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刘翔教授 | 城市水环境综合整治工程原理与系统方法

时间:2019-11-21 11:16

来源:环境工程

作者:刘翔,等

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住房和城乡建设部海绵城市建设技术指导专家委员会委员,住房和城乡建设部科学技术委员会城镇水务专业委员会委员,住建部环境部城市黑臭水体整治专家库专家,中国环境学会土壤与地下水环境专业委员会理事、中国土木工程学会水工业分会排水委员会委员、国家重大水专项城市主题专家组副组长,国家长江生态环境保护修复联合研究中心总体专家组专家,环保部UNDP项目咨询专家,环保部国家环境保护工业污染场地及地下水修复工程技术中心专家委员会委员,北京市环境保护应急事件处理专家组顾问专家,江苏省技术创新联盟技术委员会委员等。主要研究方向城市水污染控制与水环境整治、再生水风险控制与安全利用、土壤/地下水污染控制技术与理论等。负责国家及省部级研究课题50余项,指导研究生及博士后60余人,发表学术论文120余篇(其中SCI收录80余篇),获得省部级以上科技奖励8项,获得国家授权发明专利20余项。

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刘 翔 清华大学环境学院 教授 博士生导师

研究背景

城市水环境综合整治是我国水环境保护领域的重要工作,也是许多城市面临的重大问题。我国2015年出台的《水污染防治行动计划》(“水十条”)就明确提出治理城市黑臭水体的目标,要求到2020年,地级及以上城市建成区黑臭水体控制在10%以内;到2030年,城市建成区黑臭水体总体得到消除。习近平总书记在2018年全国生态环境保护大会上强调:“要深入实施水污染防治行动计划,基本消灭城市黑臭水体,还给老百姓清水绿岸、鱼翔浅底的景象”。为促进城市黑臭水体治理工作全面推进,2018年,生态环境和住房与城乡建设部联合开展专项督察工作;财政部、住房与城乡建设部、生态环境部共分三批确定了60个城市为黑臭水体治理示范城市;同时,在推进我国海绵城市建设的任务中,也明确提出了关于城市水环境整治的具体目标要求。上述行动都表明了我国开展城市水环境综合整治工作的迫切性和重要性。

一般而言,城市水环境整治任务总体可以分为3类:污染治理、水质改善和生态恢复,三者各有侧重又有关联,也可以说是代表了城市水的3个阶段。污染治理主要是针对城市高强度、超负荷的污染排放引起的城市水体严重污染问题,通过控源减排等工程措施实现减轻水体污染状况的目的,这类任务以城市黑臭水体治理为典型;水质改善是在开展污染治理的前提下,辅以水体净化、补水活水等技术手段进一步改善水质,以期达到较好水环境质量的目标,这类任务目前多以满足一定水环境质量标准为特征;生态恢复则是在实现水环境质量改善的基础上,借助水和重构等综合方法,逐步恢复水生态系统和提升城市水环境的景观效果,实现城市水体的亲水、娱乐功能,这类任务则以创建城市水为标志。

通过解析城市水体污染的原因,探索城市水环境整治的工程原理和技术路线,梳理水环境整治技术的实用性和有效性,进而提出城市水环境综合整治的系统方案编制方法和适用技术体系,可为科学、合理、客观地编制城市水环境综合整治系统方案提供参考。

一 摘 要

通过对城市水环境综合整治目标与需求的梳理,从宏观尺度上分析了城市水环境整治的工程原理,提出了解决城市水环境整治的工程途径和技术方法,根据各类治理技术的对象和功能,构建了城市水环境整治技术体系,为不同适用技术的选择提供了理论指导,并基于工程原理与解决途径提出了城市水环境综合整治系统性方案的编制方法。

二 城市水体污染治理工程原理

城市水体污染主要问题

城市水体作为城市生态空间的构成要素和城市水循环系统的关键载体,也是城市污染物排放的主要受纳体。引起城市水体污染的主要问题有:

高密度的人口聚居、高速度的城市发展、高强度的城市生活与工业生产是产生高通量污染负荷的根本来源。

城市水环境基础设施的规划与建设滞后于城市发展的需求,导致城市污水收集与处理的能力不足,部分污水未经处置直接排放。

城市雨污水管网长期疏于维护管理,管网功能性和结构性缺陷问题严重,导致污水实际收集效能远低于表观数据,同时也大大降低了污水处理设施的实际减负效果。

城市雨水径流排放缺乏合理有效的组织和管理,未能充分发挥绿色设施的减排作用,致使城市面源污染问题未得到有效控制。

城乡结合部和城中村的生活污染问题未引起足够的重视,缺乏有效的管理和处置而成为分散式污染源,而且负荷通常都很高。

宽水面、大水深的传统型城市河道整治和水景观建设方式,导致水体流动性差、生态基流严重不足,致使水体自净能力大幅减弱。

河床和堤岸硬化以及梯级闸坝拦截阻断了水生和陆生生态系统的联系,导致水体生态功能严重退化甚至丧失。

水体流动迟缓甚至滞流,水动力条件极差,局部水域易产生污染累计,同时导致淤积问题严重,是水体内源污染的来源。

上述问题在我国许多城市中是普遍存在的,也是困扰城市水环境综合整治的难题。这些问题的交织并存也决定了城市水污染控制和水环境整治工作的复杂性和长期性。

水体治理工程原理与解决途径

从本质上说,城市水体遭受污染而引起水质恶化的根本原因是域内进入水体的污染负荷总量超过了水环境的现状承受能力,即剩余环境同化容量(residual water environmental assimilative capacity,本文中简称“环境余量”),因而治理城市水体污染问题进而恢复良性水环境状况的工程原理则是保证输入水体的污染物负荷量不超过水体的环境余量,从而使得水体的水质状态保持平衡,并维持健康而稳定的水环境质量。那么,当输入的污染物负荷总量超出水体环境余量时就会导致水体的水质恶化,根据式(1)所提出的物质平衡原理,城市水体整治的实施的3种途径的平衡状态示意图见图1所示。

编辑:徐冰冰

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