城镇化河流一河三带修复技术与对策/浑河中游水污染控制与水环境综合整治技术丛书

第1章 绪论 城镇化，是社会由以农业为主的传统乡村型社会，向以工业和服务业等非农产业为主的现代城市型社会逐渐转变的历史过程。我国城镇化经历了起点低、速度快的发展过程。1978～2013年，我国城镇常住人口从1.7亿增加到7.3亿，城镇化率由17.9%提升至53.7%；2020年，我国城镇化率已经达到60%；目前我国城镇化正处于加速发展阶段，未来仍将保持较快的增长势头，预计至2030年，城镇化率将达到65%。 城镇化是我国实现全面小康社会的关键，涉及资源可持续利用、自然生态系统保护、城镇与中小城市的平衡发展等系统工程。随着城镇化的不断扩大，城市水安全受到威胁，水质恶化，水量减少，水生态退化，阻碍了城镇化的可持续发展。有必要针对城镇化河流，分析其水安全、水环境、水资源、水生态压力响应机制特征；研究城市水体富营养化机理，水环境调控提质技术；构建城镇化进程中可持续城市水环境系统理论，形成综合治理与修复的方案和规划，协调水环境、社会和经济之间的关系，以促进城镇化的可持续健康发展。 1.1 研究背景 1.1.1 城市水环境功能 图1-1 城市水环境功能六位一体关系 随着城市化进程加快，城市规模不断扩大、人口急剧膨胀，经济社会高速发展，城市水环境系统的军事防卫功能早已消失，交通运输、灌溉与养殖功能也日趋减弱，而防洪排涝、生态服务、人文景观等功能日益显著。因此，城市水环境主要涉及水安全、水资源、水生态、水景观、水文化和水经济六个方面。它们相互联系、相互作用，共同形成了六位一体的城市水环境系统（图1-1）。水安全、水资源、水生态是城市水环境系统稳定的保障，水景观、水文化、水经济是城市水环境系统环境效益、社会效益和经济效益提升的保障。 1.水安全 广义的水安全是水资源、水环境和水灾害的综合效应，兼有自然、社会、经济和人文的属性，而狭义的水安全主要是指洪涝灾害。水安全是城市水环境系统的基本要素，是城市水环境系统实现其他功能的基础，对于促进城市经济社会的可持续发展具有重要的保障作用。城市水环境的水安全主要是指防洪排涝功能。随着城市化推进速度加快，城市下垫面的硬质化面积增大，透水与持水能力下降，雨水在短时间内快速汇入河流；人为对河道进行裁弯取直，填河造地，河水流速加快，洪峰历时短，洪峰水位高，导致城市水环境对洪水的调蓄功能丧失。因此，在推进城镇化过程中，要统筹协调影响防洪排涝的自然与人为因素，综合运用工程措施与非工程措施，提高城市水环境的防洪排涝能力。 2.水资源 水资源是人类赖以生存和发展的重要自然资源之一，具有基础性和不可替代的作用。广义的城市水资源是指城市管辖区域内所有水的总称，包括地表水、地下水、土壤水等，狭义的城市水资源是指城市管辖区域内现阶段能被人类开发利用的地表水和地下水。水资源时空分布具有相对稳定的特征，即在一定的时间和空间范围内，其数量相对固定和有限。显然，城市水资源具有稀缺性和有限性的特点。随着城市化进程加快和城市规模的扩大，对水资源的需求量不断增大；同时工业废水和生活污水大量排放，导致城市水环境水质下降，水生态环境恶化；水资源循环性、流动性的特征必然使整个流域水环境遭受破坏，进一步加剧城市水资源危机。因此，在推进城镇化过程中必须合理配置水资源，发挥水资源的综合效益。 3.水生态 城市河流是城市水环境系统的重要组成部分，是城市的生命之源，是城市内流动的生态组分和重要功能区。城市河流的生态功能主要包括：为生物提供栖息地，维持水生态系统动态平衡；为有机物、无机物的迁移转化提供通道，通过物质、能量、信息的流动，进行城市水环境的吐故纳新过程；通过河流两岸植被和土壤的调蓄作用，减少城市洪涝与干旱灾害的发生；由于河流的流动性大，河水的比热容高，可以缓解城市热岛效应；河流水体具有自净能力，可以净化水质，减轻水体污染。此外，河流水体能够为居民提供休闲娱乐场所。在推进城镇化进程中，加强生态型城市水环境建设，对于城市生态系统的健康发展具有促进作用，对经济社会、资源、环境的可持续发展具有重要意义。 4.水景观 水是城市系统的脉络、连接自然的纽带、景观美的灵魂和历史文化的载体，也是城市风韵和灵气所在。城市水景观不仅使人们产生精神和心理愉悦，强化人们心中的地域感，而且可以塑造出美丽的城市形象。广义的城市水景观功能是指城市水体在特定的情形下，能够扩大城市视觉环境，增加游憩空间，净化空气，调节城市小气候，营造健康的生活环境；狭义的城市水景观功能是指水域形态、面积及沿岸带从视觉上对城市的景观美化作用。在推进城镇化过程中，城市水景观要与城市景观体系相融合，可协调城市发展与环境之间的关系，建立良性的城市水景观系统。在宏观尺度上，要梳理城市水环境结构，构建网状或树枝状河流水系骨架，湖库、湿地串缀其间，使其空间分布更均匀合理；在中观尺度上，强调城市水网与路网结合、水网与绿网结合，建立良性的水景观结构；在微观尺度上，打造近水、亲水、观水、傍水平台，构筑多维度的城市水景观系统。 5.水文化 水文化是社会文化的有机组成部分，是人类在认水、治水、用水、爱水、赏水的过程中积累的物质和精神财富的现象。城市水文化概念有广义和狭义之分，广义上的城市水文化是城市水环境系统在城市形成和发展过程中创造出的物质和精神财富的总和；狭义上的城市水文化是城市水景观对人们所引发的在感官上的刺激，产生内心感受和想象，通过语言、文字、符号等文化载体表现出来的作品和活动。城市水景观是城市文化的载体，而城市水文化的传承与创新是城市水景观可持续发展的必要条件。历史造就城市水文化，城市水文化孕育未来水景观。因此，在推进城镇化进程中，要不断改进城市水环境的空间结构，提升城市水景观功能，创新城市水文化理念，传承以人为本、天人合一的精神灵魂。 6.水经济 城市水经济是指涉及水的经济活动，主要包括城市供水、用水、城市水生态系统的参与带来的经济变化等方面。城市水经济功能系统框架包括三个层次：从宏观层面上，水资源承载力是城市发展的物质基础。在城镇化过程中，要以水定城市发展，对城市水环境系统进行统筹安排、合理布局与科学管理，辩证地协调经济发展与水环境的关系，保障城镇化的健康发展。从中观层面上，在城镇化进程中，以水资源的高效利用为目的，在协调水环境生态效益与经济发展关系基础上，构建新型、节水、环保的经济系统。通过产业结构调整，优化配置水资源，提高单位水资源消耗的经济产出。从微观层面上，提高工业、农业、服务业的水资源利用效率，降低城市水环境系统中各个环节的用水损耗，实现水资源的高效利用。 1.1.2 城镇化对水环境的压力 党的十九届五中全会指出，坚持实施区域重大战略、区域协调发展战略、主体功能区战略，健全区域协调发展体制机制，完善新型城镇化战略，构建高质量发展的国土空间布局和支撑体系。要构建国土空间开发保护新格局，推动区域协调发展，推进以人为核心的新型城镇化。从局限“区域协调发展”一隅，到上升至全面建成小康社会载体，上升至实现经济发展方式转变的重点。城镇化在实现全面建成小康社会的实践中占据越来越重要的地位。城镇化是一个系统工程，需要走节约集约利用资源、保护自然生态和文化特征、大中小城市和小城镇并举的可持续发展之路。城镇建设是我国经济发展的重要组成部分，是我国城市化过程的必经之路。 改革开放以来，我国城镇化进程明显加快。国家统计局的数据显示，2020年中国常住人口城镇化率超过60%，远超1978年的17.9%。随着人口急剧增加、经济迅速发展、城镇规模扩大，资源枯竭、环境污染、生态破坏等一系列问题越来越严重，与之相关，我国城镇生态环境也面临着巨大挑战。 城镇规模的不断扩大，威胁城市水环境安全，对河流的形态和生态环境都产生了严重的影响，造成水资源量减少，水环境质量不断恶化，富营养化不断加重，水生态系统严重衰退，城市水功能降低，人居环境品位不断下降，严重制约着城镇化的可持续发展。城市河流的严重破坏与退化已被公认为一个全球性的生态环境问题。 1.城镇化改变河流形态 河流作为重要的自然资源和环境载体，在为城市发展提供优越条件的同时，受人类活动干扰也*强烈。全世界大约有60%的河流经过了人工改造，包括筑坝、筑堤、自然河道渠道化等。城镇化对河流形态的影响主要表现在自然河流的渠道化，包括以下三个方面：一是河流形态的直线化，即将蜿蜒曲折的天然河流进行裁弯取直，改造成直线或折线形的人工河流或人工河网；二是河道横断面的规则化，把自然河流截面的复杂形状变成梯形或矩形等规则几何断面；三是河床材料的硬质化，河道的边坡及河床采用混凝土、石块等硬质材料衬砌，原先的土质或散卵石质的河床被覆盖。 2.城镇化增加入河污染物 全世界各城市每年排入水体的工业废水和生活污水达5000亿t以上，城市河流污染类型多样，主要包括有机物污染、重金属污染、酸碱污染、细菌病毒污染等。随着城市化发展，城市污水排放总量不断增长，但污水的处理率并没有同步提高。生活污水以及含磷洗涤剂、化肥、农药等，成为河流中植物营养物的主要来源，它们能引起水体富营养化。此外，城市的生活污水含有病毒、细菌、寄生虫等病原体，能传播疾病。据美国环境保护署（U.S.Environmental Protection Agency，USEPA）资料，下水道等环境污水中存在100多种不同血清型的肠道病毒。冶金、炼焦、塑料、石化等行业的发展，产生了大量含有有机污染物和重金属的工业废水，河流遭受严重污染，既影响了城市河流的水质，又影响了城市景观，破坏了城市生态环境，使人们的健康和生活受到危害。 3.城镇化破坏河流生态系统 1）河流渠道化引发水生态系统的退化 渠道化改变了自然河流蜿蜒型的基本形态，急流、缓流、弯道及浅滩相间的格局消失，而横断面上的几何规则化，也改变了深潭、浅滩交错的形势，生境的异质性降低，水域生态系统的结构与功能随之发生变化，特别是生物群落多样性也随之降低。城市内河河岸衬砌后，岸边的生物种类减少70%以上，而水生生物也只相当于原来的一半。 2）河流自净能力降低，乃至丧失 自然河道中生存着大量动物、植物和微生物，它们都有吸收或降解污染物的作用。河水的复氧功能要通过自然曝气、水生植物和藻类的光合作用来保证。城市河流的水流速一般都较慢，这使得河流的自然曝气复氧功能基本丧失。河岸用水泥或石块护衬后，割裂了土壤沙石上寄生的大量微生物与水体的联系，使水体、土壤与生物环境相分离，河流失去部分自净功能，加剧了河道水污染的程度。将河岸进行护衬后，河岸变得非常光滑，原来能够对进入河流的污水进行过滤的植被消失，这也使河流的抗污染能力被削弱，而只有尽量维持河道的生物多样性，才能保证河流具有一定的抗缓冲能力。 3）城市河流非连续化对水环境的影响 由于建设规划等，城市中大量建筑物的建设不可避免地会将原先连续的河流截断，并对河床进行重新改造，导致河水流向与状态紊乱。某些流动河流变成了相对静止的人工湖，某些河水流速大大降低。由于河水流速非常低，在水体中的营养盐得不到及时的迁移和降解，在原处不断地蓄积，水质恶化。在春夏季气温较高时，藻类繁殖具备充足的营养条件，产生水华现象。藻类的大量繁殖使得水面被覆盖，严重影响了沉水植物的采光，进而影响了其生存。沉水植物的死亡腐烂还会大量消耗水体的溶解氧（dissolved oxygen，DO），进而影响水体中动物的生存。 1.1.3 我国城市河流污染现状 我国是一个水资源短缺、水灾频繁的国家，水资源总量居世界第六位，人均占有量只有220m3，约为世界人均水量的1/4，在世界排第110位，已被联合国列为13个贫水国家之一。我国城市化处于快速发展时期，由于城市化、工业化和老旧城市排水体制不健全等一系列问题，许多城市存在不同程度污染问题。2015年国务院印发《