海綿城市理念下的初期雨水治污技術研究

楊旭亮，李炳陽，張振昌

(1.青海民族大學 土木與交通工程學院, 西寧 810007； 2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司,北京 100024； 3.青海省水利水電勘測規劃設計研究院有限公司, 西寧 810000)

0 引 言

針對中國城鎮化進程中的城市雨洪和初期雨水徑流污染等問題，海綿城市建設旨在實現雨洪綜合管理和利用，涉及到多學科交叉、多部門協同治水，海綿城市建設的目標、功能與發展方向等需要全面考慮[1]。結合初期沖刷規律，初期雨水控制主要適用于雨洪設施的預處理設施和初期沖刷明顯的小匯水區域等情況，科學合理的控制可取得較高的控污效率[2]。城市初期雨水的處理措施主要分為3類[3]：城市徑流雨水源頭減排中，采用不同調控技術組合削減城市徑流污染負荷，從源頭對雨水進行蓄滲和緩釋處理[4]；在過程控制中，應對城市生產生活不同用地類型分區[5]，根據不同區域初期雨水徑流污染特征，利用土壤滲透性改良方案提高綠地[6]等城市非硬化下墊面及復合填料生物滲濾系統[7]的滲濾凈化能力處理初期雨水引起的徑流污染；在末端治理中，主要利用人工濕地和生物滯留設施所包含的填料、植物和微生物對雨水徑流中的有機物、氮、磷等污染物進行去除[8]。基于低影響開發、因地制宜地從多尺度多功能角度設計綠色基礎設施，合理解決城市徑流污染及洪澇災害，實現城市良性水循環[10]。

針對西寧市海綿城市建設進程，從城市雨水利用系統的多層次工程性措施及非工程性措施角度出發，充分借鑒國內外在城市雨水利用的綠色基礎設施應用，分析西寧降雨特征及西寧城區與湟水河位置關系特征，并結合道路及小區規劃實施淺草溝、雨水花園、雨水收集池等綠色雨水基礎設施應用研究，通過采用綠色基礎治污裝置既可凈化初期雨水水質又可對城市已有排水設施進行完善，減少徑流污染總量，提出嘗試進一步聯通市政工程、水道、城市公園及濕地等，努力形成全域性“生態治水”格局的方案。

1 研究區概況

西寧市位于青藏高原和黃土高原的交界處，地勢西南高、東北低，東西呈條帶狀分布，市區平均海拔達2 261 m，屬典型的高原大陸季風性氣候，降水稀少，蒸發強烈，平均降水約為380 mm/a，因夏季光照時間較長，蒸發量則達1 264.6 mm。湟水河與其支流南川河、北川河匯合于市內，經小峽流出西寧市后在甘肅流入黃河，見圖1。隨著西寧市發展建設，城市基礎設施建設迅速擴張，人口密度也在不斷增加，已出現水資源緊缺及環境污染等問題，其中水資源短缺尤為突出。

圖1 西寧市地形與河流分布圖

2 西寧市海綿城市建設情況

西寧市自批準為海綿城市建設試點城市以來，已規劃濕地、道路、小區、植被覆蓋率、綜合管廊、廣場等建設項目，至2019年初已完成80%以上的建設項目，為西寧市生態環保建設奠定了基礎。

在小區建設方面，應按照自上而下的原則，并注重景觀和空間的整體性原則進行實施，主要采用透水路面、綠色屋頂、雨水花園建設，并修建人工池塘進行蓄水，既可收集雨水又可改善小區環境。前期規劃以城西區為主，其它城區輔助建設，海湖新區規劃的居住區綠化以及雨水利用已完工。

在道路建設方面，主要考慮與周圍場地及環境的協調關系，采用透水路面鋪裝、路側生態草溝及雨水收集系統，通過雨水處理系統過濾凈化后供給城市景觀用水及補充地下水。以城西區為主要建設目標，并已完成5條道路的改造工程，在城北、城東等已完成部分道路改造；其次是綜合管廊建設，進行雨污分流，可以減少污水處理量，將雨水引入城市下游河流。

濕地建設影響最大，能直接把雨水儲存在濕地中，利用濕地中的動植物資源凈化空氣、調節局部氣候、增加含氧量、改善周邊的生態環境。西寧市湟水河濕地海綿化改造為修復城市水生態，采用河道生態治理與生態環境修復相結合的治理方式，凈化水體、涵養水資源，增強城市防澇能力，已建成海湖濕地公園、寧湖濕地公園、北川濕地公園等。

根據城市雨洪管理設計理念在利用城市雨水資源時，不能忽視西寧市濕陷性黃土地質情況，需考慮濕陷性黃土對工程安全的影響。城西區一新建道路已出現塌陷情況，不能只考慮雨水的利用而忽略工程質量問題，還需考慮初期雨水污染負荷及處理問題，以營造綠色、健康的城市生活空間，實現人與自然和諧共處。

3 西寧市雨水收集利用的影響因素分析

根據西寧市海綿城市建設總目標，在提高西寧市雨水收集利用率、補充地下水短缺、減少內澇災害發生等方面，從自然因素和人為因素角度分析西寧市雨水的利用情況。按照實際地勢情況，城市西北部以滲透設施為主，東南部以調蓄設施為主；雖然西寧市境內河網發達，大多數河流以降水補給為主，多年平均徑流量約為16.6×108m3，地表水資源的有效開發利用受到限制，水資源相對貧乏；西寧正處在城市化發展的高峰期，人口不斷向城市集中，城市開發建設時部分自然土地被不滲水鋪裝所取代，下墊面的改變導致下滲能力減弱，70%～80%的降雨形成了地表快速徑流；因西寧市地勢情況約束，城市道路豎向設計和建設與城市排出雨水緊密關聯，降雨強度較大時，來不及下滲外排的雨水，直接涌入城區地勢低處，加之排水設施排水能力有限，導致路面積水嚴重，西寧市老城區是雨污合流排水系統，更易發生澇災。針對城市發展建設中出現的水生態惡化、水資源緊缺、水環境污染、澇災頻發等一系列問題，2016年西寧市在海綿城市建設中充分考慮和規劃，旨在有效改善和利用雨水，建成生態環保型和綠色宜居城市。

4 海綿城市建設進程中針對初期雨水的治污技術

青海西寧作為第二批海綿城市建設試點國家城市，根據海綿城市與河道生態修復的要求及西寧市水系分布特征，建設綠色調蓄基礎設施需更加注重生態保護，初期雨水污染物匯入水域使整體水環境質量下降[13]，從湟水河水質改善、西寧市雨水利用和節能減排任務角度進行初期雨水的治污技術設計。

4.1 現有的初期雨水治污技術

1)除了雨水棄流之外，現有比較成熟的初期雨水處理措施主要是從源頭治理、傳輸過程治理和末端治理3個方面進行的[14]，包括綠色屋頂、滲透鋪裝、植被緩沖帶、人工濕地[8]和生物滯留池[9]等技術方案。以上初期雨水處理措施雖可以從不同階段進行處理，各處理設施組成一個大系統，但位置分散，有一定的局限性，需要各方進行協調才能連通發揮作用，占地面積較大，總投資相對較高。

2)石英砂-活性炭快速過濾技術中采用旋流分離和快速過濾系統相結合的模式，可將含有大量污染物的初期雨水優先收集到初雨池中，然后泵入旋流分離器[15]，進行初期大粒徑懸浮顆粒的分離，再進入快速過濾池，經過旋流器脫除了部分顆粒物和污染物的徑流在填料和微生物等因素耦合協同作用下，對污染物攔截和吸附進行二次削減。該初期雨水處理措施雖然處理效果較好，但配套機電設施較多，運行成本及后期維修成本較高。

4.2 針對初期雨水的多級復合治污技術設計

針對初期雨水懸浮物質多、污染負荷高的問題，根據海綿城市理念下的綠色基礎設施主要進行末端處理，對西寧市雨水利用提出技術原理明確、投資小的初期雨水凈化技術。通過既有雨水排水系統在末端進行收集，然后利用調蓄池、氧化塘、滲濾系統、人工濕地等物理、化學及生物去污原理，組成多級復合系統對污染物進行去除，將雨水進行凈化，減少徑流污染總量，解決現有初期雨水處理技術方案占地面積大、設施復雜、投資大的問題，從而減輕污水處理廠的負荷，節約運營成本，改善城市水環境。

通過集物理、化學及生物去污原理的多級復合系統進行初期雨水治污的技術設計，設施包括攔污柵、矩形薄壁堰、自動啟閉浮力閘、摻氣挑流鼻坎、調蓄池、填料、滲濾排水口、排污底孔、輸水植草溝、人工濕地等，結構示意圖見圖2-圖4。該系統設計具有自主知識產權[16]。其中，攔污柵攔截過濾雨水中的漂浮物；調蓄池儲存與凈化初期雨水；自動啟閉浮力閘利用杠桿原理控制初期雨水進入調蓄池，閘與浮球安裝在杠桿兩端，閘位于調蓄池入口處，浮球位于調蓄池內，當水質較差的初期雨水進入調蓄池之前浮球下沉，閘門處于開啟狀態，初期雨水可進入調蓄池，隨著水位逐漸上升，通過浮力作用浮球上升，而杠桿另一端的閘門下降關閉，調蓄池蓄滿，其余水質較好的雨水徑流從矩形薄壁堰排出至承水區；摻氣挑流鼻坎使通過閘門的雨水徑流拋向空中充分與空氣中的氧氣接觸，最后跌落到蓄水池中，采用人工曝氣方式使初期雨水中盡可能多的溶解氧處于好氧狀態，利用好氧微生物對有機物進行降解；滲濾排水口水平布置在調蓄池側壁上，從內向外填充粒徑不同的砂子，既可以在排水過程過濾雨水，又可避免雨水中的懸浮物沉積堵塞；排污底孔用于清除調蓄池內沉淀的污泥；輸水植草溝可將調蓄池內初步處理后排出的雨水輸送到人工濕地，并且可以在輸水過程中下滲過濾補充地下水；人工濕地將初步處理后排出的雨水中的營養物質(如TP、TN)和重金屬通過植物吸收再度降解。由匯水面積和降雨確定設計流量及各部分結構尺寸。

圖2 結構平面示意圖

圖3 結構側視示意圖1.排水管道；2.矩形薄壁堰；3.水池；4.攔污柵；5.自動啟閉浮力閘；6.摻氣挑流鼻坎；7.調蓄池；8.滲濾排水口；9.排污底孔；10.輸水植草溝；11.人工濕地；12.承水區河道

圖4 自動啟閉浮力閘

該初期雨水治污技術的優點是采取一系列措施進行過濾、供氧、吸附、沉淀、下滲、降解的過程，運轉費用低，維護簡單，并可長期循環使用；所用原料(沸石、蛭石、陶粒、煤渣、草炭土等填料，水生植物和微生物)易得[17]，施工和基建費用低、易于實施；與污水處理廠相比，該技術采用較為簡易的物理、化學及生物去污原理，雖然處理環節多，但設施相對簡單，治污成本較低，占用場地較小。

該技術方案的效益體現在海綿城市建設進程中要利用雨水，必須解決初期雨水徑流污染問題。通過該治污裝置既可凈化初期雨水水質，又可對城市已有排水設施進行完善，減少徑流污染總量，見式(1)[18]。其投資相對較小，運營成本較低，最終改善城市水環境。

V=10HφF

(1)

式中：V為雨水利用設施容積，m3；φ為綜合雨量徑流系數；H為初期雨水截流厚度，mm；F為匯水面積，hm2。

5 結 語

本文分析了西寧水系用地的現狀特征、西寧市雨洪成因及規劃防澇現存問題，結合空間結構、濕地利用等規劃設計，將蓄水池、下沉式綠地等低影響開發防澇措施與城市雨水利用進行結合，采取綠色調蓄基礎設施應用提升城市防澇效能，為西寧及其他城市雨水利用規劃防澇體系構建與完善提供了科學依據。