城市河流环境修复技术原理及实践

河流是城市生态系统和城市空间的重要组成部分，随着社会经济及城市建设的发展，城市河道空间及其结构被大规模、广泛地人工改造，改变了城市河流系统的自然连通性、生态多样性，影响了水体的水环境自净能力；同时入河污染物量增加，一些城市河流变为城市的排污沟，致使城市河流水质污染、生态系统退化和破坏，成为当今全球性的生态环境问题。城市河流污染治理与生态修复已成为保障城市健康、持续发展的必要条件和重要任务。 为有助于制订合理的城市河流污染控制与环境修复规划方案、选择适用技术、优化工程计划、提高投资效率和修复效果，《城市河流环境修复技术原理及实践》对城市河流环境修复技术的原理、特点、适用条件、相关案例和运行管理等有关问题进行总结和梳理，主要介绍了城市河流污染现状及问题、城市河流环境修复基础与技术体系、城市河流外源污染控制与治理、城市河流的原位水质净化 、城市河流水质旁位处理、城市河流生态修复与重构，以及城市河流污染和修复技术的发展趋势等内容，以期为参与此项工作的相关工程技术人员、科研人员管理人员提供支持。 

本书针对城市河流环境修复技术的原理、特点、适用条件、相关案例和运行管理等有关问题进行总结和梳理，主要介绍了城市河流污染现状及问题、城市河流环境修复基础与技术体系、城市河流外源污染控制与治理、城市河流的原位水质净化、城市河流水质旁位处理、城市河流生态修复与重构，以及城市河流污染和修复技术的发展趋势等内容。本书可供环境工程、市政工程等领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也供高等学校相关专业师生参阅。

贾海峰：清华大学环境学院副教授，长期以来从事城市水环境规划与管理、环境模型、3S技术在环境中的应用等方面的科研和教学工作，主持和参加了包括城市（流域）水环境规划、供水规划、流域水质模型、生态需水在内的40余项国家和省市科研课题，进行的和近年来完成的有：国家水专项“产业密集型城镇水环境综合整治技术研究与示范（2011-2015）”，“水乡城镇水环境整治技术研究与综合示范（2008-2010）”，“控制单元水质目标管理技术（2009-2011）”，佛山市城市地表径流系统（BMPs）管理试点研究（2011-2013），广州亚运会佛山市水环境质量保障研究（2010），以再生水为水源的城市水系水生态系统特征与生态模拟研究（2009~2011），美国城市雨水BMPs研究进展及北京初步应用（2007-2008）。

1绪论1
1.1河流生态系统构成和功能1
1.1.1河流生态系统的组成2
1.1.2河流生态系统的功能2
1.2城市河流水环境现状及问题3
1.2.1城市河流水环境现状3
1.2.2城市河流的主要问题4
1.3城市河流的污染源和污染物5
1.3.1城市河流的污染源5
1.3.2水体污染及危害6
1.4国内外城市河流环境修复概况10
1.4.1国外城市河流环境修复的历程10
1.4.2我国城市河流环境修复进展11
参考文献12
2城市河流环境修复基础与技术体系14
2.1城市河流环境修复的理论基础14
2.1.1水环境容量理论14
2.1.2河流生态需水理论18
2.1.3河流生态健康理论21
2.2城市河流环境修复技术体系24
2.2.1城市河流环境修复的技术路线24
2.2.2城市河流水环境修复技术分类26
2.3城市河流环境修复技术的筛选29
2.3.1城市河流环境修复技术筛选的目标与方法29
2.3.2技术筛选的指标体系30
2.3.3技术评价和筛选32
2.4城市河流环境修复方案的编制与实施34
2.4.1城市河流环境修复方案34
2.4.2城市河流环境修复实施的阶段35
参考文献36
3城市河流外源污染控制与治理38
3.1污水收集技术38
3.1.1重力收集系统38
3.1.2污水负压收集系统39
3.1.3负压收集实例——甪直密集居民区负压收集系统44
3.2城市河流截污技术46
3.2.1城市河流截污技术的形式46
3.2.2负压截污实例——常州北市河沿河负压截污系统49
3.3入河分散污水处理技术52
3.3.1入河分散污水特征52
3.3.2入河分散污水处理模式与技术53
3.3.3实例——利用氧化沟处理村落污水的工程实例54
3.4城市地表径流污染控制技术56
3.4.1概述56
3.4.2LID-BMPs控制技术及经济特征分析58
3.4.3实例——广东环境保护工程职业学院降雨径流控制示范74
参考文献79
4城市河流的原位水质净化82
4.1内源污染控制与治理82
4.1.1底泥污染现状82
4.1.2底泥覆盖技术83
4.1.3底泥化学修复技术85
4.1.4底泥的原位生物修复85
4.1.5底泥的联合修复86
4.2河流结构优化与水动力调控87
4.2.1河流流态与水环境修复的关系87
4.2.2水系沟通与结构优化88
4.2.3水体推流与动力学调控88
4.2.4闸坝调度与水动力调控92
4.2.5实例——甪直古镇水系结构优化与动力学调控94
4.2.6实例——同里古镇水系水动力优化调控示范99
4.3河流曝气复氧技术108
4.3.1跌水曝气复氧技术108
4.3.2人工曝气复氧技术109
4.4生物膜法111
4.4.1砾间接触氧化法111
4.4.2人工水草121
4.5生态浮床126
4.5.1技术原理126
4.5.2技术经济特征128
4.6微生物强化技术129
4.6.1技术原理129
4.6.2技术经济特征130
4.6.3微生物菌剂的种类131
4.6.4固定化微生物技术135
参考文献136
5城市河流水质旁位处理140
5.1人工强化快滤技术140
5.1.1连续砂滤技术140
5.1.2纤维过滤技术142
5.2化学絮凝技术148
5.2.1强化混凝技术149
5.2.2磁絮凝分离技术150
5.3生物膜技术153
5.3.1砾间接触氧化技术153
5.3.2曝气生物滤池157
5.3.3生物接触氧化159
5.3.4生物流化床161
5.4自然生物处理技术163
5.4.1稳定塘163
5.4.2人工湿地技术167
5.4.3土地渗滤处理技术176
参考文献181
6城市河流生态修复与重构184
6.1城市生态河道的空间结构184
6.1.1生态河流的形态184
6.1.2城市生态河流的结构修复187
6.1.3城市河道的生态护岸196
6.2城市河流生态系统的营造213
6.2.1河流水体垂向特征与生态系统构建213
6.2.2生态河道水生植物系统的营造214
6.2.3水生动物系统的营造216
6.3城市河流亲水景观219
6.3.1景观要素及亲水景观类型219
6.3.2亲水景观设计原则及步骤221
6.3.3亲水景观类型221
6.4清溪川生态修复与重构的案例225
6.4.1清溪川的沿革225
6.4.2清溪川复原226
6.4.3清溪川水体补水水源与水质复原227
6.4.4清溪川复原中的河道空间结构设计228
6.4.5清溪川修复中的生态景观设计231
6.4.6清溪川改造实施效果234
参考文献237
7后记239
7.1结语239
7.2展望241

河流是城市生态系统和城市空间的重要组成部分，随着社会经济及城市建设的发展，城市河道空间及其结构被大规模、广泛地人工改造，改变了城市河流系统的自然连通性、生态多样性，影响了水体的水环境自净能力；同时入河污染物量增加，一些城市河流变为城市的排污沟，致使城市河流水质污染、生态系统退化和破坏，成为当今全球性的生态环境问题。城市河流污染治理与生态修复已成为保障城市健康、持续发展的必要条件和重要任务。笔者首次涉足的城市河流水环境修复项目是在1989年大学毕业后参与的由北京市科委和英国海外发展署（ODA）联合资助的中英合作国际项目《北京清河水环境综合整治规划研究》。当时的清河是一条黑臭严重的“城市排污沟”，流域内没有污水处理厂，众多的入河排污口排放着工业废水和生活污水。控制污染源、消除河道黑臭成了河流治理的首要任务，生态修复尚未提上日程。期间还配合北京亚运会（1990年）的召开，为改善亚运会场馆周边环境，在清河体院段开展河道曝气水环境改善试验工程。之后经过北京市十多年的努力，逐步完善了入河污染负荷的截除、污水厂建设、河道整治等工作，实现了清河上段黑臭现象的消除和水环境的改善。博士毕业后，城市河流水环境保护与生态修复始终是笔者重要的研究方向，在北京、佛山、苏州、深圳、东营等城市开展了侧重点有所不同的城市河流水环境保护研究。特别是从2003年开始，在佛山市环境保护局等部门的支持下，针对城市河网的环境修复开展了较为系统的研究，完成了十多项不同空间尺度的城市水资源保护与水污染控制规划、污染源减排方案、河流修复技术、城市降雨径流管理LIDBMPs技术方案与工程示范等。基于上述成果的《佛山市水环境保护修复与建设集成研究》获广东省环境保护科学技术一等奖。2014年开始，又进一步针对佛山市河涌修复的技术需求，在前期工作成果的基础上，广泛收集和梳理国内外城市河流修复技术进展和实际工程或示范案例，开展了佛山市河涌水环境修复技术指南的编制工作。同期，在国家“十一五”、“十二五”水体污染控制与治理科技重大专项（即水专项）的支持下，针对人口和产业密集的平原河网地区城市河流水环境修复，开展了关键技术研发。并在苏州市区、同里镇、甪直镇展开了城市河流水环境修复的工程示范。城市河流水污染控制与水环境修复技术众多，然而不同城市河流所处的自然条件以及当地的经济发展阶段不同，而各种水环境修复技术又具有不同的技术、经济特征，因此针对不同的城市河流，要根据其面临的主要问题，综合考虑自然、社会、经济等因素，选用适用的技术，并进行技术优化耦合和集成，以实现城市河流的水环境改善和水生态修复。当前，我国城市河流污染控制和修复工作非常急迫，2015年4月，国务院发布了《水污染防治行动计划》（简称“水十条”），其提出的主要指标包括：到2020年，地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内；京津冀区域丧失使用功能（劣Ⅴ类）的水体断面比例下降15%左右，长江三角洲、珠江三角洲区域力争消除丧失使用功能的水体；到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除。2015年8月，住房和城乡建设部会同环境保护部、水利部、农业部组织编制发布了《城市黑臭水体整治工作指南》，部署了城市黑臭水体排查、整治、考核和监管工作。可以预见，在今后的一段时期内，城市河流的污染控制和水环境修复将会出现一个高潮，一大批环保、城建、水利领域的工程师、经济师、管理专家将会参与其中，各种污染治理和生态修复技术将会争奇斗艳。为了有助于制订合理的城市河流污染控制与环境修复规划方案、选择适用技术、优化工程计划、提高投资效率和修复效果，本书对城市河流环境修复技术的原理、特点、适用条件、相关案例和运行管理等有关问题进行总结和梳理，以期为参与此项工作的相关决策人员、管理人员和工程技术人员提供一些支持。本书所引用资料和数据的来源，除了笔者主持和参与的项目外，还有不少引用自国内外的文献，在引用时结合当地、当时的具体条件进行了取舍。在本书编著过程中，程声通、李广贺、胡洪营、刘翔等老师对本书架构和技术体系提供了指点和帮助，高郑娟重点收集和梳理了城市河流外源污染控制、原位水质净化、水质旁位处理等方面的资料和案例；孙朝霞重点收集和梳理了生态系统修复与重构方面的资料和案例；初稿成稿后，程声通老师又对全文进行了认真修改。为本书提供素材的还有张玉虎、罗群、丁一、杨聪、王相文、张大春、唐颖以及美国的Shaw L Yu、韩国的Hyunook Kim等。书中还引用了很多研究人员的成果，在此一并表示衷心感谢！限于编著时间和编著者水平，书中不足和疏漏之处在所难免，敬请读者提出修改建议。编著者2016年8月