我国华北地区城市水生态环境现状分析及综合整治对策

曾令武, 朱洪涛, 王振北, 孙德智. 我国华北地区城市水生态环境现状分析及综合整治对策[J]. 环境工程学报, 2022, 16(12): 4149-4161. doi: 10.12030/j.cjee.202112207
引用本文: 曾令武, 朱洪涛, 王振北, 孙德智. 我国华北地区城市水生态环境现状分析及综合整治对策[J]. 环境工程学报, 2022, 16(12): 4149-4161. doi: 10.12030/j.cjee.202112207
ZENG Lingwu, ZHU Hongtao, WANG Zhenbei, SUN Dezhi. Analysis of the current situation of urban water ecological environment and comprehensive improvement measures in North China[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(12): 4149-4161. doi: 10.12030/j.cjee.202112207
Citation: ZENG Lingwu, ZHU Hongtao, WANG Zhenbei, SUN Dezhi. Analysis of the current situation of urban water ecological environment and comprehensive improvement measures in North China[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(12): 4149-4161. doi: 10.12030/j.cjee.202112207

我国华北地区城市水生态环境现状分析及综合整治对策

    作者简介: 曾令武 (1998—) ,男,硕士研究生,zenglw1998@163.com
    通讯作者: 孙德智(1960—),男,博士,教授,sundezhi@bjfu.edu.cn
  • 基金项目:
    国家水体污染控制与治理科技重大专项 (2017ZX07401004)
  • 中图分类号: X522

Analysis of the current situation of urban water ecological environment and comprehensive improvement measures in North China

    Corresponding author: SUN Dezhi, sundezhi@bjfu.edu.cn
  • 摘要: 从水环境、水资源和水生态3个方面解析了我国华北片区城市水生态环境问题的内在因素。结果表明,区域城市生活污水排放量大,污水收集与处理设施仍存在短板;钢铁、制药、石化行业污染问题突出,特别是山东省和京津冀城市群;季节性降雨引起的城市面源污染不容忽视;城市水生态系统受损严重,水域面积大幅萎缩,河湖岸带破坏严重,富营养化进程加剧,生物多样性下降;城市水资源极度匮乏,水资源开发利用强度大,用水浪费严重,河流干涸断流问题突出。针对上述问题,提出了区域城市近期 (2021—2025年) 、中期 (2026—2030年) 和远期 (2031—2035年) 分阶段的城市水生态环境质量提升目标和综合整治对策建议。本研究结果可为同类北方城市解决水生态环境问题提供参考。
  • 近年来,畜禽养殖过程中产生的大量粪污引起了严重的环境污染,已严重阻碍了畜禽养殖业的可持续发展[1-2]。未经处理的畜禽粪污富含致病菌且成分不稳定,在储存过程中会释放大量甲硫醇、氨气、硫化氢和丙烯醛等10多种恶臭有毒还原性气体,严重危及人畜健康[3-4]。然而,畜禽粪污作为一种富含氮、磷、钾等营养物质的有机固体废物,又是可用于促进农作物生长的重要肥料资源[5-6]。堆肥技术主要是通过微生物对畜禽粪污中不稳定的有机物质进行降解,生成稳定的腐殖质类物质,从而将其转化为高价值有机肥料,实现畜禽粪污的资源化利用[7-8]。畜禽粪污堆肥处理不仅可以解决环境污染问题,而且所得的肥料有助于改善土壤环境、提高土壤肥力,对实现畜禽业及农业可持续发展具有重要意义[9]

    好氧堆肥法可有效地脱臭及灭菌,有利于肥料的养分保持,是我国畜禽粪便处理的主要方式。然而,现有的好氧堆肥反应器在堆肥过程中存在非自动化、物料腐熟度差异大、控温困难、氮损失严重等缺陷,限制了好氧堆肥反应器的广泛应用[10-12]。因此,加快低成本、环保型、高效自动化堆肥反应器的开发,对促进畜禽粪污肥料化应用尤为重要。

    本研究采用可调控式新型高温好氧堆肥器,以谷壳(粉)作为堆肥辅料,分析鸡粪谷壳在堆肥过程中的理化性质,并利用吸收塔将堆肥过程中释放的氨气转化为磷酸铵镁(MAP),再添加至鸡粪谷壳有机肥料中,从而生产出优质商品有机缓释肥料。

    鸡粪和谷壳原料化学特性见表1。堆肥菌种为自筛选获得的以嗜热好氧纤维素分解菌为主体的堆肥混合菌群,主要包括真菌、放线菌、耐热芽孢杆菌等菌种,活菌总数每克大于20×108个。

    表 1  鸡粪和谷壳的化学特性
    Table 1.  Chemical properties of chicken manure and rice chaff
    供试原料碳/%氮/%碳氮比含水量/%pH
    鸡粪18.87±0.951.51±0.1412.49±0.3240.34±1.248.82±0.52
    谷壳41.00±2.34<0.30>13610.23±0.58
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    新型高温好氧堆肥器主要由控制面板、发酵罐、空压机通风系统、气体吸收塔等4个部分组成(图1)。其中,控制面板用于控制堆肥器内物料的温度及发酵罐的搅拌频率,同时显示堆肥器湿度。发酵罐总容积设计为75 L,根据《搅拌与混合设备设计选用手册》[13]中反应罐有效容积计算,有效容积为50 L。发酵桶为圆柱体桶装结构(Ф60 cm×40 cm),采用旋转式搅拌。空压机通风系统采用入功率0.37 W、输出转速5~25 r·min−1。气体吸收塔的容积为188 L,塔内装有Ф25 mm的塑料阶梯环填料,用于吸收堆肥发酵过程逸出的氨气,以镁盐沉淀剂转化为磷酸铵镁(MAP)。塔式发酵罐的容量为30 L,运行物料容量为20 L,罐体内部用聚氨酯作保温层,罐体采用全封闭式,发酵产生的废气经处理系统处理后,直接排除罐外。采用涡轮上翻搅拌及液压驱动,以保证罐体内腐熟物满载荷运行。

    图 1  新型高温好氧堆肥器设计图及实体图
    Figure 1.  Illustration and stereogram of new high-temperature aerobic composting device

    本实验采用鸡粪和谷壳粉按C/N=25混合,再用去离子水调节混合物料水分含量至60%,并搅拌混匀得堆肥物料,最后添加菌剂于堆肥反应器中进行发酵反应。塔式发酵罐进行的实验堆料高度定为50 cm,物料重20 kg,堆肥时间40 d。新型堆肥器处理物料50 kg,每48 h自动搅拌1次,每次5 min,总堆肥时间为40 d。采用五点取样法采集堆肥样品,分别采集了第0、1、2、5、7、9、11、34、39、40 d的样品,每份取样50 g装于自封袋中密封,并于4 ℃条件下保存。

    1)鸡粪谷壳有机肥料有效性评估。取12个花盆(25 cm×20 cm),分为空白组、化肥组(尿素46% TN)和鸡粪谷壳有机肥(以下简称“有机肥”)组,每组4盆,每盆约3 kg土壤,种植15粒空心菜种子。空白组不添加肥料;化肥组在土壤中添加3.88 g尿素(与有机肥组等量的含氮量计算得出);有机肥组在土壤中添加鸡粪谷壳经新型堆肥器堆肥40 d后产生的100 g肥料(1.86 g TN、3.27 g TP、1.57 g TK)。花盆置于户外种植,每日浇水1次,每7 d进行1次大水量灌溉,发芽后栽培30 d采收。

    2)MAP肥料有效性评估。采用盆栽实验评估新型堆肥系统回收氨气产生MAP的肥效性。盆栽实验设4个处理组:T1为对照组(不施肥)、T2为有机肥组、T3为有机肥+MAP组(有机肥和MAP各占50%)、T4为MAP组。各处理组的TN含量相同,每组3盆验,每盆约3 kg土壤,种植10粒小白菜种子。空白组不添加肥料;其他组每盆按1 kg土壤添加0.5 gTN计算添加肥料的量。待种子发芽后,每盆保留6~8株生长相近的幼苗进行后期分析。

    1)气味、色泽及形状评估。采用感官评估法,每次5人对样品进行样品气味、色泽及形状进行评估。其中,气味评估主要包含粪尿味、臭味较淡、臭味较浓、臭味强烈、无臭5个等级;色泽主要包含灰褐色、褐色、黑色3个等级;样品形状主要有块状、粒状及球状3个等级。

    2)温度及pH测定。每天测定肥堆上、中、下3个层次的温度,计算平均值并记录室温;将新鲜堆肥样品与水按1:10(质量体积比)比例混合振荡2 h,上清液测定pH。

    3)化学成分测定、种子发芽率测定和16sRNA序列分析。总碳、总氮、水分含量、钾含量测定方法参考文献[14];可溶性糖测定参考文献[15];种子发芽率(GI)的测定参考文献[16];16sRNA序列分析参考文献[17]

    根据图2表2可知,随着堆肥化的进程,堆体表观发生了显著的变化。堆体颜色由最初的灰褐色逐渐转变成黑褐色,由局部的黏稠状逐渐转变为疏松且具有一定结构的状态。此外,随着堆肥时间的延长,鸡粪有机肥料的臭气味逐渐消失,最后无臭味(表2)。该现象可能的原因主要是,微生物降解有机物产生的硫化物及叠氮化物等引起的,之后随着微生物逐渐死亡,使得臭气味消失。物料在反应器中连续发酵40 d后,堆体由灰褐色的带有粪尿臭的块状固体堆肥逐渐形成黑色的无臭味的圆球状(如图2)。在堆肥过程中,堆体表观状态的变化,符合典型腐熟堆肥的情况。

    图 2  鸡粪谷壳物料在新型高温好氧堆肥器中堆肥过程中形貌图变化
    Figure 2.  Changes of chicken manure and rice chaff morphology during composting in new high-temperature aerobic composting device
    表 2  物料堆肥期间表观状态的变化
    Table 2.  Changes of apparent state of materials during composting
    堆肥时间/d气味色泽形状
    1粪尿味灰褐色块状
    2臭味较淡灰褐色块状
    5臭味较浓灰褐色粒状
    11臭味强烈褐色粒状
    34臭味较浓褐色球状
    39臭味较淡黑色球状
    40无臭味黑色球状
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    温度是监测堆肥过程性能的主要参数之一。堆肥的热量是微生物通过降解有机物质,在促进自身生长的同时产生的。由图3(a)可知,新型堆肥器和塔式发酵罐中堆体的温度变化趋势主要分为3个阶段。第1阶段为快速升温期,由起始温度升至峰值温度。新型堆肥器和塔式发酵罐中堆体温度均从第5 d开始快速升温,分别在第9、11 d达到峰值温度,其峰值温度分别为63.2 ℃、52.8 ℃。在堆肥前期,好氧微生物可快速分解物料中的可降解有机物并释放能量,使得堆肥温度急剧升高[17-18]。新型堆肥器在堆肥过程中对物料进行了适当的滚筒式翻动,这有利于微生物的扩繁增殖和氧气的传输,从而提高好氧微生物的活性、物料中有机物的降解速率及能量的释放,因此,新型堆肥器中的堆体升温速率高于塔式发酵罐。第2阶段为缓慢降温期,即堆体中峰值温度缓慢下降至略高于室温的时期。新型堆肥器中堆体温度下降速度低于塔式发酵罐中的堆体。新型堆肥器和塔式发酵罐中堆体的降温期分别需要30及25 d左右。堆体中有机物含量不足,微生物活性及释放热量的下降,导致温度逐渐降低。此外,由于新型堆肥器具有较好的保温效果,因此,堆体温度下降速度较慢。新型堆肥器中堆体温度在第7~30 d保持在50 ℃以上,共23 d,符合高温堆肥的要求(GB7959-1987,粪便无害化卫生标准)。第3阶段为腐熟期,堆肥40 d后,新型堆肥器和塔式发酵罐中的堆体温度几乎与室温保持一致,无法继续往下降,因此,可以认定堆肥反应基本结束。

    图 3  鸡粪谷壳粉堆肥过程中堆体温度、水分及pH变化
    Figure 3.  Change of temperature (a), moisture (b) and pH (c) in chicken manure and rice chaff during composting

    由于水分含量的高低与微生物活性和温度密切相关,鸡粪谷壳粉堆肥过程保持在适当的水分含量,可有效提高堆肥的效果。堆肥的最佳初始含水量一般在55%~65%,此含水量能够为微生物提供合适的湿度环境[19-20]。因此,在本实验中,鸡粪谷壳的水分含量控制在60%左右。在鸡粪谷壳粉堆肥过程中,水分含量呈现逐渐下降的趋势。由图3(b)可知,堆肥11 d后,新型堆肥器中的物料水分含量由60%逐渐下降到50%,而塔式发酵罐中物料水分由60%下降到40%,经40 d堆肥之后分别降低至29.24%和26%。堆肥过程中物料水分下降的主要原因是,在微生物分解有机质、消耗水分及堆肥过程中,不间断的通气搅拌导致了水分的损失[21-22]。新型堆肥器中,物料中水分损失速率低于塔式发酵罐。这主要是由于:1)在新型堆肥器中散状的物料经过不间断的通气和搅拌结成圆球状阻碍了水分蒸发,而塔式发酵罐中的原料在堆肥过程中是处于散状的;2)在新型堆肥器是一个相对密闭的装置可有效防止水分蒸发,而塔式发酵罐是自然通风且比表面积较大,因而加速了水分的挥发。

    图3(c)可知,新型堆肥器中物料的pH由8.02逐渐增加至8.65,之后下降至8.51,呈现先上升后下降的趋势;而塔式发酵罐中的物料pH也呈现类似的变化,但变化幅度低于新型堆肥器。在新型堆肥器中,堆体温度较高,嗜热微生物代谢蛋白质,导致氨氮的不断产生,最终使得pH持续升高,并且高于塔式发酵罐中的物料pH[23]。而在后期,因物料结构过于致密导致孔隙度过小,不能为微生物提供足够的含氮有机物和O2,造成局部厌氧而导致有机酸积累,最终导致pH降低。

    种子发芽率是评价堆肥腐熟度和植物毒性的重要生物学指标。一般认为,当种子发芽率(GI)达到50%时,病原菌基本被消灭,肥料对植物无毒害影响;如果GI值超过80%则认为堆肥完全腐熟,对植物没有毒性[17]。据图4显示,随着堆肥化的进行,新型堆肥器和塔式发酵罐所得的肥料GI值呈现先增加后保持稳定的趋势。鸡粪谷壳在新型堆肥器处理11 d后,其GI值达到80%左右,可以认为堆肥完全腐熟,之后保持稳定。采用塔式发酵罐堆肥处理24 d后,GI值仅为60%左右,之后保持稳定。表3显示了鸡粪谷壳在新型堆肥器中处理40 d后所得有机肥的主要理化特性,结果显示,鸡粪谷壳有机肥中含有50.53%有机质、1.86%总氮(TN)、3.27%总磷(TP)及1.57%总钾(TK),且无有害菌群,基本达到中华人民共和国农业行业有机肥料标准(NY525-2012)[14]

    图 4  鸡粪谷壳高温好氧堆肥过程中种子发芽率的变化
    Figure 4.  Change of germination rate seed during high temperature aerobic composting of chicken manure and rice chaff
    物料在堆肥期间的种子发芽率
    表 3  鸡粪谷壳有机肥理化指标和国标的对比
    Table 3.  Comparison of physicochemical indexes of chicken manure-rice chaff organic fertilizer with national standard
    对比项目有机质/%TN/%TP/%TK/%TNPK/%水分/%pH
    鸡粪谷壳有机肥50.53±0.121.86±0.313.27±0.531.57±0.126.71±0.8529.24±0.448.46±0.11
    国标(NY525-2012)[14]≥45≥5.0≤305.5~8.5
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    通过高通量测序技术所扩增的16S rDNAV4区域特点,分析了鸡粪谷壳在新型堆肥器中高温好氧发酵过程中3个关键性温度阶段细菌群落多样性变化。图5(a)显示了样品升温期、高温期、降温期在属分类水平上最大丰度排名前10的菌种。在升温期,Olivibacter属、Sphingobacterium属的相对丰富度高于高温期和降温期,这2个菌属均具有降解芳香族化合物功能,可有效降解物料中的纤维素及半纤维素;在进入高温期,随着温度的升高和营养物质的消耗,大量嗜温细菌进入休眠或死亡状态,Oceanisphaera属、Ulvibacter属、Luteimonas属、Paenalcaligenes属等嗜热微生物的相对丰富值逐渐提高,有利于纤维素及木质素等有机物的进一步降解。放线菌的丰度增加为堆肥腐熟度的一个标志[24],在降温期,Paucisalibacillus属、Sporosarcina属、Corynebacterium属于放线菌门的系列,其相对丰度值逐渐升高,这表明堆肥物料基本上已经腐熟。

    图 5  堆肥过程中的微生物情况
    Figure 5.  Microorganism in composting process

    在粪污有机肥发酵中,由于大肠杆菌及沙门氏菌易随流水污染水源,从而间接危害人群和畜禽的健康,因此被作为肥料的安全检测指标。由图5(b)可知,在高温阶段,大肠杆菌和沙门沙门氏菌数量最多;随着堆肥的进行,2种菌的数量快速下降。可见,在高温堆肥过程中,大肠杆菌和沙门氏菌逐渐被消灭。随着堆肥的进行,部分不适宜在堆肥中生存的菌群逐渐优胜劣汰;新型堆肥器在堆肥过程中可以杀灭有害微生物,达到畜禽粪污无害化处理,以保证有机肥料的安全性。

    图6显示了空心菜经过鸡粪谷壳有机肥、化肥和对照盆栽实验30 d后的生长情况。可以看出,盆栽30 d后,有机肥组的株高明显高于化肥组和对照组。通过对空心菜地上可食部分鲜重的分析发现,对照组及化肥组的平均鲜重分别为2.52和3.26 g,而有机肥组空心菜的平均鲜重为4.36 g,分别比对照组和化肥组增加了42.20%和25.22%。通过图7可知,施加有机肥栽培的空心菜其鲜重和可溶性糖含量均明显高于空白对照组与化肥组,这表明有机肥的施加对空心菜的生长与养分积累起到了促进作用。

    图 6  不同肥料条件栽培下30天空心菜生长情况对比
    Figure 6.  Comparison of growth of water spinach for 30 d under different fertilizer conditions
    图 7  不同肥料条件栽培下30天空心菜鲜重和可溶性糖含量的对比
    Figure 7.  Comparison of fresh weight and soluble sugar content of water spinach for 30 d under different fertilizer conditions

    图8显示了不同施肥条件下小白菜的生长情况,可见,新型高温好氧堆肥器回收氨气产生的MAP对盆栽小白菜株高和湿重的提高均有促进作用。结果显示,经过30 d的生长,小白菜的株高在T3组比T2组提高了120%;T4组的也比T2组的提高了40%左右。经过30 d的生长,T3组小白菜地上部分平均湿重为6.02 g,比T2组(4.18 g)和T4组(5.24 g)分别提高了44.02%和14.89%。MAP具有较好的缓释性,若用MAP代替部分氮肥,能有效减少土壤氮素淋洗的损失,从而减少温室气体(NH3)排放,并能起到有缓解土壤酸化等作用。有报道指出,MAP的氮素淋洗损失显著低于尿素,而且其N2O的释放量能够减少75%以上,可为植株的生长提供更为持久的有效养分[25-27]

    图 8  MAP对小白菜生长情况的影响
    Figure 8.  Effect of magnesium ammonium phosphate (MAP) on growth of Chinese cabbage

    1)新型高温好氧堆肥装置具有智能化控制功能,同时并配置了磷酸盐吸收装置以回收堆肥过程中释放的氨气,形成的MAP可作为肥料。

    2)鸡粪谷壳混合物(C/N=25)在新型堆肥器堆肥处理40 d后,可形成黑色无臭味、无有害菌群、圆球状的有机肥,其养分基本达到我国有机肥料标准(NY525-2012)。

    3)鸡粪谷壳有机肥能够缓慢并稳定地释放氮磷钾等植物生长所需的营养元素,有利于空心菜对营养物的吸收;新型堆肥器回收氨气产生的MPA添加至鸡粪谷壳有机肥中,可进一步提高有机肥的整体肥效。

  • 图 1  研究区域城市分布

    Figure 1.  Overview of cities in the study area

    图 2  城市水生态环境系统

    Figure 2.  Urban water ecological environment

    图 3  研究区域省控以上断面水质年际变化

    Figure 3.  Yearly changing in water quality of national and provincial control sections of regional cities from

    图 4  研究区域城市黑臭水体分布

    Figure 4.  Distribution of black & smelly water bodies in the study area

    图 5  研究区域2020年各城市人均水资源量

    Figure 5.  Per capita water resources in prefectural cities in the study area in 2020

    图 6  研究区域主要城市生活污水排放量与城镇人口数量

    Figure 6.  Domestic wastewater discharge and urban population of major cities in the study area

    图 7  研究区域内2020年各城市建成区排水管道密度

    Figure 7.  Density of drainage pipes in the built-up area of each city in the study area in 2020

    图 8  研究区域2020年城市污水处理厂运行负荷率

    Figure 8.  Operational load rate of wastewater treatment plants in the study area in 2020

    图 9  研究区域2017年部分城市工业废水和COD排放量

    Figure 9.  Industrial wastewater and COD emissions from selected municipalities in the study area in 2017

    图 10  研究区域2019年逐月降雨量及京津冀区域I-III类水质占比变化

    Figure 10.  Month-by-month rainfall in the study area in 2019 and changes in the proportion of Class I-III water quality in the Beijing-Tianjin-Hebei region

    图 11  区域各城市2020年水资源总量和开发利用强度

    Figure 11.  Total water resources and development and utilization intensity by cities in the study area in 2020

    图 12  2020年华北片区城市再生水利用情况

    Figure 12.  Urban recycled water use in North China Region in 2020

    表 1  研究区域部分城市主要工业类型

    Table 1.  Major types of industries in selected cities in the study area

    城市主要工业城市主要工业城市主要工业城市主要工业
    天津石化、钢铁济南钢铁、化工、食品泰安制药菏泽制药、石化
    石家庄制药青岛石化、啤酒生产日照钢铁郑州电子信息、制药、钢铁
    唐山钢铁淄博石化临沂冶金、化工、制药新乡制药、煤化工
    太原冶金、化工枣庄制药、造纸德州化工、食品加工焦作食品加工
    盐城化工东营采矿、石化、医药聊城化工西安装备制造
    淮南煤炭、化工烟台化工滨州化工榆林煤炭、化工
    城市主要工业城市主要工业城市主要工业城市主要工业
    天津石化、钢铁济南钢铁、化工、食品泰安制药菏泽制药、石化
    石家庄制药青岛石化、啤酒生产日照钢铁郑州电子信息、制药、钢铁
    唐山钢铁淄博石化临沂冶金、化工、制药新乡制药、煤化工
    太原冶金、化工枣庄制药、造纸德州化工、食品加工焦作食品加工
    盐城化工东营采矿、石化、医药聊城化工西安装备制造
    淮南煤炭、化工烟台化工滨州化工榆林煤炭、化工
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    表 2  研究区域2020年各城市生活、市政和工业用水指标统计情况

    Table 2.  Statistics of domestic, municipal and industrial water use indicators by city in the study area in 2020

    城市名称人均日生活用水量/(L·d−1)第二阶梯人均用水量/(L·d−1)公共供水管道漏损率工业用水重复利用率城市名称人均日生活用水量/(L·d−1)第二阶梯人均用水量/(L·d−1)公共供水管道漏损率工业用水重复利用率
    北京154.19150.0016.12%东营179.53150.005.91%96.28%
    天津115.69150.0013.47%97.75%烟台116.79150.0010.19%79.73%
    石家庄122.22150.0013.85%91.74%潍坊121.99150.008.01%92.47%
    唐山149.63150.0013.09%97.76%济宁105.77150.0015.29%90.28%
    秦皇岛136.91150.0016.30%93.02%泰安85.59150.0012.02%
    邯郸107.29150.0010.80%18.34%威海121.76150.0011.26%71.75%
    邢台167.25150.0015.10%日照120.19198.0013.09%92.00%
    保定125.45150.0012.77%85.00%临沂118.88198.008.39%
    张家口97.54150.0017.44%65.43%德州103.95150.0015.47%45.45%
    承德135.34150.0017.25%92.21%聊城84.03150.008.11%
    沧州169.48150.0012.15%98.23%滨州167.43150.009.89%83.43%
    廊坊131.08150.007.96%菏泽143.60150.0014.60%18.70%
    衡水117.40150.0012.73%44.34%郑州128.95150.0013.46%24.81%
    太原150.50150.009.88%95.52%开封161.27150.0016.18%84.99%
    大同181.32150.005.75%84.00%洛阳126.87150.0012.66%97.78%
    阳泉91.81150.006.82%83.91%平顶山146.27150.0011.75%36.11%
    长治182.99150.009.56%44.00%安阳186.00150.0014.05%98.88%
    晋城164.58150.005.39%85.93%鹤壁78.96150.0014.83%98.43%
    朔州95.13150.008.05%95.67%新乡140.90150.0014.37%97.14%
    晋中91.77150.0013.04%95.12%焦作124.98150.0012.75%
    运城147.33150.008.53%濮阳159.22150.0011.71%97.87%
    忻州88.68150.0011.55%38.24%许昌124.04150.0010.49%
    临汾92.96150.0011.83%漯河152.03150.0014.44%89.10%
    吕梁103.97150.0010.52%66.67%三门峡133.36150.0013.36%90.17%
    徐州167.87198.0010.62%94.80%南阳90.67198.0013.23%97.54%
    连云港181.14198.0016.32%95.75%商丘117.31150.007.72%
    淮安155.62240.0012.10%90.44%信阳127.61260.0015.41%
    盐城138.88240.0015.83%1.18%周口153.65150.0016.15%94.38%
    宿迁142.21198.0014.48%84.25%驻马店170.38198.0015.25%92.25%
    蚌埠271.73198.0016.50%95.95%西安177.70150.0010.41%1.16%
    淮南180.79198.0016.35%87.36%铜川95.91150.0013.29%68.92%
    淮北133.45150.0016.96%81.07%宝鸡136.97240.0011.12%81.95%
    滁州163.45260.0014.84%92.05%咸阳176.22150.006.69%
    阜阳145.30198.0011.93%94.79%渭南132.63150.009.11%42.96%
    宿州172.40198.0015.67%延安97.07150.0013.97%84.47%
    亳州202.59198.0015.30%87.00%汉中141.01260.0015.69%90.87%
    济南126.00150.0014.22%96.33%榆林100.74198.0015.62%
    青岛142.91150.0012.43%92.54%安康125.56260.0014.97%
    淄博110.83150.0011.94%93.23%商洛132.76240.0012.41%
    枣庄100.64150.0016.99%86.92%
    城市名称人均日生活用水量/(L·d−1)第二阶梯人均用水量/(L·d−1)公共供水管道漏损率工业用水重复利用率城市名称人均日生活用水量/(L·d−1)第二阶梯人均用水量/(L·d−1)公共供水管道漏损率工业用水重复利用率
    北京154.19150.0016.12%东营179.53150.005.91%96.28%
    天津115.69150.0013.47%97.75%烟台116.79150.0010.19%79.73%
    石家庄122.22150.0013.85%91.74%潍坊121.99150.008.01%92.47%
    唐山149.63150.0013.09%97.76%济宁105.77150.0015.29%90.28%
    秦皇岛136.91150.0016.30%93.02%泰安85.59150.0012.02%
    邯郸107.29150.0010.80%18.34%威海121.76150.0011.26%71.75%
    邢台167.25150.0015.10%日照120.19198.0013.09%92.00%
    保定125.45150.0012.77%85.00%临沂118.88198.008.39%
    张家口97.54150.0017.44%65.43%德州103.95150.0015.47%45.45%
    承德135.34150.0017.25%92.21%聊城84.03150.008.11%
    沧州169.48150.0012.15%98.23%滨州167.43150.009.89%83.43%
    廊坊131.08150.007.96%菏泽143.60150.0014.60%18.70%
    衡水117.40150.0012.73%44.34%郑州128.95150.0013.46%24.81%
    太原150.50150.009.88%95.52%开封161.27150.0016.18%84.99%
    大同181.32150.005.75%84.00%洛阳126.87150.0012.66%97.78%
    阳泉91.81150.006.82%83.91%平顶山146.27150.0011.75%36.11%
    长治182.99150.009.56%44.00%安阳186.00150.0014.05%98.88%
    晋城164.58150.005.39%85.93%鹤壁78.96150.0014.83%98.43%
    朔州95.13150.008.05%95.67%新乡140.90150.0014.37%97.14%
    晋中91.77150.0013.04%95.12%焦作124.98150.0012.75%
    运城147.33150.008.53%濮阳159.22150.0011.71%97.87%
    忻州88.68150.0011.55%38.24%许昌124.04150.0010.49%
    临汾92.96150.0011.83%漯河152.03150.0014.44%89.10%
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  • [1] RAHMAN K, BARUA S, IMRAN H M. Assessment of water quality and apportionment of pollution sources of an urban lake using multivariate statistical analysis[J]. Cleaner Engineering and Technology, 2021, 5: 100309. doi: 10.1016/j.clet.2021.100309
    [2] ZHAO Y, WANG Y, WANG Y. Comprehensive evaluation and influencing factors of urban agglomeration water resources carrying capacity[J]. Journal of Cleaner Production, 2021, 288: 125097. doi: 10.1016/j.jclepro.2020.125097
    [3] LUO Z, SHAO Q, ZUO Q, et al. Impact of land use and urbanization on river water quality and ecology in a dam dominated basin[J]. Journal of Hydrology, 2020, 584: 124655. doi: 10.1016/j.jhydrol.2020.124655
    [4] 潘留明, 王秀朵, 赵乐军, 等. 天津中心城区景观水体功能恢复与水质改善研究[J]. 中国给水排水, 2012, 28(21): 9-11. doi: 10.3969/j.issn.1000-4602.2012.21.003
    [5] 侯晓帮, 孙春燕, 孔宇. 瀍河水环境整治中的水质保障措施[J]. 给水排水, 2016, 52(S1): 124-127.
    [6] 王勇, 曲伟, 孙义峰. “治用保”治污体系在流域治理中的应用研究——以青岛市墨水河为例[J]. 资源节约与环保, 2016(9): 253. doi: 10.3969/j.issn.1673-2251.2016.09.203
    [7] 郝利霞, 孙然好, 陈利顶. 海河流域河流生态系统健康评价[J]. 环境科学, 2014, 35(10): 3692-3701.
    [8] 李瑶瑶, 于鲁冀, 吕晓燕, 等. 淮河流域(河南段)河流生态系统健康评价及分类修复模式[J]. 环境科学与技术, 2016, 39(07): 185-192.
    [9] 石国栋. 渭河陕西河段健康评价及生态需水分析[D]. 西安: 西安理工大学, 2020.
    [10] 吕静, 杨立红, 张志勋, 等. 石家庄市制药废水处理现状及发展对策[J]. 煤炭与化工, 2014, 37(11): 17-18.
    [11] 陈轶, 郑兴灿, 唐运平. 天津滨海工业园区节水控源减排技术集成与示范研究[J]. 给水排水, 2013, 49(5): 9-14. doi: 10.3969/j.issn.1002-8471.2013.05.002
    [12] 来雪慧, 赵金安, 李丹, 等. 太原市工业区不同下垫面降雨径流污染特征[J]. 水土保持通报, 2015, 35(6): 97-100.
    [13] 赵晓佳, 王少坡, 于贺, 等. 天津中心城区典型下垫面降雨径流污染冲刷特征分析[J]. 环境工程, 2019, 37(7): 34-38.
    [14] 付朝臣, 栾清华, 刘家宏, 等. 截流改造控制合流制溢流污染案例研究[J]. 环境科学与管理, 2020, 45(9): 109-112. doi: 10.3969/j.issn.1673-1212.2020.09.025
    [15] 李海燕, 徐尚玲, 黄延, 等. 合流制排水管道雨季出流污染负荷研究[J]. 环境科学学报, 2013, 33(9): 2522-2530.
    [16] 丁圣彦, 梁国付. 近20年来河南沿黄湿地景观格局演化[J]. 地理学报, 2004, 59(5): 653-661. doi: 10.3321/j.issn:0375-5444.2004.05.002
    [17] 郭书英. 海河流域水生态治理体系思考[J]. 中国水利, 2018(7): 4-7. doi: 10.3969/j.issn.1000-1123.2018.07.002
    [18] 贾梦圆, 陈天. 基于土地利用变化模拟的水生态安全格局优化方法——以天津市为例[J]. 风景园林, 2021, 28(3): 95-100.
    [19] 王小青. 淮河流域(河南段)河流生态系统退化程度诊断和响应关系研究[D]. 郑州: 郑州大学, 2014.
    [20] 郭二辉, 常海荣, 陈家林, 等. 城市河流河岸带的类型、干扰特征及恢复对策——以北京市温榆河为例[J]. 福建林业科技, 2016, 43(1): 175-181.
    [21] 胡华芬. 天津海河干流蓝藻水华暴发及防治对策探讨[J]. 海河水利, 2021(1): 25-27.
    [22] 曹晓峰, 胡承志, 齐维晓, 等. 京津冀区域水资源及水环境调控与安全保障策略[J]. 中国工程科学, 2019, 21(5): 130-136.
    [23] 夏会娟, 孔维静, 王汩, 等. 北京市北运河水系水生植物群落结构与生物完整性[J]. 应用与环境生物学报, 2018, 24(2): 260-268.
    [24] 王晨, 郅晓沙, 吴传庆, 等. 京津冀地区春季河流干涸断流时空分布特征遥感分析[J]. 2019中国环境科学学会科学技术年会, 2019: 282-286.
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-29
  • 录用日期:  2022-10-24
  • 刊出日期:  2022-12-31
曾令武, 朱洪涛, 王振北, 孙德智. 我国华北地区城市水生态环境现状分析及综合整治对策[J]. 环境工程学报, 2022, 16(12): 4149-4161. doi: 10.12030/j.cjee.202112207
引用本文: 曾令武, 朱洪涛, 王振北, 孙德智. 我国华北地区城市水生态环境现状分析及综合整治对策[J]. 环境工程学报, 2022, 16(12): 4149-4161. doi: 10.12030/j.cjee.202112207
ZENG Lingwu, ZHU Hongtao, WANG Zhenbei, SUN Dezhi. Analysis of the current situation of urban water ecological environment and comprehensive improvement measures in North China[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(12): 4149-4161. doi: 10.12030/j.cjee.202112207
Citation: ZENG Lingwu, ZHU Hongtao, WANG Zhenbei, SUN Dezhi. Analysis of the current situation of urban water ecological environment and comprehensive improvement measures in North China[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(12): 4149-4161. doi: 10.12030/j.cjee.202112207

我国华北地区城市水生态环境现状分析及综合整治对策

    通讯作者: 孙德智(1960—),男,博士,教授,sundezhi@bjfu.edu.cn
    作者简介: 曾令武 (1998—) ,男,硕士研究生,zenglw1998@163.com
  • 1. 北京林业大学水体污染源控制技术北京市重点实验室,北京 100083
  • 2. 北京林业大学污染水体源控与生态修复技术北京高校工程研究中心,北京 100083
基金项目:
国家水体污染控制与治理科技重大专项 (2017ZX07401004)

摘要: 从水环境、水资源和水生态3个方面解析了我国华北片区城市水生态环境问题的内在因素。结果表明,区域城市生活污水排放量大,污水收集与处理设施仍存在短板;钢铁、制药、石化行业污染问题突出,特别是山东省和京津冀城市群;季节性降雨引起的城市面源污染不容忽视;城市水生态系统受损严重,水域面积大幅萎缩,河湖岸带破坏严重,富营养化进程加剧,生物多样性下降;城市水资源极度匮乏,水资源开发利用强度大,用水浪费严重,河流干涸断流问题突出。针对上述问题,提出了区域城市近期 (2021—2025年) 、中期 (2026—2030年) 和远期 (2031—2035年) 分阶段的城市水生态环境质量提升目标和综合整治对策建议。本研究结果可为同类北方城市解决水生态环境问题提供参考。

English Abstract

  • 市政污水排放是城市水环境污染的重要来源。RAHMAN等[1]采用PMF受体模型解析了达卡市高尔山湖污染来源,发现在旱季42.94%的点源营养物质来自于市政污水。引起城市水资源紧张的主要因素是城市人口密度和用水强度等。ZHAO等[2]对京津冀城市群的水资源承载力的研究发现,有近50%的城市水资源承载力处于超负荷状态,其人口密度、城市公共用水强度和节水投资强度是影响城市水资源承载力的主要因素。造成城市水生态破坏的重要原因是城市对土地的开发利用。LUO等[3]对河南沙颖河流域内郑州、平顶山、许昌、周口等9个地市的研究发现,与河流水质相比,土地利用变化和城市化对水生态状况的影响更大。由此可见,城市建设会给水生态环境系统带来巨大威胁,而我国当前城市化水平处于历史高点,故城市在水环境、水资源和水生态方面面临着巨大压力,亟需采取有效的改善方案。

    我国华北区域的水污染严重、水资源严重匮乏和水生态问题突出。相关各城市均采取了一系列措施来改善水生态环境质量,并取得了一定成效。潘留明等[4]介绍了天津市在外环河水环境改善中采用投菌、浮床、沉床和人工湿地工艺实现了水环境质量提升。侯晓帮等[5]介绍了在洛阳市瀍河水环境整治中采用控源截污、清淤疏浚、河道复氧、生态补水等水质保障措施。王勇等[6]介绍了青岛市在墨水河治理过程中通过采用截污、清淤、绿化和中水回用等工程措施,实现了水体COD和氨氮浓度的大幅削减。尽管上述案例对制定城市水生态环境质量提升有一定借鉴作用,但不难看出当前城市水生态环境治理对策在系统性方面仍存在欠缺,多数城市在水生态环境整治中仅着眼于城市单个河流或湖泊的水环境质量提升,对水资源和水生态方面的考虑不足。因此,在城市水生态环境治理中,应建立起从城市整个水体角度考虑的“水环境、水资源、水生态”三水统筹推进的系统治理思路。

    针对上述问题,本研究将从“水环境、水资源、水生态”三方面对华北片区内79个城市建成区面临的水生态环境问题进行解析,并给出城市水生态环境质量提升分阶段目标、综合整治对策建议,为实现区域内城市水生态环境质量提升提供参考。

    • 研究区域共包含79座城市 (图1) ,包括北京市、天津市,以及河北、山西、山东、河南、陕西、江苏 (北) 和安徽 (北) 等省的77座城市,主要涉及黄河、淮河和海河三大流域。其中,区域内黄河干流长2 078 km,主要支流包括无定河、汾河和渭河等,涉及24个城市;区域内淮河流域北部包含洪汝河、沙颍河、西淝河等水系,涉及29个城市;海河流域内包含北运河、永定河、大清河、子牙河和南运河五大水系,涉及22个城市;此外,汉中、安康、南阳和滁州4市位于长江流域。研究区流域总面积约1.01×106 km²,区域地表水资源量1.304×1011 m³,约占我国水资源总量的6%。

    • 本研究中水环境质量相关数据来源于研究区域内各省市《2016—2020年生态环境状况公报》,水资源相关数据来源于区域内各省市《2020年水资源公报》,有关城市涉给排水基础设施建设情况的相关数据来源于《2020年中国城市建设统计年鉴》,工业废水排放量及工业源COD排放量分别来源于《2018年中国城市统计年鉴》和《2018年各省市统计年鉴》。

    • 城市水生态环境系统是一个由“水环境、水资源和水生态”构成的相互联系和作用的复杂动态系统,任何“一水”出现问题,其他“两水”都会受到影响。从水环境角度来看,污染物排放量激增使得水质下降,进而造成水资源使用价值下降、水生态系统破坏;从水资源角度来看,取水量增大使得水资源短缺,进而造成污染物降解困难,水生生境恶化;从水生态角度来看,水生态空间被侵占进而使得水体自净和水源涵养功能消失。城市水生态环境系统涵盖了城市所有涉水方面,包括城市污水收集处理、再生水回用、雨水收集利用、河湖岸带和水生生物等关键节点 (图2) ,对保持城市水生态环境健康具有不可或缺的作用。城市的高速发展极易使上述某关键节点出现问题进而波及整个水生态环境系统。为此,从“三水”角度总结了华北片区水生态环境特征,并从污水收集处理、再生水利用、河岸带和水生生物等关键节点对相关问题进行了深入解析。

    • 1) 水环境状况。研究区域内共有省控及以上断面1 000余个。2016—2020年,这些断面水环境质量大幅改善 (图3) ,水质优III比例由2016年的51.31%升至2020年的71%,劣V类比例由2016年的20.93%降至1.6%,水质为IV类及以下主要污染因子为COD、氨氮。但这些断面水质还不能代表城市内水体水质状况,城市内河湖由于受各类污染物大量排放的影响,水质明显更差。2019年,该地区城市内水体劣V类水质占比高达36%,以COD和氨氮污染为主。其中,北京市北小河、通惠河、护城河、凉水河、昆明湖等11个水体共计21个点位中有13个点位水质类别在IV类及以下,占比达61.9%;北小河上游,通惠河上游和昆明湖3处监测结果为劣V类水质;天津市海河、北运河、子牙河、新开河4条城区内水体共计8个点位中仅子牙河 (下游) 和新开河 (上游) 2个点位达到了IV类水质,其余6个点位均为劣V类水质。2020年区域内城市黑臭水体共计835条 (图4) ,占全国黑臭水体数量的28.65%,主要集中在河南、山东和江苏 (北) 3省城市内。其中,北京市、信阳市、徐州市和淮安市的黑臭水体数量在50条以上。

      2) 水生态状况。区域内城市水生态系统健康状况整体较差,城市河湖水系连通性被破坏,部分城市水生态系统接近崩溃。同时表现出明显的地区集聚效应,在人口密集的工业城市河湖水生态系统健康程度均极差,如京津冀工业区、山西大同周边以矿业为主的工业区,以及山东、河南的国家粮食生产地区[7]

      北京市的北运河水生态健康状态处于一般健康状态。与上世纪80年代相比,天津市浮游动物、底栖动物、大型鱼类和水生植物种类锐减,分布水平明显降低。除北运河外,天津全市水体水生态健康状态普遍处于“一般”状态,水生态健康状况脆弱;廊坊市10个河流监测断面中7个断面水生态健康状态处于“轻度污染”水平;淮河流域河南段11个地市河流生态系统健康状况处于“脆弱”水平的断面近75%[8];渭河宝鸡至渭南段水生态系统处于亚健康状态,生物完整性状况呈病态,物种损失严重[9]

      3) 水资源状况。研究区域城市水资源极度匮乏,“有河皆干”现象突出。区域内人均水资源量仅为357 m³,约为全国的1/6,属于极度缺水的地区,各城市人均水资源总量见图5。区域内79个城市中除汉中市和安康市外,其余均存在不同程度的水量型缺水问题,其中58个城市人均水资源量不足500 m³,处于极度缺水状态,加之区域内城市水环境质量普遍较差,区域内多数城市存在不同程度的水质型缺水问题,如郑州、盐城、连云港、宿迁、宝鸡、西安、临汾和运城等城市。区域内城市水量型和水质型缺水问题严重,其中京津冀城市群水量型和水质型缺水问题更加突出,已严重制约了城市的可持续发展。

    • 1) 生活污水排放量大,污水收集和处理设施存在短板。区域内主要城市生活污水排放量与城镇人口数量见图6。城镇人口基数越大城市生活污水排放量越高,由此带来的生活污染问题则更加严重。研究区域内城市人口密集,2019年区域内城镇人口约2.6×108,占全国城镇人口的32%。城市居民的日常生活会产生大量生活污水需收集处理,故在生活污水收集处理方面存在极大的挑战。基于区域城镇人口分布情况,北京、天津、青岛,以及各省会城市等城镇化水平较高的城市常常面临更严峻的生活污水收集处理问题。对于区域内其他城市而言,尽管人口数量的差异会使其城镇生活污水排放量比发达地区的更少,但其污水收集处理设施的建设也相对落后,导致其同样面临着生活污水直排入河的问题。基于此,对研究区域内城市污水收集处理系统开展分析。

      研究区域内2020年城市建成区排水管网密度仅9.77 km·km−2,低于11.11 km·km−2的全国均值,整体排水管道建设较为滞后。研究区域内2020年各城市建成区管网密度见图7。79个城市中有57个城市建成区管网密度低于全国均值。管网建设滞后的问题主要集中在山西省、陕西省和河南省的省辖城市,其管道密度分别为7.68、7.34和8.86 km·km−2。区域内多数城市基础设施建设欠账多,尤其是城中村、城乡结合部等存在管网建设空白区,建成区管网建设滞后,导致污水收集率低,存在生活污水直排入河湖现象。区域内多数城市雨污分流的排水体制推行较快,但老城区的排水体制仍多以合流制为主,夏季降雨集中期间易发生溢流污染、内涝和水体反黑臭等问题。

      排水管网建设的滞后造成研究区域污水收集率普遍偏低,大量生活污水排入河道。按污染物去除效果核算,区域内多个城市污水收集处理率仅约50%,如新乡、邢台等。2016年西安市长安区因污水管网建设不到位,使每天近8×104 t生活污水进入皂河河道。2020年山东省菏泽市因排水管网不完善,致其生活污水收集率仅为51.9%,赵王河、外护堤河、青年湖等水体都存在生活污水直排的现象,小黑河等水体部分河段呈现重度黑臭。

      2020年研究区域城市污水处理厂平均运行负荷率为72%,低于77.86%的全国均值 (图8) 。统计数据显示,79个城市中有49个城市污水处理厂运行负荷率低于全国均值,多数城市污水处理能力已满足城市需求,甚至出现“大马拉小车”的现象。污水处理厂的低运行负荷率暴露了城市在污水处理方面存在“重建厂、轻管网”的问题,致使大量生活污水未经处理直接排放,污水处理设施的效能无法完全发挥。此外,部分城市污水处理设施超负荷运行,如三门峡市和延安市等。城市污水处理厂超负荷运行会使用大量污水溢流进河道,污水处理效果下降,出水水质变差。

      尽管统计数据表明,区域内绝大多数城市污水处理能力已满足城市需求,但各地城市的快速扩张、人口聚集,使得多数城市在污水处理上存在着不均衡、不协调的问题。如北京市67座污水处理厂,有10座运行负荷率低于30%,但同时又有多座超负荷运行。部分城市污水处理实际效能低,污水处理厂排放标准执行不到位。唐山、秦皇岛、滨州等城市仍有14座污水厂未按“水十条”要求执行一级A排放标准。

      2) 工业废水排放量大,钢铁、制药、石化行业污染严重。研究区域2017年部分城市工业废水和COD排放量见图9。2017区域工业废水排放量为3.376×109 t,占全国废水排放量的30.91%。其中,京津冀城市群和山东省是工业污染最为严重的地区,工业废水排放量1.857×109 t,占区域排放总量的55.02%。本研究收集的48个城市工业源COD共排放1.5×105 t,其中天津、唐山、潍坊和滨州等城市工业源污染物 (以COD计) 排放较为突出。

      区域内各城市的工业基础扎实,目前依靠资源消耗而增加产值的企业是区域的经济主导,由此也带来了更加严重的污染问题。2019年区域内钢材产量占全国的52.7%,石油、煤炭等加工业营收占全国41.86%,医药制造业营收占全国38%。这些行业是区域经济增长的主要力量,但同时也严重威胁着区域内城市水生态环境质量,特别是京津冀地区钢铁、石化、制药、造纸、农副食品加工等行业的工业污染排放贡献较大。尽管各城市希望通过建设工业园区来解决工业污染排放问题,但由于入园要求低、工业废水处理难度大和园区管理经验不足等问题导致园区废水处理效果差,污染物集中排放,使园区逐渐成为城市内水环境污染最为严重的地区之一。例如,石家庄经开区内有30多家药企,园区污水处理厂受来水可生化性差、水质波动较大,导致运行不稳定[10];2019年天津工业源COD、氨氮、总氮和总磷排放量分别为5 583、449、1 366和60 t,天津滨海工业区内有近1 000家石化和化工企业,污染排放负荷大、污水水质差异大,且含有大量难生物降解有机污染物和重金属,严重影响周边水体水质[11]。区域部分城市主要工业类型见表1

      3) 季节性径流污染严重。研究区域2019年逐月降水量及京津冀区域I-III类水质占比变化见图10。区域内降水季节分配很不均匀,主要集中在夏季。从京津冀区域地表水监测数据来看,城市水体水质与降雨量存在明显相关性。随着雨季来临,I-III类水质断面占比呈下降趋势,受初期雨水径流影响,6月份水体水质最差。而随着秋冬季降水量的减少,地表水水质逐渐变好。由此说明,造成雨季城市水体水质下降的重要原因是降雨径流引起的面源污染。

      地表径流污染是城市面源污染的直接来源。近年来,研究区域城市面积不断扩大,不透水下垫面面积占比增大,下垫面容易累积大量污染物,造成径流水质普遍较差,特别是6月份径流水质最差。如太原市6月份工业区道路降雨径流中COD、氨氮分别为219 mg·L−1、2.05 mg·L−1 [12];天津市6月份老城区道路降雨径流中COD、氨氮分别为276.65 mg·L−1、5.02 mg·L−1[13]。各主要污染物平均浓度均高于我国地表水环境质量V类标准。

      合流制溢流及管道沉积物是面源污染重要来源,也是导致城市水体黑臭的重要因素。我国多数城市合流制排水体系截流倍数取1~2,造成排水系统对CSO的截流效率偏低,大量污水溢流进入河道,特别是雨天极易发生水体返黑臭现象。付朝臣等[14]对北京中心城区合流制溢流污染监测发现,溢流污水水质极差,COD为267 mg·L−1、氨氮为10.6 mg·L−1。管道沉积物的“零存整取”是溢流污水水质极差的重要原因之一,李海燕等[15]分析北京城区溢流污水的不同来源污染负荷后发现,沉积物污染负荷贡献率高达80%。

    • 1) 城市建设用地的扩张。城市建设用地的不断扩张是造成研究区域城市水域面积减少的重要原因之一。近年来,区域内城市建成区面积不断增加,其中有相当一部分增加的面积是通过缩窄河床、围湖造地等侵占城市水域空间的方式进行扩张的,这些活动造成了城市河湖水面面积大幅萎缩、斑块化数量增加等现象。河南省沿黄河流域8个地市1987—2002年湿地面积减少了19.18%,斑块化数量增加了21.27%[16];海河流域自1950年以来,受城市开发建设影响湿地水面面积减少了72%[17];贾梦圆等[18]对天津市不同发展条件下的土地利用变化情况的模拟结果表明,截至2025年,天津市主要水域均为易受城市扩张威胁的水生态敏感区域,大量二级河道、排水干渠、坑塘水面等毛细水网将在城市建设过程中被填埋和侵占。

      2) 河湖岸带的开发利用。河湖岸带的开发利用是引起研究区域水体富营养化加剧的重要因素之一。研究区域内城市为防洪、稳固河岸和追求景观娱乐效果,对城市内河湖岸带进行了一系列的开发利用,如河道渠道化、裁弯取直、河湖岸带硬化和岸边植被带园林化等。淮河流域河南段11个地市自1950年以来建设的硬质化边坡长度达1.1×104 km,其城市河流边坡硬质化现象普遍[19];京津冀非生态用途占有缓冲带比例高达48%,北京温榆河流域大约6 km的河岸带生态系统被开发占用[20]。城市对河湖岸带的开发利用隔断了水陆生态系统之间的联系,使河岸区域复杂多样的生境变得均一化,生物多样性减弱,水体自净化能力下降,也降低了河湖岸带控制径流污染的能力,造成富营养化问题加重,对水生态系统健康造成严重威胁。如北京潮白河下游水体流动性差,夏季富营养化严重,团城湖、玉渊潭湖和奥运湖等湖泊均处于轻度-中度富营养状态;自2012年起天津海河干流连续多年5—6月暴发蓝藻水华[21];2018—2019年衡水市衡水湖处于轻度富营养水平。

      3) 城市取排水量的增加。城市取排水量的增加引起的水质下降是造成城市水体生境退化及生物多样性减弱的主要原因。区域内2004—2019年工业和生活取水量增加了约16%,冶金、石化、造纸、等高耗水企业众多,人口密集,导致生活和工业取用水量增多,大量工业废水及生活污水排入城市水体。区域内城市河湖污废水等非常规水源补给十分明显,占比已超过60%,其京津冀河湖2001—2012年污径比范围为18.2%~71.6%,平均污径比为35.7%[22]。城市水体接纳大量污水导致水质明显下降,黑臭现象频发,水生态系统遭到严重破坏,生物种类和生物量也呈锐减状况,有的城市水生态系统甚至难以恢复。夏会娟等[23]发现,北京市清河和通惠河由于接纳了大量生活污水和工业废水,水生植物生境被破坏,造成其水生植物多样性处于较低水平,清河植被生物完整性值在0.23~0.38,处于一般水平,通惠河植被生物完整性值低于0.23,处于较差水平。

    • 1) 水资源开发利用强度大。研究区域内各城市2020年水资源总量及开发利用强度见图11。区域内京津冀、河南北部及山东北部水资源匮乏的城市水资源开发利用强度普遍较高。区域内降水量少且分布不均,造成江河径流量小,地表水资源条件先天不足,但人口产业发达造成生产、生活和生态环境用水刚需大,导致水资源开发利用强度极大,造成河流断流问题突出,加剧了区域内水资源短缺的现象。2020年区域水资源开发利用强度达到了56.13%,超过了世界公认的40%的安全警戒线。其中,海河流域水资源开发利用强度最大,已达到106%,以至于大部分支流长期处于断流状态。王晨等[24]发现,2018年春季京津冀地区13个城市均有干涸河道分布,其中保定、张家口、北京、石家庄4个城市的干涸河道长度均超过500 km,石家庄河道干涸比达到了44%。此外,城市对水资源的高强度开发利用使城市生产生活产生大量污染物排入水体,造成城市水环境质量不断下降,区域内城区劣V类水质的水体占比高达36%,进一步使城市陷入了水质型缺水的困境。

      2) 水资源浪费严重。截至2021年底,研究区域内已建成节水型城市58个 (含县级市) ,占全国已建成节水型城市数量的43%。尽管如此,区域内仍有部分城市在生活、市政、工业用水方面均存在不同程度的水资源浪费现象。区域内2020年各城市生活、市政和工业用水指标统计情况见表2

      在生活用水方面,2020年区域内有18个城市居民生活用水量高于《城市居民生活用水量标准 (征求意见稿) 》中给出的第二阶梯用水量,住建部“关于印发《国家节水型城市考核标准》的通知” (建城[2018]25号) 中规定的节水器具普及率达到100%,但该区域多数城市未达到该要求,城市生活用水存在浪费现象。在市政公共供水方面,该区域城市公共供水管道漏损率约12.88%,超过节水城市考核标准中规定的10%的要求,有63个城市未达到该要求。其中,张家口、承德、枣庄、淮北和蚌埠等市的供水管道漏损率在17%左右。区域内2020年城市公共供水漏损水量共13.36亿m³,占全国地级及以上城市漏损水量的19.37%。在工业用水方面,近年来该区域工业节水力度不断加大,但在有数据统计的63个地级城市中仍有18个城市工业用水重复利用率低于节水城市考核标准中规定的83%的目标要求。

      3) 再生水利用水平仍有提升空间。华北片区城市2020年再生水利用情况见图12。华北片区城市再生水利用水平仍由较大提升空间。从生产设施利用效率来看,仅郑州和青岛等14个城市再生水生产设施利用率达到90%以上,生产设施得到充分利用,需扩大生产能力。而多数城市生产设施面临闲置困境,太原和沧州等32个城市再生水生产能力仅发挥不到50%,需大力开发再生水利用途径。整体来看,淮河流域城市再生水生产设施利用水平较其他区域城市更高。从再生水利用率角度来看,海河流域和淮河流域城市再生水利用率水平整体较淮河流域更高。根据住建部《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》 (发改环资〔2021〕827号;2021年6月) ,到2025年,全国地级及以上缺水城市再生水利用率目标达到25%以上,京津冀地区达到35%以上,黄河流域中下游地级及以上缺水城市力争达到30%。目前,石家庄、太原和大同等30个城市尚未达到其所对应规划目标,需进一步提高再生水利用率。

    • 基于对华北片区城市水生态环境问题的解析发现,制约城市水生态环境改善的根本原因在于城市面临的水生态环境问题是复杂多变。因此,在城市水生态环境治理中,建立起从整个城市水体角度考虑的“三水”统筹推进的系统治理思路是实现城市水生态环境质量全面提升的根本方法。为此,研究以“三水”统筹兼顾、多措并举和协调推进为理念,提出了近期 (2021—2025年) 、中期 (2026—2030年) 和远期 (2031—2035年) 3个阶段的水生态环境综合整治对策。

      1) 近期阶段对策。近期阶段区域城市重点任务是推进城市点、面源污染深度减排,节水型城市构建,实现水环境质量提升及水资源状况改善,并辅以水体生态修复措施。

      全面开展城市污染负荷削减工作。在生活源方面,需补齐污水收集与处理设施短板,对于排水管网密度低的城市,如阳泉、信阳、三门峡等市,加大排水管网建设力度,消除管网空白区;治理污水直排问题,设置截污管,完善北京、天津等管网建设较快城市人口聚集区生活污水毛细管网建设,提高污水收集率;对混错接和破损问题,开展混错接改造和老化破损管网修复工作,提升污水管网排放质量与水平;对污水处理效能低和执行排放标准落后的问题,加快推进唐山、秦皇岛和滨州等城市污水处理厂一级A提标改造。

      在工业源削减方面,重点解决唐山、邯郸等城市钢铁行业,石家庄、东营等城市制药行业,天津、青岛、淄博等城市石化行业,榆林等城市煤化工行业等重点行业工业废水污染问题;推动全部工业企业入园,实施工业集聚区生态化改造,促进工业企业的良性集聚;完成钢铁、制药、石化等污染行业清洁生产改造;淘汰或改进现有落后的钢铁、石化、制药等工业废水处理技术;加强工业园区管理,完善园区污水收集处理设施,实现工业废水分类收集、分质处理。

      在面源污染削减方面,各城市需全面开展汛期管网清淤工作防止初期降雨污染河湖;总结迁安、北京和天津海绵城市建设的经验与教训,形成适用于新老城区分区实施海绵城市建设的技术模式;构建“池-网-厂-河”联动机制,强化各污水处理厂处理水量的科学调配;坚持“点、线、面”结合,通过源头治理、末端拦截、分散调蓄、就地处理等方式,削减合流制溢流污染和面源污染;针对水资源短缺问题,需加强雨水的收集利用,构建“渗滞为主、蓄排结合、净用相辅”的综合雨水利用系统。采取上述污染负荷削减措施,使2025年受城市影响控制断面优III比例达60%以上,劣V比例降至15%以下,城市水体水功能区基本达标,建成区海绵城市建设占比达40%。

      在节水城市构建方面,各城市要依据用水类型的不同遵循不同的量水发展原则,优化水资源配置,北京和天津等人水矛盾突出的城市,遵循“以水定人”的原则;唐山和烟台等水供需矛盾突出的城市,遵循“以水定产”的原则;运城和南阳等城水矛盾突出的城市,遵循“以水定城”原则。系统推进城市工业、生活和市政节水措施,初步完成节水型城市构建。提高城市工业用水重复利用率,特别是西安、邯郸和郑州等;控制缺水城市人均日生活用水量低于第二阶梯用水量,特别是北京、太原和西安等;控制城市供水管网漏损率在9%以下,特别是张家口、枣庄和淮北等。加大缺水城市再生水回用力度,特别是京津冀城市群;针对区域内河流干涸断流问题,各城市可参考北京市永定河干涸断流恢复的案例,制定相应的河流水量恢复方案,通过对再生水、雨洪水和工程引水等水资源的合理配置维持城市河流生态需水量,提高城市水体生态基流保障率。使2025年城区再生水利用率达35%以上,其中京津冀地区城市达40%以上,万元工业产值用水量降至16 m³以下,其中京津冀地区城市降至11 m³以下,城区部分河流恢复有水。

      在水体生态修复方面,需强化河湖水生态空间管控,划分三带 (水域带、岸线带、缓冲带) 四区 (保护区、保留区、控制利用区、开发利用区) 的河流廊道水域岸线,严禁侵占水域及生态缓冲带,已被侵占的水域空间逐步恢复。针对水体富营养化、自净能力差等问题,各城市应通过河湖缓冲带修复、水系连通、水体水质净化和截污等工程措施,初步恢复城市水体自然特性和水生生境,改善水体水质,提高水体自净能力,抑制富营养化进程,以使2025年水生生物完整性指数达到“一般”水平。

      2) 中期阶段对策。中期阶段在实现城市水环境质量提升的基础上,形成“水环境、水资源、水生态”统筹推进的系统治理格局,同时进一步提升水环境质量,推进水资源合理利用,初步恢复城市水生态系统。

      全面完成节水型城市构建,持续推进城市全系统节水。在工业节水方面,严控钢铁、石化等高耗水行业新增产能,降低高耗水行业比重;推广一批适用于钢铁、石化等高耗水行业先进成熟的节水工艺、技术和装备;进一步提高城市工业用水效率,京津冀地区城市钢铁、制药和石化等行业用水效率需达国际先进水平;强化企业用水管理,加强节水技术改造,培育一批节水标杆园区和企业。在生活节水方面,推广节水器具,加强生活小区的节水型载体的建设力度,利用价格杠杆调整水价,促进节水。在市政节水方面,需加强城市节水基础的建设和管理,优化供用水结构,提升管网运行的管理水平,加快老旧供水管网的改造,进一步降低城市供水管网漏损率。在再生水回用方面,各城市应依托城镇污水厂提供再生水生产能力,同步加强再生水管道建设,加大工业和市政对再生水的利用力度;进一步加大城区河流生态补水力度,提高生态基流保障率。实现到2030年城区再生水利用率达到45%以上,其中京津冀地区城市达50%以上,万元工业产值用水量降至13 m3以下。其中,京津冀地区城市降至9 m³以下,城区主要河流恢复有水。

      此外,该阶段仍需持续推进城市点、面源污染深度减排,加大前期污染减排措施的实施力度,进一步削减城市点、面源污染负荷,并同步推进构建污染物减排措施长效监管机制构建。实现到2030年受城市影响控制断面优III比例达70%以上,劣V比例降至5%以下,城市水体水功能区基本达标,建成区海绵城市建设占比达到50%。

      在水生态修复方面,需加快推进城市河湖缓冲带建设,实现城区河湖缓冲带全面修复,强化河湖缓冲带管控,恢复水陆生态系统之间的联系,全面恢复河流水生生境,人工引导恢复河道生物种群和水生动植物群落,提高生物多样性,初步恢复城市水生态系统。采用上述措施使2030年区域内城市水生生物完整性指数达到“好”的水平。

      3) 远期阶段对策。远期阶段重点实现城市水生态系统全面恢复,构建以城市水生态系统健康为导向的“三水”统筹机制,城市水生态系统得到全面恢复。

      在水生态恢复方面,实现河湖缓冲带全面恢复,全面恢复水生动植物群落结构和食物链,构成良性稳定的水生态系统,促进河道生态系统的动态平衡和自我修复。还需加强城市水生态环境的科学管理,实现城市水生态系统功能的长效保持,使2035年城市水生生物完整性维持“好”的水平。

      此外,还需全面完成城市污染减排措施、节水措施及河流水量保障措施的长效监管、运营及维护机制的构建,实现水生态环境质量持续向好。使2030年受城市影响控制断面优III比例达80%以上,消除劣V类断面,城市水体水功能区全面达标,建成区海绵城市占比达60%以上,城区再生水利用率达50%以上,其中京津冀地区城市达55%以上,万元工业产值用水量降至11 m3以下,其中京津冀地区城市降至8 m³以下,城区全部河流恢复有水。

    • 1) 区域内城市水生态环境质量普遍较差,水体黑臭现象突出;城市水生态系统健康状况整体较差,部分城市接近崩溃;多数城市水资源极度短缺,水量型和水质型缺水问题突出。

      2) 区域内城市水生态环境问题的内在因素包括:区域内城市生活污水排放量大,污水收集和处理设施仍存在短板;区域内城市钢铁、制药、石化行业污染严重,特别是山东省和京津冀城市群;季节性径流污染严重;城市建设用地的扩张、河湖岸带的开发利用和城市取排水量的增加等人类活动造成城市河湖面积萎缩、生境被破坏和生物多样性下降等水生态问题;受工业、生活和市政用水浪费,水资源匮乏导致开发利用强度大的影响造成城市河流干涸断流问题突出。

      3) 从“水环境、水资源、水生态”三方面提出了9项指标,给出了近期 (2021—2025年) 、中期 (2026—2030年) 和远期阶段 (2031—2035年) 分阶段目标,并提出了“三水”统筹推进的分阶段综合整治对策,近期阶段以污染减排和节水城市构建为重点,辅以水生态修复措施,实现水环境质量提升;中期需全面推进“三水”统筹治理,实现水资源合理利用,水环境质量进一步提升,水生态系统初步恢复;远期阶段在实现水环境质量提升和水资源合理利用的基础上,实现城市水生态系统全面恢复,构建以城市水生态系统健康为导向的“三水”统筹考核机制,城市水生态环境保护修复取得实质性进展。

    参考文献 (24)

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