤凰湖在超过最高蓄洪水位后，向埃姆歇河排水。凤凰湖和埃姆歇河岸线均为生态护岸(图17)，沿岸的道路均采用透水铺装，并配有线性排水沟槽和具有调蓄功能的树坑。为了保证湖体水质，在岸边新建1个膜过滤器和芦苇滤床的磷酸盐去除站，以确保凤凰湖泊的磷浓度处于稳定平衡状态(图18)。

图17 凤凰湖区域断面图Fig.17 Cross Section of Phoenix See

图18 凤凰湖除磷工艺流程图Fig.18 Phosphorus Removal Process Flow Chart of Phoenix See

4 结论与启示

埃姆歇河流域生态环境综合治理从卫生条件改变阶段到现代化阶段，再到综合治理第一阶段，最后到生态治理修复阶段，一直持续至今，历时100多年，从时间和空间上制定了切实可行的规划策略。首先，在排水体制上进行系统性规划布局，合理确定了雨污水排水路径和处理模式，完善了生态修复路径；其次，构建完善可靠的雨污水收集管网和构筑物、适应雨污混合污水的市政污水处理厂、高标准的工业废水处理厂等灰色基础设施，建立起不可逾越的第一阶段；最后，建立沿河地下深隧截污-净化系统、流域支干流蓝绿生态网络和城市绿色雨水基础设施等体系，形成城市人工环境与自然生态环境之间“点-线-面”的缓冲系统，实现了流域“重返自然”美好向往的第二阶段。埃姆歇河流域生态环境综合治理的成功，除了得益于科学的工程技术措施外，也包括一些保障措施(如法律条文、标准规范、民众参与、社会资本)的投入。

当前，在我国新型城镇化建设和城乡融合发展不断推进的过程中，水污染防治攻坚战进入承上启下的关键阶段，学习埃姆歇河流域水生态环境综合治理，科学理性认识各项技术体系的阶段性和长期性。在“灰色治理为前、生态修复为后”的前后思想下，将河道环境生态治理与河流生态系统保护统筹考量，尽量保留河岸地貌的复杂多样性，兼顾景观与生态内涵的统一，将保护河岸植被和水生生物栖息地贯穿河流综合治理的始终，努力实现“生态化治污”，这对我国流域水生态环境向“重返自然”的美好愿景前进具有重要借鉴意义。