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第 23 卷 第 4 期 中 国 水 运 Vol.23 No.4 2023 年 4 月 China Water Transport April 2023 收稿日期：2022-10-26 作者简介：冼彩红（1971-），广州市市政工程设计研究总院有限公司，给排水高级工程师。初雨处理和海绵城市在工程中的应用 冼彩红（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510060）摘 要：随着城市化发展不断加快，点源水污染的排放已得到有效控制，城市化的扩张带来建筑区不透水面积增加，致使相同降雨条件下，径流系数增大，非点源水污染的问题越来越突出，对城市排水和河道行洪构成巨大的压力。降雨径流污染来自分散的大面积土地，与区域的自然状况和降雨过程密切相关，把握城市雨水的水质变化规律，雨水非点源污染治理，城市雨水再利用研究可以有效控制城市水资源污染状况，文中通过降雨过程的监测，利用线性相关分析法，分析雨期分流制雨水管网的污染特征及其水质变化规律，结合吉林省延吉市低碳气候防御型健康城市发展项目，通过具体的工程项目在采用海绵城市、初雨处理等措施，采用 INFORWORD 进行工况预测和计算。对年径流总量控制、污染物削减等提供参考。关键词：城市径流；初雨处理；海绵城市；污染削减 中图分类号：TU992 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2023）04-0081-03 水资源作为兼备经济价值和使用价值的特殊资源，是自然资源中的一个重要组成部分，人类社会的发展不可或缺的重要伙伴，随着经济和社会的快速发展，对水资源的需求无论是质还是量方面都越来越高，水污染是造成水资源质量恶化的最主要的因素，污染造成的“水质性缺水”更是给许多沿海城市打上了“贫水”的标签1。城市雨水径流是一种典型的非电源污染，地面可溶解或者不可溶解的物质，在降水和径流冲刷的作用下，都会通过地表径流的过程汇入城市水体，从而引起水体污染。考虑径流污染物输送的随机性、偶然性、广泛性、污染负荷时空变化幅度大等特点，采用海绵城市理念，进行初雨处理，对径流污染控制进行研究2。一、研究现状 1初雨径流研究 国内外对于城市雨水径流的研究成果比较多，相对于中国研究的时间起步更早。根据相关文献资料显示，美国有60%的河流和 50%的湖泊污染来源都是与雨水径流的污染有关系，在污水二级处理的城市中，水体的 BOD 年度负荷量有 40%80%也是来自于雨水径流。1987 年，美国修订了国内的水污染防治法，专门对城市雨水径流污染进行管控，将污染排查的削弱体系囊括到对城市雨水径流污染在内的非点源污染防治 3。基于降雨径流污染研究中针对居民生活小区面源污染不多，生活小区人类活动频繁，在大城市生活层面具有代表性意义，分流制排水系统为大城市生活区的建设趋势，通过现有课题“珠江三角洲城市降雨径流污染过程研究”开展生活小区非点源污染研究，内容包括：（1）雨污分流制居民区雨排水管网径流水质特征；（2）雨污分流制居民区排水管网降雨径流污染随季节的变化规律；（3）雨污分流制居民区降雨的初始冲刷效应，雨水强度、季节与初雨水质的关系；（4）污染变化与径流过程关系研究。2研究结论 前期研究的主要的结论如下：（1）降雨径流污染物的平均浓度大部分超出国家地表水V 标准，主要污染物以总氮、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）为主，湿沉降中雨水里污染物总氮超标严重。（2）排水管网内雨水污染物浓度受降雨过程、雨强、管道汇流过程、地表累积物状况和管道内沉积物再悬浮等因素的综合影响。不同污染物在不同区域不同条件下呈现不同的污染特征。（3）居民区排水管污染物污染物浓度高峰大致都为上午89 点，以及下午 57 点的上下班，与居民上下班活动高峰期大体一致。（4）排水管网系统是降雨径流污染的重要影响因素。监测结果却显示 TN 大幅超标。造成这种现象的原因一是湿沉降来的氮浓度严重超标影响，另一个原因是排水系统监管不严，管理缺失，错接乱接现象严重，导致分流不彻底，雨水管中混入生活污水。（5）径流中大部分的污染物质是以颗粒吸附态存在的，根据污染物与流量良好的相关性、CODMn，NH3-N 和 TP 与SS 浓度的正相关性，通过对城市环境卫生进行清扫、对雨水径流截污、沉淀和过滤可以有效地控制污染物总量，降低分开处理成本。（6）TN、TP、NH3-N 存在初期冲刷效应。3初雨处理的建议 通过实验观测和总结，提出以下三点建议：（1）在中小雨条件下，居民区的雨水排水管网的水质污染物浓度较高，大部分超过 V 类水标准，在中小雨水的初期处理，以减少环境污染。82 中 国 水 运 第 23 卷 （2）要缓解降雨径流给城市内河水环境状况带来巨大压力，加强对现有排水系统的整治和管理，检查分流制系统的疏漏之处，同时增大城市绿化面积，重视对污水管道混接的清理，清扫街道，减少垃圾的堆放，控制大气污染，减少污染物的沉降。（3）雨水管的自排区排放口具有流量小、位置分散的特点，初期雨水集中收集处理对于城市管理者来说较为困难。对于雨水污染处理推荐采用海绵城市的特点进行处理，沿着河流规划绿化带，设置人工湿地区域，雨水进入河流前通过人工湿地区域进行缓冲，净化雨水，减少污染物排往河流中。二、工程实际案例 1项目背景 吉林省延吉市低碳气候防御型健康城市发展项目作为2019 年计划项目纳入亚洲开发银行（亚行）国家业务计划，项目拟从亚行普通资源来源获得 1.3 亿美金贷款，获批列入亚行技术援助便利（TA）（P51044-001），其中涉及给排水及海绵城市改造工程内容。结合径流污染的研究结论，在本项目中针对其中一个约2km2的生活区进行 a.源头减排 b.过程控制 c.末端处理。管网末端排口新建调蓄沉淀池及人工湿地，调蓄洪水并对初期降雨进行净化，减少对河涌的污染，研究水质变化、年径流总量控制率、提升内涝防治的变化。2源头减排 根据项目的现状进行小区的选择，将小区作为源头减排的重点改造对象，通过建筑立管将雨水和污水进行分流，屋面径流雨水采用专用的管道排放。小区的地面的径流雨水，通过新建的排水沟，进行汇集与传输，新建的排水沟设置截污处理，并且导入到绿化带中进行渗透、储存和调节等处理，不将雨水直排进管网。如果建筑小区不满足新建排水沟和绿化带的区域，则通过城市雨水管网引入到城市绿地和广场一类的低影响开发地方进行储存，滞留处理渗滤过后，再进行处理排放蒸发等 4。建筑与小区低影响开发雨水系统典型流程见图 1。图 1 建筑与小区低影响开发雨水系统典型流程示例 3过程控制 绿地对于城市道路径流雨水是一个重要的调节通道，道路两侧都设置有绿化带，城市建筑周围也会设置小区绿化，在绿地内让雨水渗透，缓慢的进入地下，可以大大的减少雨水中的污染物影响。城市道路低影响开发雨水系统典型流程见图 2。图 2 城市道路低影响开发雨水系统典型流程示例 4末端处理 雨水的末端是汇入一个雨水集中的地方，城市的绿地、城市广场等地区都是雨水汇集的末端，通过有组织的汇流，截污后预处理引入城市绿地进行渗透，然后储存并加以调节，之后引入低影响的开发设施，消化自身和周边流域汇集来的雨水。并且与城市的径流排放系统进行衔接，提高整个片区内的防内涝能力。城市绿地与广场低影响开发雨水系统典型流程见图 3。图 3 城市绿地与广场低影响开发雨水系统典型流程示例 5末端处理设施 初期雨水在沟渠末端接入新建沉淀调蓄池，沉淀后经泵房提升至生态滤池，经渗透净化最终排入外河涌。（1）调蓄池设计参数 分流制排水系统径流污染控制时，雨水调蓄沉淀池有效容积，按下式计算：V=10DF 式中：V调蓄池有效容积（m3）；D调蓄量（mm），按降雨量计，可取 48mm。考虑延吉市多年平均降水量仅为 479mm，降水量相对较低，本工程取 4mm；F汇水面积（hm2）；径流系数。根据延吉市海绵城市建设专项规划（20152030），光进沟收水范围属于河北综合区东南雨水分区，综合径流系数为 0.6；新兴沟收水范围属于河北综合区西北雨水分区，综合径流系数为 0.6；东兴沟收水范围属于北部新区东雨水分区，综合径流系数为 0.49。安全系数，可取 1.11.5。考虑空间有限，本工程安全系数采用 1.1。（2）人工湿地设计参数 1）人工湿地类型：采用水平潜流式雨水湿地。2）主要技术数据和设计参数如下：长宽比：宜为 3：1；表面水力负荷计算如下：第 4 期 冼彩红等：初雨处理和海绵城市在工程中的应用 83 qhs=Q/A 式中：qhs表面水力负荷，m3/m2d；Q人工湿地设计水量，m3/d；A人工湿地面积，m2。水平潜流式雨水湿地水力负荷：0.31.0（m3/m2d）；水力停留时间计算如下：t=V*/Q 式中：t水力停留的正常时间，本工程取 3d；V人工湿地基质在自然状态下的体积 m3；孔隙率，本工程取40%；Q人工湿地设计水量，m3/d。水平潜流式雨水湿地水力停留时间：13d。4）人工湿地水深 H=V/A 宜满足 0.41.6m 有效水深要求。（3）效果 年径流污染物消减率改造前后对比，城市径流污染物中，SS 往往与其他污染物指标具有一定的相关性，一般可采用 SS作为径流污染物控制指标，低影响开发雨水系统的年 SS 总量去除率一般可达到 40%60%，本工程海绵城市措施的污染物削减率为 60%。改造前后年径流总量控制率对比见表 1。表 1 改造前后年径流总量控制率对比表 光进沟 年径流总量控制率 污染物削减率 年径流污染物削减率 海绵改造前 31.64%60%18.98%海绵改造后 60.25%60%36.15%根据 延吉市海绵城市建设专项规划（20152030），光进沟年径流污染削减率（以 SS 计）目标为 30%，由此可见海绵改造后可达到原规划年径流污染削减率目标。（4）水力模型测计算 经过水力模拟，发现改造片区部分雨水管道转弯角度过小导致雨水过流能力严重下降。在三年一遇降雨工况下，雨水漫流至地面导致下游出现较严重水浸。经过校正和管道优化后水浸情况消失，雨水管道调整水浸状况前后对比见图 4。图 4 雨水管道调整水浸状况前后对比 综合采用渗滤、滞留、储蓄、净化、有组织的排放等多重技术，与低影响雨水开发系统衔接，综合考虑城市雨水管网系统，结合径流净化排放系统，形成海绵城市建筑区域。建筑小区海绵改造前后峰值流量及总径流量对比见图 5，海绵设施在子集水区面积占比与径流削减量关系见图 6。图 5 建筑小区海绵改造前后峰值流量及总径流量对比图 图 6 海绵设施在子集水区面积占比与径流削减量关系图 利用水力模型对管网进行优化之后，对集水范围的设计管道进行水力模拟，在二十年一遇降雨工况下，一处区域存在水浸，深度 6cm，持续时间 3h。水浸深度小于 15cm，未达到城镇内涝防治技术规范（GB51222-2017）的内涝判定数值，满足海绵城市内涝防治要求。图 7 20 年一遇降雨工况内涝图 四、结束语 文中在国内外的相关的研究背景下，结合现有研究课题的结论，对初雨处理和海绵城市对城市建筑小区径流污染的削弱影响进行分析，通过实际工程案例计算，结合数值模拟，与实际情况进行对比得出以下结论：（1）建筑小区径流排放管渠设计时，结合小区绿地、景观水体，设置生物滞留设施、渗水井和湿地系统等，对初雨污染物可以进行有效的截留；（2）融入海绵城市理论，加强应用透水式铺砖结构，扩大材料衔接的缝隙面积，采用渗透管（沟）作为排水系统，在市政道路设计中将雨水渗透系数作为指标之一，降低地表径流峰值与总量；（3）人工挖掘的浅凹绿地、小型人工湖和溪流景观可以作为生态雨水滞留带，通过植物、沙土的综合作用使雨水得到净化，人工湖泊、溪流景观对径流形成滞留作用，对径流流量和污染具有明显的削弱作用。参考文献 1 周林飞，郝利朋，孙中华.辽宁浑河流域不同土地类型地表径流和壤中流氮、磷流失特征J.生态环境学报，2011，20（4）：737-742.2 黎瑞.海绵城市理念在市政道路设计中的应用J.建筑工程技术与设计，2017，（10）：83-88.3 俞孔坚，李迪华，袁弘等.“海绵城市”理论与实践J.城市规划，2015，（6）：26-36.4 丁海昕，吴嘉晖.低影响开发理念在城市滨水景观规划中的应用示例J.苏州工艺美术职业技术学院学报，2016，（3）：15-20.