太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)建筑與小區(qū)徑流污染產(chǎn)生及控制分析

孫宏偉 ，陸 全

（1.江蘇筑原建筑設(shè)計有限公司，江蘇 常州 213000；2.江蘇中技筑原綠色建筑設(shè)計咨詢有限公司，江蘇 常州 213000）

我國快速城鎮(zhèn)化進程中，城市人口聚集度高，城市開發(fā)強度大，改變了原有自然生態(tài)本底和水文特征，破壞了天然海綿體和自然水文循環(huán)，導(dǎo)致水生態(tài)惡化、水環(huán)境污染、水資源緊缺、水安全缺乏保障等問題。低影響開發(fā)（以下簡稱LID）雨水設(shè)施是城鎮(zhèn)排水防澇系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著徑流雨水源頭減排、截污凈化等重要功能，是實現(xiàn)徑流污染控制的重要工具。本文針對場地尺度的建筑與小區(qū)類項目，分析建筑與小區(qū)徑流污染產(chǎn)生過程及對策，探討基于徑流污染控制的徑流總量及徑流峰值校驗核算方法，為實現(xiàn)海綿城市建設(shè)及地表水水質(zhì)目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)[1-2]。

1 海綿城市核心內(nèi)涵

中央城鎮(zhèn)化工作會議貫徹生態(tài)文明、可持續(xù)發(fā)展理念，明確大力建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市，實現(xiàn)“小雨不積水、大雨不內(nèi)澇、水體不黑臭、熱島有緩解”的建設(shè)目標(biāo)。《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》（試行）明確了海綿城市的概念、建設(shè)路徑和基本原則，制定了地方城市開展海綿城市建設(shè)的技術(shù)路線與方法。

海綿城市建設(shè)過程中，筆者認(rèn)為建筑與小區(qū)類項目的設(shè)計應(yīng)秉持“適用、經(jīng)濟、生態(tài)、平衡”理念，選擇因地制宜、經(jīng)濟高效、易于維護的低影響開發(fā)雨水設(shè)施及其組合系統(tǒng)，實現(xiàn)徑流雨水源頭減排、LID設(shè)施平面布置與景觀生態(tài)設(shè)計美學(xué)的平衡，實現(xiàn)經(jīng)濟效益、環(huán)境效益與社會效益的統(tǒng)一[3]。

2 平原河網(wǎng)地區(qū)水文地質(zhì)特點

太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)河網(wǎng)密布、湖泊眾多，水系按地形及水流運動，大致可分為太湖和低平原的黃浦江水系和沿江沿海水系。多年平均降雨量為1 181mm，其中60%的降雨集中在5～9月，降雨年內(nèi)年際變化較大，最大為最小年降水量的2.4倍。

該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要為第四紀(jì)松散淤積土覆蓋，在深度80m以內(nèi)，以中、低壓縮性的黏性土、粉土和粉砂為主，淺層10m范圍內(nèi)土層主要為表層填土及新近沉積土，滲透系數(shù)一般為10-6～10-3m/s；埋深3～6m的硬可塑黃褐色黏性土，滲透系數(shù)一般為10-6～10-8m/s。總體而言，淺部土層對地表水的吸儲性較差。地下水位埋深較淺，多為2～5m。

3 建筑與小區(qū)徑流污染產(chǎn)生與控制

3.1 徑流污染產(chǎn)生

徑流污染產(chǎn)生通常包括2個階段，即晴天街塵靜態(tài)累計和雨天徑流動態(tài)沖刷。建筑與小區(qū)中的街塵顆粒物是徑流污染物的重要載體，其單位面積質(zhì)量及下墊面狀況決定其對徑流污染負(fù)荷貢獻(xiàn)的大小，在人工清掃、降雨沖刷等作用下自由態(tài)街塵負(fù)荷急劇減少，建議小區(qū)道路澆灑次數(shù)適量提高至45～60次 /年。

LID設(shè)施對徑流雨水中不同粒徑顆粒物的去除具有選擇性，粒徑大小影響晴天累計、雨天沖刷及污染物種類、濃度等。綠地對大粒徑顆粒的去除率相對較高，中間粒徑（44～105μm）顆粒污染物相對不易沉淀及被吸附。

小區(qū)微地形及坡度豎向設(shè)計影響顆粒物的遷移分布，地勢低洼處更容易蓄存街塵，海綿城市設(shè)計中建議在地勢低洼處增設(shè)沉淀池、截污掛籃等截污設(shè)施，適當(dāng)加大人工清掃頻次[4]。

3.2 徑流污染控制措施

建筑與小區(qū)類項目的海綿城市設(shè)計中，徑流污染控制技術(shù)措施主要包括透水磚鋪裝、綠色屋頂、復(fù)雜性生物滯留設(shè)施、植草溝、濕塘、雨水濕地、蓄水池等。其中，透水磚鋪裝、復(fù)雜性生物滯留設(shè)施和蓄水池因其污染物去除率高，在工程實際中應(yīng)用范圍最廣。蓄水池設(shè)計中宜設(shè)置自動反沖洗裝置，定期清洗維護以保障雨水回用達(dá)到用水水質(zhì)要求[5]。

3.3 徑流污染控制校驗核算方法

建設(shè)用地內(nèi)應(yīng)對年雨水徑流污染、徑流總量和徑流峰值進行控制，平原河網(wǎng)地區(qū)水系發(fā)達(dá)，應(yīng)將徑流污染作為重要控制目標(biāo)，滿足城市水環(huán)境質(zhì)量要求。平原河網(wǎng)地區(qū)建筑與小區(qū)的徑流污染控制校驗核算方法是基于徑流污染控制目標(biāo)，對徑流總量、徑流峰值目標(biāo)進行校驗核算。

1）徑流污染計算參照《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》（試行）中年SS總量去除率公式，低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的年SS總量去除率一般可達(dá)40%～60%。計算公式如下:

2）徑流總量計算參照《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》（試行）中容積法計算公式:

式中，V為設(shè)計調(diào)蓄容積，m3；H為設(shè)計降雨量，mm；ψ為綜合雨量徑流系數(shù)；F為匯水面積，hm2。

3）徑流峰值計算 參照GB 50400—2016《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范》中需控制及利用的雨水徑流總量計算公式:

式中，W為需控制及利用的雨水徑流總量，m3；ψc為雨量徑流系數(shù)；ψ0為控制徑流峰值所對應(yīng)的徑流系數(shù)，應(yīng)符合當(dāng)?shù)匾?guī)劃控制要求；hy為設(shè)計日降雨量，mm；F為硬化匯水面面積，應(yīng)按硬化匯水面水平投影面積計算，hm2。

基于徑流污染控制目標(biāo)，對徑流總量、徑流峰值目標(biāo)進行校驗核算的步驟如下。

1）確定城市總體規(guī)劃階段提出的年徑流總量控制率目標(biāo)R1。

2）確定城市總體規(guī)劃階段提出的徑流污染控制目標(biāo)即年SS總量去除率指標(biāo)。

3）滿足徑流污染控制目標(biāo)的年徑流總量控制率R2試算 海綿城市設(shè)計方案:綜合選擇透水磚鋪裝、復(fù)雜性生物滯留設(shè)施、蓄水池等低影響開發(fā)雨水設(shè)施及其組合系統(tǒng)，并且蓄水池同時滿足雨水回用需求，參照各種LID設(shè)施的污染物去除率（以SS計），通過各種LID設(shè)施面積加權(quán)計算得到低影響開發(fā)設(shè)施對SS的平均去除率，其中蓄水池設(shè)施對應(yīng)面積宜根據(jù)蓄水量與年徑流總量控制率目標(biāo)R1相應(yīng)設(shè)計調(diào)蓄容積所占比例面積線性插入計算；根據(jù)式1試算場地年徑流總量控制率R2。

4）滿足徑流總量控制目標(biāo)的年徑流總量控制率R3試算 通過下墊面面積加權(quán)計算得到綜合雨量徑流系數(shù)，計算LID設(shè)施總調(diào)蓄容積，根據(jù)式2計算設(shè)計降雨量，對照統(tǒng)計分析法計算出的年徑流總量控制率與設(shè)計降雨量的關(guān)系，確定場地年徑流總量控制率R3。

5）滿足徑流峰值控制目標(biāo)的試算 通過下墊面硬化面積加權(quán)計算得到綜合雨量徑流系數(shù)及硬化匯水面面積，根據(jù)式3確定需控制及利用的雨水徑流總量；步驟4中的LID設(shè)施總調(diào)蓄容積≥需控制及利用的雨水徑流總量，即為滿足徑流峰值控制目標(biāo)。

6）重復(fù)步驟3～5，直到滿足年徑流總量控制率R3同時滿足大于R1和R2，并且步驟4中的LID設(shè)施總調(diào)蓄容積≥需控制及利用的雨水徑流總量，最終得到同時滿足徑流污染、徑流總量和徑流峰值控制目標(biāo)的海綿城市設(shè)計方案。

4 案例分析

4.1 項目概況

太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)某地塊規(guī)劃用地面積5萬m2，建筑用途為住宅和商業(yè)，建筑密度35%，綠地率30%。規(guī)劃建設(shè)條件中約束性指標(biāo)規(guī)定:年徑流總量控制率目標(biāo)≥75%，對應(yīng)設(shè)計雨量23.2mm，年SS總量去除率指標(biāo)≥50%；引導(dǎo)性指標(biāo)規(guī)定:透水鋪裝率≥30%，海綿型綠地率≥30%。

根據(jù)項目定位、現(xiàn)狀條件及問題分析，場地徑流污染物主要為街塵顆粒物，小區(qū)采用雨水回用用于綠化澆灌和道路澆灑，道路澆灑次數(shù)提高至55～60次/年。地勢低洼處增設(shè)截污掛籃設(shè)施，適當(dāng)加大人工清掃頻次。蓄水池采用PPB塑料模塊拼裝，設(shè)置預(yù)處理裝置、自動反沖洗裝置和地埋式一體化水處理設(shè)備，如圖1，2所示，定期清洗維護，保障雨水回用達(dá)到用水水質(zhì)要求。蓄水池按滿足3d用水量核算需要約250m3。

圖1 雨水模塊

圖2 地埋式一體化水處理設(shè)備

海綿城市設(shè)計時秉持“適用、經(jīng)濟、生態(tài)、平衡”的設(shè)計理念，綜合選擇的LID設(shè)施及其組合系統(tǒng)主要包括透水磚鋪裝、雨水花園、下沉式綠地和蓄水池。

4.2 徑流污染控制校驗核算

基于徑流污染控制目標(biāo)，對徑流總量、徑流峰值目標(biāo)進行校驗核算，步驟如下。

1）總體規(guī)劃階段提出的年徑流總量控制率目標(biāo)R1＝75%。

2）總體規(guī)劃階段提出的年SS總量去除率指標(biāo)為50%。

3）滿足徑流污染控制目標(biāo)的年徑流總量控制率R2試算。海綿城市設(shè)計方案:綜合選擇透水磚鋪裝、雨水花園、下沉式綠地和蓄水池，其中透水磚鋪裝8 750m2，雨水花園750m2，下沉式綠地1 500m2，蓄水池400m3，蓄水池對應(yīng)面積31 108m2；計算得到低影響開發(fā)設(shè)施對SS的平均去除率為0.65；根據(jù)式1試算場地年徑流總量控制率R2=77%。

4）滿足徑流總量控制目標(biāo)的年徑流總量控制率R3試算。通過下墊面面積加權(quán)計算得到綜合雨量徑流系數(shù)0.55，LID設(shè)施確定總調(diào)蓄容積738m3，根據(jù)式2計算設(shè)計降雨量26.61mm，場地年徑流總量控制率R3=78%。

5）滿足徑流峰值控制目標(biāo)的試算。根據(jù)式3確定需控制及利用的雨水徑流總量736m3，滿足徑流峰值控制目標(biāo)。

6）經(jīng)多次調(diào)整海綿城市設(shè)計方案，重復(fù)步驟3～5，最終得到同時滿足徑流污染、徑流總量和徑流峰值控制目標(biāo)的海綿城市設(shè)計方案。

5 結(jié)語

1）針對太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)建筑與小區(qū)徑流污染產(chǎn)生過程及對策進行分析，建議小區(qū)道路澆灑次數(shù)適量提高至45～60次/年；在地勢低洼處增設(shè)沉淀池、截污掛籃等截污設(shè)施，適當(dāng)加大人工清掃頻次；蓄水池設(shè)計中宜設(shè)置自動反沖洗裝置，定期清洗維護保障雨水回用達(dá)到用水水質(zhì)要求。

2）探討基于徑流污染控制的徑流總量及徑流峰值校驗核算方法，得到同時滿足徑流污染、徑流總量和徑流峰值控制目標(biāo)的海綿城市設(shè)計方案，為實現(xiàn)海綿城市建設(shè)及地表水水質(zhì)目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。

3）平原河網(wǎng)地區(qū)具有地下水水位埋深淺、土壤滲透系數(shù)低、徑流污染成因復(fù)雜等特點，徑流污染產(chǎn)生及控制策略還有待進一步研究分析。