作者：贾海峰 等编著
出版社：化学工业出版社
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城市河流环境修复技术原理及实践试读：
前言
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1 绪论
城市河流是指流经城市，且其汇水区也主要在城市地区，并与城市融为一体（包括景观文化、生态环保、建筑艺术等方面）的中小型河流。城市河流作为河流流域的重要组成部分，受到自然和人类活动的双重影响，其总体上可分为三大类：自然河流、人工河流和受到人工干预的半自然河流。对于生态环境状况良好的自然河流，其结构形态主要表现在纵向的蜿蜒性、横向的断面多样性、河床的透水性；人工河流主要是为了行洪、排涝、供水、排水以及沟通水系而开挖的，河流形态设计的基本指导思想为有利于快速行洪和排水或有利于城市供水，因此与自然河流相比，其纵向一般顺直或折弯，横向断面形式也比较单一，主要为矩形或梯形，一般没有滩地，生态系统较为简单，水生动物和植物的人工化程度高，缺乏自然性和生物多样性；人工改造后的半自然河流，部分具有自然河流的生态特征，又能达到人类要求的快速行洪和排涝的目的，但在一定程度上降低了自然河流形态的多样性，生境的变化导致了水域生物多样性的降低，河流生态系统的健康和稳定性都受到不同程度的影响。
作为城市空间的一部分，城市河流具有自然和社会双重功能和特征。城市河流的自然功能和特征表现为：一方面通过不断的水循环及时空变化，对地区内生物活动状态、生态平衡、小气候变化、水资源再生和可持续利用产生影响；另一方面也对地区洪、涝、旱等自然灾害的形成产生相应的影响。城市河流是城市天然的生态廊道，河流与河滩、河岸植被一起，控制着水和其他有机物、无机物的流动和交换。城市河流也是动、植物在城市中重要的迁移路径，为鱼类、鸟类、昆虫、小型哺乳动物以及各种植物提供了生存环境和迁徙廊道。在河流流经的区域，生存于其中的物种也呈现出丰富的生物多样性。
城市河流的社会功能和特征主要是指河流在满足人的需求方面所表现出的能力，包括泄洪、排涝功能，水资源供给功能，游览休息、亲近自然的功能，改善城市形象的景观文化功能，探索自然奥妙的科研和教育功能等。
随着城市的迅速发展，城市人口急剧扩张，污染物排放量大幅增加，而很多城市的环境保护基础设施建设严重滞后，一些城市河流变为城市的排污沟，水质日趋恶化，严重影响了城市河流自然和社会功能的发挥，城市河流环境整治迫在眉睫。1.1 河流生态系统构成和功能
河流是汇集和接纳地表和地下径流的场所及连通上下游水体的通道。河流生态系统是陆地生态系统和水生生态系统间物质循环的主要连接通道，主要受到河流形态和河流水文条件、流域内土地覆被和利用状况等的影响。1.1.1 河流生态系统的组成
河流生态系统是指河流的生物群落与周围环境构成的统一整体，由河道水体（含河床）和河岸带两部分系统组成。河道水体生态系统主要由河床内的水生生物及其生境组成；河岸带生态系统主要由岸边的植物、迁徙的鸟群及其环境组成，是陆地生态系统和河流生态系统进行物质、能量、信息交换的过渡地带。河岸带作为河道水体运动的外边界条件，是河道稳定的关键地带。
河流生态系统组成主要包括非生物环境和生物环境两大部分。（1）非生物环境
非生物环境由能源、气候、基质和介质、物质代谢原料等因素组成，其中能源包括太阳能、水能；气候包括光照、温度、降水、风等；基质包括岩石、土壤及河床地质、地貌；介质包括水、空气；物质代谢原料包括参加物质循环的无机物质（C、N、P、CO、HO等）和22联系生物和非生物的有机化合物（蛋白质、脂肪、碳水化合物、腐殖质等）。这些非生物成分是河流生态系统中各种生物赖以生存的基础。（2）生物环境
生物环境由生产者、消费者和分解者所组成，三者构成了河流的生物群落的结构。其中生产者是能用简单的无机物制造有机物的自养生物，主要包括大型植物（漂浮植物、挺水植物、沉水植物等）、浮游植物、附着植物和某些细菌，它们通过光合作用制造初级产品碳水化合物，并进一步合成脂肪和蛋白质，维持自身活动；消费者是不能用无机物制造有机物质的生物，称异养生物，主要包括各类水禽、鱼类、浮游动物等水生或两栖动物，它们直接或间接地利用生产者所制造的有机物质，起着对初级生产物质的加工和再生产的作用；分解者皆为异养生物，又称还原者，主要指细菌、真菌、放线菌等微生物及原生动物等，它们把复杂的有机物质逐步分解为简单的无机物，并最终以无机物的形式还原到水环境中。
河流中的生物群落经由食物网紧密地联系在一起，食物网是指植物所固定的太阳光能量通过取食和被取食在生态系统中的传递关系。一般认为食物网越简单，生态系统就越脆弱，越易受到破坏。1.1.2 河流生态系统的功能
根据河流生态系统组成特点、结构特征和生态过程，河流生态系统的功能具体体现在水生生物栖息、调节局地气候、补给地下水、泄洪、雨洪调蓄、排水、输沙、景观、文化等多个方面。按照河流生态系统服务功能的不同分类，同时依据河流生态系统的组成特点、结构特征、生态过程和效用，并按照功能作用性质的不同，河流生态系统服务功能可归纳划分为调节支持功能、环境净化功能、提供产品功能及娱乐文化功能。（1）调节支持功能
河流系统的调节支持功能，一方面主要表现为河流生态系统对灾害的调节功能和生态支持功能；另一方面河流生态系统为河道及河岸的各种动植物提供了其生存所必需的淡水和栖息环境。
河流生态系统对灾害的调节功能主要体现在减缓洪涝和干旱、输移泥沙等方面。作为河流本身，即具有纳洪、行洪、排水、输沙功能。在洪涝季节，河流沿岸的洪泛区具有蓄洪能力，可自动调节水文过程，从而减缓水的流速，削减了洪峰，缓解洪水向陆地的袭击。而在干旱季节，河水可供灌溉。河流生态系统的生态支持功能具体体现在调节水文循环、调节气候、补给地下水、涵养水源等方面，对生态系统的稳定具有很好的支持功能。（2）环境净化功能
河流生态系统在一定程度上能够通过自然稀释、扩散、氧化等一系列物理和生物化学反应来净化由径流带入河道的污染物。河流生态系统中的各种植物、微生物能够吸附水中的悬浮颗粒和有机或无机化合物等营养物质，将水域中氮、磷等营养物质有选择地吸收、分解、同化或排出。水生动物可以对活的或死的有机体进行机械的或生物化学的切割和分解，然后把这些物质加以吸收、加工、利用或排出。这些生物在河流生态系统中进行新陈代谢的摄食、吸收、分解、组合，并随着氧化还原作用使化学元素进行种种分分合合，在不断的循环过程中，保证了各种物质在河流生态系统中的循环利用，有效地防止了物质的过分积累所形成的污染。一些有毒有害物质经过生物的吸收和降解后得以消除或减少，河道的水质因而得到维持。河岸植被还可减缓地表水流速，使水中的泥沙得以沉降，并使水中的各种有机的和无机的溶解物和悬浮物被截留，同时可将许多有毒有害的复合物分解转化为无害的甚至是有用的物质。（3）提供产品功能
河流生态系统中自养生物（高等植物和藻类等）通过光合作用，将二氧化碳、水和无机盐等合成为有机物质，并把太阳能转化为化学能储存在有机物质中，而异养生物对初级生产的物质进行取食加工和再生产而形成次级生产。河流生态系统通过这些初级生产和次级生产过程，生产了丰富的水生植物和水生动物产品。（4）娱乐文化功能
河道及河岸生态系统具有美学、艺术、文化、文体休闲等方面的价值，为城市居民提供独特的休闲、娱乐、文体活动的场所
河流生态系统景观独特，具有很好的休闲娱乐功能。河道森林、草地景观和河滩、湿地景观相结合，“高地—河岸—河面—水体”格局镶嵌，流水与河岸、鱼鸟与林草的动与静对照呼应，河谷急流、弯道险滩、沿岸柳摆、浅底鱼翔等景致构成河流景观的和谐与统一，给人们以视觉上的享受及精神上的美感体验。人们在闲暇节日进行休闲活动，如远足、露营、摄影等，有助于促进人们的身心健康，享受生命的美好，提高生活的质量。不同的河流生态系统深刻地影响着人们的美学倾向、艺术创造、感性认知和理性智慧。1.2 城市河流水环境现状及问题1.2.1 城市河流水环境现状
近年来随着经济的高速增长，我国江河水系也在经历西方发达国家走过的“先污染后治理”历程，如今污染越来越严重、生态越来越失衡。根据《2014年中国环境状况公报》，十大流域的国控断面水质监测结果表明，Ⅰ类水质断面占2.8%，Ⅱ类占36.9%，Ⅲ类占31.5%；Ⅳ类占15.0%；Ⅴ类占4.8%，劣Ⅴ类占9.0%。主要污染指标为化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD）和总磷（TP）。中小型河5流，特别是流经城市的河段，环境容量相对较小，污染负荷有较重，水质状况通常比江流干流更差。
即使在干流水质较好的长江中下游区域（包括太湖流域），城市河流的水质污染也很严重，比如地处长江下游太湖流域河网地区的苏州市，20世纪90年代以来，随着经济的快速发展，水质严重恶化，生态系统严重退化。2011年，苏州古城区及周边水系中，共有56条严重污染的河道，在这些重污染河道中，常年黑臭的20条，间隔性黑臭的14条，暂无明显黑臭但水质严重污染的22条。这些河道不但丧失了景观娱乐等使用功能，同时还因臭味污染等问题成为周边居民投诉的对象。
除了水体污染和水生态退化，很多城市水体被覆盖、填埋，致使水系面积严重萎缩。例如，苏州市的甪直镇，通过分析其1979年、2002年、2009年三个时间序列的河网分布图，发现河道数量由421条22减少到187条，水系面积由13.72km减少到4.61km。表征单位国土面积上河流面积、长度和数量的河网水面率、河网密度、河频率变化如表1-1所列。表1-1 甪直河网水系特征30年变化
甪直镇30年来水系形态特征变化主要体现在以下3个方面：a.河道裁弯取直，自然弯曲的河道被人为地改造为直线型河道；b.河道连通性降低，目前甪直的断头河（浜）数量较多，水系连通性较差，水动力状况下降；c.自然河道逐渐被人工或半人工河道取代，城镇建成区域河道多为水泥护岸，河道固化、渠化比重逐年增加。1.2.2 城市河流的主要问题
城市河流面临的环境生态问题主要有以下几方面。
①河道被建设用地侵占，水面萎缩，连通性降低。随着城镇化的发展，不少河道被填埋，河道长度缩短、宽度变窄，甚至完全消失；很多河道被截断，形成断头河（浜）或独立的水塘等，降低甚至失去连通性。
②河流形状单一，结构性硬化严重。早期城市河流整治主要目的是防洪和行洪。大规模的裁弯取直与河床硬化处理不仅减少了水面面积，也改变了原有河道的形态和走向，原有生物赖以生存的生境系统产生变异或完全消失。
③河流水环境恶化，水污染加剧。水资源过量利用和污染物的大量输入，再加上城市环保基础设施的滞后，致使入河污染负荷超过自净能力，河流污染日趋严重。
④河流生态系统严重破坏。河道硬化改变了城市河流的边界条件，阻断了水体、陆地、大气之间的物质、能量和信息交换，原有河流的生态系统运动功能逐渐丧失，成了单纯的过水通道，河流生态系统严重退化。
⑤河道自然景观严重丧失。受人类活动干扰，城市用地挤占河道，原有的河道空间变成了道路或其他建筑用地，河流自然景观逐渐消失。1.3 城市河流的污染源和污染物1.3.1 城市河流的污染源
城市河流的污染源是指造成城市水体污染的污染物发生源，通常指向水体排放的有害物质或对水环境产生有害影响的场所、设备和装置。根据污染物的来源可以将污染源分为两大类：自然污染源和人为污染源。自然污染源又可以分为生物类污染源（如各种病原菌或带菌体等）和非生物类污染源（如泥石流导致的水污染等）。人为污染源又可以分为生产性污染源（如工业污染源、农业污染源等）和生活污染源（如生活污水等）。工业、农业污染源比较复杂，可以根据各种方法进一步分类。根据研究或管理的需要，污染源还存在其他的分类方法，比如按照污染物种类可分为物理性、化学性和生物性污染源等。
根据污染源相对于水体的位置可以将其分为外源和内源。外源按照空间形态又分点污染源、线污染源和面污染源（简称点源、线源和面源，点源之外的线源、面源又称非点源）。内源是指水体内的污染源，通常包括河道底泥、水产养殖以及水体中水生动植物的排放和释放。最常用的污染源分类如图1-1所示。图1-1 水环境污染源谱系图
点源是指那些污染源的产生地点比较集中，以“点”的形式将污染物排放到环境中的污染源，例如工厂的污水排放、建有下水道系统的城市污水排放等；线源是指那些以“线”的形式向环境排放污染物的污染源，例如由径流造成的沿河岸边的污染物排放等；面污染源是指以“面”的形式向环境排放污染物的污染源，广大的森林、农田、没有下水道的农村和城镇都属于面污染源，它们在降水径流过程中产生的大量污染物都以“面”的形式进入水体。
在各类污染源中，人们最先关注的是点源，因为点源最为接近人们的日常生活，其环境污染效应又非常快速、直观和明显。在水环境受到污染的初期，点源通常是水污染的主要因素，也是能最早得到治理的污染源，并且点源治理的效果也最为明显的。随着点源治理的进展，水环境质量不断得以改善。当点源治理达到一定水平，人们发现水环境质量改善的速度就会逐渐减慢，甚至止步不前，即使加大点源治理的力度也收效甚小。这时，水污染的主要原因已经发生了转移，面源和内源的影响凸现了出来。据报道，即使在点源治理率和污水处理水平很高的美国，由于存在面源和内源污染，江河的水质达标率也大大低于人们的期望值。在日本和欧洲等水污染控制十分完善的国家和地区也有类似的情况。1.3.2 水体污染及危害
水体污染是指排入河流中的不同性质的污染物在数量上超过该物质在河流水体所能承受的纳污容量，从而导致水的物理、化学及微生物性质发生变坏，使河流生态系统和功能受到不同程度的破坏。从污染物来源看，河流水体污染通常包括物理性污染、无机物污染、有机物污染、病原微生物污染等。1.3.2.1 物理性污染及危害
水体的物理性污染是指水温、色度、臭味、悬浮物及泡沫等。这类污染易被人们感官所觉察，并使人们感官不悦。（1）水温
高温废水，如温度超过60°C的高温工业废水（直接冷却水），未经冷却直接排入河流水体后，使水温升高，物理性质发生变化，危害水生动、植物的繁殖与生长，称为水体的热污染。热污染造成的危害包括：
①水温升高，大气中的氧向水体传递的速率减慢，即水体复氧速率减慢；同时，水生生物的耗氧速率加快，加速水体中溶解氧的消耗，逐渐造成鱼类和水生生物的窒息死亡，使水质迅速恶化。
②水温升高导致水体中的化学反应速率加快，可引发水体物理化学性质（如电导率、溶解度、离子浓度和腐蚀性）的变化。
③使水体中的细菌繁殖加速，该水体如作为给水水源时，所需投加的混凝剂与消毒剂量将增加，造成处理成本升高。
④加速藻类的繁殖，加快水体的富营养化进程。
我国《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）规定人为造成的环境水温变化应限制在：周平均最大温升≤1℃，周平均最大温降≤2℃。（2）色度
城市污水，特别是有色工业废水，如印染、造纸、农药、焦化及有机化工废水等，排入水体后，使水体形成色度，引起人们的感官不悦。色度有表色与真色之分。由悬浮物（如泥沙、纸浆、纤维、焦油等）造成的色度称表色；由胶体物质与溶解物质（如染料、化学药剂、生物色素、无机盐等）形成的色度称真色，由于水体色度加深，使水体的透光性减弱，影响水生生物的光合作用，抑制其生长繁殖，妨碍水体的自净作用。
我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）规定，一级标准要求色度≤30倍；二级标准要求色度≤40倍。（3）固体物质污染
固体物质污染包括漂浮在水面上的固体垃圾、已经死亡的动、植物等固体废物以及悬浮固体（相对于固体废物而言的小颗粒固体悬浮物）和溶解固体。
城市河流的固体废物主要来源于人类生产和生活活动，如建筑垃圾、生活垃圾、工业垃圾等，也包括污水处理厂格栅渣和污泥等次生污染物，还包括来源于河道沿岸和河槽中的植物残体（枯枝、落叶等）和河槽内大量滋生的水葫芦、水花生等。大量固体废物或漂浮于城市河流水面上或堆积于河岸边及河槽中，不仅严重恶化城市河流景观（浊度增加、透光度减弱），还分解释放出有害物质和有毒气体，污染水体，甚至散发出恶臭，严重影响河道两岸居民正常生活，且造成河道淤塞，是城市河流的主要污染源之一。
水体受悬浮固体污染后，浊度增加、透明度减弱，产生的危害主要有：悬浮固体可能堵塞鱼鳃，导致鱼类窒息死亡，如纸浆造成的此类危害最为明显；悬浮固体中的可沉固体，还会沉积于河底，造成底泥积累与腐化，使水质恶化；悬浮固体还可作为污染载体，吸附其他污染物，随水流迁移污染。
水体受溶解固体污染后，使溶解性无机盐浓度增加，如作为给水水源，水味涩口，甚至引起腹泻，危害人体健康，故饮用水的溶解固体含量应不高于500mg/L。工业锅炉用水要求更加严格。农田灌溉用水，要求不宜超过1000mg/L，否则会引起土壤板结。《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）对悬浮物的最高允许排放浓度规定，一级标准（A）10mg/L；一级标准（B）20mg/L；二级标准30mg/L。1.3.2.2 无机物污染及危害（1）酸、碱及无机盐污染
工业废水的酸、碱，以及降雨淋洗受污染空气中的SO、NO所2x产生的酸雨，都会使水体受到酸、碱污染。酸、碱进入水体后，互相中和产生无机盐类。同时又会与水体存在的地表矿物质如石灰石、白云石、硅石以及游离二氧化碳发生中和反应，产生无机盐类，故水体的酸、碱污染往往伴随无机盐污染。
酸、碱污染可能使水体的pH值发生变化，微生物生长受到抑制，水体的自净能力受到影响。渔业水体的pH值不得低于6或高于9.2，超过此限值时鱼类的生殖率下降甚至死亡。
无机盐污染使水体硬度增加，造成的危害与前述溶解性固体相同。（2）氮、磷的污染
氮、磷属于植物营养物质，水体中过量的氮、磷等营养盐是水体发生富营养化的必要条件和重要原因之一。水体富营养化的危害包括以下几种。
①造成水体透明度降低，从而影响水中植物的光合作用，同时浮游生物的大量繁殖，会消耗水中大量的氧，使水中溶解氧严重不足。由于水面植物的光合作用，则可能造成局部表层溶解氧的过饱和。溶解氧过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物（主要是鱼类）有害。
②富营养化水体底层堆积的有机物质在厌氧条件下分解产生的有害气体，以及一些浮游生物产生的生物毒素也会伤害水生动物。
③富营养化水中含有亚硝酸盐和硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超标的水，会中毒致病等。
④水体富营养化，常导致水生生态系统紊乱，水生生物种类减少，生物多样性受到破坏。
此外，由于藻类带有明显的鱼腥味，从而影响饮用水水质，而某些藻类产生的毒素则会危害人类和动物的健康。（3）硫酸盐与硫化物污染
水体中的硫酸盐含量以S浓度表示。饮用水中含少量硫酸盐对人体无甚影响，浓度过高也会产生危害，在《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）中的“水质常规指标及限值”和《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的“集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值”都规定水中硫酸盐限值为250mg/L。
如果水体缺氧，则S在反硫化菌的作用下产生反硫化反应，当水体pH值低时，以HS形式存在为主（如pH<5，HS占总硫化物的222-98%）；当pH值高时，以S形式存在为主。HS浓度达0.5mg/L时即2有异臭。硫化物会使水色变黑。（4）重金属污染
水体重金属污染产生的毒性有如下特点：a.水体中不同种类重金属离子浓度在0.01～10mg/L之间，即可产生不同程度的毒性效应；b.重金属不能被微生物降解，反而可在微生物的作用下，转化为有机化合物，使毒性增加；c.水生生物从水体中摄取重金属并在体内大量积累，经过食物链进入人体，甚至通过遗传或母乳传给婴儿；d.重金属进入人体后，能与体内的蛋白质及酶等发生化学反应而使其失去活性，并可能在体内某些器官中积累，造成慢性中毒，这种积累的危害，有时需10～30年才显露出来。我国《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）、《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）、《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）等标准，都对重金属离子的浓度做严格的限制。通常水体中毒性较大重金属包括汞、镉、铬、铅，这也是我国《重金属污染综合防治“十二五”规划》中力求控制的4种重金属。1.3.2.3 有机物污染及危害
有机污染物是指进入并污染水环境的有机化合物。其来源主要为生活污水、畜禽废水及食品、造纸、化工、制革、印染等工业废水。有机污染物多数能在环境中被降解成简单无机物，其降解产物或对人类无害，或对人类有害。有些有机污染物具有长期残留性、生物累积性、半挥发性和高毒性，称为持久性有机污染物（POPs），如有机氯农药、多氯联苯等。
水体中有机污染物主要分为天然有机污染物和人工合成有机污染物。天然有机污染物主要为天然有机物（natural organic matter，NOM），包括腐殖质、微生物分泌物、溶解的植物组织和动物的尸体等。其中腐殖质在地表水中含量最高，是水体色度的主要成分，占有机物总量的60%～90%。人工合成有机物（synthetic organic compound，SOC）是指由现代化工业生产的各类有机合成物，包括化工、石油加工、制药、酿造、造纸等行业合成物及一些工业废弃物，以及农业生产中使用的杀虫剂、肥料等。
水体中有机污染物按被生物降解的难易程度，大致可分为三大类：第一类是可生物降解有机物；第二类是难生物降解有机物；第三类是不可生物降解有机物。前两类有机物的共同点是最终都可以被氧化成简单的二氧化碳和水等无机物；区别在于第一类有机物可被一般微生物氧化分解，而第二类有机物只能被氧化剂氧化分解，或者可被经驯化、筛选后的微生物氧化分解，这两类也称耗氧有机物。第三类有机物完全不可生物降解，这类有机物一般采用化学氧化法进行处理。
对于耗氧有机物，排入水体后，在有溶解氧的条件下，通过好氧微生物的作用，被降解为CO、HO，同时合成新细胞，消耗掉水体22的溶解氧。若排入的耗氧有机物量超过水体的环境容量时，则耗氧速度会超过水体的复氧速度，水体出现缺氧甚至无氧状态；在水体缺氧的条件下，由于厌氧微生物的作用，有机物被降解为CO、NH及23HS等有害有臭气体，使水体“黑臭”。2
水体中有机污染物成分非常复杂，难以一一测定。传统上常采用一些间接性指标反映水体中有机物的含量和污染状况，这些指标主要有：反映可生物降解有机污染物含量的生化需氧量（ biochemical oxygen demand，BOD），一般采用五日生化需氧量（以BOD表示）；5可较简易表示水中有机物含量的化学需氧量（chemical oxygen demand，简称COD）；可较全面地反映出水中有机物的污染程度的总有机碳（TOC）；水体中所有有机物被氧化（C、H、N、S等转化为CO，HO、NO和SO等）所消耗的总需氧量（TOD）。22221.3.2.4 病原微生物污染及危害
水中的微生物包括致病性微生物和非致病性微生物，能够引起疾病的微生物称致病性微生物（即病原微生物），包括细菌、病毒和原生动物等。水体中的病原微生物一般并不是水中原有的微生物，大部分是从外界环境污染而来，特别是人和其他温血动物的粪便污染。水中常见的病原微生物主要有志贺氏菌、沙门氏菌、大肠杆菌、小肠结炎耶尔森氏菌、霍乱弧菌、副溶血性弧菌等。
病原微生物污染的特点是数量多，分布广，存活时间长，繁殖速度快，随水流传播疾病。病原微生物入侵人体后，人体就成为了病原微生物的宿主，病原微生物能在宿主中进行生长繁殖、释放毒性物质等，最后会引起机体的感染。
水中的病原微生物是引起水传播疾病暴发的根源。与水有关的微生物感染疾病可分为饮水传播性疾病、洗水性疾病、水依赖性疾病和水相关性疾病。通过摄入被污染的水而被传染和传播的疾病被称为饮水传播性疾病，如流行性霍乱和伤寒。洗水性疾病是指那些与恶劣卫生条件和不适当的环境卫生相关的疾病，如缺少用于洗涤和淋浴的水，就很容易发生眼睛和皮肤类疾病，如结膜炎、砂眼及腹泻等。水依赖性疾病是由生活在水中或依赖水生存的病原体引起的疾病，如寄生性蠕虫（如血吸虫）和细菌（如军团菌等），它们分别导致血吸虫病和军团病。水相关性疾病是通过在水中繁殖（如传播疟疾的蚊子）或靠近水边生活（如传播丝虫病的苍蝇）的某些昆虫传播的疾病，如黄热病、登革热、丝虫病、疟疾和昏睡病等。1.4 国内外城市河流环境修复概况1.4.1 国外城市河流环境修复的历程
世界上许多发达国家或地区的河流，如英国的泰晤士河、欧洲的莱茵河、美国的特拉华河和波托马克河、日本的多摩川等都经历了河流水体污染的发生、发展、治理以及河流生态系统退化、修复的过程。这些过程都是随着经济的发展、公众环保意识的提高、污染治理技术的进步、环境管理措施的完善以及大量环保资金的投入逐步展开的。
在国外对城市河流修复的历程中，人们对城市河流功能的理解、河流管理理念也在不断发展，河流环境修复技术及体系也逐渐完善。在城市河流开发利用初期，也就是工业化时期，河流侧重的功能是防洪、供排水、渔业、运输等，城市河流的管理主要以“控制河流”为主。随着工业化进程的加快，污染物质产生量增加，人们开始侧重的河流功能增加了水质调节功能。人们的治污观念由“控制河流”转化为“人工调控”。该时期河流治理的特征为使河流系统人工化、物理化、结构简单化，河流整治侧重以人工措施治理工业及生活污染。随着人们认识的深化，人们对于河流的认识由简单的水文和物理系统转化为水文、生态环境、经济、社会文化的综合。人们认识到河流还具有历史文化载体、城市居民自然情感载体等功能，河流的治理的目标开始着眼于生态修复、环境治理、河流自然化并配以人文景观化。
美国等西方发达国家由于较早完成了工业化、城市化进程，河流管理已达到较高的水平，河流的治理已经摒弃经济高速发展时期所形成的人工改造河流的理念，河道的治理尊重河流系统的自然规律，注重河流自然生态和自然环境的恢复和保护，使河流的综合服务功能得到较充分的发挥。
美国在1948年、1972年分别颁布了《联邦水污染控制法》和《联邦水污染控制法案修正案》（即《清洁水法》），但相关环境及水资源政策仍过于强调水的化学性质，在很大程度上忽视了河流水资源的生态功能，其结果是水体达到了联邦要求的水质标准，而河流功能却未能得到有效恢复。鉴于以上的教训，20世纪80年代美国提出水资源的质量必须与其用途相联系，不仅要考虑化学指标，更要考虑生态指标、栖息地质量和生物多样性及完整性等。20世纪90年代后美国开始了更为广泛的河流恢复活动，将城市河流作为公众舒适性的一部分，并强调公众参与。与自然相协调的可持续的河流管理理念得以确立，其具有以下几个特点：a.管理的最终目的在于河流整体生态功能的恢复，而不是仅仅把重点放在污染源控制上；b.管理决策中除了考虑传统的污染因子之外，还考虑到大量的生态因子，例如栖息地保护、水温、泥沙以及河流流量等；c.从河流规划及相应项目筹划伊始，就强调多个政府部门、非政府组织、民间团体、企业和公众在河流管理上的协商与合作；d.重视河流管理信息情报的公开及分享。
在欧洲，工业革命前，泰晤士河、塞纳河、莱茵河等河流大多都水质良好，生态环境优美，是多种珍贵生物的天然栖息地。19世纪工业革命后，欧洲工业迅猛发展，城市人口急剧增加，许多城市河流水质遭到了严重破坏。到20世纪50年代，欧洲大部分水体的纳污能力接近或超过极限，水体失去了生命，逐渐变成了“死河”或“死湖”。从20世纪60年代开始，欧洲的许多国家开始系统地治理这些被污染的河流和湖泊。治理的总体目标是将污染的水体恢复到17世纪的水平，即可以达到饮用水水源的标准，使污染的河流和湖泊恢复生命，绝迹的代表性鱼类回归到水体中。污染的治理历程基本分成了初期的污染治理（20世纪60年代以前）、系统的污染源控制和治理（20世纪60～80年代）、污染水体的生态修复（20世纪80～90年代）和依据《水框架指令》的流域尺度的整体生态恢复（21世纪开始）的四个阶段。
日本水环境治理历程也走的是污染、治理和后期保护的道路。20世纪50～60年代，水环境污染事故频发，如震惊世界的水俣病事件。20世纪70年代日本开始关注水环境的治理和保护。1970年以达标排放为基础和核心的《水质污染防止法》颁布。至此，日本开始了以法律为依托，以技术为支撑，从整体上对河流、湖泊进行治理，目标是使得日本的河流、湖泊等水生态系统中水质得到恢复，创造与自然环境相协调、保障生物多样性和水生生物的生存与繁衍空间。污染的治理也基本分成了末端治理阶段（20世纪70年代以前），总量排放控制阶段（20世纪70年代初到90年代初），流域尺度的生态保护与恢复（21世纪开始）三个阶段。其中从20世纪80年代开始，河流管理者意识到快速城市化和工业化对城市河流水质、生态的损害，并认识到保护景观和生物多样性的重要性，恢复河流的环境特性显得越来越重要。之后对“多自然型河流治理法”进行了广泛研究，强调采用生态工程的方法治理河流环境、恢复水质、维护景观多样性和生物多样性。自20世纪90年代初日本开始实施“创造多自然型河川计划”，提倡凡有条件的河段应尽可能利用木桩、竹笼、卵石等天然材料来修建生态型河堤。1.4.2 我国城市河流环境修复进展
我国城市河流整治初期同样也以开发水资源、服务河道航运以及建设闸坝、堤防等为主，目标为提高抗灾能力和改善灌溉条件。比如在20世纪80年代以后，全国各大城市普遍开展大规模以工程措施为主、防洪排涝为目的的河道整治。这些措施虽然提高了河道的防洪排涝能力，但是对河流生态系统的自然特征造成破坏。20世纪末，国内认识到传统的防洪、水资源开发等活动导致河流的生态系统功能严重退化，开始了广泛吸收国外的思想和理念，逐步在河流管理中注重对城市河流生态的保护和恢复。
特别是我国从2006年开始启动水体污染控制与治理科技重大专项（以下简称水专项），六大主题中包括河流主题和城市水环境主题，其目标是针对我国河流水污染严峻的现状，选择不同地域、类型、污染成因和经济发展阶段分异特征的典型河流，创立符合不同水质目标和功能目标的河流修复和管理支撑技术体系，制定与我国不同区域经济水平和基本水质需求相适应的污染河流（段）水污染综合整治方案；重点突破一批点、面源污染负荷削减关键技术及集成技术，污染河流（段）治理与生态修复的集成技术，以及河流污染预防、控制、治理与修复的技术系统；选择具有典型性和代表性的河流开展工程示范。到2020年，通过分阶段、分重点实施，实现由河流水质功能达标向河流生态系统完整性过渡的国家河流污染防治战略目标。
水专项中已完成了一批具有代表性的城市河流修复的技术示范工程，例如：水乡城镇水环境整治技术研究与综合示范（2008ZX07313-006）课题中的水系结构优化和水动力调控示范工程、多级复合湿地示范工程、重污染河道污染控制与景观修复示范工程；北运河水系中游重污染河段水质改善技术研究与示范（2009ZX07209-004）中的河道型湿地构建技术示范工程、河道缓流区人工循环净化技术示范工程以及生态河道构建技术示范工程；北运河水系中游段生态治理关键技术与示范（2009ZX07209-005）课题中的龙道河生态治理技术综合集成示范工程以及河道内水生植物群落重建示范研究等。
2015年4月2日，国务院发布了《水污染防治行动计划》（简称水十条）。这是当前和今后一个时期内全国水污染防治工作的行动指南。行动计划的目标包括：a.到2020年，全国水环境质量得到阶段性改善，污染严重水体较大幅度减少，京津冀、长江三角洲、珠江三角洲等区域水生态环境状况有所好转；b.到2030年，力争全国水环境质量总体改善，水生态系统功能初步恢复；c.到21世纪中叶，生态环境质量全面改善，生态系统实现良性循环。其中有关城市河流的主要指标为：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（劣于Ⅴ类）的水体断面比例下降15%，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9月11日，住房城乡建设部会同环境保护部、水利部、农业部组织制定的《城市黑臭水体整治工作指南》正式发布，它是国家层面首个包括排查、识别、整治、效果评估与考核在内的城市黑臭水体整治指导性文件，其主要内容包括总则、城市黑臭水体定义、识别与分级、城市黑臭水体整治方案编制、城市黑臭水体整治技术、城市黑臭水体整治效果评估、组织实施与政策保障。指南中要求，2020年底前，地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内；2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除。
综上所述，国外对城市河流的认识不断深化，从一开始的“控制河流”“人工调控”到“人河共存共荣”治河理念的认识，人们认识到河道治理应该尊重河流系统的自然规律；注重河流自然生态和自然环境的恢复和保护，使河流的综合服务功能得到较充分的发挥。我国在未来的城市河流修复与管理实践中，应吸纳国外城市河流修复和管理的理论与技术，结合我国自身城市河流修复的成果和经验，根据各地区自身经济状况和河流特征，进行相适应的合理有效的城市河流修复。参考文献
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要实现城市河流的环境修复目标，最重要的前提为削减超过河流允许纳污量的外源污染负荷，同时要保障河流生态水量以维持河流自净能力，最终实现健康河流生态系统的恢复和重构。因此在城市河流环境修复理论基础方面，本书重点介绍支持外源污染负荷削减的水环境容量理论，支持河流生态水量配置的河流生态需水理论，以及支持河流生态系统恢复和重构的河流生态健康理论。
在上述理论介绍的基础上，围绕外源污染负荷的削减、河流内污染物的去除和自净能力的提升，以及河流健康生态系统的恢复与重构等提出了城市河流环境修复的技术体系、适用技术的筛选方法。2.1 城市河流环境修复的理论基础2.1.1 水环境容量理论
污染物进入河流后，经由水体中发生的物理作用、化学反应、生物吸收和微生物降解等，可以实现污染物的自然净化。水体的这种自净能力使其具备了一定的水环境容量。水环境容量是由水环境系统结构决定的，是表征水环境系统的一个客观属性，是水环境系统与外界物质输送、能量交换、信息反馈的能力和自我调节能力的表现。在实践中，水环境容量是水环境目标管理的基本依据，是水环境保护的主要约束条件。（1）基本概念
水环境容量是在满足水环境质量目标的条件下，水体所能接纳的最大允许污染物负荷量，又称水体纳污能力。在《全国水环境容量核定技术指南》中的定义为：在给定水域范围和水文条件，规定排污方式和水质目标的前提下，单位时间内该水域最大允许纳污量，称作水环境容量。水环境容量的确定是水污染物削减的依据。
河流的水环境容量可用函数关系表达为：W=f（C，CN，x，Q，q，t） （2-1）0
式中 W——水环境容量，用污染物浓度乘以水量表示，也可用污染物总量表示；
C——河水中污染物的原有浓度，mg/L；0
CN——水环境质量目标，mg/L；
x，Q，q，t——距离、河流流量、排放污水的流量和时间。（2）分类
根据不同的应用机制，水环境容量可分为如下几类（图2-1）：图2-1 水环境容量分类图
①按水环境目标可分为自然环境容量和管理环境容量。两者都是将水体的允许纳污量作为水环境容量的，只是前者以污染物在水体中的基准值为水质目标，后者则以污染物在水体中的标准值为水质目标。很明显，管理环境容量不仅反映出了水体的自然属性，而且还反映出人为的约束条件和社会因素的影响。
②按污染物性质可分为可降解有机物水环境容量、难降解有机物水环境容量和重金属水环境容量。可降解有机物也就是耗氧有机物，由于其本身可以在水体中被氧化，所以有着较大的环境容量；难降解有机物和重金属类污染物属于保守性污染物，它们在水体中很难被分解或根本不能被分解，所以要慎重利用该类污染物的水环境容量。
③按照污染物降解机理，水环境容量可划分为稀释容量和自净容量两部分。稀释容量是指在给定水域的来水污染物浓度低于水质目标时，依靠稀释作用达到水质目标所能承纳的污染物量。自净容量是指由于沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用，给定水域达到水质目标所能自净的污染物量。
④按容量的可再生性分为可更新容量和不可再新容量。前者指的就是上面所提到的水体对污染物的降解自净容量或无害化容量，可以永续利用，但是如果对它超负荷利用，同样可以造成水环境的污染。而不可更新容量则是指水体对不可降解或只能微量降解的污染物所具有的容量，对于这样的容量，应该给予足够的保护，使污染物在其源头得到控制。（3）影响要素
影响水域水环境容量的要素很多，概括起来主要有以下4个方面。
①水域特性。水域特性是确定水环境容量的基础，主要包括：几何特征（岸边形状、水底地形、水深或体积）；水文特征（流量、流速、降雨、径流等）；化学性质（pH值，硬度等）；物理自净能力（挥发、扩散、稀释、沉降、吸附）；化学自净能力（氧化、水解等）；生物降解（光合作用、呼吸作用）。
②环境功能要求。各类水域一般都划分了水环境功能区，不同的水环境功能区对应着不同的水质功能要求。水质要求高的水域，水环境容量小；水质要求低的水域，水环境容量大。
③污染物质。不同污染物本身具有不同的物理化学特性和生物反应规律，不同类型的污染物对水生生物和人体健康的影响程度不同。因此，不同的污染物具有不同的环境容量，但具有一定的相互联系和影响。
④排放口位置与排污方式。水域的环境容量与污染物的排放位置与排放方式有关。一般来说，在其他条件相同的情况下，集中排放的环境容量比分散排放小，瞬时排放比连续排放的环境容量小，岸边排放比河心排放的环境容量小。因此，限定的排污方式是确定环境容量的一个重要确定因素。（4）水环境容量计算
水环境容量是由水环境系统结构决定的，表征水环境系统的一个客观属性，为了计算水体的环境容量，研究人员提出了很多水环境容量计算模型。
①河流水环境容量模型 污染物进入水体以后，存在3种主要的运动形态：随环境介质的推流迁移、污染物质点的分散以及污染物的转化与衰减。
如果将所研究的河流环境看成一个存在边界的单元，V代表单元的容积；Q、C代表从上游流入该单元的流量和污染物浓度；q、C001代表由侧向进入该单元的流量和污染物浓度；C代表单元中经过各种反应过程以后的污染物浓度；Q代表从该单元输出的介质流量。由质量平衡可以写出完全混合模型：
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