城鎮降雨徑流污染控制典型工程案例績效評估

陳 淼，王振北，劉龍嚴，周 洋，孫德智，齊 飛

(北京林業大學水體污染源控制技術北京市重點實驗室，北京 100083)

陳淼，北京林業大學環境科學與工程學院齊飛老師課題組成員。齊飛老師團隊主要從事水質分析與水質安全保障技術的科研與教學工作，主要研究方向為：城市飲用水/污水深度處理技術；工業廢水深度處理技術；城鎮降雨徑流面源污染控制技術；惡臭氣體監測與控制；城市水系統碳減排核算與策略；城市水循環過程中新型污染物的遷移與轉化。現主持國家重點研發計劃(政府間國際科技創新合作重點專項)1項，國家自然科學基金2項，國家“水專項”子課題1項，北京市自然科學基金1項。

經過多年的研究積累，齊飛教授團隊取得了以下成果。①針對城市飲用水和再生水中的高風險微量有機物、高濃度難降解工業廢水，開發了多種基于臭氧、過氧化氫和過硫酸鹽的催化氧化水處理技術及相應的水處理用高效多相催化劑；開發了基于高性能功能催化分離膜的臭氧-催化膜深度處理技術；能夠有效服務城市飲用水和再生水處理工程建設與改造，工業廢水流域達標排放。②研發了海綿城市綠色設施氮磷農藥同步處理的多功能介質及一體化裝備；集成了國家“水專項”城市水環境主題降雨徑流面源污染控制技術，形成了適合于我國國情的海綿城市與溢流污染控制技術建設模式集與應用方法，服務城鎮降雨徑流污染控制與海綿城市建設。③建立了污水處理過程中溫室氣體和惡臭氣體監測方法；有效評估惡臭氣體對廠區及周邊環境的影響程度；建立了基于化學吸收-生物降解的惡臭氣體處理技術及全流程減排技術，服務城鎮與農村污水/污泥處理處置設施的敏感性氣體監測、排放評估、工程建設與改造。

近些年，城鎮降雨徑流污染已成為水體污染的主要來源之一[1]。為削減城市徑流污染負荷，我國開始推廣海綿城市建設[2]，并在一些大、中城市相繼開展一系列城鎮降雨徑流污染控制技術的工程應用，如北京、上海、嘉興、西安、武漢、深圳等[3]。然而，這些應用工程及設施的運行效果能達到何種水平尚不明晰，也缺乏合適的評估方法及相應的標準。因此，亟需建立適合我國城鎮降雨徑流污染控制工程的績效評估體系，對海綿城市建設中的城鎮降雨徑流污染控制工程與設施開展評估，并診斷評估[4]。

目前，工程績效評估主要采用德菲爾法[5]、數據包絡分析法[6]、層次分析法[7]和模糊綜合評價法[8]等，但這些方法依然存在由權重確定主觀性的弊端[9]。城鎮降雨徑流污染控制工程績效評估實際上是多目標的決策過程。逼近理想解排序(TOPSIS)法能充分利用原始數據，信息損失較少，是一種在多目標決策分析研究中行之有效的方法[10-11]。為提高評估結果的客觀性和準確性，本文采用熵權法來確定TOPSIS法評估指標的權重，很大程度上減少主觀因素影響[12]，權重更合理、客觀[13]。本文基于熵權-TOPSIS法的城鎮降雨徑流污染控制工程績效評估模型，從城鎮降雨徑流污染控制的源頭削減、過程控制和后端治理3個階段,分別選取W市典型低影響開發(LID)、H市典型合流制溢流污染控制(CSO)和C市典型人工濕地示范工程進行績效評估，以驗證城鎮降雨徑流污染控制工程績效評估模型的可行性和實用性，最后，根據評估結果分析各個工程的短板，并提出改進建議。

1 研究方法

1.1 評估指標體系的建立

本文通過分析城鎮降雨徑流污染控制典型示范工程，總結相關經驗，構建包含經濟效益、生態環境效益及工程長效維護3個準則層，共計10項指標的績效評估指標體系，如表1所示。

表1 工程績效評估指標體系Tab.1 Index System of Project Performance Evaluation

1.2 評估方法

1.2.1 熵權法

熵權法是一種根據各指標的變異程度，利用信息熵計算各指標權重的方法[14]。先構建評估目標決策矩陣，如式(1)。

X=(xij)m×n(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)

(1)

其中：m——待評工程個數；

n——評價指標個數；

xij——第i個待評工程在第j個評價指標的取值。

由于指標的內涵及單位不同，不便于比較和分析，需進行正、反向指標無量綱標準化，計算如式(2)～式(3)。經標準化處理后，得無量綱化矩陣，如式(4)。為避免求熵時，產生無意義的對數(即為0的情況)，將標準化矩陣平移1個單位，計算如式(5)。根據標準化數據平移結果，計算指標比重,如式(6)。

(2)

(3)

Y=(yij)m×n

(4)

y′ij=yij+1

(5)

(6)

其中：yij——第i個工程的第j項指標的無量綱標準化值；

Y——無量綱化矩陣；

y′ij——平移1個單位后的無量綱化矩陣；

fij——第i個工程的第j項指標值在該指標總和值中的占比。

指標熵值表征指標的離散程度，熵值越小，離散程度越大。根據式(6)獲得的指標比重，計算指標熵值，如式(7)。差異系數表征指標提供有效信息的量，差異系數越大，指標提供的有效信息越多，指標越重要，指標權重越大。差異系數計算如式(8)。最后，根據各指標差異系數按式(9)計算指標權重。

(7)

gj=1-Gj

(8)

(9)

其中：Gj——第j項指標的熵值；

gj——指標值j的差異系數；

wj——第j項指標的權重。

1.2.2 TOPSIS法

TOPSIS法是一種通過計算方案靠近或偏離正、負理想解程度，以此判定方案優劣的方法[15]。根據熵權法計算指標熵權，并將指標權重向量與無量綱標準化矩陣相乘，構建加權決策矩陣，如式(10)。由式(11)～式(12)確定指標的正理想解Y+與負理想解Y-。指標的正理想解為各指標最優值的集合，負理想解為各指標最劣值的集合。

Z=(zij)m×n=Wj(yij)m×n

(10)

Y+=max(zij)

(11)

Y-=min(zij)

(12)

其中：Z——加權決策矩陣；

zij——加權后第i個待評工程在第j個評價指標的取值；

Wj——指標權重向量；

Y+——正理想解，各指標最優值的集合；

Y-——負理想解，各指標最劣值的集合。

(13)

(14)

(15)

C*——工程與理想解的貼近度。

1.3 典型案例

1.3.1 W市典型LID工程

該示范工程位于W市新城區，占地面積為280 m2，處理徑流面積為1 160 m2。工程采用雨水吸附凈化帶、反應阻隔墻和原位停車位3項技術。工程對SS、COD、TP、氨氮的削減率分別為90.0%、65.0%、85.0%、74.0%，對應污染物年削減量分別為12.567、2.442、0.025、0.059 t。

1.3.2 H市典型CSO控制工程

該示范工程位于H市老城區，總面積約為5 200 m2，調蓄池占地面積約為1 000 m2，調蓄容積為6 500 m3。該工程主要依托過程控制技術中的調蓄池技術，并通過優化改造排水管網、提高管網聯動能力來降低徑流污染負荷。工程對SS、COD、TP、氨氮的削減率分別為40%、32%、39%、42%，對應污染物年削減量分別能夠達到34.1、36.1、1.0、2.0 t。

1.3.3 C市典型人工濕地示范工程

該示范工程位于C市老城區內，占地面積約為2 500 m2，每次處理徑流量為1 000 m3。工程采用梯級人工濕地凈化技術。工程對SS、COD、TP、氨氮去除率分別為82%、82%、78%、94%，COD、TP、氨氮年削減量分別為19.4、0.62、0.9 t。

2 結果與討論

2.1 熵權法確定指標權重

對示范工程試運行6個月的監測記錄進行整理，得各指標的原始數值(表2)。利用式(1)～式(9)對表2中各指標原始數值處理與計算，得指標B1～B10權重(表3)。

表2 工程指標原始數據Tab.2 Original Data of Project Index

表3 工程績效評估指標權重Tab.3 Index Weight of Project Performance Evaluation

2.2 綜合貼近度結果及工程案例評估分析

由式(10)計算后，得各指標加權化數據(表4)。然后，根據式(11)～式(15)計算出各示范工程的綜合貼近度(表5)。由表5可知，C市典型人工濕地示范工程的綜合貼近度最高，綜合貼近度為0.856 2，是排位第二的W市典型LID示范工程的1.75倍。因此，其綜合績效表現最好。C市典型人工濕地示范工程投資運維成本低、污染物去除率高、運行穩定、技術規范與績效考核標準齊全。根本原因在于：①該工程建筑面積小，投資建設成本低；②工程的運行維護主要體現在清理濕地中的腐敗植物，操作簡單[16]，運行維護成本較低；③工程采用多級濕地組合工藝，強化了濕地自然復氧能力，對徑流中的污染負荷有較高的削減效果[17]，故C市典型人工濕地示范工程COD凈化率、氨氮凈化率和TP凈化率較高；④當前人工濕地技術在我國發展成熟，所以，該工程具有成熟的技術規范與績效考核標準[18]。然而，該工程處理徑流量較小，市政污水節省費用較低。

表4 工程績效評估指標加權數據Tab.4 Weighted Data of Project Performance Evaluation

表5 工程貼近度水平Tab.5 Closeness Level of Typical Project

W市典型LID示范工程的綜合貼近度排位第二，綜合貼近度為0.488 4。其綜合績效水平低于典型人工濕地示范工程，高于典型CSO控制示范工程。W市典型LID示范工程存在運行維護成本高、市政污水節省費用少、缺乏技術規范與績效考核標準等問題，體現在：①該工程需要定期開挖以更換填料[19]，運行維護成本較高；②工程處理徑流量較小，市政污水節省費用少；③LID工程措施是源自國外的低影響開發理念，此類技術在我國處于初期發展階段[20]，因此，還未形成相應的技術規范和績效考核標準。

H市典型CSO控制示范工程的綜合貼近度最低，綜合貼近度為0.364 1，綜合績效水平最差。其根本原因在于：①調蓄池建筑面積較大，設備復雜[21]，投資建設成本較高；②調蓄池去除徑流中的污染負荷主要是通過沉淀和清淤[22]，這對COD、氨氮和TP凈化率較低；③調蓄池具有收集徑流量大的優點[23]，但工程受沖擊負荷大，出水水質穩定度低；④當前調蓄池技術還處于發展階段，其重心在于技術規范與標準建立，缺乏相應的工程維護與績效考核標準[24]。因此，H市典型CSO控制示范工程存在投資建設成本高、污染物去除率低、運行穩定性差和缺乏績效考核標準的問題。

針對3個示范工程進行對比分析，主要解析LID、CSO和人工濕地工程在生態環境效益、經濟效益和工程長效維護等方面的特點及存在問題。在生態環境效益方面，LID和人工濕地工程對雨水徑流中污染物去除率較高，CSO工程對污染物去除率低。在經濟效益方面，LID經濟績效水平最低，一方面是因為該工程的運行維護成本高，另一方面是該工程徑流消納能力弱，節省市政處理費用有限。CSO工程經濟績效水平排位第二，這主要是得益于該工程運行維護成本較低，且徑流消納能力強的優點。人工濕地工程的經濟績效水平最高，是因為該工程投資建設成本和運行維護成本低，具有一定的徑流消納能力。由此可知，LID和人工濕地工程適用于建筑小區、公園綠地和市政道路等對環境要求較高但產生徑流量較少的地塊。調蓄池則適用于產生徑流量較大的區域，如不透水面面積較大的中心城區。另外，LID、CSO工程尚缺乏相關技術規范和考核標準，因此，在工程實踐中要特別注意對LID和CSO工程進行維護，以保障工程正常運行。

2.3 評估方法的可行性分析

熵權法求出的各指標權重較為接近，其值均在0.100 0波動。由此可知，綜合績效水平的高低主要取決于工程資料的原始數據質量的優劣。經比對，本文的績效評估結果與表2中3個示范工程的原始資料基本一致，說明本文構建的熵權-TOPSIS法模型可行且實用。

3 結論與建議

3.1 結論

本文通過分析城鎮降雨徑流污染控制典型示范工程，總結相關經驗，建立城鎮降雨徑流污染控制工程績效評估指標體系，其中，包含經濟效益、生態環境效益、工程長效維護3個準則層及10項指標。在此基礎上，構建熵權-TOPSIS模型，并對典型LID、CSO和人工濕地示范工程進行績效評估，得3個典型示范工程的綜合貼近度，其中，C市典型人工濕地工程綜合績效表現最好，W市典型LID工程綜合績效表現偏低，H市典型CSO控制工程綜合績效表現最差。評估結果與工程的原始資料基本一致，證明該模型的可行性與實用性，可為后續城鎮降雨徑流污染控制工程的建設提供指導，具有一定的現實意義。

3.2 建議

(1)針對W市典型LID示范工程存在運行維護成本高、市政污水節省費用少、缺乏技術規范與績效考核標準的問題，提出3點建議。①采用吸附性能更為持久的新型廉價填料，減少工程開挖次數來降低運行維護成本[25]；②利用土壤改良增大徑流處理量[26]來提升市政污水節省費用；③在自身工程技術規范、標準建設、工程維護和績效考核方面開展深入研究，以形成相應的技術規范和績效考核標準文件。

(2)針對H市典型CSO控制示范工程存在投資建設成本高、污染物去除率低、運行穩定性差和缺乏績效考核標準的問題，提出4點建議：①在建設前對區域徑流量和污染負荷開展精確的診斷評估工作，合理設計調蓄容積，以降低投資建設成本[27]；②在調蓄設施的入口和出口增設物化處理裝備，實現SS的高效去除，在一定程度上消除COD、氨氮和TP[28]；③增加工程監測頻率，對水質指標異常情況及時反饋處理，以加強出水水質穩定度；④在自身工程維護和績效考核方面開展深入研究，以形成相應的績效考核標準文件。

(3)針對C市典型人工濕地示范工程存在市政污水節省費用較低的問題，建議C市通過與區域城片區的LID設施相結合，形成整體的綠色設施消除徑流污染，吸納更多的徑流量[29]，并開展雨水收集和回用工程，以此提升市政污水的節省費用。

致謝本研究數據來源于水專項“十二五”城市主題部分課題，感謝各課題在調研和評估過程中給予的大力支持。