刘翔教授 | 城市水环境综合整治工程原理与系统方法

因此，提量增容技术实现提升水体环境余量可以有两种方式：1)通过水体净化、旁路处理、补水换水等措施降低现状本底浓度以增加静态余量；2)通过生态修复、曝气增氧、水动力改善等措施提升水体自净能力以增加动态余量。城市水环境整治提质增容技术汇总如表2所示。

表2 城市水环境整治提质增容技术

城市水环境整治技术体系

城市水体控源减负和提质增容两大属性的技术类型构成了城市水环境整治的技术支撑体系，结合整治技术应用的对象和实施功能进行分类，形成城市水环境整治技术体系如图2所示。

图2 城市水环境整治技术体系示意

四 城市水环境整治系统方案

城市水环境整治方案编制思路

在《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》提出了“系统治理、有序推进，多元共治、形成合力，标本兼治、重在治本，群众满意、成效可靠”的整治方案编制的基本原则，较为全面地诠释了城市水环境整治方案编制的目标、思路、方法和实施方式。

通过分析工程原理和解决途径，城市水环境整治的技术途径有3种，但通常都采用控源减负和提质增容协同作用的方式(即途径3)来实现城市水环境整治目标。如何确定合适的平衡点作为水体整治方案的设计基准，就成为城市水环境综合整治系统方案编制的关键。

城市水环境整治方案系统策划

通过对城市水体污染物输入负荷与环境余量平衡状态的讨论以及解决途径的分析，获得了城市水环境整治系统方案的编制方法，但在实际应用过程中仍有若干问题需要厘清。

首先是计算时间的选取，许多案例在编制系统方案时，以年均值计算污染物输入负荷和环境余量，这种方法是不科学的。因为无论是污染物输入负荷、还是水体环境余量都是呈现季节性变化的，甚至于每日都有波动。因此美国在《清洁水法》中采用最大日负荷总量(TMDLs，total maximum daily loads)法作为水体水质目标管理的方法，其核心就是在满足水质标准的条件下，水体能够接受的某种污染物的最大日负荷量，同时要考虑安全临界值和季节性变化，采取适当的污染控制措施来保证目标水体每日均能达到相应的水质标准。目前，我国的大多数城市在基础信息的掌握、监测数据的积累以及设计参数的选取等方面都难以支持参照TMDLs的方式对城市水体做出按日计算污染输入负荷和环境余量，可以选择几种典型状况(例如旱季晴天、雨季晴天、雨季雨天等)代表时段(日)，采用情景设计的方式计算污染输入负荷和环境余量，并选取最大差值情景(最不利状况)作为系统方案设计的依据，这样可以保证水体在常态情况下全年满足水质目标要求，见图4a。

其次是控制断面的确定，水体(尤其是河流性水域)控制断面的位置对污染输入负荷和环境余量的计算结果影响很大，若要保证全域水体满足水质目标要求，可以选择几类特征断面(例如水体流态最差点、距离控制措施最远端、最大污染负荷输入点等)分别计算污染输入负荷和环境余量，取最不利位置作为设计依据。若水体过大过长、或是条件差异性过大，则应考虑分段计算和设计，再综合形成水体整治系统方案，见图4b。

图4 城市水环境整治方案动态变化示意

五 讨论与展望

城市水体是一类受到人类活动强烈影响、甚至是完全人工化的水生态系统，同时又会对城市环境和人类活动空间产生重大影响，因此城市水环境整治必然是一项复杂而艰巨的长期任务，在实践过程中不仅要遵循科学规律，还要兼顾社会影响，要坚持系统理念的统筹和做好顶层设计的谋划。在目标上做好水质管理和社会需求的兼顾，在推进上做好消除污染和长制久清的结合，在方案上做好系统策划和因地制宜的统一，在方法上做好控源减负和提质增容的协调，在措施上做好工程治理和运维管理的衔接，以保障城市水环境整治方案的系统性、科学性、针对性和可操作性。

城市水环境综合整治系统方案是城市水体污染治理工作的依据和基础，目前对于其科学编制方法还缺乏足够的的技术支持，后续还应开展相应的基础性研究工作。

1)加强基础理论研究，规范环境余量计算方法。

环境余量的计算是水体整治系统方案设计的核心和关键，目前我国上缺少相应的理论研究和方法支持，也缺乏有关环境条件影响的定量分析和相关计算参数选取与复核的方法，难以保证计算的可靠性和准确性，也直接影响到系统方案的科学性和有效性。

2)加强基础信息的积累，提高污染物输入负荷计算的准确性。

当前关于污染物产生和输入水体的负荷量计算方式繁多，随意性也较大，关键在于基础条件和数据信息的掌握不够系统全面和客观真实，计算方法不够科学规范，计算参数大多采用经验数据，计算结果也缺乏实际验证。应推荐科学规范的计算方法，提出水质水量监测方法和数据获取的规范性要求和质量保证措施，推荐适宜的参数获取方法和率定要求，力求水体输入负荷量计算的准确性；同时加强对现有整治工程案例的监测和绩效评估，核定典型工程措施削减输入负荷量与设计参数的相关关系，从而保证工程措施设计的合理性和可靠性。

3)加强动态调整的探索，提升系统方案设计的精准度和合理性。

分析比较典型情景日输入负荷量及环境余量的变化特征，在选取最不利状况作为系统方案设计依据的基础上，针对几种典型情况提出整体系统方案的典型运行工况，在保证满足水质目标管理要求的前提下优化运行管理、降低运行成本，以提升城市水环境整治的精准度和合理性。

人物介绍：

刘 翔：清华大学环境学院 教授 博士生导师

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，江苏省环保产业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。