城市化对水环境的影响及水环境的综合整治

城市化对水环境的影响及水环境的综合整治1引言在城市的发展中，便利的城市基础设施、大规模的交通系统、发达的贸易和增加的工业生产，刺激着人口的集中，改变了城区的土地利用情况，如清除树木、平整土地、建造房屋、街道，整治河道以及兴建和完善排水管网等，造成天然田野、森林、河流的消失，并出现大量污染。人们必须维护和恢复城市生态系统，建立新的物质和能量流动体系，以保证其平衡。城市化的发展和程度直接和间接的影响到城市地区的水环境，由此带来城市雨洪控制和水质污染控制的问题。建设和完善水环境治理的基础设施并进行科学的管理，将是创造现代化城市良好的生存环境，保证其可持续发展的必要条件。为此，需要对城市水环境进行综合整治。2城市化对雨洪径流的影响2．1城市降水城市规模的不断扩大，在一定程度上改变了城市地区的局部气候条件，又进一步影响到城市的降水条件。在城市建设过程中，地表的改变使其上的辐射平衡发生了变化，空气动力糙率的改变影响了空气的运动。工业和民用供热、制冷以及机动车量增加了大气中的热量，而且燃烧把水汽连同各种各样的化学物质送入大气层中。建筑物能够引起机械湍流，城市作为热源也导致热湍流。因此城市建筑对空气运动能产生相当大的影响。一般来说，强风在市区减弱而微风可得到加强，城市与其郊区相比很少有无风的时候。而城市上空形成的凝结核、热湍流以及机械湍流可以影响当地的云量和降雨量[1]。1984-1988年，上海市水文总站在上海老市区（不含宝山、闵行区）149km2内设置的13个雨量点和原有分布在郊县的55个雨量站进行平行观测，研究城市化对上海市区降雨影响的程度和范围。其研究结论包括[2]：（1）市区降雨量大于近郊雨量，平均增雨为6%；（2）市区和其下风向的降水强度要比郊区大；（3）降水时空分布趋势明显，降水以市区为中心向外依次减小；（4）城市化对不同量级降水雨日发生频次具有影响：城市化后会使暴雨雨日增多，由于大暴雨、特大暴雨时，城市化影响相对较弱，当雨量达暴雨级后，市区雨日不再增加。2．2城市建设随着城市化的发展，树木、农作物、草地等面积逐步减小，工业区、商业区和居民区的面积不断增加。城市化过程也使相当部分的流域（例如小的河道、湖泊和湿地）为不透水地表所替代，减少了蓄水空间。由于不透水地表的入渗量几乎为零，使径流总量增大，使得雨水汇流速度大大提高，从而使洪峰出现时间提前。地区的入渗量减小，地下水补给量相应减小，枯水期河流基流量也将相应减小。排水系统的完善，如设置道路边沟、密布雨水管网和排洪沟等，增加了汇流的水力效率。城市中的天然河道被裁弯取直、疏浚和整治，使河槽流速增大，导致径流量和洪峰流量加大。例如，四川省成都市峨眉山保宁小区的峨嵋径流试验站的小流域雨洪观测点，汇水面积1.43km2。1964年起，城市化进程对这里的暴雨径流产生影响，现在不透水面积已达全流域面积的25%以上。洪峰流量增大、洪峰出现时间提前是城市化对暴雨径流的影响特征。此外，大多数城市形成于平原地区或山区沿江（河）两岸。沿江（河）的城市，当市区地面标高低于江（河）的洪水位时，将受到河洪的威胁；而沿江山地城市，除受河洪威胁外，还将受到山洪的威胁；位于山坡或山脚下的工厂和城镇主要受到山洪的威胁。雨洪径流增加后，可能会使已有排水明沟、阴沟、桥涵、河道等的过水能力感到不足，以致引起城市下游洪水泛滥，造成交通中断、地下通道淹没、房屋和财产受破坏和损失。3城市水环境中污染物的来源和种类城市径流中污染物组分及浓度随城市化程度、土地利用类型、交通量、人口密度和空气污染程度而变化。一般雨洪径流中的污染物来自三个方面：降水、土地表面和下水道系统。其中污染物大概分为：悬浮固体（SS），重金属，富营养化物质（如氮，磷），细菌和病毒，油脂类物质，酸类物质，有毒有机物（除草剂等）和腐殖质。排入水体的污染物当在数量上超过该物质在水体中的本底含量和水体的环境容量时，就会导致水的物理、化学及微生物性质发生变化（溶解氧降低、富营养化和毒性作用），使水体固有的生态系统和功能受到破坏，限制潜在的水资源利用（如供水、娱乐、渔业等）[4]。降水，即降雨和降雪，对径流污染物的贡献包括降水淋洗空气污染物的部分。研究表明：在屋顶产生的径流里，10~25%的氮、25%的硫和不到5%的磷来自降雨，而在停车场、商业区和交通繁忙街道产生的径流中，几乎所有氮、16%~40%的硫和13%的磷来自降雨。近年来，由于大气污染严重，在某些地区和城市出现酸雨，严重时，pH值达到3.1，因而降雨初期的雨水是酸性的。酸雨主要是工业和交通工具产生的硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）释放到大气中，并溶于云雾而形成硫酸（H2SO4）和硝酸（HNO3），然后随气流输送，最终成为酸雨降落至地面。地表污染物以各种形式积蓄在街道、阴沟和其它与排水系统直接相连接的不透水表面上。如行人抛弃的废物，从庭院和其它开阔地上冲刷到街道上的碎屑和污染物，建造和拆除房屋的废土、垃圾、粪便或随风抛洒的碎屑，汽车漏油与排放的尾气，轮胎磨损，从空中干沉降的污染物等。这些地表污染物在雨洪期间可能会进入水体。排水系统也对雨洪径流水质有影响，主要有雨水口中的沉积物和合流制排水系统漫溢出的污水。在合流制排水系统里，废水和雨洪掺混在一起输送到受纳水体或污水处理厂。当雨洪径流流速较大时，排水管网中无雨期沉积下来的污染物被冲起并带走。同时一般城市中仍旧存在人为有意或无意造成的雨污水管道混接、工业废水管道和生活污水管道直接排放水体的现象。由于排水管道缺乏维护、出现不均匀沉降等原因，也会造成管道雨（污）水渗漏的增加。根据2002年的估计数据，目前全国80%左右的城镇污水没有经过处理就直接排放，造成1/3以上的河段受到污染，90%以上的城市水域污染严重，近50%的城镇水源不符合饮用水标准[5]。有潮汐的河流，河流的涨潮落潮将降低水体的流动和置换，使污染负荷不能释放，天长日久，污水在河道中回荡，污染物在河道中累积叠加。城市水体受到污染的原因还包括周边水源水质的影响、航运污染源的影响等。4水环境的综合整治长期以来，对水环境多采用消极的单项治理方式，水体污染未能达到很好的控制，并有日益加重之势。实践证明，对水环境进行综合治理并纳入水污染防治体系，才是解决水环境的重要途径。西方发达工业国家从上世纪初开始整治城市水环境，研究水环境污染治理技术。在上世纪，水环境的治理过程大致可分成三个阶段：1）六十年代以前的被动治理阶段，主要是对付严重的污染现状；2）七十年代的综合治理阶段，进入污染控制阶段，有被动的单项治理转向主动的综合治理；3）八十年代以后的综合防治阶段，将经济发展和环境保护相协调，加强环境管理，进行区域综合防治，这一阶段的特点是把环境视为资源，一切开发活动都必须同时考虑经济效益、社会效益和环境效益，禁止任何过度开发行为，从维持生态平衡出发，实行城市综合规划，利用市场经济规律并强化政府干预手段来达到保护环境的目的。首先，要恢复清澈的河水和生态平衡系统，必须杜绝工业废水、生活污水及其它污染源进入水体，因此需要建设和完善污水收集系统、改造合流制管道系统、建设污水处理厂、注重雨水调蓄设施、维护城市防洪设施等。例如，美国平均每年投资约50亿美元用于污水处理，日本平均每年投资20亿美元，美国、日本、英国、法国等发达国家已建成平均每一万人就有一个二级处理的污水厂，基本杜绝了点污染源产生的污水直接排入河道。在雨水管道系统设计、用地规划和地面覆盖上考虑雨水渗透。合理、充分地利用雨水涵养地下水源，既能缓和城市水资源危机，又能增加土壤中的含水量、调节气候，从而减少所需雨水管系容量，降低雨水管系的投资和运行费用，减轻城区水涝灾害和水体污染。雨水渗透控制措施包括渗水路面、渗水渠道、人工湿地以及植树种草等[6]。城市雨（污）水经妥善处理后可作低质用水，如用作工业冷却用水和杂用水（厕所冲洗水、洗车水、洒水、消防用水、空调用水等）。城市雨（污）水资源化，在解决水污染的同时，也解决某些缺水地区水资源不足的问题。污水在回用以前一般采用处理厂的深度处理，水质污染程度不高的雨水可在雨水水质调蓄池中存储并进行适当处理。为了帮助更好的认识水环境运动规律，减少水环境研究和管理的费用，提高决策的正确性和有效性，使信息科技在水环境的研究和管理中发挥巨大的作用，应不断应用、发展和完善水信息学技术和方法。一般意义上，水信息学是研究与水环境相关数据的收集、处理、存储、传播、分析和图像显示等的学科，它综合数学、计算机科学和传统水环境科学和工程学的方法，来解释大量复杂的水环境科技奥秘，解决水环境科技难题[7]。在采用降雨径流控制措施的同时，也应不断完善雨水管理方面的政策法规。其措施主要包括城市发展的资源规划（例如控制不渗透地表面积、积极植树种草增加绿地面积、充分利用城市水面蓄水等）、自然水体的保护和利用（如严禁填埋河道）、排水设施标准和规范的制定、排水许可的完善（如达标排放、排污收费等）、化学品使用的控制（如沿道路绿化带严禁使用化学除草剂）、地表卫生条件的维护（如严禁在公共场所乱扔垃圾废物）等。5上海市苏州河环境综合整治一期工程概况目前国内外已经意识到城市会环境综合整治的重要性，并采取了大量的工程措施。例如英国伦敦对泰晤士河流域、北京护城河的整治等。在上海，目前进行了苏州河环境综合整治工程。苏州河，又称吴淞江，是黄浦江的一条支流，也是上海市城市水体的重要组成部分。苏州河在治理之前，其干、支流水质污染严重，华漕以下形成了长达26km的常年黑带。造成苏州河严重污染的原因主要有以下几条：1）上海市区大量工业废水和生活污水的排放，使苏州河成为纳污河道，其污染负荷大大超过水体的自净能力。（2）上海市区地表径流中的污染物及管网中的滞留污水因合流污水溢入苏州河。3）苏州河底泥中常年累积下来的有机污染和重金属污染十分严重，在一定的水动力条件下，底泥通过解析释放使河水受到二次污染。4）苏州河上游来水量较小，且水质较差（V类或劣于V类水），致使下游河道允许纳污量有限。5）苏州河狭窄多弯，水流不畅，加剧了泥沙淤积，造成河床变浅，排水能力降低；同时由于苏州河属感潮河流，污水不能及时下泄，河段内污水回荡。6）苏州河每天来往的运输船只达2000余艘，船上的废弃物、燃油泄漏、航行时底泥的扰动等，影响了苏州河水质和景观。5）两岸历史遗留下来的危棚简屋、低标准设施与不良习惯人群的生活污染。1998年，上海市政府从实际出发，以水污染防治为重点，近期治黑治臭、两岸治脏治乱，远期形成绿化休闲功能，组织实施了苏州河环境综合整治一期工程，其中包括10个子项目（见表1），总经费约68亿元。通过1998年—2002年期间的工程建设，已开始发挥效益，它显著减少了排入苏州河及其支流的污染负荷，迅速增加了苏州河干流的流量，提高了水体的置换速度，同时对黄浦江水质、长江口石洞口近岸水域的水质具有改善作用。苏州河环境综合整治一期工程的子项目概况表1编号子项目名称概况1苏州河支流污水截流工程主要收集苏州河中下游直接排入其六条支流的污水，铺设污水管道约48公里，污水干管收集的规划污水量69.19m3/d，设计服务范围达143km2。2苏州河支流建闸控制工程通过建闸控制工程，有效地阻止几条支流的污水排入苏州河，并防止综合调水工程引来的清水扩散流失。3综合调水工程通过水力调度增加苏州河来水流量，增大河道输送容量，加快流速，调活水体，提高水体的置换能力。4底泥疏浚和处置工程通过疏浚、清淤，达到减少底泥再悬浮而造成的河水黑臭和底泥的耗氧量加剧所造成的水质恶化等环境问题。5河道曝气复氧使用人工方法向水体曝气复氧，增进水体溶解氧的浓度，加快恢复河道生态系统的良性循环。6虹口港、杨浦港旱流污水截流工程利用上海市合流污水一期总管非雨季的容余能力，将排入黄浦江下游支流虹口港、杨浦港的污水纳入合流污水总管。7石洞口污水处理厂工程在上海市污水西干线排放口建设，污水经二级生化处理、除磷脱氮并消毒后达标排放。8环卫码头搬迁和水域保洁工程拆除原苏州河两岸的垃圾、粪便等环卫码头，建造新的垃圾转运站和粪便污水预处理厂，并实施水域保洁。9防汛墙改造工程结合