袁步先　張瀏　鄭西強　匡武

摘要 針對當前初期雨水污染及治理問題，分析了城市初期雨水徑流污染來源及特點，闡述了目前初期雨水污染控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，對比分析了初期雨水各種治理方法的優(yōu)缺點，提出并探討了初期雨水截留收集、集中處理的新方法，并以合肥某新區(qū)城市初期雨水治理實例進一步驗證了該方法在實際應(yīng)用中的可行性，為城市新區(qū)初期雨水治理技術(shù)研究提供新的方向。

關(guān)鍵詞 初期雨水；徑流污染；治理；城市新區(qū)

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-251-03

初期雨水污染主要是指在降雨的初始時期，雨滴經(jīng)淋洗空氣，沖刷城市道路、各類建筑物、廢棄物等之后，攜帶各種污染物質(zhì)（如氮氧化物、有機物以及病原體等）進入地表水和地下水，加重城市河道、水源地的污染，從而影響城市水資源的可持續(xù)利用[1]。在當前城市點源污染逐步得到控制和治理的同時，由于城市中不可滲透表面的不斷增長，導(dǎo)致由雨水徑流引起的非點源污染即城市地面初期雨水污染日益突出。城市地面初期雨水的污染程度較高，初期雨水中含有大量的懸浮固體、有機物、重金屬、油脂、病原體等污染物，這些污染物的來源主要有混凝土道路垃圾、汽車產(chǎn)生的污染物、屋面建筑材料和城區(qū)污水等[2]。如果不對初期雨水進行處理，直接排入到城市水體中，將會對城市水體如河道、湖泊或自然承受水體造成非常嚴重的污染。王軍霞等研究發(fā)現(xiàn)，城市面源中COD、懸浮物的平均濃度高于城鎮(zhèn)污水處理廠的排水，一次降雨過程產(chǎn)生的COD在34.6～73.7 t之間[3]。

目前我國城市新區(qū)建設(shè)已大量展開，城市新區(qū)對于優(yōu)質(zhì)水環(huán)境的需求更加迫切，在建設(shè)之初或建設(shè)過程中，預(yù)先籌劃或同步開展初期雨水污染控制工程或措施的應(yīng)用，將避免老城區(qū)為治理而需要改造、拆遷帶來的困難和影響。我國城市新區(qū)初期雨水污染治理尚處于起步階段，筆者對城市新區(qū)初期雨水污染控制技術(shù)進行了梳理和分析，以期為具體工程或措施應(yīng)用提供參考。

1 初期雨水污染來源及特點

1.1 污染來源 城市下墊面可分成屋面、路面、綠地三大類，則城市初期雨水徑流污染按城市下墊面可分為屋面雨水、道路徑流雨水和綠地徑流雨水三大類。其污染物濃度由高到低一般為路面>屋面>綠地，COD、TSS、TN、TP等污染指標則成為國內(nèi)外關(guān)注的重點。

1.1.1 屋面雨水。一般認為，屋面雨水水質(zhì)較好。但事實卻恰恰相反，這主要與屋面材料、空氣質(zhì)量、氣溫等外部因素有關(guān)[4]。其中屋面材料對徑流水質(zhì)的影響最大，這主要歸因于屋面材料受季節(jié)和溫度的影響，導(dǎo)致初期雨水中污染物含量變化較大。研究發(fā)現(xiàn)，秋季屋面徑流雨水水質(zhì)較好，夏季屋面徑流雨水水質(zhì)較差。

1.1.2 道路徑流雨水。其中的污染物主要為路面沉淀物和垃圾等，主要來源有車輛的泄露、丟棄的廢棄物、輪胎摩擦、防凍劑使用、殺蟲劑和肥料的使用等，污染成分主要包括有機或無機化合物、氮、磷、金屬和油類等[5]。道路徑流初期雨水中污染物如COD、TSS、重金屬和石油類不僅濃度很高，也是城區(qū)路面雨水中最主要的污染物。污染物濃度主要受降雨條件和路面狀況影響，相關(guān)研究表明，道路徑流雨水中的COD與SS、TN、TP之間呈現(xiàn)較好的線性相關(guān)性。

1.1.3 綠地徑流雨水。城市綠地作為城市的一個重要組成部分，在美化城市環(huán)境、減少地面降雨徑流量、補充地下水等方面起到重要的作用。綠地徑流雨水通過土壤、植物的過濾和滲析作用，其污染物濃度遠遠低于同一場次降雨過程中在商住綜合區(qū)和工業(yè)區(qū)屋面雨水以及道路徑流雨水中污染物的濃度。但是由于沖刷效應(yīng)，少部分污染物會隨著雨水徑流沖刷出去，對城市水體形成一定的污染。

1.2 污染特點 城市初期雨水中的各類污染物主要來自于降雨對城市地表的沖刷，地表沉積物的組成是決定徑流污染性質(zhì)的關(guān)鍵，如城市垃圾、動物糞便、建筑堆積物、城市綠化、空氣沉降物和車輛尾氣排放等。綜合國內(nèi)外雨水徑流污染研究成果，城市初期雨水污染的規(guī)律：城市道路徑流>排污口徑流>房屋屋面徑流>自然雨水；初期雨水中的大部分污染物指標超出地表水環(huán)境質(zhì)量V類標準，已經(jīng)嚴重超出排入自然水體的標準。因此，對于城市初期雨水進行收集處理是十分必要的[6]。

2 城市新區(qū)初期雨水污染控制技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

在城市初期雨水徑流污染中，由于綠地徑流本身可通過植物和土壤的凈化作用而大幅減小對環(huán)境的污染，而屋面徑流污染和道路徑流污染卻仍需人為干預(yù)進行處理。20世紀70年代，美國便開始了城市雨水徑流環(huán)境污染問題的研究，并于80年代初成立了國際雨水集流利用系統(tǒng)協(xié)會（IWRA）。其他國家諸如澳大利亞、德國、日本、法國等發(fā)達國家也相繼根據(jù)本國雨水徑流的實際情況開展了相關(guān)研究。相比而言，我國對城市初期雨水地表徑流的收集和處理的研究較晚，目前處于初步階段。武漢東湖采用植草凹地或坡地等方法研究控制初期雨水面源污染，取得了明顯效果，雨水徑流量減少 50%以上，對雨水中 TN 和 TP 的去除率均在 47.1%～85.4%之間。國內(nèi)其他研究者也曾嘗試過初期雨水經(jīng)截留收集、調(diào)蓄、沉淀后排放的方法[7]?？偨Y(jié)國內(nèi)外的經(jīng)驗，主要分為源頭減量和末端治理兩大類：

2.1 源頭減量

2.1.1 屋面初期雨水徑流污染治理。

屋面初期雨水徑流的治理一般采用高花壇+低綠地+淺溝滲渠滲透技術(shù)，該技術(shù)采用多種滲透設(shè)施，屋面初期雨水先經(jīng)過高位花壇（內(nèi)部主要填有滲透性能好、凈化能力強的人工混合土）進行滲透凈化，而后通過低綠地、淺溝最終排入市政管網(wǎng)?；谠摷夹g(shù)，日本開發(fā)出了一種“空中花園”雨水澆灌系統(tǒng)[8]。

車武等采用棄流-生態(tài)滲透過濾工藝，對屋面雨水在天然和人工兩種土壤中的凈化作用及其規(guī)律進行了研究[9]。該工藝是用綠地-人工混合凈化技術(shù)為主體的生態(tài)滲透過濾凈化系統(tǒng)，雨水通過人工混合土壤-綠地系統(tǒng)進行物理、物化、生化和植物吸收等多種作用使污染物得到去除。

周賽軍等對蓄水綠化屋面去除雨水中污染物的效果進行了研究，結(jié)果表明，城市蓄水綠化屋面對屋面雨水徑流中的SS、COD、TN、TP有明顯的去除效果，經(jīng)過城市蓄水綠化屋面處理后的徑流雨水水質(zhì)能夠達到《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》（GB/T18920-2002）的要求[10]。

2.1.2 道路初期雨水徑流污染治理。

城市道路徑流污染的控制是城市地表徑流污染控制的重要組成部分。隨著城市的快速發(fā)展和人類交通活動的頻繁，作為交通工具的機動車輛數(shù)量迅速增加。由于城市道路為不透水地表，致使地表徑流污染嚴重。20世紀70年代，美國便開始了城市道路路面徑流污染特征及防治的對策研究，西方國家緊跟其后，而我國在這方面開展的研究相對較少。因此，作為城市初期雨水徑流污染最嚴重的道路徑流，開展其污染控制研究至關(guān)重要。

靳軍濤等設(shè)計一種能快速處理城市道路初期雨水的工藝，該工藝主要包括城市初雨的收集儲存與旋流過濾兩個過程。結(jié)果表明，該工藝技術(shù)對城市初期雨水中的污染物有較高的去除率，有效控制了城市道路初期雨水地表徑流污染[11]。

中新天津生態(tài)城道路雨水收集利用系統(tǒng)采用在機動車道與非機動車道之間設(shè)置隔離帶，隔離帶內(nèi)設(shè)置雨水滲透滯留溝，溝內(nèi)設(shè)置收水井，最終經(jīng)人工濕地處理后排入河道。該系統(tǒng)能有效分離機動車道徑流雨水中的污染物質(zhì)，大幅降低初期雨水對環(huán)境及水體的污染[12]。

NE SisKiyou“綠色街道”項目是美國波蘭特市針對城市道路初期雨水徑流污染治理的一個成功案例，其將一部分街道上的停車區(qū)域改建成種植區(qū)，栽種多種植物，形成一個集雨水收集、滯留、滲透等功能于一體的生態(tài)處理系統(tǒng)，并營造出自然優(yōu)美的街道景致[13]。

北京奧林匹克公園道路雨水徑流污染處理系統(tǒng)是我國地表徑流污染治理的成功典范，其充分利用下墊面的透水特性對道路雨水徑流進行有效入滲和滯留[14]。

德國將機動車道及街道雨水口處設(shè)置徑流收集系統(tǒng)，用來攔截雨水徑流所攜帶的污染物，并直接送至污水處理廠處理。高速公路所收集的雨水排入大型調(diào)蓄水池或進入修建的雨水處理系統(tǒng)處理后排放[15]。

2.1.3 城市新區(qū)低影響開發(fā)技術(shù)。

低影響開發(fā)技術(shù)是指基于模擬自然水文條件原理采用源控制理念來實現(xiàn)雨水控制和利用的一種雨水管理辦法[16]。該技術(shù)的基本原理是在源頭控制初期雨水經(jīng)滲透、滯留等措施來減少雨水徑流的產(chǎn)生，以期達到控制徑流污染、消減洪峰及減少徑流量的目的，從而使區(qū)域開發(fā)后的水文特性與開發(fā)前保持一致，盡可能地減少開發(fā)對環(huán)境帶來的影響。

美國作為低影響開發(fā)技術(shù)起源的國家，經(jīng)過近30年的發(fā)展，已經(jīng)進入系統(tǒng)化、規(guī)范化的應(yīng)用階段，并將低沖擊開發(fā)模式列為可持續(xù)發(fā)展技術(shù)的核心技術(shù)之一，美國許多州縣都制訂了與低影響開發(fā)相關(guān)的計劃[17]，在歐洲其他國家低影響開發(fā)技術(shù)也得到很好的應(yīng)用。在德國的區(qū)域開發(fā)設(shè)計中采納該理念，在新西蘭低影響開發(fā)與傳統(tǒng)城市設(shè)計與開發(fā)結(jié)合，形成低影 響城市設(shè)計與開發(fā)的理論與方法，在英國，低影響開發(fā)思想逐步應(yīng)用于傳統(tǒng)的城市排雨水系統(tǒng)，形成可持續(xù)城市排雨水系統(tǒng)的理論與方法。

我國近年來在工程實踐方面隨著生態(tài)文明和低碳城市理念的不斷推行，越來越多的城市開始應(yīng)用低影響開發(fā)技術(shù)于城市建設(shè)中。其中，既涵蓋城市尺度層面上的雨水規(guī)劃建設(shè)，例如北京昌平未來科技城、深圳光明新區(qū)等城市新建城區(qū)，也有大型居住區(qū)層面上的雨水收集規(guī)劃，例如天津東麗湖萬科生態(tài)住宅區(qū)，還有公共間層面上的雨水回收利用設(shè)計，如上海世博園、天津橋園等大型公園，更有單體綠 色建筑層面上的雨水收集設(shè)計，例如深圳萬科中心、臥龍中國保護大熊貓研究中心、上海虹橋機場等著名建筑[18]。

隨著低影響開發(fā)技術(shù)在國內(nèi)的不斷應(yīng)用和推廣，仍存在著許多不足之處：①相關(guān)政策、法規(guī)不健全，缺乏相應(yīng)設(shè)計規(guī)范和標準。該技術(shù)雖然在國內(nèi)迅速發(fā)展，但工程師和設(shè)計師們在實際運用過程中仍感陌生，沒有相應(yīng)的規(guī)范和標準，導(dǎo)致較多低影響開發(fā)項目在實際應(yīng)用過程中遇到很大困難，僅靠經(jīng)驗來完成。因此，還需從政策法規(guī)層面進行完善和推廣。②當前市政設(shè)施不能緊密銜接，以致原有雨水管道未得到充分利用。③低影響開發(fā)技術(shù)目前的側(cè)重點仍以單體建筑為主，與城市整體規(guī)劃等大尺度的布局結(jié)合較弱。④低影響開發(fā)技術(shù)研究對象主要是新規(guī)劃建設(shè)用地和土地利用類型單一的區(qū)域，對已建成區(qū)域和土地利用類型比較豐富的區(qū)域研究較少。

2.2 末端治理

2.2.1 利用河湖原位強化處理。

利用河湖水體自凈能力原位處理雨水。河湖是一個開放的水環(huán)境，由于大部分河湖水生動植物的缺乏，河湖水體的自凈能力非常低下，雨水把大量的有機污染物及泥沙帶入水中，加之水體的自然蒸發(fā)，使得水體中N、P等污染物不斷累積。長此以往，河湖中堆積大量有機污泥，水體透明度下降，溶解氧降低，水體水質(zhì)惡化。因此，我國目前所采取的傳統(tǒng)河湖水體治理方法[19-20]，污染容易復(fù)發(fā)，維持時間短，往往需要重復(fù)治理，耗資巨大，是治標不治本的短期治理措施。

2.2.2 就地分散處理。

在雨水排口附近分散處理主要是人工濕地法，人工濕地與城市生態(tài)建設(shè)相適應(yīng)，在城市建設(shè)人工濕地對進入河道的初期雨水進行處理，具有明顯的效果。有研究表明[21]，在某河道出口處建設(shè)人工濕地處理河渠污水，處理效果穩(wěn)定。但技術(shù)局限于特定區(qū)域，限制了其使用范圍。

2.2.3 雨水排口截留集中處理。

通過在雨水排口設(shè)置雨水截流井，利用雨水管道系統(tǒng)自身的調(diào)蓄容量[22-23]，將雨水進行收集，待雨季過后進入污水處理廠處理。此法首先要充分考慮雨水管道系統(tǒng)自身的調(diào)蓄容量，其次，收集的初期雨水是否增加污水處理廠的處理負荷，對正常的污水處理效果有無影響。將初期雨水經(jīng)截流井集中收集至雨水調(diào)蓄池和凈化處理設(shè)施，雨水經(jīng)處理清潔后排入就近河流或湖泊，這種方法是將初期雨水作為單一的處理對象，只需就地建立調(diào)蓄池和獨立的雨水凈化設(shè)施，方法簡單，可操作性較大，處理效果穩(wěn)定，是目前初期雨水末端治理方法的新方向。

3 合肥某新區(qū)城市初期雨水治理案例

國外初期雨水治理大多針對合流制排水體系。當前，初期雨水的治理在國內(nèi)尚處于起步階段，上海、北京等地的工程實踐也是針對合流制排水體制。該新區(qū)的排水體系采用完全的雨污分流，該體制下的初期雨水收集、調(diào)蓄和處理與合流制存在較大的差異性，是市政建設(shè)的新課題。

3.1 技術(shù)方法 針對新區(qū)內(nèi)某河道沿河雨水排口，通過排口改造和設(shè)置截流井，對初期雨水進行截留；沿河鋪設(shè)截留管，對各排口截留的初期雨水進行統(tǒng)一收集；利用沿河溝塘資源，建設(shè)2萬m3濕地型調(diào)蓄池，對初期雨水實施生態(tài)調(diào)蓄；調(diào)蓄池配套建設(shè)日處理規(guī)模為5 000 m3的成套化硅藻土除磷控藻設(shè)施，對初期雨水進行處理凈化后排入河道。

3.2 初期雨水截留水量 構(gòu)建河道雨污分流排水體系的 InfoWorks CS 模型，計算各排口的初期雨水截留水量。打破傳統(tǒng)水文計算條件，截留參數(shù)采用綜合設(shè)計頻率下，以總磷濃度進行控制，為截留管道及調(diào)蓄池的設(shè)計提供依據(jù)。

3.3 效益分析 所采用的硅藻土除磷控藻技術(shù)較傳統(tǒng)污水處理工藝具有生態(tài)安全性高、磷去除率高、建造及運營費用低、管護要求低等技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。經(jīng)測算，年削減 TP、COD 入河量1.0～1.5 t、140～210 t，有效緩解初期雨水對河流水質(zhì)的影響。同時，因地制宜，保護性利用河道沿河溝塘資源，建設(shè)濕地型調(diào)蓄池，對初期雨水實施生態(tài)調(diào)蓄，與周邊景觀相協(xié)調(diào)，將成為環(huán)保宣教的人文景觀，為沿湖城市初期雨水治理提供生態(tài)型技術(shù)方案和經(jīng)驗。

4 結(jié)論與建議

雨水是十分寶貴的水資源，加強對初期雨水的綜合處理和利用，對降低徑流污染、補充河道清潔水源、緩解城市水資源緊張和改善城市環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義。結(jié)合當前初期雨水污染及治理問題，筆者主要分析了城市初期雨水徑流污染來源及特點，闡述了初期雨水污染控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，對比分析了初期雨水各種治理方法的優(yōu)缺點，提出并探討初期雨水截留收集、集中處理的新方法，得出該方法簡單，可操作性較大，處理效果穩(wěn)定，并以合肥市某新區(qū)城市初期雨水治理案例進一步驗證了該方法在實際應(yīng)用中的可行性，為城市新區(qū)初期雨水治理技術(shù)研究提供新的思路與方向。由于我國開展城市雨水處理和利用的研究比較晚，仍存在諸多不足，因此建議應(yīng)從以下幾個方面加強城市初期雨水的處理研究：

①從區(qū)域發(fā)展實際情況出發(fā)，開展適合區(qū)域發(fā)展的雨水排水和利用規(guī)劃研究；

②結(jié)合區(qū)域發(fā)展規(guī)劃，引進并采用低影響開發(fā)技術(shù)，該技術(shù)相對于傳統(tǒng)的市政雨水管理技術(shù)，其具有很大的優(yōu)勢；

③加強雨水綜合處理和工程技術(shù)研究，實行綜合治理，考慮雨水處理的同時更要兼顧城市景觀美化的需要，標本兼治，源頭污染控制和末端治理都要重視，開發(fā)復(fù)合處理工藝，特別是原位生態(tài)處理工藝的研究運用。

43卷19期 袁步先等 城市新區(qū)初期雨水污染控制技術(shù)探討

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