水環(huán)境治理項(xiàng)目的雨水控制方案
——以坪山河為例

（中建水務(wù)環(huán)保有限公司 北京 100038）

目前水環(huán)境治理項(xiàng)目的主要模式為 “政府主導(dǎo)、市場(chǎng)激勵(lì)、社會(huì)參與”。根據(jù)2008—2018年水資源公報(bào)數(shù)據(jù)（圖1和圖2）[1]，無(wú)論從河流長(zhǎng)度還是斷面數(shù)量進(jìn)行判斷，我國(guó)水環(huán)境總體向好，但很多水體仍存在不同程度的污染，水環(huán)境保護(hù)形勢(shì)依然嚴(yán)峻。水環(huán)境治理是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，在國(guó)家大力開(kāi)展生態(tài)文明建設(shè)，滿足人民日益增長(zhǎng)的對(duì)優(yōu)美生態(tài)環(huán)境需求的背景下，水環(huán)境綜合治理市場(chǎng)潛力巨大[2]。目前很多水環(huán)境治理項(xiàng)目，點(diǎn)源污染控制相對(duì)較好，非點(diǎn)源污染治理難度較大[3]。雨水徑流與非點(diǎn)源污染有一定相關(guān)性[4-6]，科學(xué)利用雨洪資源，對(duì)增加生態(tài)用水、改善水環(huán)境有重要意義[7]。因此，雨水控制是制約治理效果的重要因素之一。目前尚缺乏針對(duì)水環(huán)境治理項(xiàng)目雨水控制的綜合研究，有待進(jìn)一步驗(yàn)證雨水控制對(duì)工程效果的影響。

1 雨水控制概述

伴隨城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城市內(nèi)澇頻發(fā)，降雨帶來(lái)的防洪排澇問(wèn)題引發(fā)較高關(guān)注。降雨溶解了空氣中的污染性氣體，同時(shí)，雨水徑流沖刷不同類(lèi)型下墊面和管道沉積物，使得徑流中污染物濃度偏高。雨水徑流帶來(lái)的非點(diǎn)源污染在雨季短時(shí)段內(nèi)會(huì)對(duì)城市水體造成沖擊性影響，嚴(yán)重制約水環(huán)境質(zhì)量的改善[8]。洪澇控制、雨水徑流污染控制以及雨水資源利用等都屬于雨水控制的范疇，彼此密切相關(guān)，通常通過(guò)綜合性的技術(shù)與管理措施組合實(shí)現(xiàn)多種目標(biāo)。總體而言，根據(jù)控制原理，對(duì)雨水的控制一般分為水量控制和水質(zhì)控制[9]。常用的雨水控制措施主要包括源的控制、過(guò)程控制和末端控制三方面。

調(diào)蓄是雨水控制中重要手段之一，調(diào)蓄池分為調(diào)節(jié) （滯留）和儲(chǔ)蓄（截流）兩類(lèi)，前者主要針對(duì)水量控制，對(duì)重現(xiàn)期較大暴雨事件調(diào)節(jié)洪峰流量，后者主要針對(duì)水質(zhì)控制，對(duì)重現(xiàn)期較小的降雨事件控制徑流污染[10]。在城市合流制及分流制排水系統(tǒng)中，常在排水系統(tǒng)的末端設(shè)置調(diào)蓄池控制雨水徑流污染[11]，在土地利用條件受限時(shí)，采用分散設(shè)置雨水調(diào)節(jié)池的方式[12]。管網(wǎng)系統(tǒng)的分流改造也是應(yīng)用廣泛的技術(shù)措施之一，僅在適宜區(qū)域進(jìn)行局部改造，納入總體方案，盡可能減少雨水徑流對(duì)合流制管網(wǎng)系統(tǒng)的影響[13]。得益于海綿城市建設(shè)工作的推進(jìn)，著眼于源頭分散式雨洪控制措施的低影響開(kāi)發(fā)（Low Impact Development，LID）技術(shù)配合調(diào)蓄設(shè)施建設(shè)和管網(wǎng)改造，逐漸成為控制雨水徑流污染的主要方式，有效地結(jié)合了綠色基礎(chǔ)設(shè)施和灰色設(shè)施建設(shè)[14]。

2 研究區(qū)域概況

坪山河位于深圳市東北部坪山區(qū)，發(fā)源于梅沙尖，干流從西南至東北縱貫新區(qū)全境，河道全長(zhǎng)13.5 km，深圳市境內(nèi)流域面積129.4 km2。坪山河屬于南方雨源型城市河流，雨量豐富，匯流時(shí)間短，調(diào)蓄能力差，水環(huán)境容量小[15]。若不對(duì)雨水進(jìn)行控制，水質(zhì)難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)[16]。

2.1 上洋交接斷面水質(zhì)情況分析

以氨氮和總磷為例，坪山河上洋交接斷面水質(zhì)目標(biāo)要求2018年氨氮指標(biāo)達(dá)Ⅴ類(lèi)，總磷指標(biāo)達(dá)Ⅳ類(lèi)，2020年氨氮和總磷指標(biāo)均優(yōu)于Ⅳ類(lèi)。從2015年1—9月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，總磷和氨氮大部分時(shí)間水質(zhì)為劣Ⅴ類(lèi)，距離水質(zhì)目標(biāo)要求有較大的差距。隨著點(diǎn)源的截污納管率升高，總體污染負(fù)荷降低，豐水期雨水沖刷攜帶的非點(diǎn)源的比例在總污染負(fù)荷中變高，逐漸顯示為豐水期水質(zhì)劣于枯水期的現(xiàn)象。

2.2 主要問(wèn)題分析

雨污分流不徹底，初期雨水?dāng)y帶非點(diǎn)源污染物入河。干流區(qū)間合流制雨水管/渠長(zhǎng)度55.01 km，分流制雨水管/渠長(zhǎng)度159.6 km。干流區(qū)間管渠總長(zhǎng)度214.61 km，合流制管渠長(zhǎng)度占總管渠長(zhǎng)度的25.63%左右。支流三洲田水、碧嶺水、湯坑水、赤坳區(qū)間合流制雨水管/渠總長(zhǎng)度50.44 km，分流制雨水管/渠長(zhǎng)度44.14 km，4條支流區(qū)間管渠總長(zhǎng)度94.58 km，合流制管渠長(zhǎng)度占總管渠長(zhǎng)度的53.33%左右。坪山河流域支流基本情況統(tǒng)計(jì)表如表1。

表1 坪山河流域支流基本情況統(tǒng)計(jì)表

支管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)不完善。片區(qū)內(nèi)配套污水支管網(wǎng)及接駁建設(shè)嚴(yán)重滯后，亂接亂排現(xiàn)象普遍，污水收集率嚴(yán)重不足，直排入河造成支流污染嚴(yán)重。截至2019年5月，只有6條支流采取了截留等工程措施，僅對(duì)坪山河干流進(jìn)行整治。若支流水質(zhì)超標(biāo)嚴(yán)重，匯入干流，將對(duì)干流上洋交接斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)有較大影響。另外，排水管網(wǎng)投資主體眾多，缺乏有效銜接，未能充分發(fā)揮應(yīng)有效益。

雨洪資源利用不充分。坪山河流域位于深圳東部海岸山系北麓，山地分布廣泛，具有良好的生態(tài)控制區(qū)（占坪山河流域面積的60%），植被良好，水源涵養(yǎng)能力強(qiáng)。雨季有豐富且清潔的山洪資源。通過(guò)分析，進(jìn)入污水處理廠的生態(tài)控制區(qū)基流量為2.5～5.0萬(wàn)m3/d，大部分支流均為總口截污，由于基流的匯入，山洪水與建成區(qū)河道受污染的污水混流匯入污水廠，導(dǎo)致污水廠處理大量清潔基流，污水處理廠效益低。各支流生態(tài)控制區(qū)基流量統(tǒng)計(jì)分析表如表2。

3 雨水控制方案

3.1 總體方案布局

對(duì)于雨水控制，主要遵循“上蓄、中疏、下排，兩岸分治”的思路，遵循海綿城市建設(shè)的理念，踐行低影響開(kāi)發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)源頭分散控制雨洪，減少干支流的洪峰流量，降低建成區(qū)的洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)；結(jié)合支流綜合整治，充分利用南部山區(qū)清潔基流，實(shí)現(xiàn)清濁分流、雨洪分流，補(bǔ)充景觀生態(tài)用水；綜合、持久地解決防洪、治污、水質(zhì)達(dá)標(biāo)及水資源循環(huán)利用等問(wèn)題，逐步構(gòu)建城市雨洪綜合管控系統(tǒng)。

3.2 基于管網(wǎng)改造的源頭雨水控制

坪山河流域規(guī)劃實(shí)行完全雨污分流制排水體制。堅(jiān)持截流初期雨水的雨污分流排水體制，對(duì)現(xiàn)狀的合流制管網(wǎng)逐步完善和改造。對(duì)于舊城區(qū)，結(jié)合舊城改造逐步將舊合流管道改為分流管道，提高污水收集率，通過(guò)實(shí)施雨、污分流，將污水全部引至污水處理廠進(jìn)行處理，從根本上杜絕了污水直接排入河涌對(duì)水體造成的污染。同時(shí)，由于雨水不進(jìn)入污水處理廠，大大降低污水處理難度，保證出水水質(zhì)的相對(duì)穩(wěn)定。

對(duì)土地整備區(qū)和新建區(qū)域，注重防控，堅(jiān)持雨污分流排水體制。結(jié)合管線調(diào)查及運(yùn)營(yíng)情況，從源頭防控，系統(tǒng)梳理，杜絕點(diǎn)源污染直接進(jìn)入河道。新建的建筑布局比較規(guī)整，踐行低影響開(kāi)發(fā)導(dǎo)則的內(nèi)容，將初雨污染控制在源頭，強(qiáng)化從源頭進(jìn)行徹底的雨污水分流制改造。

對(duì)于部分未能在近期實(shí)現(xiàn)土地整備的舊村，現(xiàn)狀排水系統(tǒng)比較凌亂。近期維持現(xiàn)狀合流制排水系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合相關(guān)規(guī)劃及現(xiàn)狀道路，先完善舊村外圍市政排水支管網(wǎng)，在總出口處實(shí)施截流。遠(yuǎn)期結(jié)合舊村改造工程及相關(guān)規(guī)劃，全面推進(jìn)住宅生活小區(qū)、工業(yè)區(qū)、社區(qū)等的排水管網(wǎng)改造，新增雨水系統(tǒng)及污水系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)源頭上的雨污分流。

3.3 基于LID技術(shù)的源頭雨水控制

LID技術(shù)可以有效消納雨水徑流，削減徑流污染[17]。將河道視為城市最大的海綿體，河道周邊及藍(lán)線范圍建設(shè)明溝系統(tǒng)、雨水濕地、生態(tài)滯留池、生態(tài)草溝等海綿技術(shù)措施，構(gòu)建完整的河流生態(tài)。在有條件的河段采用復(fù)式生態(tài)斷面，利用土壤生物工程技術(shù)（植被、天然材料和土木工程技術(shù)的組合）來(lái)鞏固河岸和防止土壤被侵蝕，同時(shí)加強(qiáng)河流的自?xún)艄δ?。在河道沿岸綠道邊設(shè)生態(tài)草溝，利用開(kāi)放空間承接和貯存雨水，達(dá)到減少?gòu)搅魍馀诺淖饔谩?duì)于面源污染較輕的排水口設(shè)置分散式海綿植物濾床，對(duì)初雨水進(jìn)行截流、下滲、過(guò)濾等處理。

在城市建成區(qū)，結(jié)合用地規(guī)劃，采用雨水花園、下凹式綠地、生態(tài)滲透擋土墻、下滲路面等LID技術(shù)，對(duì)控制城市雨水徑流量、凈化雨水徑流等方面將起到一定作用[18]。在城市建設(shè)單元（居住區(qū)、公共建筑、公園綠地）和有用地條件的雨水入河口位置設(shè)置雨水花園。開(kāi)發(fā)地塊內(nèi)，采用源頭控制與末端治理相結(jié)合的生態(tài)明溝污染防治體系，在滿足排水要求的前提下，各類(lèi)設(shè)施可以對(duì)地表徑流污染的源頭防控起到重要作用。

3.4 基于分流系統(tǒng)的過(guò)程雨水控制

深圳市雨水開(kāi)發(fā)潛力較好，坪山河流域雨季資源充沛，具有雨洪利用和徑流調(diào)節(jié)的可能條件[19]。通過(guò)新建截洪溝的雨洪分流措施，將清潔基流與建成區(qū)雨水分開(kāi)，釋放上游生態(tài)區(qū)清潔基流及雨水補(bǔ)充河道，汛期削減洪峰。同時(shí)，通過(guò)新建的沿河強(qiáng)化截污管將建成區(qū)初期雨水進(jìn)行截流，有效避免清潔基流混入坪山河干流截污干管，取消下游總口截流。雨洪分流、清濁分流系統(tǒng)可以在充分利用良好的本底條件下增加水環(huán)境容量，提升水體水質(zhì)。

表2 各支流生態(tài)控制區(qū)基流量統(tǒng)計(jì)分析表 單位：萬(wàn)m3/d

近期解決重點(diǎn)支流問(wèn)題，結(jié)合地勢(shì)，在三洲田水上游、碧嶺水上游、湯坑水上游新建清污分流溝，在三洲田上游新建三洲田水-碧嶺水雨水利用系統(tǒng)，在湯坑水新建湯坑水上游段-干流雨水利用管，旱季基流及清潔雨水補(bǔ)水量約為2.0萬(wàn)m3/d。雨洪分流、清濁分流示意圖見(jiàn)圖3。

3.5 基于分散調(diào)蓄的末端雨水控制

合流管道或純雨水管道排放口的水體水質(zhì)在降雨過(guò)程中有明顯的變化規(guī)律，前30～40 min污染物濃度較高，雨水的初期效應(yīng)十分明顯，中后期水質(zhì)轉(zhuǎn)好[20-21]。項(xiàng)目采用分散式調(diào)蓄，分區(qū)域分段對(duì)水量和水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)每個(gè)區(qū)域、每條支流不同的水量和水質(zhì)變化情況進(jìn)行針對(duì)性的控制收集。部分調(diào)蓄池結(jié)合分散式處理站，就近處理污水并將凈化后尾水回補(bǔ)河道，避免了長(zhǎng)距離高揚(yáng)程補(bǔ)水的弊端，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

設(shè)置了7座調(diào)蓄池，調(diào)蓄池規(guī)模的確定主要根據(jù)其服務(wù)范圍內(nèi)的截流口流量，收集時(shí)長(zhǎng)按30 min計(jì)算來(lái)確定。對(duì)干流沿河所有較大的排放口和每個(gè)調(diào)蓄池入口設(shè)置水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備及水質(zhì)閘門(mén)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主要排放口在整個(gè)降雨過(guò)程中水量和水質(zhì)變化的實(shí)施監(jiān)測(cè)，并通過(guò)中控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)截污。

3.6 工程效果分析

基于2020年1—6月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，氨氮和總磷均基本達(dá)到或優(yōu)于Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（圖4和圖5）。工程實(shí)施后，水環(huán)境明顯改善。6月進(jìn)入雨季，基于源頭和末端控制，同時(shí)河道補(bǔ)充了較大比例的清潔基流，氨氮濃度為1.55 mg/L，雖略超過(guò)Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，但較2015年同期水質(zhì)已有顯著提升。分析原因可能為，受項(xiàng)目范圍制約，部分支流區(qū)域不在工程整治范圍內(nèi)，仍存在雨污分流不徹底、管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)不完善的情況。豐水期雨量較大，雨水徑流攜帶非點(diǎn)源污染物入河、生活污水溢流入河，造成污染物濃度超標(biāo)，影響干流交接斷面水質(zhì)。

4 結(jié)語(yǔ)

雨水徑流污染效應(yīng)日益顯現(xiàn)，科學(xué)利用雨洪資源，對(duì)改善水環(huán)境也有重要意義。因此，雨水控制是制約水環(huán)境治理項(xiàng)目效果的重要因素之一。坪山河干流綜合整治治工程，圍繞交接斷面達(dá)標(biāo)為主要目標(biāo)，通過(guò)二元水循環(huán)模型、水量水質(zhì)模型、河道水力學(xué)模型定量分析、精確診斷水環(huán)境問(wèn)題。

針對(duì)雨水控制，系統(tǒng)布局灰色、綠色、藍(lán)色基礎(chǔ)設(shè)施，最大限度“去極值化”，提出利用精準(zhǔn)截污、分散調(diào)蓄、雨污分流、清濁分流等措施的解決方案。高效利用自然本底條件和存量設(shè)施資產(chǎn)，基于管網(wǎng)改造、LID技術(shù)、分流系統(tǒng)及分散式調(diào)蓄池，從源頭、過(guò)程、末端三方面進(jìn)行雨水控制，為相關(guān)水環(huán)境治理項(xiàng)目達(dá)成合理階段目標(biāo)，保障水質(zhì)長(zhǎng)效穩(wěn)定達(dá)標(biāo)提供了借鑒思路。

將針對(duì)不同區(qū)域和下墊面特點(diǎn)，繼續(xù)探究實(shí)施的LID工藝技術(shù)等措施對(duì)地表徑流污染物總量和去除率的影響，進(jìn)行定量分析，為水環(huán)境治理項(xiàng)目的雨水控制提供更多科學(xué)依據(jù)和工程參考。