基于徑流污染控制的海綿城市系統方案研究

文｜上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 劉明明

0 引言

臨港主城區由“一湖七射四漣”的水系網絡構建出“滴水漣漪”的城市風貌，射河、漣河作為主城區排澇河道，收集地表徑流后最終匯入滴水湖。本文首先對研究區域河道水環境容量進行計算，并對區域中產生的污染物總量進行分析，開展以污染控制為目標的海綿城市建設方案，最終提出源頭減排和末端治理的污染控制策略。

1 水質目標及水環境容量

1.1 區域概況和水質目標

臨港金融總部灣位于主城區滴水湖正北側，北至環湖北二路，西至青樣港，南至環湖北一路，東至藍云港，總用地面積為46.53 公頃，共18 個地塊，形成東九宮格和西九宮格布局。主城區“一湖七射四漣”的水系網絡形成相對獨立的圩區，水功能區水質目標為地表IV 類水。

1.2 水環境容量模型概化及計算

水環境容量計算方法包括公式法、模型試錯法、系統最優法、概率稀釋模型法、未確知數學法五大類。針對區域特點和資料情況，本次研究采用公式法計算，應用零維模型對主要水質指標（COD、氨氮、總磷）的環境容量進行估算。

式中：

Q0為河道上游來水量，m3/s；

Cs為污染物控制標準濃度，mg/l；

C0為污染物環境本底濃度，mg/l；

k 為綜合降解系數，1/d；

V 為水環境體積容量，m3；

q 為排污流量，m3/s。

目標水質Cs取地表Ⅳ類水標準；上游水質C0，根據2019年-2020年臨港地區水質監測數據，1月-12月平均水質IV 類水達標率為95%，部分河道存在季節性面源污染，如青祥港在2019年5月-6月高錳酸鹽和總磷超標，為確保研究區域穩定達到IV 類水目標，上游水質分別按照IV 類和V類兩種工況計算；綜合降解系數k，參考相關報告及文獻，COD 為0.1（1/d），氨氮為0.08（1/d），總磷為0.08（1/d）。根據上述參數對模型進行概化，同時實際情況下水環境自凈能力低于理論，取0.8 的安全系數，具體計算結果如表1。

表1 水環境容量計算表

根據表1 計算分析，研究區域水環境較為脆弱，在部分月份受上游客水影響，水環境容量為負，不具備消納雨水徑流污染的能力。因此制定區域海綿城市系統方案時，應考慮在雨水排入河道之前通過系統性措施將雨水中的污染物削減，達到IV類水標準后排放；同時構建河道生態系統，強化河道自身凈化能力。

2 污染物排放分析及計算

本次研究范圍屬于城市整體更新，排水系統完全按照雨污分流建設，污水管網全覆蓋、全收集，因此無點源污染。區域開發建設后，主要污染物來自初期雨水徑流，通過2019年7月和8月兩場降雨期間對臨港地區徑流雨水水質進行檢測，不同下墊面雨水徑流污染物指數見表2。

表2 下墊面雨水徑流污染指數

以雨水排放口IV 類水（TSS 以削減率55%計）為海綿城市建設污染控制目標，通過源頭減排和末端治理，在陸域空間內每年需削減TSS 總量40.18 噸，COD 總量44.57噸，氨氮總量0.03噸，總磷總量0.07噸。

研究區域面源污染總量計算見表3。

表3 污染物總量計算表

3 污染物控制策略及計算

3.1 海綿城市建設系統方案

臨港金融總部灣海綿城市建設以徑流污染控制為核心目標，小海綿、大海綿有機結合、綠色設施、灰色設施因地制宜，形成源頭控制、過程調蓄與末端處理相融合的系統性建設方案。

圖1 研究區域海綿城市建設總體技術路線

根據技術路線，研究區域雨水徑流過程中的污染物控制包括源頭削減和末端削減。源頭削減是指地塊、市政道路和公園綠地雨水的就地消納。末端削減是利用雨水排放口附近的濱河空間，結合岸線景觀在排放口附近布置人工濕地，并配套建設地下調蓄池，用于初期雨水的滯留調節。

3.2 污染物削減計算

根據第2 節污染物總量和允許排放量，計算各類污染物削減率，公式為：

f=P削減/P總量

式中：f 為削減率，P削減=P總量-P允許；

根據上式，計算出污染物削減率分別為：TSS 削減55%，COD 削減81%，氨氮削減5%，總磷削減40%。由此可見，研究區域內水環境質量對COD 最為敏感，因此選擇以COD 為特征污染物計算海綿城市設施規模。

陸域COD 控制措施包括源頭削減和末端削減，即PCOD削減=P源頭+P末端，根據第2節計算PCOD削減=44.57 噸/年。

根據海綿城市建設目標和區域特點，從系統治理角度出發，針對污染物遷移特點，在時間、空間上合理分配源頭削減量和末端削減量。本項目源頭COD 削減量根據下式計算確定。

P源頭=p×c×W

式中：

p 為年徑流總量控制率，80%；

c 為LID 設施對COD 的去除率；

W 為源頭下墊面雨水徑流中COD 總量，根據第2 節計算W = 54.69 t/a；

陳言菲通過SWMM 模型模擬分析了不同LID 設施雨水徑流和污染物輸出情況，結果表明在P=1a 情形下，綠色屋頂、滲透性鋪裝、生物滯留池對COD 去除率分別為55.43%、47.92%和52.46%。由于綠色屋頂在下墊面中占比較少，本次研究中LID 設施對COD 去除率取c=50%。因此，根據上式得出源頭COD 削減量為21.88t/a。

針對河道雨水排放口附近的用地情況，在管網末端增加智能截流井，在降雨初期將未通過海綿設施控制的初期雨水截流排入調蓄池，達到調蓄水位后關閉截污閥，后期雨水排入河道，雨后調蓄池內雨水緩排入人工濕地凈化處理。人工濕地采用污染負荷較高、衛生景觀條件較好的水平潛流人工濕地，人工濕地面積根據污染負荷計算。

A=P末端/（qos×0.365）

式中：

A 為人工濕地面積，m2

qos為表面有機負荷，0.025kg/(m2·d)

P末端為末端COD削減量，P末端=PCOD削減-P源頭=44.57-21.88=22.69t/a

根據計算，研究區域在雨水排放口需建設2486m2人工濕地，作為雨水徑流污染的末端治理措施，人工濕地可根據排口位置、用地條件和水量情況分散建設。

4 結論

本文以臨港金融總部灣為例，對河道水系進行概化并計算區域內水環境容量。當上游水質為IV 類水時，COD 環境容量為31.6 噸/年，氨氮環境容量為1.27 噸/年，總磷的環境容量為0.25 噸/年；當上游水質為V 類水時，水體環境容量為負。

對污染物排放總量進行分析，污染物類型主要為雨水面源污染，估算總量TSS為73.06 噸/年，COD 為54.69 噸/年，氨氮為0.54 噸/年，總磷為0.17 噸/年。

最后制定了海綿城市建設總體技術路線，確定了源頭減排和末端治理的污染物控制策略，并分別計算源頭LID 設施和末端人工濕地對污染物的削減量，確定了滿足污染物總量控制要求的相關設施規模。