基于徑流污染控制的海綿城市系統(tǒng)方案研究

文｜上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 劉明明

0 引言

臨港主城區(qū)由“一湖七射四漣”的水系網(wǎng)絡構建出“滴水漣漪”的城市風貌，射河、漣河作為主城區(qū)排澇河道，收集地表徑流后最終匯入滴水湖。本文首先對研究區(qū)域河道水環(huán)境容量進行計算，并對區(qū)域中產(chǎn)生的污染物總量進行分析，開展以污染控制為目標的海綿城市建設方案，最終提出源頭減排和末端治理的污染控制策略。

1 水質(zhì)目標及水環(huán)境容量

1.1 區(qū)域概況和水質(zhì)目標

臨港金融總部灣位于主城區(qū)滴水湖正北側，北至環(huán)湖北二路，西至青樣港，南至環(huán)湖北一路，東至藍云港，總用地面積為46.53 公頃，共18 個地塊，形成東九宮格和西九宮格布局。主城區(qū)“一湖七射四漣”的水系網(wǎng)絡形成相對獨立的圩區(qū)，水功能區(qū)水質(zhì)目標為地表IV 類水。

1.2 水環(huán)境容量模型概化及計算

水環(huán)境容量計算方法包括公式法、模型試錯法、系統(tǒng)最優(yōu)法、概率稀釋模型法、未確知數(shù)學法五大類。針對區(qū)域特點和資料情況，本次研究采用公式法計算，應用零維模型對主要水質(zhì)指標（COD、氨氮、總磷）的環(huán)境容量進行估算。

式中：

Q0為河道上游來水量，m3/s；

Cs為污染物控制標準濃度，mg/l；

C0為污染物環(huán)境本底濃度，mg/l；

k 為綜合降解系數(shù)，1/d；

V 為水環(huán)境體積容量，m3；

q 為排污流量，m3/s。

目標水質(zhì)Cs取地表Ⅳ類水標準；上游水質(zhì)C0，根據(jù)2019年-2020年臨港地區(qū)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，1月-12月平均水質(zhì)IV 類水達標率為95%，部分河道存在季節(jié)性面源污染，如青祥港在2019年5月-6月高錳酸鹽和總磷超標，為確保研究區(qū)域穩(wěn)定達到IV 類水目標，上游水質(zhì)分別按照IV 類和V類兩種工況計算；綜合降解系數(shù)k，參考相關報告及文獻，COD 為0.1（1/d），氨氮為0.08（1/d），總磷為0.08（1/d）。根據(jù)上述參數(shù)對模型進行概化，同時實際情況下水環(huán)境自凈能力低于理論，取0.8 的安全系數(shù)，具體計算結果如表1。

表1 水環(huán)境容量計算表

根據(jù)表1 計算分析，研究區(qū)域水環(huán)境較為脆弱，在部分月份受上游客水影響，水環(huán)境容量為負，不具備消納雨水徑流污染的能力。因此制定區(qū)域海綿城市系統(tǒng)方案時，應考慮在雨水排入河道之前通過系統(tǒng)性措施將雨水中的污染物削減，達到IV類水標準后排放；同時構建河道生態(tài)系統(tǒng)，強化河道自身凈化能力。

2 污染物排放分析及計算

本次研究范圍屬于城市整體更新，排水系統(tǒng)完全按照雨污分流建設，污水管網(wǎng)全覆蓋、全收集，因此無點源污染。區(qū)域開發(fā)建設后，主要污染物來自初期雨水徑流，通過2019年7月和8月兩場降雨期間對臨港地區(qū)徑流雨水水質(zhì)進行檢測，不同下墊面雨水徑流污染物指數(shù)見表2。

表2 下墊面雨水徑流污染指數(shù)

以雨水排放口IV 類水（TSS 以削減率55%計）為海綿城市建設污染控制目標，通過源頭減排和末端治理，在陸域空間內(nèi)每年需削減TSS 總量40.18 噸，COD 總量44.57噸，氨氮總量0.03噸，總磷總量0.07噸。

研究區(qū)域面源污染總量計算見表3。

表3 污染物總量計算表

3 污染物控制策略及計算

3.1 海綿城市建設系統(tǒng)方案

臨港金融總部灣海綿城市建設以徑流污染控制為核心目標，小海綿、大海綿有機結合、綠色設施、灰色設施因地制宜，形成源頭控制、過程調(diào)蓄與末端處理相融合的系統(tǒng)性建設方案。

圖1 研究區(qū)域海綿城市建設總體技術路線

根據(jù)技術路線，研究區(qū)域雨水徑流過程中的污染物控制包括源頭削減和末端削減。源頭削減是指地塊、市政道路和公園綠地雨水的就地消納。末端削減是利用雨水排放口附近的濱河空間，結合岸線景觀在排放口附近布置人工濕地，并配套建設地下調(diào)蓄池，用于初期雨水的滯留調(diào)節(jié)。

3.2 污染物削減計算

根據(jù)第2 節(jié)污染物總量和允許排放量，計算各類污染物削減率，公式為：

f=P削減/P總量

式中：f 為削減率，P削減=P總量-P允許；

根據(jù)上式，計算出污染物削減率分別為：TSS 削減55%，COD 削減81%，氨氮削減5%，總磷削減40%。由此可見，研究區(qū)域內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量對COD 最為敏感，因此選擇以COD 為特征污染物計算海綿城市設施規(guī)模。

陸域COD 控制措施包括源頭削減和末端削減，即PCOD削減=P源頭+P末端，根據(jù)第2節(jié)計算PCOD削減=44.57 噸/年。

根據(jù)海綿城市建設目標和區(qū)域特點，從系統(tǒng)治理角度出發(fā)，針對污染物遷移特點，在時間、空間上合理分配源頭削減量和末端削減量。本項目源頭COD 削減量根據(jù)下式計算確定。

P源頭=p×c×W

式中：

p 為年徑流總量控制率，80%；

c 為LID 設施對COD 的去除率；

W 為源頭下墊面雨水徑流中COD 總量，根據(jù)第2 節(jié)計算W = 54.69 t/a；

陳言菲通過SWMM 模型模擬分析了不同LID 設施雨水徑流和污染物輸出情況，結果表明在P=1a 情形下，綠色屋頂、滲透性鋪裝、生物滯留池對COD 去除率分別為55.43%、47.92%和52.46%。由于綠色屋頂在下墊面中占比較少，本次研究中LID 設施對COD 去除率取c=50%。因此，根據(jù)上式得出源頭COD 削減量為21.88t/a。

針對河道雨水排放口附近的用地情況，在管網(wǎng)末端增加智能截流井，在降雨初期將未通過海綿設施控制的初期雨水截流排入調(diào)蓄池，達到調(diào)蓄水位后關閉截污閥，后期雨水排入河道，雨后調(diào)蓄池內(nèi)雨水緩排入人工濕地凈化處理。人工濕地采用污染負荷較高、衛(wèi)生景觀條件較好的水平潛流人工濕地，人工濕地面積根據(jù)污染負荷計算。

A=P末端/（qos×0.365）

式中：

A 為人工濕地面積，m2

qos為表面有機負荷，0.025kg/(m2·d)

P末端為末端COD削減量，P末端=PCOD削減-P源頭=44.57-21.88=22.69t/a

根據(jù)計算，研究區(qū)域在雨水排放口需建設2486m2人工濕地，作為雨水徑流污染的末端治理措施，人工濕地可根據(jù)排口位置、用地條件和水量情況分散建設。

4 結論

本文以臨港金融總部灣為例，對河道水系進行概化并計算區(qū)域內(nèi)水環(huán)境容量。當上游水質(zhì)為IV 類水時，COD 環(huán)境容量為31.6 噸/年，氨氮環(huán)境容量為1.27 噸/年，總磷的環(huán)境容量為0.25 噸/年；當上游水質(zhì)為V 類水時，水體環(huán)境容量為負。

對污染物排放總量進行分析，污染物類型主要為雨水面源污染，估算總量TSS為73.06 噸/年，COD 為54.69 噸/年，氨氮為0.54 噸/年，總磷為0.17 噸/年。

最后制定了海綿城市建設總體技術路線，確定了源頭減排和末端治理的污染物控制策略，并分別計算源頭LID 設施和末端人工濕地對污染物的削減量，確定了滿足污染物總量控制要求的相關設施規(guī)模。