1 项目背景

随着城市快速发展，我国水环境恶化日益严重，城市黑臭水体治理迫在眉睫。2015年国务院发布“水十条”，提出明确的治理目标：到2020年，地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内，到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除^[1]。

2016年，河南省商丘市中心城区9条水系基本为黑臭水体，形势十分严峻。简单地对排水口进行封堵不能从根本上解决问题，而且会带来供水安全、工程地质安全、城市内涝、地下水污染等问题。因此，迫切需要编制黑臭水体治理规划，深入分析问题成因，提出系统解决方案，以指导商丘市黑臭水体治理工作，实现水环境的长制久清^[2,3]。

2017年，项目组编制了商丘市黑臭水体治理规划。规划范围为商丘市总体规划确定的中心城区，面积约390km²；研究范围为总规确定的城市规划区，面积约3 930km²。规划期限为2016～2035年，现状年为2016年，近期为2020年，远期为2035年^[3]。

商丘中心城区拥有“九河两湖”，分属涡河和浍河2个天然水系及人工开挖水系，河流全长137km。其中，康林河、忠民河、古宋河、蔡河属于涡河水系；包河、东沙河、万堤河属于浍河水系，运河、中水河属于人工开挖水系。中心城区地势平坦，坡降为1/5 000～1/7 000，各水系基本为平行相间分布，随地势自西北流向东南。

随着商丘城市和经济发展，中心城区内河水系水环境严重恶化。根据2017年1月商丘中心城区33个监测断面氨氮监测值进行判别，黑臭水体达82%，且重度黑臭达64%，黑臭水体治理形势严峻。

商丘中心城区现状排水体制为合流制与分流制并存。合流制区域主要集中在老城区，面积约33km²。新建城区以分流制为主。

2016年，商丘中心城区共有6座污水处理厂，总规模32.5万m³/d，分别为第一、第三、运河（第四）、第五、第六及第七污水处理厂。中心城区污水排放量45万m³/d，污水处理厂处理能力严重不足，尤其是承担老城区污水处理的第一污水处理厂长期超负荷运行，其分区内大多管网长期处于满管承压状态，大多检查井内水位居高不下，部分有污水外溢的风险。

现状合流制管网多数建于20世纪90年代，主要为混凝土砖券式，总长约150km，其中仅16%的管道排水能力满足1年一遇^[4,5]。现状分流制污水管总长419.5km，分流制雨水管299km。现状截污干管总长102.3km，古宋河、东沙河等全线缺失截污干管。

根据现状排水口调查，商丘中心城区共有排口787个。其中，合流制排口116个，污水排口605个，雨水排口66个。主要为污水排口，占了全部排口的77%。蔡河、忠民河的排口占了全部的一半以上。

(1）污水处理厂处理能力不足，厂网建设不匹配，截污干管敷设不全，大量污水直接排河，加之偷排漏排，严重污染河道。

(2）管网错混接严重，居住小区分流制比例低，合流制分流改造不彻底，旱流污水与合流制溢流污染严重影响水质。

(3）水体流动性差，河道自净能力低，水闸启闭不合理，河道淤塞阻隔，底泥污染严重。

(4）降雨径流污染缺乏控制，加之管道沉积物进入河道，污染水体，并形成新的底泥污染。

(5）部分河岸私搭乱建违章建筑，随意堆放甚至向河道倾倒杂物和生活垃圾，加剧了水体污染。

(6）硬质护岸盛行，蓝线绿线被侵占，切断了水分和养分的自然交换过程，严重破坏生境，导致生物多样性降低，水生态功能退化。

根据商丘的实际情况及相关部门的要求，并与当地政府部门沟通确认，将商丘中心城区水环境治理的规划目标确定为：2020年完全消除黑臭水体，2035年水系水质总体达到地表水Ⅳ类。

商丘黑臭水体治理规划提出了“综合整治，流域治理，分类施策；系统规划，精准模拟，精细分析；控源截污，活水扩容，生态修复”的治理原则：

(1）治理思路上，在全流域范围内对商丘中心城区的黑臭水体进行综合的整治，上下游统筹协调，共同治理黑臭水体。并根据各条河流不同的断面特性、水文特征、功能定位等条件，因地制宜地为各条河流制定有针对性的治理措施。

(2）规划方法上，进行全面系统的规划，力求达到水系统的整体最优。采用稳态模型与动态模型相结合的策略，在宏观上运用稳态模型进行整体框算，在微观上运用动态模型对规划方案进行细致精准的动态模拟，对规划效果进行精细化的分析。

(3）治理手段上，将控源截污作为治理黑臭水体的根本措施，活水扩容作为重要的辅助手段，生态修复作为重要的治理措施。

商丘市黑臭水体治理策略如图1所示，从水量、水质和水生态3个方面入手，进行综合治理。水质是核心，水量和水生态是辅助与补充。核心是通过控制各类污染源来提升水质：对生活污水、生产废水等点污染源，由污水处理厂集中处理，并经再生水厂和人工湿地进一步提升尾水水质；通过提高管网覆盖率、提升管网质量，减少河水倒灌与地下水入渗，提高污水收集率和污染削减率。对降雨径流污染，及点源与面源混合产生的合流制溢流污染（CSO），采用灰色基础设施与绿色基础设施相结合、集中处理与分散处理相结合的策略。同时，通过水量的补充与水生态的修复，促进水环境改善：通过补充河道生态水量，提高河道流动性，增强河道自净能力，增加环境容量；通过岸线生态整治与河道生态修复，改善水系的水生态。

黑臭水体治理规划的技术路线与整体框架如图2所示。首先，确定治理目标。其次，对商丘中心城区的水系、水环境质量及排水系统等现状分析评估，剖析水环境污染成因。然后，估算水环境容量，提出污染源削减要求。基于现状分析，并根据黑臭水体的治理目标与环境容量约束，确定黑臭水体治理与保持水环境长制久清的长远规划方案，以及黑臭水体治理的近期应急方案。

“黑臭在水里，根源在岸上，关键在排口，核心在管网”^[6]，控源截污工程为治理黑臭水体的根本措施，包括排水体制、分区设施、管网、合流制溢流污染控制、径流污染控制和污泥处理处置6部分内容。

水系综合整治包括河道生态治理和河道补水。其中河道生态治理包括生态岸线、生态修复、人工湿地和内源控制。河道补水包括确定补水的水源、路线和设施，以及进行闸坝调控。

针对商丘市在治理黑臭水体过程中实施的排水口封堵带来的一些问题和隐患，提出不同情景下的应急方案，以减轻各类负面影响。

为进行定量分析与精准模拟，构建了仿真决策支持模型，宏观与微观、稳态与动态相结合，既能支撑长远规划方案的确定，又能为制定近期应急措施提供科学的决策依据。

根据商丘市总体规划，远期完全实现雨污分流。因此，枯水期只有污水处理厂尾水排放的点污染源；在丰水期，污水处理厂尾水水质已满足环境容量要求，只需考虑降雨径流污染的影响。基于以上分析，商丘中心城区枯水期环境容量计算采用点源的一维河流稳态模型，最不利条件为90%保证率流量。丰水期环境容量计算采用面源的一维河流稳态模型，计算条件为年径流总量控制率80%，即降雨量31.2mm。对各条河流分别计算枯水期和丰水期的环境容量。

经计算，枯水期商丘中心城区各河流的总环境容量为COD 24 164kg/d，氨氮1 208kg/d，总磷235kg/d。各污水处理厂尾水水质至少要达到准Ⅴ类水体水质标准，部分河段要接近准Ⅳ类。降雨径流污染需削减的比例为COD 40%～50%、氨氮70%～80%、总磷50%～60%。

基于SWMM模型开发了商丘CSO控制模型，对中心城区所有合流制片区及相关的分流制片区共约40km²进行模拟，共825个节点与832个管段。

模型在CSO控制方案与近期应急措施制订中发挥了重要作用。尤其在规划之初，模型通过对污水处理厂前水位的精准分析与模拟，准确模拟出检查井水位及管网承压状态，指出污水处理厂处理能力不足是大量检查井水位居高不下的根本原因，解决了当地管理部门的困惑，并指出其导致的管网长期承压将产生极大的爆管风险，从而为制订近期应急措施及长期规划方案指明了方向，奠定了基础。

根据环境容量计算结果要求，规划一部分尾水进入再生水厂，达到准Ⅴ类水标准后回用于工业、浇洒，或作为生态用水排入河道。另一部分尾水进入人工湿地处理，出水水质达到准Ⅳ类水标准，排入河道补充生态用水。这一整体的处理技术路线解决了全部点源，以及部分面源和合流制溢流污染的处理问题，满足了尾水排放的水质要求。

根据商丘的实际情况，规划提出加快污水处理厂建设，以补齐污水处理缺口。商丘市总体规划要求远期将污水处理厂合并为4座，取消位于上游的第五污水处理厂和中游的第一污水处理厂，总规模达到80万m³/d。该方案虽能满足远期污水处理要求，但需将污水与再生水在上下游之间来回输送，增加了电力成本和经济成本。本规划根据地形地势、规划用地、污水处理厂现状等，并结合再生水回用、河道补水需求，提出中心城区近期保留第五污水处理厂和第一污水处理厂，仍为6座污水处理厂，并将总规模增加到65.5万m³/d，以满足近期的污水处理需求。这就解决了河道再生水补水的问题，并能减少补水的电力消耗，实现节能减排的环境效益、社会效益与经济效益的多赢局面。通过增加近期建设方案，使近远期有效结合，提高了规划的弹性，增强了规划的可实施性。

商丘市总体规划要求中心城区全部实行分流制。但合流制分流改造难度大、任务艰巨，是一项长期的系统工程。本规划提出按排水分区逐步有序地进行改造，以实现近远期两种排水体制的顺畅衔接。

规划对合流制区域分批次、分区域进行改造，突出重点，减少难点。近期合流制改造区域的选择遵循以下原则：(1)改造难度、改造工程量相对较小；(2)人口密度相对较小；(3)分流制已具备一定基础；(4)为完整的排水分区且污染贡献率相对较大。

对于合流制管道的改造，规划将满足1年一遇的改为雨水管道，敷设新的污水管道。对不满足1年一遇的管道，在近期只对属于积水路段的管道进行排水能力提升，可减少工程量约70%，降低改造的经济成本和社会成本，提高改造的可实施性。

在合流制改造过程中，不但要对市政道路进行雨污分流改造，还应加强沿线小区的雨污分流改造。原合流制溢流口所承接的市政、小区管网实现完全雨污分流后，雨水口再接入分流制截流干管或直接排河。截污干管全线所承接的区域全部彻底完成合流制改造后，封堵该截污干管沿线的各溢流口，原合流制沿河截污干管改为污水主干管。

规划在近期全部完成商丘中心城区河流沿岸的截污干管建设，规划共建设截污干管77.5km，优先建设沿蔡河、忠民河、古宋河、运河的截污干管。

加强沿河污水直排的封堵与截流工作。先在重要的合流制排口、雨水口安装可启闭的阀门，减少晴天的河水倒灌及错混接污水直排，在大雨时根据情势适时开启，缓解城市内涝。同时，加快加强雨污错混接排查改造，先期封堵的合流制排口、雨水口在其承接片区的错混接改造完成后，为减少内涝风险与河水倒灌，根据排口高程确定方案：完全打开或安装可启闭的阀门。

合流制分流改造将持续多年，在实现彻底分流前应重点做好合流制溢流污染控制。本文重点探讨建设合流制调蓄池与LID设施，减少降雨径流以减少溢流污染，并对合流制溢流污水进行调蓄。

根据商丘中心城区合流制区域不同地块的面积、建筑密度、绿地率，以及海绵城市规划的绿色屋顶率、透水铺装率、下沉式绿地率等指标，计算得到3种LID设施的规划工程量：绿色屋顶15.3万m²，透水铺装131.9万m²，下沉式绿地164.8万m²。

用商丘CSO控制模型模拟1年一遇2h降雨，统计各溢流点的溢流量。溢流量大于5万m³的2处，2万～5万m³的7处，1万～2万m³的11处，这些为CSO控制的关键点。在此基础上，结合工程建设条件，初步选定适合建设调蓄池的位置。然后通过模型的逐步优化计算，最终确定在包河、运河、蔡河、万堤河建设调蓄池12个，总容积10万m³。

用模型分别模拟10 mm、21.8 mm、44.3 mm单场降雨，及平水年全年情景下，规划的合流制调蓄池、LID设施及其组合对CSO及内涝的控制效果。单场降雨的模拟结果如图3所示。模拟结果表明：

(1）调蓄池和LID对CSO都有较好的控制效果，且均表现为降雨量越小效果越明显。低强度降雨，调蓄池显著优于LID；高强度降雨，LID略优于调蓄池；中等降雨强度，两者效果接近。

(2）调蓄池加LID的组合措施优于单项措施，对中低强度降雨的CSO控制效果良好，可削减70%～90%的溢流污染；对高强度降雨的CSO控制能起到一定的效果，可削减约40%的溢流污染。同时，还能削减中高强度降雨50%的内涝量和内涝污染，对城市内涝也能起一定的控制效果。

(3）调蓄池加LID的组合措施，能将平水年全年的溢流次数从接近40次控制在20次以内，溢流污染削减接近50%，实现对CSO的有效控制。

根据源头减排、过程控制和末端治理相结合的原则，对径流污染进行控制。

(1）源头减排：在落实年径流总量控制率目标的同时控制径流污染，全年可削减径流污染物（以SS计）40%以上。同时加强地面清扫、错接管道改造、汛前雨水管道清洗、整治泔水乱倒等管理措施。

(2）过程控制：完善雨水口截污挂篮的设置，因地制宜地运用植草沟、渗排一体化设施，加强径流输送过程中的面源污染控制。规划在重点河段采取截流式分流制，并选择康林河的陇海南路到北外环路段先期试点示范，规划截流管道全长8.3km，以期取得示范经验后进行推广。

(3）末端治理：在雨水管道末端采用湿塘、生物滞留带、旋流分离装置等，进一步强化对径流污染的控制。根据河道两岸绿地规划布局及雨水排放口位置，规划在雨水排放口附近绿地内建设湿塘34处，总面积14.6hm²，控制径流厚度4.2mm，有效水深1～1.5m。规划在自然生态岸线、复合生态岸线且雨水分区面积大于80hm²的雨水排放口处建设生物滞留带74处，每处面积约40m²。近期在中心城区布置7处旋流分离器进行试点，对溢流污染进行初步处理，削减溢流口约20%～30%的溢流污染。

生态岸线建设与沿岸地块的低影响开发相结合，形成地块—陆域绿带—生态护岸—河道相耦合的雨水控制和净化系统，从源头削减降雨径流污染。规划2020年商丘中心城区河道生态岸线比例不低于80%,2030年不低于90%。9条河共规划了21种典型断面形式，可分为3类建设形式：

(1）自然生态岸线：在城郊段以自然缓坡入水，并沿岸建设大型植被缓冲带，保持自然堤岸特性。在城区段除自然岸线外，还应建设下沉式绿地、植草沟、透水路面等LID设施。

(2）人工生态岸线：在常水位以下砌筑挡墙，重点考虑稳定性需求，常水位以上模拟自然岸线形式。可采用的设计方法有石笼网箱、植物生态护坡等。

(3）功能复合型岸线：考虑人的活动需求，区段内部分岸线（比例不宜超过全段的20%）可建设为硬质护岸形式。可采用的设计方法有杉木桩、石笼挡墙等，并沿河道建亲水道路、亲水平台。

在近期建设中，部分河段两岸用地拓展空间较小，如无旧城更新或拆迁计划，难以对岸线进行根本性改变，需考虑现有条件下岸线的生态化改造。规划近期通过合理的竖向高程设计，以退台式设计等手法，打造小尺度空间下的人工生态岸线。

清淤厚度是清淤工程需要确定的重要参数。根据太湖竺山湾底泥环保疏浚的污泥分层理论与实践^[7]，规划将商丘市底泥中污染物含量较高的氧化层和污染层疏浚掉。结合每条河的水质污染及污泥分层实际情况，合理确定相应的清淤深度，各河道为1～1.8 m。根据各河道的河长、河宽及清淤深度，估算各河道需要疏浚的淤泥量，总计298万m³。

根据各河道的不同特性，采取不同清淤方式。如运河、包河等水量相对较大的河道，可采用环保生态船方法；在河道较窄的水域，如康林河、蔡河、东沙河等，则采用干河冲淤或生态清淤平台。河道清淤产生的底泥，应安全运往指定地点，进行脱水并卫生填埋，避免运输和处理处置过程中产生二次污染。

规划在商丘中心城区建设人工湿地共13处，分为湿地公园和河道湿地两类。湿地公园兼顾雨水净化和调蓄功能，形成人文与自然景观兼具的复合空间，使滨河绿化体系得到更有效的开发利用。河道湿地对河道水和用于补水的再生水进行深度净化，在河道水域通过建设面流植被过滤带、功能湿地等手段，以雨洪花园、河道漫滩的形式，提升水质并提供生态开敞空间廊道，及增加滞洪面。

人工湿地的选址主要在河岸附近具备建设条件的大型公园、绿地等，河道再生水补水点处及主要水系出城边界处的生态绿地等。

通过对引黄水、引涡水、再生水和雨水的水量、水质及功能定位的全面分析，规划将水量、水质相对稳定的再生水作为城市水系的主要补水水源，雨水为补充水源，引黄水、引涡水为应急备用水源。规划2035年主城区再生水总规模55万m³/d，河道再生水补水量为37.7万m³/d。

规划不搞跨流域调水和引水冲污，而是通过再生水补水实现自体循环，并通过再生水厂的合理布局和人工湿地的水质提升，减少补水转输的能耗。再生水补水管道以点对点的方式，沿景观水系敷设自再生水厂至补水点的输水管道，并尽量利用总规中的再生水管道，以降低工程造价及施工难度。

经计算，当无闸坝时，在枯水期上游来水极少、主要依靠再生水补给的情况下，商丘中心城区的河道只能维持0.2～0.3 m的水深，流速为0.15～0.25m/s，换水周期为1～2d。同等条件下，当设置闸坝后，将水深从0.7m逐步增加到3m时，换水周期将从7d逐步增加到34d（如表1所示）。

闸坝具有控制水面高程、丰富城市水景观，便于河道截水清淤和清理维护等优点，但也存在不少负面作用：闸坝对河道造成人为阻隔，不利于生物在上下游之间自由行动，导致河道生态系统碎片化；当闸坝壅水过高时，增加水体换水周期，坝前局部水域换水困难，影响河道水质。针对商丘中心城区闸坝众多的特点，制订如下的闸坝调控方案：

(1）由于再生水量相对不大，建议用闸坝蓄水的平均水深保持在0.7～1m（坝前水深为1.2～1.5m），使换水周期控制在1周左右，以保持较好的水质。

(2）对于无显著景观需求的河道，应逐步打开闸坝，以增加河道水系的连通性与流动性，提高水生态系统的完整性。

(3）当预报有较强降雨时，应提前打开闸门，降低拦水坝高度，预降河道水位，以防止强降雨时河道水位过高，影响城市排涝，造成城市内涝积水。

经过2年治理，商丘中心城区的水体水质有了明显改善。用2017年1月～2018年12月35个监测断面的氨氮数据进行判别，黑臭水体比例从80%以上降至10%左右（如图4所示），商丘中心城区已初步消除黑臭水体。

但是，商丘中心城区仍存在着雨天水体黑臭反弹的问题。错混接还未消除，雨水口还未全部打开。下一步要继续按规划推进黑臭水体治理，标本兼治，使水环境持续改善，实现长制久清。

黑臭水体的治理是一项长期而复杂的系统工程，应坚持“控源截污、活水扩容、生态修复”的策略，在全流域范围内进行综合整治，分类施策。

商丘市黑臭水体治理规划将控源截污作为治理黑臭水体的根本措施，从补齐污水处理能力缺口入手，搞好管网提质增效，加强错混接改造，做好合流制溢流污染控制。规划提出将再生水作为主水源进行生态补水，实现自体循环，不搞跨流域调水，不搞大水面、深水体。规划将生态修复作为重要的治理措施，通过岸线的生态整治，应用河道生态修复技术，改善水环境。规划具有以下特点：

(1）近期和远期结合。规划将远期目标和近期实际结合起来，提高规划的可实施性。如排水体制上将远期的完全雨污分流与近期的合流制改造相结合，以及污水处理厂、生态岸线的近远期结合等。

(2）灰色和绿色结合。将污水处理厂与人工湿地结合起来处理污水，将调蓄池与LID设施结合起来控制CSO，让自然做功，使黑臭水体治理事半功倍。

(3）水量与水质结合。将合流制溢流污染控制与城市内涝治理相结合，减少降雨径流的同时减少了溢流污染，改善水质的同时也减轻了内涝；通过河道补水增加水量，实现水质的改善；生态岸线在满足防洪排涝的同时也削减了径流污染。

(4）功能与空间结合。在污水处理厂、再生水厂空间布局时，充分考虑再生水回用的功能需求。补水点选址考虑需重点补充水量、改善水质的位置。

(5）共性与个性结合。所有河流坚持共同的治理原则和策略，同时又根据各河流各自的特性，采取有针对性的措施，如生态岸线采用不同的断面形式，底泥清淤采用不同的方式等。

(6）动态与稳态结合。在宏观上运用稳态模型进行整体的框算，在微观上运用动态模型对规划方案进行细致模拟。