王 沁

(長(zhǎng)沙市望城區(qū)重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)前期研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

1 引言

當(dāng)今社會(huì)發(fā)展迅速，傳統(tǒng)灰色雨水系統(tǒng)的單一建設(shè)模式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，傳統(tǒng)都市建設(shè)導(dǎo)致地表徑流雨水污染嚴(yán)重、水資源嚴(yán)重短缺、城市澇災(zāi)等，制約了社會(huì)發(fā)展，影響人民正常生活。

2016年，望城區(qū)與岳陽(yáng)、津市、鳳凰縣被列為省級(jí)海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市(湘財(cái)建[2016]7號(hào))。望城區(qū)作為省會(huì)長(zhǎng)沙唯一一個(gè)新型城鎮(zhèn)化和海綿城市建設(shè)試點(diǎn)縣區(qū)，打造“宜居城市”品牌，加快海綿城市建設(shè)。

《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》[1]明確了構(gòu)建海綿城市的規(guī)劃控制目標(biāo)，包含徑流總量、峰值控制、徑流污染雨水資源化利用 值控制4個(gè)方面，其中徑流總量控制是海綿城市規(guī)劃的一個(gè)重要目標(biāo)，其他3個(gè)可以通過(guò)徑流總量控制來(lái)部分實(shí)現(xiàn)。

2 望城區(qū)雨水地表徑流控制率研究目的和內(nèi)容

2.1 研究目的

隨著城市化的發(fā)展，望城區(qū)硬質(zhì)地面逐漸增加，導(dǎo)致城市降雨徑流量增長(zhǎng)，同時(shí)，降雨早期大量地面、屋頂污染物在雨水沖刷下隨徑流穿過(guò)城市排水管道或無(wú)限制漫流入河流。望城區(qū)部分已建城區(qū)采用雨污合流制排水，造成城市河道既是地表徑流匯水河道又是沿途納污水河道，望城區(qū)多條河道水質(zhì)逐漸惡化。

2016年，望城區(qū)成為湖南第一個(gè)省級(jí)海綿城市建設(shè)試點(diǎn)，預(yù)通過(guò)海綿城市的建設(shè)，解決傳統(tǒng)城市開(kāi)發(fā)造成的各種問(wèn)題，如：城市內(nèi)澇、面源污染、地表硬化等。在《長(zhǎng)沙市望城區(qū)海綿城市建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》(試行)[2]中確定望城區(qū)年徑流總量控制目標(biāo)不小于75%，年徑流污染控制目標(biāo)不低于60%。

海綿城市技術(shù)是實(shí)現(xiàn)年徑流總量和年徑流污染控制目標(biāo)的關(guān)鍵。目前常用的海綿城市技術(shù)主要有生物滯留池、植草溝、透水路面鋪裝、綠色屋頂?shù)取Ｍㄟ^(guò)正確的選擇和合理的設(shè)計(jì)，方能使這些技術(shù)發(fā)揮效果，而掌握雨水徑流水質(zhì)水量排放規(guī)律及其徑流污染情況及其關(guān)鍵，而目前望城區(qū)缺少雨水徑流水質(zhì)水量方面的檢測(cè)資料，對(duì)本地區(qū)的徑流污染情況尚不清楚。

目前通過(guò)SS指標(biāo)來(lái)判定年徑流污染是否得到控制，控制SS指標(biāo)能否達(dá)到控制污染的目的，需要進(jìn)一步了解望城區(qū)雨水徑流污染組成成分、污染物濃度、水質(zhì)各指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系以及水量的變化等。本文對(duì)望城區(qū)不同下墊面的雨水徑流水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，分析雨水徑流水質(zhì)變化規(guī)律，掌握望城區(qū)雨水徑流污染特征、水質(zhì)各指標(biāo)的相關(guān)性，并根據(jù)望城區(qū)已建海綿設(shè)施地塊SS檢測(cè)數(shù)據(jù)分析望城區(qū)地表徑流控制率，為雨水徑流控制設(shè)施的選擇提供指導(dǎo)，使望城區(qū)能達(dá)到年徑流總量和年徑流污染控制目標(biāo)。

2.2 研究?jī)?nèi)容

本文主要研究?jī)?nèi)容如下：①對(duì)望城區(qū)降雨徑流中污染物進(jìn)行檢測(cè)并評(píng)價(jià)降雨徑流面源污染狀況，識(shí)別不同下墊面面源污染特征與變化規(guī)律；②結(jié)合《長(zhǎng)沙市望城區(qū)海綿城市建設(shè)導(dǎo)則》[2]中提出的不同下墊面海綿設(shè)施的配置，分析雨水徑流污染控制率；③根據(jù)望城區(qū)已建海綿設(shè)施地塊的SS檢測(cè)數(shù)據(jù)分析望城區(qū)地表徑流控制率。

3 望城區(qū)雨水地表徑流水質(zhì)檢測(cè)及面源污染分析

為了解不同下墊面形成的雨水地表徑流污染特征，本文選擇了幾個(gè)典型取樣點(diǎn)，包括天然雨水、道路、建筑屋面、海綿化改造后的下墊面(公園草地、雨水花園、硬化路面、小學(xué)硬化路面、草地、綠色屋頂?shù)?。道路取樣點(diǎn)選在望府路，望城區(qū)政府辦公樓對(duì)面；幾處海綿化改造后的下墊面；建筑屋頂取樣點(diǎn)選在新塘小區(qū)附近。每個(gè)采樣點(diǎn)從形成徑流開(kāi)始，每隔數(shù)分鐘取一次徑流水樣，間隔時(shí)間約5～10 min。將采集的水樣盛放于500 mL采樣品中，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析。

3.1 天然雨水水質(zhì)分析

大氣中的粉塵、硫化物、氮氧化物等是天然雨水的主要污染來(lái)源。通過(guò)雨水的淋洗作用，將空氣中的污染物帶入地表水體。雨水水質(zhì)會(huì)受到氣壓、風(fēng)力、風(fēng)向、空氣受污染的情況等因素的影響。圖1所示為2019年3月28日所檢測(cè)的天然雨水中的COD和TN濃度。

圖1 望城區(qū)天然雨水水質(zhì)(2019年3月28日)

從圖1可知：望城區(qū)天然雨水COD值基本在30～50 mg/L之間。在降雨的前30 min內(nèi)，TN濃度較高，達(dá)到0.95 mg/L，此后，TN濃度維持較低的水平，基本在0.10 mg/L左右；主要原因是降雨將空氣中的污染物沖洗下來(lái)，造成早期雨水的TN濃度偏高，隨著不斷降雨，TN濃度降低，最后穩(wěn)定在較低值。

同時(shí)對(duì)2019年5月12日降雨水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)日，望城區(qū)約從10:30開(kāi)始降雨，剛開(kāi)始一段時(shí)間，降雨強(qiáng)度小，13:00以后降雨強(qiáng)度開(kāi)始增大，14:00～16:00降雨強(qiáng)度最大。在12:14～13:14時(shí)段內(nèi)，COD約為10 mg/L左右，TN約為2 mg/L左右；14:15～14:45時(shí)段內(nèi)，COD達(dá)到56.75 mg/L，TN濃度為7.46 mg/L，在此時(shí)段內(nèi)雨水中的COD、TN較高，可能與降雨強(qiáng)度增大有關(guān)。在所檢測(cè)的時(shí)段內(nèi)，望城區(qū)天然雨水中TP較低，低于0.1 mg/L。

3.2 道路雨水徑流水質(zhì)及污染物相關(guān)性分析

2019年5月12日在望府路(望城區(qū)政府對(duì)面)取樣分析雨水徑流水質(zhì)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2、3，污染物之間的相關(guān)性分析見(jiàn)圖4。

圖2 道路(望府路)雨水徑流水質(zhì)COD、SS

圖3 道路(望府路)雨水徑流水質(zhì)

圖4 道路(望府路)雨水徑流污染物相關(guān)性分析

望府路是望城區(qū)一條交通主干道，該區(qū)域附近有廣場(chǎng)、商場(chǎng)，行人多，交通量較大，且在本次采樣前，已有多天未下雨，路面沉積污染較多，故所檢測(cè)的望府路雨水徑流中污染物濃度較高。由上圖可知，剛開(kāi)始形成徑流時(shí)，徑流中的COD達(dá)到279.50 mg/L，此后COD呈下降的趨勢(shì)，在開(kāi)始形成徑流后40 min內(nèi)COD超過(guò)100 mg/L；形成徑流60 min后，所檢測(cè)的COD均低于30 mg/L。

望府路雨水徑流中SS隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與COD相同；剛開(kāi)始形成徑流時(shí)，徑流中的SS達(dá)到250.50 mg/L，此后呈下降的趨勢(shì)，在開(kāi)始形成徑流后50 min內(nèi)SS超過(guò)100 mg/L；形成徑流60 min后，SS基本低于20 mg/L。結(jié)果表明，望府路雨水徑流中COD以懸浮物為主。

3.3 建筑屋頂雨水徑流水質(zhì)及污染物相關(guān)性分析

于2019年5月12日在新塘小區(qū)附近某建筑物雨水落水口處取樣，取樣時(shí)間見(jiàn)表1，水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5、6。

表1 取樣時(shí)間

圖5 屋面(新塘小區(qū))雨水徑流水質(zhì)COD、SS

圖6 屋面(新塘小區(qū))雨水徑流水質(zhì)

本次檢測(cè)的望城區(qū)污染物在屋面雨水中的濃度與我國(guó)其他地區(qū)相比，TP濃度與其他地區(qū)接近；而COD和SS值偏低較多。分析其原因，主要是：屋面雨水中的污染物主要來(lái)源于雨水、屋面材料析出物、屋面沉淀物。2019年5月12日，望城區(qū)約從上午10：30開(kāi)始降雨，開(kāi)始一段時(shí)間內(nèi)降雨量小，未形成屋面徑流，雨水口未有雨水流出。自13：15形成徑流，此時(shí)已降雨165 min，大氣中的污染物基本已轉(zhuǎn)移到前期的雨水中，此時(shí)天然雨水中污染物濃度較低，COD、TP、TN濃度分別為6.75 mg/L、0.04 mg/L、1.12 mg/L；因此雨水徑流中污染物主要來(lái)自屋面沉淀物和屋面材料析出物。當(dāng)天在12：30之前降雨強(qiáng)度小，形成的雨水徑流量較小，故沉積在屋面的大顆粒物質(zhì)不能被雨水沖刷帶入徑流中，主要是一些小顆粒的物質(zhì)進(jìn)入雨水徑流，故所檢測(cè)的SS值較低；并且根據(jù)檢測(cè)的COD值可知，屋面材料析出物中能溶解的有機(jī)物含量低。

圖7 屋面(新塘小區(qū))雨水徑流污染物相關(guān)性分析

3.4 海綿城市改造后的下墊面雨水徑流水質(zhì)及污染物相關(guān)性分析

為了解實(shí)施海綿化改造后的下墊面地表雨水徑流水質(zhì)，于2019年3月28日在經(jīng)過(guò)海綿化改造后的雷鋒公園、工農(nóng)東路、斑馬湖小學(xué)、長(zhǎng)郡斑馬湖中學(xué)設(shè)置取樣點(diǎn)，見(jiàn)表2，檢測(cè)各取樣點(diǎn)雨水徑流水質(zhì)，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8、9。

表2 取樣點(diǎn)及取樣時(shí)間

圖8 海綿化改造后下墊面雨水地表徑流水質(zhì)COD、SS

圖9 海綿化改造后下墊面雨水地表徑流

表3為不同下墊面雨水徑流中SS與其他污染物相關(guān)系數(shù)匯總表。

由表3可以看出，不一樣的下墊面雨水徑流中SS與其他污染物相關(guān)系數(shù)差異較大。望府路SS與其他污染物相關(guān)系數(shù)最大，屋頂與雷鋒公園內(nèi)道路相關(guān)系數(shù)最小。望府路取樣點(diǎn)交通繁忙、人流量大，地面污染嚴(yán)重，望府路早期雨水徑流中以懸浮物為主，以SS能有效代表其他污染物。屋頂與雷鋒公園內(nèi)道路雨水徑流中有機(jī)物、氮、磷以溶解性物質(zhì)為主，僅以SS作為指標(biāo)不可以反映雨水中有機(jī)物、氮、磷對(duì)水體的污染情況。

表3 不同下墊面雨水徑流中SS與其他污染物相關(guān)系數(shù)

4 望城區(qū)雨水地表徑流控制分析

《長(zhǎng)沙市望城區(qū)海綿城市建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》[2]中明確望城區(qū)全區(qū)總體年徑流總量控制目標(biāo)不小于75%，全區(qū)總體年徑流污染控制目標(biāo)不小于60%；并提出建筑小區(qū)、道路、綠地與廣場(chǎng)采用的海綿設(shè)施。根據(jù)各文獻(xiàn)[7～13]及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，各類海綿設(shè)施對(duì)雨水徑流量消減率和污染控制能力進(jìn)行歸納總結(jié)如表4所示。

表4 各類海綿設(shè)施對(duì)徑流消減率與污染物去除率 %

4.1 綠色屋頂

綠色屋頂?shù)闹脖粚訉?duì)徑流中的COD、TN去除率為50%～70%，綠化屋面主要通過(guò)過(guò)濾和微生物的生物降解作用去除COD，主要通過(guò)植物吸附和微生物脫氮去除TN。當(dāng)進(jìn)水TP<0.1 mg/L時(shí)，綠色屋頂對(duì)TP沒(méi)有除去效果，偶爾還會(huì)出現(xiàn)出水TP高于進(jìn)水TP的情況，其原因是土壤中儲(chǔ)存的一些可溶性磷，遇水溶于水，隨雨水水流流出。當(dāng)進(jìn)水TP>0.1 mgL時(shí)，綠色屋頂對(duì)屋頂雨水徑流中的TP去除率基本在40%～70%之間；綠色屋頂中土壤的吸附是去除磷的主要途徑。

4.2 生物滯留設(shè)施

生物滯留設(shè)施主要包括雨水花園、下凹式綠地、生物滯留帶、高位花壇、生態(tài)樹(shù)池等。生物滯留設(shè)施包括植被、有機(jī)物覆蓋層、植物生長(zhǎng)介質(zhì)層，通過(guò)植被可以蒸發(fā)蒸騰調(diào)節(jié)徑流量，并通過(guò)與外界的氮循環(huán)降解污染物，有機(jī)覆蓋層為植被提供生長(zhǎng)的介質(zhì)，并起到部分污染物的降解作用，植物生長(zhǎng)介質(zhì)層可以貯存部分雨水，也可以除去雨水中的部分污染物。生物滯留設(shè)施可以有效除去雨水徑流中的SS、COD，SS除去率超過(guò)90%，COD除去率為35.0%～96.2%。但對(duì)N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除效果差異較大。

4.3 透水鋪裝

透水鋪裝是指透水性好的材料鋪設(shè)道路，使得降雨時(shí)，雨水通過(guò)鋪裝層盡量多的滲入到地下。

透水混凝土路面可以去除降雨徑流中90%的總懸浮物；也有研究發(fā)現(xiàn)透水鋪裝系統(tǒng)自上部依次向下，各結(jié)構(gòu)層對(duì)總懸浮物的去除能力逐漸減小，其中面層和基層起主要的去除作用。透水混凝土鋪裝對(duì)雨水中COD的去除率約為40%～60%，對(duì)TN的截留可達(dá)33%～66%。透水鋪裝對(duì)磷的去除率超過(guò)75%，降雨徑流中顆粒態(tài)磷主要通過(guò)面層和基層材料的吸附、沉淀在系統(tǒng)內(nèi)，而溶解態(tài)磷則與鋪裝材料中的鋁、鈣等金屬離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生沉淀，有的溶解態(tài)磷則被聚磷菌的攝取。

4.4 植草溝

植草溝是種有植被的地表淺溝，一般設(shè)置在道路兩側(cè)、大面積綠地內(nèi)等，可可以連接到雨水管和它共同運(yùn)行，也可以單獨(dú)運(yùn)行，進(jìn)行雨水的輸送和凈化。

當(dāng)降雨徑流流過(guò)植草溝時(shí)，通過(guò)沉淀、截留、滲透、吸附等作用下，雨水中的顆粒物會(huì)沉淀或者被吸附于土壤、濾料表面，顆粒物濃度有所降低。同時(shí)，植草溝中的植物生長(zhǎng)過(guò)程中吸收部分氮、磷等物質(zhì)，降低了氮、磷濃度。植物還能吸附和富集一些重金屬。文獻(xiàn)研究表明植草溝對(duì)SS和COD去除性能較好，但對(duì)氮、磷去除率較低。

4.5 雨水調(diào)蓄設(shè)施

雨水調(diào)蓄池是對(duì)雨水進(jìn)行調(diào)節(jié)和貯存功能的一類構(gòu)筑物的總稱。主要有三種：控制暴雨洪峰流量調(diào)蓄池、控制面源污染調(diào)節(jié)池、雨水回收利用池。

雨水調(diào)節(jié)池對(duì)水質(zhì)的改善主要通過(guò)各種物理、化學(xué)和生物過(guò)程完成。在調(diào)節(jié)池中發(fā)生的基本水處理過(guò)程包括顆粒性固體的沉淀、顆粒固體表面與周圍水環(huán)境之間的物質(zhì)交換作用(適當(dāng)條件下, 溶解性污染物會(huì)粘附在顆粒固體上)、生物吸附作用，以及一些可能的化學(xué)過(guò)程；調(diào)節(jié)池通?？梢越亓艄腆w污染物，比例約40%～90%，富含營(yíng)養(yǎng)的溶解性污染物，比例約20%～70%的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)檢測(cè)望城區(qū)天然雨水、不同下墊面雨水水質(zhì)，進(jìn)行水質(zhì)相關(guān)性分析；并分析了望城區(qū)海綿城市建成后，對(duì)各污染物的削減能力，所得結(jié)論如下：

(1)望城區(qū)降雨早期天然雨水中COD值能達(dá)到約50 mg/L，TN能達(dá)到約7 mg/L。

(4)望府路雨水徑流懸浮性COD、懸浮性TP所占比例較高，TN以含氮有機(jī)物為主。屋面沉積物中有機(jī)物含量少，TP多數(shù)以溶解態(tài)含磷污染物形態(tài)存在，TN以溶解性的含氮有機(jī)物為主。雷鋒公園內(nèi)雨水花園附近雨水徑流中COD以溶解性物質(zhì)為主；TN也是以溶解性的含氮有機(jī)物為主。

(6)由于望城區(qū)早期雨水徑流中COD、SS、TP、TN濃度超標(biāo)，重點(diǎn)需控制COD、SS、TP、TN這幾個(gè)指標(biāo)。

(7)在望城區(qū)擬采用的海綿設(shè)施中，透水鋪裝、下沉式綠地和生態(tài)滯留設(shè)施對(duì)雨水徑流中的污染物削減率較高；綠色屋頂和植草溝的對(duì)污染物削減率低，主要原因是設(shè)置植草溝和綠色屋頂?shù)谋壤^低。各海綿地塊對(duì)雨水徑流控制較好，不少海綿地塊檢測(cè)的徑流SS值較高，建議適當(dāng)提高LID設(shè)施設(shè)置比例，消減雨水徑流污染。