第1章 黑臭水体概述
1.1 河流与城市
大自然孕育了河流，河流又哺育了城市，自古以来，城市的兴起与繁华都和河流的繁衍有着鱼水相依的不解之缘。河流是人类文明起源的摇篮，是连结水圈、生物圈、岩石圈的重要纽带，又是现代城市发展的载体。它除了提供人类饮用水外，还具有工农业生产、航运、排水、纳污、景观等多种功能。世界上淡水资源十分有限，地球上水的总量为14亿km3，其中97.3%是海水，淡水所占比例不足3%，而且大部分以两极的冰盖、冰河和深度在750m以上的地下水形式存在，与人类生活*密切的河水所占比例更低，而且时空分配不均。因此，以河流为主体的淡水资源是人类生存与社会发展不可或缺的物质条件。千百年来，虽说历史变迁，人物更替，但城市与河流一般都能和谐相处，相敬如宾。随着工业时代来临，城市化水平的不断提高带来了新的问题，如地表的下垫面产流状态变化、河流水质下降、区域内洪水的重现频率增加、生态环境改变以及水生生物减少等。城市化的快速发展带来的一系列水环境问题，不仅给人们的日常生活造成了影响，还制约了我国城市化发展进程[1]。
1.2 城市化对河流的影响
城市化对河流的影响主要包括对河流结构、水文生态条件、水质以及生态多样性等方面的影响。
1.2.1 城市化对河流结构的影响
河流具有时间、垂直（河川径流—地下水）、纵向（上游—下游）和横向（河床—洪泛平原）四维结构。城市化从不同方面对河流结构进行了改变，从而影响其四维结构的变化，导致河流生态系统功能损害，表现在如下三个方面：一是由城市扩展而造成的河流面积减少，特别是与河流相连接的湿地面积减少与洪泛平原消失；二是河流整治中构建的各种水利结构对河流床体结构的破坏；三是流域尺度上发生的景观结构、类型的变化。
城市化过程中土地需求不断增加，城市管理者和建筑者为了获得更多的空间，加大了对河流的利用和开发。河流空间被道路、市街、商业区、住宅区等挤占，特别是小型的自然溪沟被填埋，暗渠化或者原河流具有的自然缓坡河岸带被硬化为垂直堤岸，造成河流面积下降，这是城市化过程中存在的主要问题之一，也是对河流系统影响*为严重的一个方面。城市化对河流的另一个重要影响是在河流整治过程中，河流本体结构发生了明显变化。人们为了获取更多的空间和更容易控制河流，构建了众多水利设施来维护河道稳定以及控制水文动态，原有的、自然的、不规则的河道变成具有规则形状的人工河道。这些工程设施包括河流护坡硬化、河道硬化和河坝工程几个方面，在保护社会经济方面发挥了作用，但使河流原有生境丧失，生物多样性降低。
自然河道通常具有透水性，通过向地下渗透有效的补偿地下水，保障了地下水资源的持续利用。硬质护岸的构建使得其对非点源污染的拦截与降解功能丧失殆尽，造成河流污染状况加重；从生态角度来看，硬质护岸隔绝了水域与陆域生态系统的联系，造成河流生态系统与非河流生态系统相互绝缘，致使河、湖生态系统遭到孤立，不利于河流生态系统对水体自净能力的发挥。
综上所述，有些城市的人工河流基本上不具备天然河流的生态功能，只具有排水功能，成为不折不扣的静水、死水和污水。因此在河流恢复过程中，各种近自然形态的工程、材料被逐渐广泛应用，这对于维持整个河流原有的生态功能起到了一定作用[2]。
1.2.2 城市化对河流水文生态条件的影响
城市水文生态问题是城市化过程中出现的人类与其生存环境之间关系不平衡的表现，主要表现为城市生存和发展的人居环境质量明显下降，水资源过度开发，造成城市地面沉降、地下水资源枯竭、江河断流、城市生活污水和生产废水大量排放，严重污染了天然淡水资源，加剧了可用水资源短缺，还对城市水体、土壤、大气及其他生态因子产生污染和破坏。城市人口的聚集作用，大容量、多流量、高密度、快运转特征使其在城市的发展过程中不可避免地对城市原有的水文生态条件产生深刻影响，形成诸如水文下垫面发生改变、资源短缺、土地功能转化、环境污染、地质灾害频发和社会问题突出等。
城市化中土地利用格局发生变化，造成植被覆盖度下降而硬化地面增加，降低流域对降雨的涵养能力，导致雨季洪峰和旱季河流干枯，并且洪峰时间短，流量大，而枯水期持续时间变长。同时，河流连通性的改变和河道、地下水之间连通性割裂也造成了夏季水位高、洪峰时间短，而冬春则出现过长的枯水期[3]。
1.2.3 城市化对河流水质的影响
城市的扩展也造成城区的地表水质日益恶化。城市化给人类带来了良好的生活和工作环境，但是由此产生的污染物也给城市水环境造成相当大的危害。随着城市的发展，人类活动强度加大，大量未经处理或处理不充分的废污水排入流经城市的河流，使河流水质恶化。
根据污染状况，河流污染主要包括点源污染、面源污染和内源污染。
1. 点源污染
城市河流的点源污染主要包括工业废水和城市生活污水污染，通常有固定的排污口集中排放。我国化工、炼焦、冶金、制药等行业迅速发展，产生了大量含有毒有害物质和有机污染物的工业废水。城市污水是各种废水的混合物，其主要来源于生活污水、城市排水系统、农村村镇排水系统以及第三产业排放。城市生活污水中含有大量的含磷洗涤剂、农药、化肥等，若将其直接排放到城市河流中，很容易造成水体富营养化，从而导致水华现象频繁出现。除此之外，城市污水中还含各种病原体，如病毒、细菌、寄生虫等，流入水体会传播各种疾病[1]。
2. 面源污染
城市河流的面源污染主要是以降雨引起的雨水径流的形式产生，径流中的污染物主要来自雨水对河流周边道路表面的沉积物、无植被覆盖裸露的地面、垃圾等的冲刷，污染物的含量取决于城市河流的地形、地貌、植被的覆盖程度和污染物的分布情况[4]。与点源污染相比，面源污染具有更大的不确定性且影响范围更广。由于面源污染面广、量大、不稳定，故难以找到污染物的确切排放点，不易对污染源进行监测，也不易控制。
3. 内源污染
城市河流内源污染是指河流底泥中的污染物向外释放造成水体污染及底泥污染而导致底栖生态系统破坏的现象。其形成与外源污染过量输入、河道内生物代谢及遗体沉降、大气沉降、降水等有关。内源污染物释放受水温、pH、溶解氧浓度、氧化还原电位、水体扰动、污染物形态及理化性质、底泥结构、微生物活动等多因素影响，对其控制相对较为困难。通常内源污染物可分为氮磷营养盐、重金属和难降解有机物三类[5]。
氮磷营养盐除部分被水生生物吸收和利用外，大部分储存于底泥中，并与水体氮磷保持动态平衡。当水体中氮磷浓度下降且环境条件适宜时，底泥中的氮磷营养盐会向水体释放，引起水体富营养化。另外，水体中过高浓度的氨氮（ ）还会在硝化细菌的作用下大量消耗水体中的溶解氧，导致鱼类和其他水生生物因缺氧而死亡，*终破坏水体生态系统。同时，厌氧状态还可触发或加速底泥中氮磷的释放，使水体中的氮磷进一步增加，加重富营养程度，增大水华暴发机会。水华一旦暴发会继续加剧水体厌氧状态，*终形成恶性循环[5]。
重金属是一类不被微生物降解、不易消除的累积性污染物，在适宜条件下可向水生生物、水体等迁移。多数重金属能抑制生物酶活性，破坏正常生化反应。有些重金属还能直接作用于神经系统、生殖系统、血液循环系统和身体各脏器，表现出急慢性中毒，严重时可危及生命，即使水体中重金属浓度相对较低，也可在藻类和底泥中积累以及被鱼和贝的体表吸附，并通过食物链浓缩，被人类误食而造成公害。
难降解有机物，如多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）、多氯联苯（polychlorinated biphenyls，PCBs）、有机氯农药和有机染料，在自然界中存在时间长，易在生物体内富集滞留，导致人类和动物癌变、畸变、突变及雌性化[5]。
因此，内源污染已经成为一个威胁人类及环境监控的全球性问题。
1.2.4 城市化对河流生态多样性的影响
城市化是导致水生生物群落物种丰度、多样性以及生物量降低的重要因素。在城市化进程中，流域土地利用变化和点源污染物排放所形成的环境压力（如河道结构变化、河岸植被退化、降雨径流增加以及水质恶化等）能够通过一系列的级联反应改变河流生境质量，并*终影响水生生物的群落结构与分布。
对于鱼类而言，城市化的发展不仅导致群落多样性和丰度降低，还增加了耐污种属和外来种属在群落中的比例。一方面，城市化的发展在增加了污染物排放的同时，也改变了河流原有的生境条件，对群落中的清洁种属具有毁灭性的伤害作用；另一方面，城市河道的疏浚与勾连增强了不同地域群落之间的流动性，导致大量的外来种属进入原有的生态系统中，并造成部分本地种属的消失。
对于底栖动物而言，城市化的发展对群落结构和生物量也具有显著负面影响。许多研究者在对比不同城市化水平下流域内的底栖动物群落后发现，随着城市化水平的不断提高，群落中的清洁种（蜉蝣目、襀翅目和毛翅目）种类数逐渐减少，并且在城市用地比例超过5%以后开始急剧降低；而群落中的耐污种（摇蚊科、寡毛纲等）种类数则逐渐增加，并且成为群落中的主要优势物种。同时，流域不透水地面面积与底栖动物生物指数之间的负相关关系也表明，城市化发展对群落物种丰度、多样性以及清洁种具有损害作用。
对于藻类而言，城市化的发展降低了群落分类单元数量和多样性，并导致群落向均质化方向发展。通常城市化的发展能够增加水体中的营养负荷，并且破坏河岸植被盖度，提高河流水温和光照强度，从而促进藻类生长和繁殖。但是另一方面，城市化初期造成的土壤侵蚀和泥沙输入量增加，导致河流中悬浮物含量上升，并对河床产生冲刷作用，极大地限制了藻类生物量累积；而且流域内降雨径流和工业废水中所含有的重金属离子也会影响部分藻类生长，并造成生物量降低。因此，城市化流域内水生生物群落通常表现为分类单元少且耐污种占优势地位，同时群落多样性较差并呈现区域种群均质化的趋势[6]。
1.3 黑臭水体的定义、危害、类型
1.3.1 黑臭水体的定义
水体黑臭是水体有机污染的一种极端现象，是对水体极端污染状态的一种描述。黑臭可以从外在视觉感官和内在形成机理两个方面解释。在视觉感官上，水体呈黑色或泛黑色，在嗅觉上会有刺激性气味，引起人们不愉快、恶心或厌恶的感觉。从形成机理上，水体发黑发臭主要是在缺氧或厌氧状况下，水体内有机污染物发生一系列物理、化学、生物作用的结果。
2015年《城市黑臭水体整治工作指南》将城市黑臭水体定义为：城市建成区内，呈现令人不悦的颜色和（或）散发令人不适气味的水体的统称。《城市黑臭水体整治工作指南》对黑臭水体的定义，一是明确范围为城市建成区内的水体，也就是居民身边的黑臭水体；二是从“黑”和“臭”两个方面界定，即呈现令人不悦的颜色和（或）散发令人不适气味的水体，以百姓的感观判断为主要依据[7]。
黑臭水体具有如下特点[8]：
（1）水体有机污染较严重，有的兼具明显的富营养化特征；水体中的溶解氧（dissolved oxygen，DO）含量较低，透明度较差，氨氮含量较高；沉积物具有较强还原性。
（2）颜色呈黑色或泛黑色，具有差或极差的感官体验。
（3）散发刺激气味，引起人们不愉快甚至厌恶的感觉。
（4）水体功能严重退化，水生生物不能生存甚至灭绝，食物链断裂，食物网破碎，生态系统结构严重失衡。
（5）致黑物质，包括吸附于悬浮颗粒的不溶性物质（Fe、Mn、S及FeS、MnS）、溶于水的带色有机化合物。
（6）致臭物质，包括甲硫醇（CH3SH）、硫化氢（H2S）和氨气（NH3）（厌氧菌产生）；土臭素（C12H22O）和2-甲基异茨醇（2-MIB，C11H20O）（好氧细菌产生）。
1.3.2 黑臭水体的危害
目前，黑臭已成为我国城市水环境普遍存在的问题之一。黑臭水体不仅影响城市水环境景观生态建设
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