長沙市望城區海綿城市地表徑流控制率分析

王 沁

(長沙市望城區重大基礎設施建設前期研究中心，湖南 長沙 410000)

1 引言

當今社會發展迅速，傳統灰色雨水系統的單一建設模式已經無法適應城鎮化的快速發展，傳統都市建設導致地表徑流雨水污染嚴重、水資源嚴重短缺、城市澇災等，制約了社會發展，影響人民正常生活。

2016年，望城區與岳陽、津市、鳳凰縣被列為省級海綿城市建設試點城市(湘財建[2016]7號)。望城區作為省會長沙唯一一個新型城鎮化和海綿城市建設試點縣區，打造“宜居城市”品牌，加快海綿城市建設。

《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建(試行)》[1]明確了構建海綿城市的規劃控制目標，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個方面，其中徑流總量控制是海綿城市規劃的一個重要目標，其他3個可以通過徑流總量控制來部分實現。

2 望城區雨水地表徑流控制率研究目的和內容

2.1 研究目的

隨著城市化的發展，望城區硬質地面逐漸增加，導致城市降雨徑流量增長，同時，降雨早期大量地面、屋頂污染物在雨水沖刷下隨徑流穿過城市排水管道或無限制漫流入河流。望城區部分已建城區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，望城區多條河道水質逐漸惡化。

2016年，望城區成為湖南第一個省級海綿城市建設試點，預通過海綿城市的建設，解決傳統城市開發造成的各種問題，如：城市內澇、面源污染、地表硬化等。在《長沙市望城區海綿城市建設技術導則》(試行)[2]中確定望城區年徑流總量控制目標不小于75%，年徑流污染控制目標不低于60%。

海綿城市技術是實現年徑流總量和年徑流污染控制目標的關鍵。目前常用的海綿城市技術主要有生物滯留池、植草溝、透水路面鋪裝、綠色屋頂等。通過正確的選擇和合理的設計，方能使這些技術發揮效果，而掌握雨水徑流水質水量排放規律及其徑流污染情況及其關鍵，而目前望城區缺少雨水徑流水質水量方面的檢測資料，對本地區的徑流污染情況尚不清楚。

目前通過SS指標來判定年徑流污染是否得到控制，控制SS指標能否達到控制污染的目的，需要進一步了解望城區雨水徑流污染組成成分、污染物濃度、水質各指標的相關關系以及水量的變化等。本文對望城區不同下墊面的雨水徑流水質進行檢測，分析雨水徑流水質變化規律，掌握望城區雨水徑流污染特征、水質各指標的相關性，并根據望城區已建海綿設施地塊SS檢測數據分析望城區地表徑流控制率，為雨水徑流控制設施的選擇提供指導，使望城區能達到年徑流總量和年徑流污染控制目標。

2.2 研究內容

本文主要研究內容如下：①對望城區降雨徑流中污染物進行檢測并評價降雨徑流面源污染狀況，識別不同下墊面面源污染特征與變化規律；②結合《長沙市望城區海綿城市建設導則》[2]中提出的不同下墊面海綿設施的配置，分析雨水徑流污染控制率；③根據望城區已建海綿設施地塊的SS檢測數據分析望城區地表徑流控制率。

3 望城區雨水地表徑流水質檢測及面源污染分析

為了解不同下墊面形成的雨水地表徑流污染特征，本文選擇了幾個典型取樣點，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、小學硬化路面、草地、綠色屋頂等)。道路取樣點選在望府路，望城區政府辦公樓對面；幾處海綿化改造后的下墊面；建筑屋頂取樣點選在新塘小區附近。每個采樣點從形成徑流開始，每隔數分鐘取一次徑流水樣，間隔時間約5～10 min。將采集的水樣盛放于500 mL采樣品中，運回實驗室進行水質分析。

3.1 天然雨水水質分析

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源。通過雨水的淋洗作用，將空氣中的污染物帶入地表水體。雨水水質會受到氣壓、風力、風向、空氣受污染的情況等因素的影響。圖1所示為2019年3月28日所檢測的天然雨水中的COD和TN濃度。

圖1 望城區天然雨水水質(2019年3月28日)

從圖1可知：望城區天然雨水COD值基本在30～50 mg/L之間。在降雨的前30 min內，TN濃度較高，達到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，造成早期雨水的TN濃度偏高，隨著不斷降雨，TN濃度降低，最后穩定在較低值。

同時對2019年5月12日降雨水質進行檢測，當日，望城區約從10:30開始降雨，剛開始一段時間，降雨強度小，13:00以后降雨強度開始增大，14:00～16:00降雨強度最大。在12:14～13:14時段內，COD約為10 mg/L左右，TN約為2 mg/L左右；14:15～14:45時段內，COD達到56.75 mg/L，TN濃度為7.46 mg/L，在此時段內雨水中的COD、TN較高，可能與降雨強度增大有關。在所檢測的時段內，望城區天然雨水中TP較低，低于0.1 mg/L。

3.2 道路雨水徑流水質及污染物相關性分析

2019年5月12日在望府路(望城區政府對面)取樣分析雨水徑流水質，檢測結果見圖2、3，污染物之間的相關性分析見圖4。

圖2 道路(望府路)雨水徑流水質COD、SS

圖3 道路(望府路)雨水徑流水質

圖4 道路(望府路)雨水徑流污染物相關性分析

望府路是望城區一條交通主干道，該區域附近有廣場、商場，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，故所檢測的望府路雨水徑流中污染物濃度較高。由上圖可知，剛開始形成徑流時，徑流中的COD達到279.50 mg/L，此后COD呈下降的趨勢，在開始形成徑流后40 min內COD超過100 mg/L；形成徑流60 min后，所檢測的COD均低于30 mg/L。

望府路雨水徑流中SS隨時間的變化趨勢與COD相同；剛開始形成徑流時，徑流中的SS達到250.50 mg/L，此后呈下降的趨勢，在開始形成徑流后50 min內SS超過100 mg/L；形成徑流60 min后，SS基本低于20 mg/L。結果表明，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及污染物相關性分析

于2019年5月12日在新塘小區附近某建筑物雨水落水口處取樣，取樣時間見表1，水質檢測結果見圖5、6。

表1 取樣時間

圖5 屋面(新塘小區)雨水徑流水質COD、SS

圖6 屋面(新塘小區)雨水徑流水質

本次檢測的望城區污染物在屋面雨水中的濃度與我國其他地區相比，TP濃度與其他地區接近；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，望城區約從上午10：30開始降雨，開始一段時間內降雨量小，未形成屋面徑流，雨水口未有雨水流出。自13：15形成徑流，此時已降雨165 min，大氣中的污染物基本已轉移到前期的雨水中，此時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自屋面沉淀物和屋面材料析出物。當天在12：30之前降雨強度小，形成的雨水徑流量較小，故沉積在屋面的大顆粒物質不能被雨水沖刷帶入徑流中，主要是一些小顆粒的物質進入雨水徑流，故所檢測的SS值較低；并且根據檢測的COD值可知，屋面材料析出物中能溶解的有機物含量低。

圖7 屋面(新塘小區)雨水徑流污染物相關性分析

3.4 海綿城市改造后的下墊面雨水徑流水質及污染物相關性分析

為了解實施海綿化改造后的下墊面地表雨水徑流水質，于2019年3月28日在經過海綿化改造后的雷鋒公園、工農東路、斑馬湖小學、長郡斑馬湖中學設置取樣點，見表2，檢測各取樣點雨水徑流水質，檢測數據見圖8、9。

表2 取樣點及取樣時間

圖8 海綿化改造后下墊面雨水地表徑流水質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與其他污染物相關系數匯總表。

由表3可以看出，不一樣的下墊面雨水徑流中SS與其他污染物相關系數差異較大。望府路SS與其他污染物相關系數最大，屋頂與雷鋒公園內道路相關系數最小。望府路取樣點交通繁忙、人流量大，地面污染嚴重，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。屋頂與雷鋒公園內道路雨水徑流中有機物、氮、磷以溶解性物質為主，僅以SS作為指標不可以反映雨水中有機物、氮、磷對水體的污染情況。

表3 不同下墊面雨水徑流中SS與其他污染物相關系數

4 望城區雨水地表徑流控制分析

《長沙市望城區海綿城市建設技術導則》[2]中明確望城區全區總體年徑流總量控制目標不小于75%，全區總體年徑流污染控制目標不小于60%；并提出建筑小區、道路、綠地與廣場采用的海綿設施。根據各文獻[7～13]及實驗數據分析，各類海綿設施對雨水徑流量消減率和污染控制能力進行歸納總結如表4所示。

表4 各類海綿設施對徑流消減率與污染物去除率 %

4.1 綠色屋頂

綠色屋頂的植被層對徑流中的COD、TN去除率為50%～70%，綠化屋面主要通過過濾和微生物的生物降解作用去除COD，主要通過植物吸附和微生物脫氮去除TN。當進水TP<0.1 mg/L時，綠色屋頂對TP沒有除去效果，偶爾還會出現出水TP高于進水TP的情況，其原因是土壤中儲存的一些可溶性磷，遇水溶于水，隨雨水水流流出。當進水TP>0.1 mgL時，綠色屋頂對屋頂雨水徑流中的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 生物滯留設施

生物滯留設施主要包括雨水花園、下凹式綠地、生物滯留帶、高位花壇、生態樹池等。生物滯留設施包括植被、有機物覆蓋層、植物生長介質層，通過植被可以蒸發蒸騰調節徑流量，并通過與外界的氮循環降解污染物，有機覆蓋層為植被提供生長的介質，并起到部分污染物的降解作用，植物生長介質層可以貯存部分雨水，也可以除去雨水中的部分污染物。生物滯留設施可以有效除去雨水徑流中的SS、COD，SS除去率超過90%，COD除去率為35.0%～96.2%。但對N、P等營養物質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道路，使得降雨時，雨水通過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；也有研究發現透水鋪裝系統自上部依次向下，各結構層對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。透水混凝土鋪裝對雨水中COD的去除率約為40%～60%，對TN的截留可達33%～66%。透水鋪裝對磷的去除率超過75%，降雨徑流中顆粒態磷主要通過面層和基層材料的吸附、沉淀在系統內，而溶解態磷則與鋪裝材料中的鋁、鈣等金屬離子發生化學反應產生沉淀，有的溶解態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，一般設置在道路兩側、大面積綠地內等，可可以連接到雨水管和它共同運行，也可以單獨運行，進行雨水的輸送和凈化。

當降雨徑流流過植草溝時，通過沉淀、截留、滲透、吸附等作用下，雨水中的顆粒物會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，植草溝中的植物生長過程中吸收部分氮、磷等物質，降低了氮、磷濃度。植物還能吸附和富集一些重金屬。文獻研究表明植草溝對SS和COD去除性能較好，但對氮、磷去除率較低。

4.5 雨水調蓄設施

雨水調蓄池是對雨水進行調節和貯存功能的一類構筑物的總稱。主要有三種：控制暴雨洪峰流量調蓄池、控制面源污染調節池、雨水回收利用池。

雨水調節池對水質的改善主要通過各種物理、化學和生物過程完成。在調節池中發生的基本水處理過程包括顆粒性固體的沉淀、顆粒固體表面與周圍水環境之間的物質交換作用(適當條件下, 溶解性污染物會粘附在顆粒固體上)、生物吸附作用，以及一些可能的化學過程；調節池通常可以截留固體污染物，比例約40%～90%，富含營養的溶解性污染物，比例約20%～70%的。

5 結語

本文通過檢測望城區天然雨水、不同下墊面雨水水質，進行水質相關性分析；并分析了望城區海綿城市建成后，對各污染物的削減能力，所得結論如下：

(1)望城區降雨早期天然雨水中COD值能達到約50 mg/L，TN能達到約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以含氮有機物為主。屋面沉積物中有機物含量少，TP多數以溶解態含磷污染物形態存在，TN以溶解性的含氮有機物為主。雷鋒公園內雨水花園附近雨水徑流中COD以溶解性物質為主；TN也是以溶解性的含氮有機物為主。

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

(7)在望城區擬采用的海綿設施中，透水鋪裝、下沉式綠地和生態滯留設施對雨水徑流中的污染物削減率較高；綠色屋頂和植草溝的對污染物削減率低，主要原因是設置植草溝和綠色屋頂的比例較低。各海綿地塊對雨水徑流控制較好，不少海綿地塊檢測的徑流SS值較高，建議適當提高LID設施設置比例，消減雨水徑流污染。