初期雨水徑流管控現(xiàn)狀與展望

陸敏博，朱偉鋒，劉 暢，楊 卓，沈 昊，楊小麗

(1.悉地(蘇州)勘察設(shè)計顧問有限公司，江蘇 蘇州 215123； 2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

降雨初期產(chǎn)生一定深度的降雨徑流稱為初期雨水徑流。2015年先后頒布的《水污染防治行動計劃》和《國務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》明確提出控制初期雨水徑流污染，推進(jìn)初期雨水收集、處理和資源化利用。目前，國內(nèi)外對初期雨水沖刷效應(yīng)開展了較為廣泛的研究。國外，美國、澳大利亞、日本等國家均形成相應(yīng)的雨洪管理體系，國內(nèi)學(xué)者在此基礎(chǔ)上研究了不同功能區(qū)的初期雨水污染特性，但對初期雨水污染特征差異分析、初雨徑流管控規(guī)范要求以及雨洪管理體系的系統(tǒng)性研究比較缺乏。本文通過對初期雨水的水質(zhì)水量特性進(jìn)行分析，比較國內(nèi)外初期雨水徑流管控的相關(guān)規(guī)范和要求，總結(jié)歸納現(xiàn)有初期雨水收集、棄流設(shè)備及運行效果，對今后初雨徑流污染控制、相關(guān)規(guī)范編制(修編)和收集棄流設(shè)備優(yōu)化提出建議與展望。

1 初期雨水特性

1.1 初期雨水的界定

目前對初期雨水尚無統(tǒng)一的明確定義，國內(nèi)外許多規(guī)范和學(xué)者都提出了不同的界定方式[1-4]，如表1所示。由表1可見，初期雨水的界定通常有2種方法：①采用降水量界定，且屋面初期雨水量低于道路初期雨水量；②采用降雨歷時界定，如降雨初期前15～30 min的雨水。此外，Sansalone等[3]通過研究整個降雨過程的徑流總量污染負(fù)荷分布，確定總徑流量中的20%為初期雨水。分析可知，不同強度的降雨在相同時間內(nèi)的徑流量和沖刷特性差異較大，以時間來界定初期雨水誤差較大；而降雨徑流總量在降雨初期也無法確定，故以降雨徑流總量來控制初期雨水在實際工程中操作難度較大。相比較而言，根據(jù)某地區(qū)降雨過程曲線和以往的降雨水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可得出符合該地區(qū)情況的初期雨水界定值。因此以降水量界定初期雨水方便易操作，但不同地域、不同下墊面條件下應(yīng)采取不同的降水量。

表1 不同規(guī)范和學(xué)者對初期雨水的界定

1.2 初期雨水徑流污染特征

初期雨水徑流控制包括水質(zhì)控制和水量控制[5]，了解初期雨水的水質(zhì)水量特征及其變化規(guī)律，是初期雨水徑流控制利用的前提。

1.2.1水質(zhì)變化特征

由于不同功能分區(qū)本底情況不同，導(dǎo)致初期雨水徑流污染存在較大差異[6]。國內(nèi)常將研究區(qū)域劃分為城市道路、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、綠地等不同功能分區(qū)，表2列出了國內(nèi)外不同城市不同功能區(qū)的初期雨水徑流污染情況。由表2可見，不同城市功能區(qū)的初期雨水徑流污染相差較大，僅在少數(shù)功能區(qū)存在一定規(guī)律：①城市道路徑流污染中SS質(zhì)量濃度普遍較高，為323～597 mg/L，COD質(zhì)量濃度變化較大，為74.42～408 mg/L；②由于大量餐飲、娛樂等人類活動影響，商業(yè)區(qū)徑流污染中TN和氨氮質(zhì)量濃度處于較高水平。其他功能區(qū)則未呈現(xiàn)明顯共性。分析認(rèn)為：①現(xiàn)有文獻(xiàn)調(diào)研時未嚴(yán)格區(qū)分住宅區(qū)類別，各地住宅區(qū)性質(zhì)差異較大，住宅區(qū)已知徑流污染中氨氮質(zhì)量濃度較高，其他污染物有待進(jìn)一步明確；②由于地區(qū)、調(diào)研時間和工業(yè)類別不同，工業(yè)區(qū)徑流污染物沒有明顯規(guī)律；③由于植物或落葉腐爛的影響，可能導(dǎo)致綠地徑流污染中COD和TN質(zhì)量濃度較高。此外，從時間角度看，隨著年代的推移，污染物濃度總體呈下降趨勢，推測可能與城市排水體制完善程度和清掃方式有關(guān)。由于各城市采樣時間不同，氣候、土壤本底情況以及城市管理情況(道路清掃方式等)不同，不同功能區(qū)初雨徑流污染差異較大，沒有明顯的規(guī)律性。

表2 國內(nèi)外不同城市不同功能分區(qū)初期雨水徑流污染情況 單位：mg/L

1.2.2徑流量變化特性

初期雨水水質(zhì)污染嚴(yán)重，其徑流量控制直接影響進(jìn)入地表水環(huán)境的污染負(fù)荷[15]。由于下墊面特性、土壤本底條件、排水設(shè)施完善程度的不同，不同城市不同功能區(qū)的初期雨水徑流量存在明顯差異[16]。目前，初期雨水徑流量多以降水量或降雨歷時來確定，對不同城市不同功能區(qū)初期雨水徑流量的變化規(guī)律研究較少。

2 國內(nèi)外初期雨水徑流管控要求與規(guī)范

由于初期雨水直接排放會導(dǎo)致面源污染，惡化水環(huán)境，因此國內(nèi)外均對初期雨水徑流管控提出了相關(guān)要求[17]。

2.1 國內(nèi)初期雨水徑流管控

GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》是我國室外排水工程設(shè)計的總領(lǐng)性規(guī)范，在排水體制、排水管渠、雨水綜合利用、雨水口、雨水調(diào)蓄池、雨水滲透設(shè)施等方面均有涉及初期雨水徑流管控的相關(guān)規(guī)定。在初期雨水界定方面，該規(guī)范規(guī)定用于分流制排水系統(tǒng)徑流污染控制時，雨水調(diào)蓄池的調(diào)蓄量按降水量計，可取4～8 mm。另外，根據(jù)調(diào)蓄目的、排水體制等不同因素，分別提出用于合流制排水系統(tǒng)徑流污染控制、分流制排水系統(tǒng)徑流污染控制、削減排水管道洪峰流量3種情形下的雨水調(diào)蓄池的有效容積計算公式。前2種針對水質(zhì)控制，第3種主要針對水量控制，但在削減流量的同時也考慮削減污染物總量。現(xiàn)有的調(diào)蓄相關(guān)規(guī)范，如GB 51174—2017《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》和CECS 416—2015《城鎮(zhèn)徑流污染控制調(diào)蓄池技術(shù)規(guī)程》，均對雨水調(diào)蓄池提出了相應(yīng)的容積計算公式，且分流制排水系統(tǒng)均按降水量4～8 mm作為初期雨水量，與GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定一致。

《公約》第30條規(guī)定了對腐敗犯罪應(yīng)當(dāng)“受到與其嚴(yán)重性相當(dāng)?shù)闹撇谩保摋l規(guī)定本意主張對腐敗犯罪行為人財產(chǎn)和資格的剝奪。我國《刑法》對賄賂犯罪的處刑卻偏重于自由刑乃至死刑這樣的生命刑，應(yīng)當(dāng)更加充分發(fā)揮資格刑、財產(chǎn)刑在打擊腐敗犯罪中的作用。

海綿城市通過加強城市規(guī)劃建設(shè)管理，充分發(fā)揮建筑、道路、綠地、水系等生態(tài)系統(tǒng)對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，有效控制雨水徑流，實現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化的城市發(fā)展。《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)(low impact development, LID)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》在初期雨水管控方面要求通過一定方法或裝置將存在初期沖刷效應(yīng)、污染物濃度較高的降雨初期徑流予以棄除，以降低雨水的后續(xù)處理難度，并列舉了常見的初期棄流方法和棄流形式。

此外，國內(nèi)多個地方標(biāo)準(zhǔn)也涉及初期雨水管控。北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 11/T 1743—2020《海綿城市建設(shè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》從徑流污染削減、雨水徑流控制、雨水調(diào)蓄排放、水質(zhì)保持等方面對初期雨水棄流設(shè)施提出了具體要求，并對各項海綿技術(shù)的適用性作了歸納總結(jié)。深圳市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 4403/T 24—2019《海綿城市設(shè)計圖集》提出將滲透技術(shù)、儲存技術(shù)、調(diào)節(jié)技術(shù)、轉(zhuǎn)輸技術(shù)、截污凈化技術(shù)分別用于實現(xiàn)“滲、蓄、用、滯、排、凈”的主要功能；在截污凈化方面，該標(biāo)準(zhǔn)對初期雨水徑流棄流量、截流的初期雨水徑流排放去向、棄流裝置及其設(shè)置、植草溝、初期雨水徑流棄流池、滲透棄流井、綠色屋頂?shù)染隽溯^為詳細(xì)的規(guī)定。云南省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 53/T 950—2019《高原湖泊城市河道初期雨水?dāng)r截技術(shù)規(guī)范》對初期雨水徑流污染控制量提出了明確的計算公式，列舉了初期雨水截流技術(shù)，并給出了不同城市功能區(qū)的初期雨水徑流污染濃度范圍。

表3對比分析了國內(nèi)關(guān)于初期雨水徑流管控的規(guī)范要求，可以看出，國內(nèi)初期雨水主要側(cè)重于水質(zhì)控制。從實現(xiàn)方式上看，有的是通過設(shè)置LID設(shè)施直接實現(xiàn)水質(zhì)控制，但大多是通過設(shè)置初雨棄流設(shè)施或雨水調(diào)蓄池等來控制排入水體中的初期雨水水量，從而實現(xiàn)水質(zhì)控制。此外，大部分規(guī)范要求初期雨水棄流排入污水管或者設(shè)施末端處理后排入受納水體，缺乏對雨水回收利用的具體要求。

表3 國內(nèi)初期雨水徑流管控規(guī)范對比

國內(nèi)系統(tǒng)性、專門性對初期雨水徑流污染控制提出相應(yīng)具體要求的規(guī)范、技術(shù)指南、圖集較少，目前僅有云南省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 53/T 950—2019《高原湖泊城市河道初期雨水?dāng)r截技術(shù)規(guī)范》是一部專門針對初期雨水的規(guī)范。針對其他特定區(qū)域的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)程有待出臺，以便更有針對性、權(quán)威性地指導(dǎo)各地初期雨水徑流污染控制[18]。

2.2 國外初期雨水徑流管控

目前發(fā)達(dá)國家的初期雨水徑流管控主要集中于棄流調(diào)蓄和綠色設(shè)施源頭控制[19]，其中，美國和澳大利亞形成了以綠色設(shè)施管控為主的雨洪管理體系。因此，本文分別分析美國和澳大利亞在初期雨水收集、調(diào)蓄、轉(zhuǎn)輸和處理過程中對于初期雨水徑流管控的措施和技術(shù)手段。

2.2.1美國雨水管理體系

美國的雨水管理經(jīng)歷了從非點源污染末端處理的最佳管理實踐(best management practices, BMPs)到以分散式小規(guī)模措施對雨水徑流進(jìn)行源頭控制的LID的轉(zhuǎn)變，對我國構(gòu)建完整雨洪管理體系以及明確初期雨水徑流管控的定位具有借鑒意義。目前美國的雨洪管理將常用的水文控制指標(biāo)大致分為6個量級，形成從入滲控制到預(yù)警機制的雨洪管理控制指標(biāo)體系，以芝加哥市的降雨頻率曲線為代表[20]，如圖1所示。

圖1 美國城市雨洪管理水文控制指標(biāo)體系

圖1為水文控制指標(biāo)體系和降雨頻率的關(guān)系，體系中入滲控制、面源污染控制和河道侵蝕控制3個指標(biāo)旨在控制徑流總量，側(cè)重于水環(huán)境保護(hù)；小量級洪水控制和極端洪水控制2個指標(biāo)旨在控制徑流峰值，以減少城市及下游地區(qū)的洪澇災(zāi)害；預(yù)警預(yù)報應(yīng)急避險指標(biāo)屬非工程措施范疇；河流侵蝕控制指標(biāo)屬于河道治理范疇。故研究初期雨水徑流污染中，應(yīng)著重考慮入滲控制和面源污染控制2個指標(biāo)。其中，入滲控制目標(biāo)在于保持開發(fā)前的天然雨水下滲狀態(tài)，多采用簡單的體積徑流系數(shù)法計算入滲量體積。面源污染控制主要在于控制降雨產(chǎn)生的地表徑流，多采用基于徑流體積控制指標(biāo)的美國城市雨水管理標(biāo)準(zhǔn)體系(stormwater sizing criteria)，主要包括：①水質(zhì)控制體積(water quality volume, WQV)，通過控制高頻率的中小降雨事件來有效控制徑流污染，即控制一場降雨事件中降雨初期特定的降水量；②地下水回補體積(groundwater recharge volume, GRV)；③河道保護(hù)體積標(biāo)準(zhǔn)(channel protection volume, CPV)，主要利用雨水調(diào)節(jié)設(shè)施如調(diào)節(jié)塘等末端設(shè)施進(jìn)行峰值流量控制。

在初期雨水徑流污染問題上，美國主要通過控制水量的方式來實現(xiàn)對初期雨水的水質(zhì)控制，即以水質(zhì)為主要指標(biāo)構(gòu)建完整的雨洪管理指標(biāo)體系和水質(zhì)控制體積標(biāo)準(zhǔn)。同時，大部分雨洪管理指導(dǎo)性文件如《哥倫比亞特區(qū)雨水管理手冊》(2020年1月修訂版)以該體系為指導(dǎo)，在雨水源頭管控中明確了雨水滯留體積和雨水處理體積的計算方法，并在雨水收集過程中對初期雨水的定義和處理方式，以及棄流之后雨水的處理措施進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。

2.2.2澳大利亞雨水收集與回用

澳大利亞對雨水收集、回用和處理均提出了具體要求[21]。雨水收集要求中，水敏感城市設(shè)計(water sensitive urban design，WSUD)收集處理系統(tǒng)與快速收集雨水口都可以使用，但部分州的雨水收集手冊規(guī)定應(yīng)使用快速收集雨水口；回用水則需考慮減輕水量沖擊、增補生活用水和灌溉用水的要求[22]。澳大利亞還分別規(guī)定了雨水回用和雨水處理過程中，污染物指標(biāo)關(guān)注度的重要性排序。其中，雨水回用主要關(guān)注公眾健康，各污染物指標(biāo)的重要性從高到低依次為糞便病原體、微生物、重金屬、烴類污染物、營養(yǎng)物質(zhì)、固體沉積物、需氧量、污染物總量；雨水處理則主要關(guān)注環(huán)境保護(hù)，各污染物指標(biāo)的重要性從高到低依次為營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬、固體沉積物、需氧量、烴類污染物、微生物、污染物總量、糞便病原體。

同時，澳大利亞還規(guī)定了徑流產(chǎn)流量、流量指標(biāo)、峰值流量、流量曲線和污染物負(fù)荷等方面各指標(biāo)的評價分析頻率，主要用于指導(dǎo)各地區(qū)雨水收集回用和轉(zhuǎn)輸設(shè)施的設(shè)計，以及指導(dǎo)雨水收集、處理或回用方式的選取、WSUD設(shè)施與雨水快速收集轉(zhuǎn)輸設(shè)施的選用。澳大利亞雨水收集與回用指南中，宏觀上規(guī)定了雨水收集和回用目標(biāo)、要點和各項指標(biāo)[23]，其中初期雨水水質(zhì)和水量的控制并重，比如雨水徑流中污染負(fù)荷指標(biāo)側(cè)重于水質(zhì)控制，徑流量分析頻率等則側(cè)重于水量控制。但該指南在雨水調(diào)蓄存儲方面，僅明確了雨水調(diào)蓄體積計算方法或雨水調(diào)蓄設(shè)施各部分組成，在初期雨水界定及水質(zhì)污染特征方面缺乏具體規(guī)定。

2.3 國內(nèi)外初期雨水徑流管控比較

從管控的側(cè)重點和實施方式來看，目前國內(nèi)外初期雨水徑流管控規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)均涉及初期雨水的水質(zhì)控制。國內(nèi)多通過規(guī)定水質(zhì)指標(biāo)或控制水量來實現(xiàn)水質(zhì)控制，但針對性不強，尤其是對初期雨水徑流管控的聚焦不夠，且目前仍主要通過工程性措施來實現(xiàn)管控目標(biāo)[24]。國外(以美國和澳大利亞為例)則首先從宏觀水文角度出發(fā)，通過同步控制水質(zhì)和水量來達(dá)到對初期雨水徑流控制目的。因此，國內(nèi)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)增加宏觀水文控制方面和非工程性措施方面的相關(guān)規(guī)定內(nèi)容。由于我國不同地區(qū)差異較大，此項規(guī)定需結(jié)合實際情況，可考慮劃分不同類型區(qū)域，并鼓勵各地因地制宜出臺地方標(biāo)準(zhǔn)[25]。

從管控的目標(biāo)和體系來看，雨水徑流管控的目標(biāo)主要包括雨水利用、環(huán)境保護(hù)和排水防澇3個方面。美國雨水管理體系綜合了以上3個方面，系統(tǒng)性較強，而國內(nèi)尚未建立或出臺能夠較好兼顧3個方面的雨水管理體系、技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)目前已頒布實施的雨水徑流管控方面的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重點各有不同，其中關(guān)于初期雨水徑流管控的具體規(guī)定也有一定差異，導(dǎo)致實際實施系統(tǒng)性不強、落地困難。這可能是由于我國以上3個方面的行業(yè)監(jiān)管職責(zé)分別由建設(shè)、生態(tài)環(huán)境和水利行政主管部門承擔(dān)，存在“多頭管理”的現(xiàn)象[26]。建議針對雨水徑流管控出臺專項政策，并組織不同專業(yè)的專家編寫系統(tǒng)性強、適用性廣的雨水管控技術(shù)規(guī)范[27]。

3 初期雨水收集棄流設(shè)施設(shè)備現(xiàn)狀

初期雨水的控制利用主要從源頭控制、中端控制和末端控制3方面入手。在中端控制和末端控制環(huán)節(jié)，主要有中端調(diào)蓄棄流、生態(tài)溝渠和傳統(tǒng)管道的合理布局、末端集中式或分散式處理以及回用等。源頭管控是前提，且管控成本相對較低，因此本文主要對初期雨水源頭控制的收集棄流設(shè)備進(jìn)行調(diào)研分析。

初期雨水棄流指通過一定方法或裝置將存在沖刷效應(yīng)、污染物濃度較高的降雨初期徑流予以棄除，以降低雨水的后續(xù)處理難度。棄流雨水應(yīng)進(jìn)行處理，如排入市政污水管網(wǎng)(或雨污合流管網(wǎng))由污水處理廠進(jìn)行集中處理。棄流設(shè)備的運行效果不僅影響棄流雨水的后續(xù)處理，還直接影響進(jìn)入地表水環(huán)境的面源污染負(fù)荷。為此，本文調(diào)研分析了現(xiàn)有初期雨水收集棄流專利設(shè)備和市售典型初期雨水收集棄流設(shè)備，為初期雨水收集棄流設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用提供參考。

3.1 現(xiàn)有初期雨水收集棄流專利設(shè)備

表4為根據(jù)30多項初期雨水棄流型雨水口專利設(shè)備[28-58]情況，并從雨水口類型、初雨棄流方式、側(cè)重的初雨指標(biāo)等方面進(jìn)行了對比。由表4可知，水力棄流型雨水口多結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但初期雨水界定較為單一和固定，棄流精度不足；機械棄流型雨水口在棄流自動化方面較水力型有所提高，但初雨界定仍不夠靈活，棄流精度仍然不足；電控棄流型雨水口在初雨界定和棄流精度均有了進(jìn)一步提升，但大部分成本較高，且適用范圍較小。

表4 初期雨水棄流雨水口專利設(shè)備比較

3.2 市售典型初期雨水收集棄流設(shè)備

4款市售典型初期雨水收集棄流設(shè)備對比見表5，4款棄流設(shè)備均可實現(xiàn)自動控制，無須人工操作，但存在占用空間大、棄流精度不足、建設(shè)成本較高、初期雨水界定方式單一等缺點，且設(shè)備可靠性和運行效果缺乏統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)。

表5 市售典型初期雨水收集棄流設(shè)備

4 結(jié) 論

a.明確初期雨水水質(zhì)水量變化特征是進(jìn)行初期雨水精確化、針對性控制的前提，不同城市不同功能區(qū)的初期雨水徑流污染規(guī)律存在較大差異，進(jìn)行

不同地區(qū)初期雨水管控時，應(yīng)實地調(diào)研所在地區(qū)的初期雨水水質(zhì)水量特征，更好地指導(dǎo)實際工程。

b.國內(nèi)關(guān)于初期雨水管控相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系尚不健全，且多關(guān)注初雨徑流污染，較少從宏觀水文角度關(guān)注初期雨水并建立相應(yīng)評價體系。國內(nèi)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的制定應(yīng)結(jié)合地區(qū)差異性，分別從宏觀水文控制和非工程性措施方面增加相應(yīng)規(guī)定，并鼓勵各地因地制宜出臺相應(yīng)地方標(biāo)準(zhǔn)。建議針對雨水徑流管控出臺專項政策，編制綜合雨水利用、環(huán)境保護(hù)和排水防澇等方面的雨水管控技術(shù)規(guī)范。

c.國內(nèi)現(xiàn)有的初期雨水棄流設(shè)備、收集轉(zhuǎn)輸設(shè)備還不成體系，應(yīng)從收集轉(zhuǎn)輸方式、設(shè)施分布及運行情況等方面，探究其在不同地區(qū)的適用性和徑流控制效能。