京津合作示范區初期雨水治理方案

張 超

(上海市政工程設計研究總院〈集團〉有限公司天津分公司，天津 300202)

1 工程概況

京津合作示范區作為天津未來科技城的重要組成部分，是未來科技城中唯一的現代服務業功能組團，為整個未來科技城提供商務、辦公、研發、健康、教育、娛樂、居住等綜合性服務。因此，高標準建設京津合作示范區市政基礎設施配套工程至關重要，要充分吸收國內外相關建設項目的經驗和教訓，以人為本，堅持可持續發展戰略方針，為未來科技城社會經濟發展提供有利保障。

城市初期雨水在降雨初期溶解了空氣中的大量酸性氣體、汽車尾氣、工廠廢氣等污染性氣體，降落地面后，又由于沖刷屋面、道路、管渠中沉積的污染物、泥沙及垃圾等，雨水中含有大量的有機物、病原體、重金屬、油脂、懸浮固體等污染物質[1]。因此，初期雨水的污染程度較高，初期雨水甚至超過了普通城市污水的污染程度。

京津合作示范區起步區河流水質近期目標為地表V類水；遠期目標為在周邊水源水質改善且達標的前提下，河流水質目標達地表IV類，應采取有效措施保證區域內地表水系環境的質量。地表徑流是水系的主要污染源之一，特別是初期雨水的污染。如初期雨水直排河道，將對水系水環境質量產生一定影響。考慮在海綿設施的空間布局中，將源頭控制、中途削減與末端治理相結合，串聯源頭低影響開發措施、中途削減措施以及末端集中雨水處理措施控制雨水進入河道。地塊內雨水可以通過源頭海綿城市是進行削減，但很多道路上沒有空間進行源頭海綿城市設計，初期雨水直接排入管道，且道路上的雨水污染程度相對較高，管網末端雨水治理是初雨治理的必要手段。針對上述問題，提出不同區域管網末端初期雨水的管控措施，保證京津合作示范區水環境的質量。

2 治理范圍

京津合作示范區東至潮白新河右堤，南至濱海西外環，西至永定新河左堤，北至清河農場北邊界，總規劃面積為38.07 km2。

排水體制為雨、污分流制。本著減少提升泵站，節省電耗，降低排水設施運行及維護管理費用的原則，根據雨水排水出路的不同，并盡量結合地形、水系布置等實際情況，將京津合作示范區雨水分為自排區域和強排區域。雨水系統分區如圖1所示。

(1)雨水自排區域

示范區內規劃有多條景觀水系，充分結合各水系特點，為減少雨水泵站規模、數量，降低日后運行維護管理費用，臨近水域的地塊以及臨水綠地采用雨水重力自流進入水系。示范區共分為6個自排區，37個雨水自排口。

(2)雨水強排區域

示范區內其他陸域屬于雨水泵站強排區域。結合區域內水系位置、用地性質、路網布局以及分期建設情況，泵站強排區域共分為7個雨水泵站管網系統，各系統內雨水均由雨水泵站提升后就近外排至周邊水系。

圖1 雨水系統分區圖Fig.1 System Partition Diagram of Rainwater

3 初期雨水水量

確定城市初期雨水水量控制指標是個復雜的過程，相關因數很多，目前仍沒有一個完整的體系，工程上常用降雨截留量計算。降雨截流量的大小直接決定受保護水體的水質情況，也是決定工程造價高低的基本因素。截留的量越大，受納水體的水質保證率就越高，工程造價也就越大。

《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)(2016版)結合我國實際情況規定分流制系統調蓄初期雨水調蓄量可取4～8 mm[2]。《天津市海綿城市建設技術導則》結合天津市實際情況要求用于分流制排水系統徑流污染控制時，調蓄深度宜不小于8 mm[3]。考慮京津合作示范區為新建區域，在雨污分流、海綿城市建設及綠色生態城市建設等較高標準建設背景下，通過加強徑流污染源頭控制措施，可有效控制初期雨水量，其徑流污染也相對較輕，同時結合工程造價及上述的降雨水質特征分析結果，確定京津合作示范區初期雨水控制標準為6 mm，區域綜合徑流系數取0.5。各區雨水排放系統的初期雨水規模確定如表1、表2所示。

表1 自排區初期雨水規模表Tab.1 Initial Rainwater Capacity in Self-Draining Area

表2 強排區初期雨水規模表Tab.2 Initial Rainwater Capacity in Pump-Draining Area

4 綜合水質

《天津市海綿城市建設技術導則》規定徑流雨水水質應以實測值為準，無實測資料時可參照導則規定取值。本區是新建區域，并未進行雨水水質的實際檢測，故雨水水質根據導則內雨水水質指標、區域用地性質、綠化率等參數，通過加權平均計算，京津合作示范區初期雨水水質指標確定結果如表3所示。

表3 徑流雨水綜合水質指標值Tab.3 Comprehensive Water Quality Index of Runoff Rainwater

由表3可知，徑流雨水中污染物指標均值全部超出地表IV類水水質標準，初期雨水污染物含量理論上會更高，直接排入水系，會對水質產生很大的威脅。其中，SS、CODCr含量較高，其他指標相對較低，初期雨水中應重點控制的指標為SS、CODCr，且SS指標與其他指標有一定的相關性，其他指標隨SS的降低會相應降低。

5 初期雨水處理方案

5.1 自排區初期雨水處理方案

自排區排口的特點是流量小、位置分散，初期雨水集中收集處理較為困難。考慮到沿河規劃有綠帶，推薦采用海綿城市的手段，設置人工濕地，將人工濕地作為雨水入河的緩沖帶，凈化雨水水質，較少污染物排河。京津合作示范區自排口共有37個，每個排口相應配置人工濕地。

降雨初期由于地表或管道徑流對污染物的沖刷和輸送，導致初期徑流中的泥沙明顯較高。雨水進入人工濕地之前設置水力顆粒分離器或旋流分離器等設施，將雨水中的泥沙截流下來，降低泥沙對人工濕地土壤的阻塞[4]。

采用表面流人工濕地，雨水經過排放口后先進入濕地前置塘，前置塘深度和寬度均大于排放口尺寸；流水均勻地經過濕地土壤層，在水生植物及其共生菌的共同作用下，雨水得到凈化，最終排至河道內。此外，結合人工濕地的布置可有效避免河道淤泥淤積排放口情況的發生。人工濕地水力負荷按照0.3 m3/(m2·d)，水力停留時間按照2 d考慮，處理單元長寬比為2∶1，所需濕地的長度為20～75 m不等[5]，河道周邊綠化帶寬度≥50 m的區域可考慮設置排口濕地。經過人工濕地處理后，初期雨水出水水質SS、CODCr、BOD5、TN指標分別為100、48、12、1.8 mg/L。濕地植物可選擇菖蒲、燈芯草等挺水植物，浮萍、睡蓮等浮水植物[5]。工藝流程如圖2所示。

圖2 自排區工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart of Self-Draining Area

5.2 強排區初期雨水處理方案

京津合作示范區強排區域共設置7座雨水泵站，雨水收集較為集中，水量較大，初期雨水收集采用在末端截流治理的方案。

針對示范區強排區初雨特點，分別對比了末端調蓄方案、人工濕地方案、雨水就地處理方案。區域規劃中并未單獨對調蓄池進行用地劃分，為節約土地資源，末端調蓄池可與雨水泵站合建，在不增加占地條件下解決初期雨水徑流污染控制問題。調蓄池管理運行方便，節省土建成本。初期雨水放空至污水管，最終進入污水處理廠處理，水質有保證。人工濕地可使雨水自然處理，成本較低，但處理效果不穩定，占地面積大，示范區規劃河道周邊綠地面積偏小，很難達到處理效果。雨水就地處理可采用高效沉淀池或磁絮凝等設施，對雨水中SS指標有很好的去除，其他指標也有一定的去除率。但需增加處理設施建設用地，間歇式運行，設備管理難度大。處理指標為SS，水質保證率相對較低，產生的污泥需有效處理處置，需配備污泥處理裝置，對城市環境影響大。綜合考慮各方面因素，確定采用末端調蓄方案治理強排區初期雨水。區域初雨調蓄量取6 mm，徑流系數取0.5，安全系數為1.1，計算調蓄池規模如表4所示。

表4 調蓄池規模Tab.4 Capacity of Detention Tank

初期雨水首先進入調蓄池，待調蓄池達到設計液位后，關閉進水閘門，雨水開始進入泵站，通過水泵排入河道。調蓄池內儲存的雨水通過水泵放空至附近污水管，隨污水最終進入污水處理廠處理。示范區污水處理廠設計規模為8萬m3/d，污水處理廠總變化系數為1.315，污水廠最大處理能力可達10.52萬m3/d，可接納初期雨水量為2.52萬m3/d，污水廠初雨進水流量為1 050 m3/h。經過京津合作示范區再生水廠的處理，達到地表準IV類水后，排入河道。本方案是在不改變現有規劃框架條件下最具可行性的實施方案。初雨治理工藝流程如圖3所示。

圖3 強排區工藝流程圖Fig.3 Process Flow Chart of Pump-Draining Area

6 成本效益分析

6.1 成本分析

本區域初期雨水治理方案總投資為25 928.01萬元，其中工程費用為21 103.90萬元，工程建設其他費因為2 467.01萬元，基本預備費為2 357.09萬元。自排區工程費用為3 089.50萬元，強排區工程費用為18 014.40萬元。自排區采用人工濕地自然處理工藝，基本無運行費用。強排區調蓄池運行費用主要是電費和設備維護費，每年的降雨場次決定了調蓄池的運行次數，運行費用較低。

6.2 環境效益

由于初期雨水治理工程為城市基礎設施項目，以服務于社會為主要目的，它是改善環境的必要條件，對國民經濟的貢獻主要表現為外部效果，所產生的效益大部分則表現為難以用貨幣量化的環境效益和社會效益。因此，應從系統觀點出發，與人民生活水準的提高和健康條件的改善，與工業農業生產的加速發展等宏觀效益結合在一起來評價。

根據天津市典型年降雨量分析，全年形成徑流的降雨有43場，總降雨量為776.10 mm。其中，未超過12 mm的降雨有27場，總降雨量為98.6 mm，超過12 mm的有16場，總降雨量為677.5 mm。根據調蓄總量以及初期雨水進、出水水質，計算自排區、強排區年污染負荷消減量，如表5所示。

表5 污染物負荷消減量 (單位：t/a)Tab.5 Reduction of Pollutant Load (Unit:t/a)

7 結論

(1)初期雨水污染物含量高，直接排放水體，將引起城市水體黑臭，應采取措施進行治理。京津合作示范區初期雨水治理方式因地制宜，自排區采用人工濕地凈化模式，強排區采用調蓄池收集、污水廠處理模式，體現方案合理性和可行性的原則。

(2)初期雨水治理工程的建設將有效地保證水環境質量，保證地區的可持續發展，為居民提供更好的生活環境，收獲良好的環境效益、社會效益。