"有水皆污"已成城市顽疾
这两年，家住北京青塔附近的居民发现自己家门前的凉水河变了模样，水清了、树绿了、景美了。“以前门口的这条河挺清的，还下去摸过鱼，但后来水黑了，也变臭了。之前看见工人在河里施工作业，没想到没多久水就变清了，周边景色也漂亮了，傍晚我们经常在附近遛弯。”附近的一位居民说。
凉水河是北京市北运河水系的支流，也是北京城南的主要排水河道。随着城市的发展，很多污水未经处理直接排入其中，让凉水河逐渐失去昔日美景。这几年，经过治理，凉水河实施完成了干流长22.5公里河道清淤工程，干流长39.5公里水下结构工程以及6处除臭工程，实现了城市段基本还清，消除黑臭现象，全线基本建成滨水绿道。如今的凉水河岸畔绿树成荫，不再是脏臭的代名词，沿河段还能欣赏“源起荷香”“水关净月”等水色美景。
与凉水河一样，这几年北京的多条河流都已大变样：清河波光粼粼，野鸭栖息，居民们愉悦漫步；筒子河重现水清岸绿……京城的河湖水系一天比一天洁净、美丽、容光焕发，市民更愿意亲水、游水、依水。
让京城水系“变脸”的“魔术师”是来自清华大学和北控水务集团有限公司等单位的联合团队。经过几年研究及实践，清华大学刘翔教授带领科研团队在北京市重点科技项目和国家重大水专项课题的支持下开发出“城市面源污染控制与景观水体改善成套技术”，针对城市面源污染控制、非常规水资源（雨水径流、再生水）安全利用、以再生水为主要补充水源的景观水体水质改善等需求，研发了12类核心技术，形成了城市面源污染全过程控制和景观水体水质综合整治的技术思路和成套技术，对北京市乃至全国的城市水体环境治理做出了积极贡献。为此，该项目荣获2015年度北京市科学技术奖一等奖。
“有水皆污”已成城市顽疾
河水清澈，水草飘摇，鱼翔浅底，是每一位百姓心向往之的生动图景。然而，我国城市河流有90%左右受到污染，出现河水滞流、水体厌氧、生态退化、淤积严重、透明度差，甚至发生黑臭等问题。
“由于水体污染负荷远远超过城市受纳水体的环境容量，导致河水中有机物、氨氮等污染物严重超标，水生生态系统结构破坏，生物多样性锐减，城市水体的生态功能和使用功能日益衰退，水体修复和水生态功能恢复的难度明显加大，城市河流水环境生态系统处于失衡状态。”课题组负责人，清华大学环境学院教授刘翔说。
同时，城市污水中氮磷污染物未经有效去除，又成为城市水体发生富营养化的重要诱因，造成水体生态功能的衰退甚至丧失，水生生态环境的破坏已经成为城市生态文明建设的主要障碍。“有水皆污”“河道黑臭”已经成为许多城市面临亟待解决的环境顽疾。
“水是城之韵，质是水之魂。”刘翔说，城市水环境综合整治和水体修复技术是破解上述难题的有效方法。
据了解，城市水体修复技术是指根据生态学和环境学的原理，综合运用水生生物和微生物的方法，使污染水体得到改善或恢复所采用的技术。其特点是充分发挥现有水环境工程的作用，综合利用流域内的湿地、滩涂、水塘、堤坡及水生生物等自然资源及人工合成材料，对城市水域自恢复能力和自净能力进行强化恢复或提升。
生态修复就是恢复生态系统合理的结构、高效的功能和协调的关系，就是重建受损生态系统的功能以及相关的物理、化学和生物特性。“修复的目的就是要再现一个自然的、能自我调节的生态系统，使它与它所在的生态景观形成一个完整的统一体。”刘翔解释说。
基于上述原理，课题组提出，城市水体综合治理的总体技术思路为：控源为本，调配优先，多元为辅，强化应急，景观共建。
刘翔告诉记者，大多数城市水体最主要的问题是污染源控制不彻底、河流生态基流不足引起的。污染源治理不到位导致水质超标，生态基流不足致使水流缓滞，进而引发一系列的水环境问题。因而水质改善最有效的方法就是控源截污、生态修复和水流改善，实现水体的良性循环。
另外，“还可以通过多元生态系统构建、河水充氧、底质控制等辅助技术促进和提升水质改善和生态修复的效果。”刘翔说。
面源污染不解难有清清小河
要将一个受损的生态系统的结构与功能恢复到受损前的水平是一项艰巨、困难和漫长的工作。
课题组面临的首个挑战就是城市面源污染的排查。面源污染是指通过降雨和地表径流冲刷，将大气和地表中的污染物带入受纳水体，使受纳水体遭受污染的现象。随着我国城市化快速发展，新旧城区不同排水系统的交错，污水和雨水管道混接现象普遍存在，大量污染物由地表暴雨径流排入水体。
通常，河流污染的“罪魁祸首”来自于那些偷排废水的工业企业和直接排入河流的生活污水。刘翔告诉记者，来自工业企业和生活污水的直排入河这类有固定排放点的“点源污染”的确是重要污染来源，但是那些没有固定排放点的污染物经降雨和融雪冲刷而产生的 “面源污染”，对水环境的杀伤力其实也非常大。
这种面源污染包括：建筑工地的积尘与淤泥、汽车洒在马路上的尾气沉淀物和漏油、小商贩产生的油污泔水等等，它们在降雨后没有进入污水管，而是经过雨水管道未经处理直接流向了河道，还有一些合流式污水管在雨天的溢流排放。
刘翔指出，特别是在暴雨初期，由于降雨径流将地表的、沉积在下水管网的污染物，在短时间内，突发性冲刷汇入受纳水体，而引起水体污染。“据统计，北京在暴雨初期污染物浓度超过平时污水浓度3倍甚至更高。城市面源具有分散性、高流量和重污染等特点。”
显然，要治理水环境，只关注点源污染还不够，如果不能妥善解决面源污染，水环境就无法真正改善，即使暂时性好转了也难以长效保持。
摸清底数才能理出治水路数。面源污染往往比较分散、隐蔽、随机，研究和防控难度更大，尤其是随着城市快速发展，地下管道早已变得错综复杂，排查起来十分困难。
在刘翔的带领下，科研团队与相关单位合作，通过投放标示物、放烟以及模型模拟等方法，对片区内雨污水管线以及河道各个排污口的数量、位置坐标、水量、水质、时间段等情况进行了全面排查和分析。
经过细致排查，他们对治理片区内的污染来源、构成等做到心里有数。科研团队系统地开展了城市降雨径流面源污染控制、非常规水资源（雨水径流、再生水）的水质净化与安全利用，以及收纳雨水径流和以再生水为主要补充水源的城市景观水体的水质改善关键技术和核心设备的研究。
科研团队重点突破了城市面源从源头产生、输送过程、到最终排放入河等关键环节的控制技术以及入河污染源控制、补水水质提升、河道自净能力恢复、水体生态修复、河水应急处理等水体修复关键技术，形成了“源头削减—过程控制—末端净化”的城市面源污染全过程治理，以及“补水水质提升—水体水动力改善—河水水质净化—水体生态修复”的景观水体水质综合改善的技术体系。
据了解，科研团队开发了管网溢流控制、初期雨水分时收集、雨水旋流—快滤组合处理等城市面源控制成套技术和对氮磷有高效截留/去除作用的专用滤料。技术实施对城市径流产生的面源污染SS、COD、NH3-N、TN和TP的去除率分别达到95%、50%、80%、30%和70%，比现有同类技术有大幅度的提高。
此外，针对雨水径流、再生水补水、分散式直排污水、水产养殖等污染源，开发了堤岸式渗滤、功能型人工湿地、真空截污、旁路净化槽等污染控制技术。各项技术在工程中的实施效果比现有技术水平均有较大幅度的提升。
课题组还开发了湿地恢复、堤岸生态修复、水体多元生态构建、人工增氧造流、底泥消化抑制剂、水体透析等水体净化与修复技术。“该类技术可以有效控制河水黑臭、能够适用于不同条件及要求的水体修复。”刘翔说。
同时，课题组还研究出了城市垃圾分散收集和封闭管理的实用技术，开发了垃圾渗滤液的收集和快速处理技术。总有机负荷去除达90%以上，氨氮和总磷也得到了较好的控制，大幅度降低了城市面源产生的污染物浓度和负荷总量，为后续面源控制与管理创造了有力条件。
万顷绿波惠民生
随着紧锣密鼓的治理，京城的河湖水系正变得越来越洁净，越来越靓，越来越宜人。
刘翔告诉记者，课题组在北京市实施应用工程6项，先后在中关村环保科技园和海淀区东埠头沟开展了城市面源污染控制与雨水再利用、再生水品质提升与河道生态修复等工程示范，在海淀、怀柔、大兴、通州等地的温榆河、凉水河、雁栖湖和稻香湖等小流域综合整治与水环境改善工程中得到推广应用。
其中应用了“旋流—快滤”“渗透性堤岸过滤”“功能型人工湿地”“水动力调控”“多元生态构建”等7项核心技术，整治河道100公里，修复水体600公顷。工程实施后城市面源污染得到有效控制、水体消除黑臭现象、水质得到显著改善，为实现首都“三环碧水绕京城、十区清川映新城、万顷绿波惠民生”的水环境整治总体目标，特别是北京市上游地区—海淀山后地区和怀柔区的水环境改善提供了强有力的技术支撑，取得了显著的社会效益和环境效益。
据了解，海淀北部新区水环境改善技术集成与示范工程实现面源负荷削减30%—50%，河道水质由地表水劣Ⅴ类提升至基本满足IV类标准。稻香湖再生水厂靠近翠湖湿地，是海淀北部的“生态绿心”，经深度处理和湿地处理的再生水作为景观补水就近回用。雁栖湖位于北京郊区怀柔城北，承担开展包括APEC峰会在内的许多大型活动及旅游业，项目恢复上游湿地，污染物总量削减30％—70％。
这项成果不仅仅造福北京一方，还在全国各个地区，如常州、南宁、沈阳等城市得到了推广应用，取得了显著的经济效益、环境效益和社会效益，也为我国城市面源污染治理和景观水体修复提供了成套技术方案和工程实践经验。
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