初期雨水污染管控現(xiàn)狀問題與對策研究

初曉冶

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

城市化的發(fā)展導致硬化的下墊面面積增加，進而導致城市的不透水性增加，也可能導致降雨徑流總量增加,下墊面污染物積累量增加,積累速率加大。雨水沖刷不透水下墊面表面后通過徑流匯集直接排入水體或由城市排水管網(wǎng)進入受納水體,而初期雨水往往累積了空氣和地表等下墊面中的污染物，集中了降雨過程中主要污染物負荷，致使初期雨水面源污染成為城市水環(huán)境的威脅，逐漸引起學者和社會關注。但在學術研究和實際的管理工作中，初期雨水污染問題和管理仍然處于初級階段，存在一定的可拓展方向及管控體系的完善空間。

2 不同層面初期雨水的定義

2.1 學術科研的層面

在學術科研層面，對初期雨水的定義角度不同，存在多種定義方式。針對雨水徑流污染相關問題，國外學者的研究起始時間相對國內(nèi)較早，20世紀 90 年代最初開始的相關研究主要集中關注于城市雨水徑流的“初期沖刷”現(xiàn)象，與“初期雨水”緊密相關。初次沖刷的最初概念是指在徑流過程圖中早期階段輸送不成比例的大量污染物質(zhì)的現(xiàn)象[1]，降雨的最初階段的雨水是污染最嚴重的一部分的觀點被眾多學者接受[1～4]，但是具體到“初期”的定義及特征描述存在一定差異。有學者通過累計污染污染物總含量的累積分數(shù)與總徑流體積分數(shù)的關系曲線對初期沖刷進行描述定義，如定義污染沖刷為降雨污染物累積百分比和流量累積百分比隨時間累積的無量綱曲線之間的偏差達到最大值時的部分[4,5]。也有學者認為污染物的質(zhì)量累積曲線高于徑流流量體積曲線即是初期重沖刷現(xiàn)象[6]。還有部分學者進一步進行了相對嚴格的定量描述，例如認為在降雨徑流的前 30%中轉(zhuǎn)移了至少 80%的污染負荷時才為初期沖刷現(xiàn)象[7,8]。另外有學者利用以累計污染物質(zhì)量累計徑流量曲線表示，以45°的斜率線表示降雨污染物濃度隨著降雨徑流過程均勻不變的假定情況，初期沖刷即當高于45°斜率標準線[2]。類似的定義還有在間隔(0、t)期間所有瞬間的標準化累積質(zhì)量負荷m(t)超過標準化徑流量v(t)，則在時間t出現(xiàn)初次沖刷，初次沖洗的強度可用累積污染物質(zhì)量曲線中與對角線的偏差來量化表示[6]。針對下墊面為道路的固體遷移的研究表明初次沖洗發(fā)生在大多數(shù)降雨事件中，低流量降雨事件的初次沖洗較弱[1]。通常認為，初期雨水沖刷的強度與匯水面積、降雨強度、不透水面積和前期干旱情況相關，且有很多相關研究證明其強度與降雨強度和不透水占比成正比，與匯水面積成反比[2,9]。而因各研究中對初次沖刷或初期雨水的定義的角度和方法可能不同，常采用不同的采樣策略和數(shù)據(jù)收集方法，可能得出不一致的結(jié)論，無法對研究結(jié)果進行比較分析。

2.2 法律法規(guī)的管理層面

在法律規(guī)范層面，目前我國對初期雨水的定義也存在差異。因石油化工行業(yè)的的功能特性，可能導致其初期雨水污染風險相對其他城市區(qū)域的初期雨水污染風險和影響更大，在此以石油化工行業(yè)的初期雨水管控為例。國家標準《化工建設項目環(huán)境保護設計規(guī)范》(GB 50483—2009)中對初期雨水的定義為是一次降雨過程的前10～20 min的降水量[10]，行業(yè)標準《石油化工企業(yè)給水排水系統(tǒng)設計規(guī)范》(SH 3015—2003)中定義初期雨水指工廠污染區(qū)域內(nèi)降雨初期的雨水，按照降水量15～30 mm計算[11]。其余主要涉及的標準有住房和城鄉(xiāng)建設部頒布的國家標準《石油化工污水處理設計規(guī)范》(GB 50747—2012)、《化工建設項目環(huán)境保護設計規(guī)范》(GB 50483—2009)和石化行業(yè)標準《石油化工企業(yè)給水排水系統(tǒng)設計規(guī)范》(SH 3015—2019)，以及石油企業(yè)標準《事故狀態(tài)下水體污染的預防與控制技術要求》(Q/SY/1190-2013)，各標準對初期雨水或污染雨水的定義和相應調(diào)節(jié)池容積計算的比較見表1[10～12]。由表2可見，目前的石油化工行業(yè)的相關標準規(guī)范中主要是存在是從降雨時間和降雨強度角度定義的區(qū)別[12，13]。

表1 不同標準對初期/污染雨水的定義及調(diào)節(jié)池容積計算差異

表2 不同標準對事故池中雨水部分容積計算差異

3 初期雨水污染管控現(xiàn)狀

3.1 初期雨水污染控制措施現(xiàn)狀

初期雨水污染的管控措施從管控過程上可以分為源頭的收集或棄流、過程的切換和處理、末端的雨水排放，其中實際硬性措施主要集中在前兩個環(huán)節(jié)，末端排放控制以政策標準約束為主。關于初期雨水的收集或棄流量的探討及棄流裝置的設計，已有部分學者開展了相關研究，有學者就初期雨水棄流量進行了理論分析，提出綜合考慮環(huán)境效益和經(jīng)濟效益情況下，初期雨水截流量的多少根據(jù)沖刷理論截流的污染物負荷率和徑流初始濃度、沖刷時間、降雨強度息息相關[14]。還有學者提出初期雨水棄流量應從多方面綜合考慮，包括項目現(xiàn)場條件、匯水面特性、管渠系統(tǒng)大小、污染狀況、控制目的 (雨水利用或污染控制) 和設計的工藝系統(tǒng)等要素[15]。初期雨水棄流裝置主要有典型的容積法棄流方式、水流切換方式(小管棄流)，針對棄流裝置設計有學者進行了總結(jié)和創(chuàng)新研究，例如提出來新型的可僅用1/n的初期雨水量來實施對全部初期雨水棄流量的控制并可自動運行的高效棄流裝置[15]，還有學者設計提出兼具自動控制雨水的流向和人工手動閘閥功能的雨水截( 棄) 流檢查井[16]。有學者系統(tǒng)性的提出一種不需電氣控制或人工操作即可實現(xiàn)初期雨水自動棄流的初期雨水自動棄流系統(tǒng)[17]。

初期雨水收集池實際上可分為2種，一種為源頭收集，即在污染區(qū)域設置雨水收集池；另一種為末端收集，即在污染區(qū)域的最終雨水排放口設置初期雨水收集池。關于初期雨水收集池容積的大小目前缺乏相關規(guī)范，部分企業(yè)將事故池兼做雨水池，存在發(fā)生事故時初期雨水進入事故池從而帶來的環(huán)境風險。初期雨水和后期清凈雨水的切換方式主要可以分為人工手動、自動電控。電動控制形式主要存在設施成本和后期運維成本高的缺點。人工切換主要存在的缺點主要為控制性差，即較難掌控好在初期雨水和清凈雨水的節(jié)點，可能出現(xiàn)初期雨水沒有完全被截流而直接由雨水管道排放污染環(huán)境，或者有清凈雨水一起被按照初期雨水截流，進而導致需要處理的污水量增加，增加經(jīng)濟成本。此外，也有學者從開展利用生態(tài)措施來解決或緩解初期雨水污染問題，例如有學者通過設計由卵石、礫石、沸石及植物組合形成的梯級生態(tài)緩沖系統(tǒng)對初期雨水進行凈化并取得一定成效[18]。還有學者系統(tǒng)地研究了海綿設施可應用于初期雨水的處理技術與方法，分析了綠色屋頂、生物滯留池、雨水濕地系統(tǒng)、下凹式綠地、植草溝等的適用條件和特點[19]。

3.2 政策管控層面

在初期雨水污染管控上，單一針對初期雨水管控的政策相對較少，主要是體現(xiàn)在相關城市建設規(guī)劃或管理意見中。以石油化工行業(yè)領域為例，在國家層面上，2012年國家環(huán)境保護部下發(fā)《關于加強化工園區(qū)環(huán)境保護工作的意見》(環(huán)發(fā)〔2012〕54號)中提出園區(qū)內(nèi)企業(yè)應實現(xiàn) “清污分流，雨污分流”，實現(xiàn)廢水分類收集、分質(zhì)處理。少有部分地區(qū)陸續(xù)出臺相關政策，以降雨強度相對較大、城市發(fā)展速度相對較快、環(huán)保工作相對先進的長三角地區(qū)為例，已經(jīng)出臺的代表性政策如表3。降雨作為自然氣候因素其強度具不可控性，由表3可知，降雨徑流污染的源頭控制方式除基礎硬性設施的市政管網(wǎng)需雨污分流、設置雨水截止閥等，一般是采用從產(chǎn)生徑流的下墊面層面進行控制，例如初期雨水收集調(diào)節(jié)與綠地公園和人工濕地系統(tǒng)綜合建設，此外，近年來國內(nèi)開始試點的海綿城市或韌性城市建設，即通過減少不透水鋪裝，增加透水鋪裝，以建設海綿設施布設來減少徑流污染。國家層面上國務院辦公廳發(fā)布的《關于推進海綿城市建設的指導意見》(國辦發(fā)〔2015〕75號)提出通過“海綿城市”建設，綜合采取“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施，最大限度地減少城市開發(fā)建設對生態(tài)環(huán)境的影響。并提出要將70%的降雨就地消納和利用。且意見中明確提出要實施雨污分流，控制初期雨水污染，排入自然水體的雨水須經(jīng)過岸線凈化。

表3 部分地區(qū)雨水管理及污染防治相關政策法規(guī)

4 存在的問題

(1)現(xiàn)有的標準規(guī)范中，對初期雨水的定義存在差異，有規(guī)范中以降雨時間為衡量標準[10]，有規(guī)范以降雨強度為標準[11，12]，有規(guī)范提到以污染物濃度為標準， 規(guī)定初期徑流棄流量應按下墊面實測收集雨水的CODcr、SS、色度等污染物濃度確定[25]。然而，以濃度定義初期沖刷時會遇到問題，因為濃度取決于流量。有可能在降雨開始時產(chǎn)生最高濃度，例如在前10%的時間，但在這段時間內(nèi)產(chǎn)生的污染物負荷比降雨中任何其他10%的時間都要少[26]。同時《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術規(guī)范》( GB50400-2016)中指出當無資料時，屋面棄流徑流厚度可采用2～3 mm，地面棄流可采用3～5 mm。地方規(guī)范《雨水控制與利用工程設計規(guī)范》(DB11/685—2013)規(guī)定，一般屋面的初期徑流厚度取1～3 mm，小區(qū)路面取2～5 mm，市政路面取7～15 mm[27]。可以看出，目前關于初期雨水的定義或棄流量存在一定爭議。此外，如前文所述，目前關于初期雨水的學術研究中定義也多有不同[1～9,14～17]。

(2)由于初期雨水的定義欠明確導致的落實到實際的建設和管理工作中所帶來的一些問題。例如企業(yè)在建設項目過程中，初期雨水與后期清凈雨水的切換如何進行，以降雨的水質(zhì)污染物濃度、降雨強度還是以降雨時間為依據(jù)，以多長時間為標準，均尚未形成系統(tǒng)規(guī)范，以針對上海化學工業(yè)園區(qū)內(nèi)企業(yè)的調(diào)查為例，在調(diào)查問卷反饋的企業(yè)中，有針對初期雨水進行判定的企業(yè)中，68%的企業(yè)是從降雨的時間角度進行定義，10%的企業(yè)從雨水水質(zhì)角度進行判定，22%企業(yè)考慮水位和水質(zhì)對初期雨水進行判定[28]，究其原因本質(zhì)都是涉及到初期雨水的定義問題，由此可見從實際操作落實的可行性和控制初期雨水污染負荷的目的實現(xiàn)性2個方面均有待探討和標準規(guī)范的完善。而目前采取的較多的按照降雨時間對初期雨水的管控中，人工操作或控制過程中可能出現(xiàn)因響應不及時或管理不嚴格導致的初期雨水未完全被收集處理[29]。

(3)初期雨水經(jīng)過處理之后的雨水排放標準問題上，《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術規(guī)范》( GB50400-2016)中提到排入城市地表水體的雨水水質(zhì)應滿足該水體的水質(zhì)要求[25]。在環(huán)境行業(yè)實際工作中，關于雨水的排放執(zhí)行標準仍有待明確：一方面，對于建設主體會造成困擾，例如2019年和2020年有企業(yè)分別提出針對企業(yè)的雨水排放標準和初期雨水處理后的具體排放標準，生態(tài)環(huán)境部部長信箱回復分別為“企業(yè)雨水管理應嚴格執(zhí)行該行業(yè)相應排放標準的相關要求”[30]和“為控制污染雨水，多項排放標準已將初期雨水或污染雨水納入管控范圍，要求達標排放”[31]。可能并未完全解決疑問，因為目前已頒布的行業(yè)污染排放標準主要集中在污染風險較大的工業(yè)類等行業(yè)，且僅部分行業(yè)標準明確提到污染雨水排放，例如《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》和《石油化學工業(yè)污染物排放標準》等。另一方面，對于環(huán)保管理和環(huán)保咨詢等工作帶來挑戰(zhàn)，具體可能涉及到環(huán)境影響評價工作、環(huán)保竣工驗收工作中，例如行業(yè)環(huán)保竣工驗收導則中，石油煉制、紡織染整、 滌綸、粘膠纖維、制藥等少數(shù)行業(yè)導則中明確將雨水排放作為驗收監(jiān)測指標且明確了監(jiān)測因子，其余非工業(yè)類行業(yè)尚不明確。建設項目的雨水排放應執(zhí)行哪一類標準仍需要進行合理性探討，不同性質(zhì)項目或者行業(yè)的環(huán)保竣工驗收中雨水排放關注指標的欠規(guī)范化等，以及相關工作的導則規(guī)范中針對初期雨水污染問題的管控有待健全。

5 對策建議

(1)雨水管理理念：借鑒其他國家的雨水管理經(jīng)驗，例如美國的最佳管理措施(BMPs：Best Management Practices)和低影響開發(fā)理念(LID:)，澳大利亞水敏感城市設計(WSUD:WaterSensitive Urban Design)、英國的“可持續(xù)性城市排水系統(tǒng)”(SUDS: Sustainable Urban Drainage System )，同時結(jié)合我國的各區(qū)域的環(huán)境現(xiàn)狀、基礎建設情況、經(jīng)濟發(fā)展情況，探索適合我國國情的雨水管理思路和路徑。我國目前已在部分城市開展以低影響開發(fā)理念為基礎的海綿城市建設，已經(jīng)取得一定成績，但由于對雨水管控的認識仍處在相對初級的階段，在實施和效果考核中遇到諸多問題與挑戰(zhàn)[32]，因此需要加強對雨水管理理念的深入研究。

(2)管控制度體系：以解決針對初期雨水的定義爭議問題為例，從污染管控角度考慮，初期雨水本質(zhì)是指需要管控的污染影響最大的一部分雨水，主要目的在于避免或減輕其污染影響，從這個層面，解決初期雨水概念的爭議問題也就是解決由此帶來的實際建設以及管理中的管控對象不明確的問題。建議可從源頭、過程、末端全過程的角度對相關規(guī)范標準進行逐步完善，源頭上例如雨水收集池或調(diào)節(jié)池等硬件設施的技術規(guī)范細化，過程上解決污染雨水與清凈雨水的切換相關規(guī)范，末端以加強雨水排放口管理以及雨水排放標準健全為重點。同時可分行業(yè)、分項目性質(zhì)、分環(huán)境影響程度逐步健全雨水管控制度體系、環(huán)保管理與咨詢領域的相關法律法規(guī)。例如參考美國國家污染物排放削減(NPDES)許可證制度、德國柏林“雨水費”制度，優(yōu)先考慮對污染風險較大的行業(yè)或企業(yè)實行雨水排放許可制度。

(3)技術創(chuàng)新與實踐：加強雨水水質(zhì)及流量監(jiān)測設施、監(jiān)測方法的技術創(chuàng)新創(chuàng)造，形成標準化、兼具科學性和可實施性的雨水監(jiān)測流程和方法，進而為相關環(huán)境管理和環(huán)境評價工作提供硬件支撐與保障。

6 結(jié)論與展望

目前的研究領域和法律法規(guī)中對初期雨水的內(nèi)涵或定義存在不同，原因主要是定義的角度不同，影響初期雨水污染的要素較多，管控的對象和目標不夠明確，在實際管理管控中需要考慮可操作性、環(huán)境效益和經(jīng)濟成本的平衡，因此制定相關標準的制定完善需要進行充分的論證和系統(tǒng)考慮，具有一定難度，需要在管理理念上向國外借鑒學習的同時加深對初期雨水的內(nèi)涵研究。而在氣候變化的大背景下，在社會發(fā)展和城市建設的過程中，雨水徑流污染問題不容忽視，相關工作不可或缺，需要相關專業(yè)人員、管理部門，基于我國的建設現(xiàn)狀情況和管理現(xiàn)狀，從分行業(yè)、分地區(qū)、分影響程度等角度逐步健全適合我國的雨水管理制度體系。