京津合作示范區(qū)初期雨水治理方案

張 超

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院〈集團(tuán)〉有限公司天津分公司，天津 300202)

1 工程概況

京津合作示范區(qū)作為天津未來(lái)科技城的重要組成部分，是未來(lái)科技城中唯一的現(xiàn)代服務(wù)業(yè)功能組團(tuán)，為整個(gè)未來(lái)科技城提供商務(wù)、辦公、研發(fā)、健康、教育、娛樂(lè)、居住等綜合性服務(wù)。因此，高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)京津合作示范區(qū)市政基礎(chǔ)設(shè)施配套工程至關(guān)重要，要充分吸收國(guó)內(nèi)外相關(guān)建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，以人為本，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針，為未來(lái)科技城社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有利保障。

城市初期雨水在降雨初期溶解了空氣中的大量酸性氣體、汽車尾氣、工廠廢氣等污染性氣體，降落地面后，又由于沖刷屋面、道路、管渠中沉積的污染物、泥沙及垃圾等，雨水中含有大量的有機(jī)物、病原體、重金屬、油脂、懸浮固體等污染物質(zhì)[1]。因此，初期雨水的污染程度較高，初期雨水甚至超過(guò)了普通城市污水的污染程度。

京津合作示范區(qū)起步區(qū)河流水質(zhì)近期目標(biāo)為地表V類水；遠(yuǎn)期目標(biāo)為在周邊水源水質(zhì)改善且達(dá)標(biāo)的前提下，河流水質(zhì)目標(biāo)達(dá)地表IV類，應(yīng)采取有效措施保證區(qū)域內(nèi)地表水系環(huán)境的質(zhì)量。地表徑流是水系的主要污染源之一，特別是初期雨水的污染。如初期雨水直排河道，將對(duì)水系水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。考慮在海綿設(shè)施的空間布局中，將源頭控制、中途削減與末端治理相結(jié)合，串聯(lián)源頭低影響開發(fā)措施、中途削減措施以及末端集中雨水處理措施控制雨水進(jìn)入河道。地塊內(nèi)雨水可以通過(guò)源頭海綿城市是進(jìn)行削減，但很多道路上沒(méi)有空間進(jìn)行源頭海綿城市設(shè)計(jì)，初期雨水直接排入管道，且道路上的雨水污染程度相對(duì)較高，管網(wǎng)末端雨水治理是初雨治理的必要手段。針對(duì)上述問(wèn)題，提出不同區(qū)域管網(wǎng)末端初期雨水的管控措施，保證京津合作示范區(qū)水環(huán)境的質(zhì)量。

2 治理范圍

京津合作示范區(qū)東至潮白新河右堤，南至濱海西外環(huán)，西至永定新河左堤，北至清河農(nóng)場(chǎng)北邊界，總規(guī)劃面積為38.07 km2。

排水體制為雨、污分流制。本著減少提升泵站，節(jié)省電耗，降低排水設(shè)施運(yùn)行及維護(hù)管理費(fèi)用的原則，根據(jù)雨水排水出路的不同，并盡量結(jié)合地形、水系布置等實(shí)際情況，將京津合作示范區(qū)雨水分為自排區(qū)域和強(qiáng)排區(qū)域。雨水系統(tǒng)分區(qū)如圖1所示。

(1)雨水自排區(qū)域

示范區(qū)內(nèi)規(guī)劃有多條景觀水系，充分結(jié)合各水系特點(diǎn)，為減少雨水泵站規(guī)模、數(shù)量，降低日后運(yùn)行維護(hù)管理費(fèi)用，臨近水域的地塊以及臨水綠地采用雨水重力自流進(jìn)入水系。示范區(qū)共分為6個(gè)自排區(qū)，37個(gè)雨水自排口。

(2)雨水強(qiáng)排區(qū)域

示范區(qū)內(nèi)其他陸域?qū)儆谟晁谜緩?qiáng)排區(qū)域。結(jié)合區(qū)域內(nèi)水系位置、用地性質(zhì)、路網(wǎng)布局以及分期建設(shè)情況，泵站強(qiáng)排區(qū)域共分為7個(gè)雨水泵站管網(wǎng)系統(tǒng)，各系統(tǒng)內(nèi)雨水均由雨水泵站提升后就近外排至周邊水系。

圖1 雨水系統(tǒng)分區(qū)圖Fig.1 System Partition Diagram of Rainwater

3 初期雨水水量

確定城市初期雨水水量控制指標(biāo)是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，相關(guān)因數(shù)很多，目前仍沒(méi)有一個(gè)完整的體系，工程上常用降雨截留量計(jì)算。降雨截流量的大小直接決定受保護(hù)水體的水質(zhì)情況，也是決定工程造價(jià)高低的基本因素。截留的量越大，受納水體的水質(zhì)保證率就越高，工程造價(jià)也就越大。

《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)(2016版)結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況規(guī)定分流制系統(tǒng)調(diào)蓄初期雨水調(diào)蓄量可取4～8 mm[2]?！短旖蚴泻＞d城市建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》結(jié)合天津市實(shí)際情況要求用于分流制排水系統(tǒng)徑流污染控制時(shí)，調(diào)蓄深度宜不小于8 mm[3]。考慮京津合作示范區(qū)為新建區(qū)域，在雨污分流、海綿城市建設(shè)及綠色生態(tài)城市建設(shè)等較高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)背景下，通過(guò)加強(qiáng)徑流污染源頭控制措施，可有效控制初期雨水量，其徑流污染也相對(duì)較輕，同時(shí)結(jié)合工程造價(jià)及上述的降雨水質(zhì)特征分析結(jié)果，確定京津合作示范區(qū)初期雨水控制標(biāo)準(zhǔn)為6 mm，區(qū)域綜合徑流系數(shù)取0.5。各區(qū)雨水排放系統(tǒng)的初期雨水規(guī)模確定如表1、表2所示。

表1 自排區(qū)初期雨水規(guī)模表Tab.1 Initial Rainwater Capacity in Self-Draining Area

表2 強(qiáng)排區(qū)初期雨水規(guī)模表Tab.2 Initial Rainwater Capacity in Pump-Draining Area

4 綜合水質(zhì)

《天津市海綿城市建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定徑流雨水水質(zhì)應(yīng)以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)，無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)可參照導(dǎo)則規(guī)定取值。本區(qū)是新建區(qū)域，并未進(jìn)行雨水水質(zhì)的實(shí)際檢測(cè)，故雨水水質(zhì)根據(jù)導(dǎo)則內(nèi)雨水水質(zhì)指標(biāo)、區(qū)域用地性質(zhì)、綠化率等參數(shù)，通過(guò)加權(quán)平均計(jì)算，京津合作示范區(qū)初期雨水水質(zhì)指標(biāo)確定結(jié)果如表3所示。

表3 徑流雨水綜合水質(zhì)指標(biāo)值Tab.3 Comprehensive Water Quality Index of Runoff Rainwater

由表3可知，徑流雨水中污染物指標(biāo)均值全部超出地表IV類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，初期雨水污染物含量理論上會(huì)更高，直接排入水系，會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生很大的威脅。其中，SS、CODCr含量較高，其他指標(biāo)相對(duì)較低，初期雨水中應(yīng)重點(diǎn)控制的指標(biāo)為SS、CODCr，且SS指標(biāo)與其他指標(biāo)有一定的相關(guān)性，其他指標(biāo)隨SS的降低會(huì)相應(yīng)降低。

5 初期雨水處理方案

5.1 自排區(qū)初期雨水處理方案

自排區(qū)排口的特點(diǎn)是流量小、位置分散，初期雨水集中收集處理較為困難?？紤]到沿河規(guī)劃有綠帶，推薦采用海綿城市的手段，設(shè)置人工濕地，將人工濕地作為雨水入河的緩沖帶，凈化雨水水質(zhì)，較少污染物排河。京津合作示范區(qū)自排口共有37個(gè)，每個(gè)排口相應(yīng)配置人工濕地。

降雨初期由于地表或管道徑流對(duì)污染物的沖刷和輸送，導(dǎo)致初期徑流中的泥沙明顯較高。雨水進(jìn)入人工濕地之前設(shè)置水力顆粒分離器或旋流分離器等設(shè)施，將雨水中的泥沙截流下來(lái)，降低泥沙對(duì)人工濕地土壤的阻塞[4]。

采用表面流人工濕地，雨水經(jīng)過(guò)排放口后先進(jìn)入濕地前置塘，前置塘深度和寬度均大于排放口尺寸；流水均勻地經(jīng)過(guò)濕地土壤層，在水生植物及其共生菌的共同作用下，雨水得到凈化，最終排至河道內(nèi)。此外，結(jié)合人工濕地的布置可有效避免河道淤泥淤積排放口情況的發(fā)生。人工濕地水力負(fù)荷按照0.3 m3/(m2·d)，水力停留時(shí)間按照2 d考慮，處理單元長(zhǎng)寬比為2∶1，所需濕地的長(zhǎng)度為20～75 m不等[5]，河道周邊綠化帶寬度≥50 m的區(qū)域可考慮設(shè)置排口濕地。經(jīng)過(guò)人工濕地處理后，初期雨水出水水質(zhì)SS、CODCr、BOD5、TN指標(biāo)分別為100、48、12、1.8 mg/L。濕地植物可選擇菖蒲、燈芯草等挺水植物，浮萍、睡蓮等浮水植物[5]。工藝流程如圖2所示。

圖2 自排區(qū)工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart of Self-Draining Area

5.2 強(qiáng)排區(qū)初期雨水處理方案

京津合作示范區(qū)強(qiáng)排區(qū)域共設(shè)置7座雨水泵站，雨水收集較為集中，水量較大，初期雨水收集采用在末端截流治理的方案。

針對(duì)示范區(qū)強(qiáng)排區(qū)初雨特點(diǎn)，分別對(duì)比了末端調(diào)蓄方案、人工濕地方案、雨水就地處理方案。區(qū)域規(guī)劃中并未單獨(dú)對(duì)調(diào)蓄池進(jìn)行用地劃分，為節(jié)約土地資源，末端調(diào)蓄池可與雨水泵站合建，在不增加占地條件下解決初期雨水徑流污染控制問(wèn)題。調(diào)蓄池管理運(yùn)行方便，節(jié)省土建成本。初期雨水放空至污水管，最終進(jìn)入污水處理廠處理，水質(zhì)有保證。人工濕地可使雨水自然處理，成本較低，但處理效果不穩(wěn)定，占地面積大，示范區(qū)規(guī)劃河道周邊綠地面積偏小，很難達(dá)到處理效果。雨水就地處理可采用高效沉淀池或磁絮凝等設(shè)施，對(duì)雨水中SS指標(biāo)有很好的去除，其他指標(biāo)也有一定的去除率。但需增加處理設(shè)施建設(shè)用地，間歇式運(yùn)行，設(shè)備管理難度大。處理指標(biāo)為SS，水質(zhì)保證率相對(duì)較低，產(chǎn)生的污泥需有效處理處置，需配備污泥處理裝置，對(duì)城市環(huán)境影響大。綜合考慮各方面因素，確定采用末端調(diào)蓄方案治理強(qiáng)排區(qū)初期雨水。區(qū)域初雨調(diào)蓄量取6 mm，徑流系數(shù)取0.5，安全系數(shù)為1.1，計(jì)算調(diào)蓄池規(guī)模如表4所示。

表4 調(diào)蓄池規(guī)模Tab.4 Capacity of Detention Tank

初期雨水首先進(jìn)入調(diào)蓄池，待調(diào)蓄池達(dá)到設(shè)計(jì)液位后，關(guān)閉進(jìn)水閘門，雨水開始進(jìn)入泵站，通過(guò)水泵排入河道。調(diào)蓄池內(nèi)儲(chǔ)存的雨水通過(guò)水泵放空至附近污水管，隨污水最終進(jìn)入污水處理廠處理。示范區(qū)污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為8萬(wàn)m3/d，污水處理廠總變化系數(shù)為1.315，污水廠最大處理能力可達(dá)10.52萬(wàn)m3/d，可接納初期雨水量為2.52萬(wàn)m3/d，污水廠初雨進(jìn)水流量為1 050 m3/h。經(jīng)過(guò)京津合作示范區(qū)再生水廠的處理，達(dá)到地表準(zhǔn)IV類水后，排入河道。本方案是在不改變現(xiàn)有規(guī)劃框架條件下最具可行性的實(shí)施方案。初雨治理工藝流程如圖3所示。

圖3 強(qiáng)排區(qū)工藝流程圖Fig.3 Process Flow Chart of Pump-Draining Area

6 成本效益分析

6.1 成本分析

本區(qū)域初期雨水治理方案總投資為25 928.01萬(wàn)元，其中工程費(fèi)用為21 103.90萬(wàn)元，工程建設(shè)其他費(fèi)因?yàn)? 467.01萬(wàn)元，基本預(yù)備費(fèi)為2 357.09萬(wàn)元。自排區(qū)工程費(fèi)用為3 089.50萬(wàn)元，強(qiáng)排區(qū)工程費(fèi)用為18 014.40萬(wàn)元。自排區(qū)采用人工濕地自然處理工藝，基本無(wú)運(yùn)行費(fèi)用。強(qiáng)排區(qū)調(diào)蓄池運(yùn)行費(fèi)用主要是電費(fèi)和設(shè)備維護(hù)費(fèi)，每年的降雨場(chǎng)次決定了調(diào)蓄池的運(yùn)行次數(shù)，運(yùn)行費(fèi)用較低。

6.2 環(huán)境效益

由于初期雨水治理工程為城市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，以服務(wù)于社會(huì)為主要目的，它是改善環(huán)境的必要條件，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)為外部效果，所產(chǎn)生的效益大部分則表現(xiàn)為難以用貨幣量化的環(huán)境效益和社會(huì)效益。因此，應(yīng)從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，與人民生活水準(zhǔn)的提高和健康條件的改善，與工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的加速發(fā)展等宏觀效益結(jié)合在一起來(lái)評(píng)價(jià)。

根據(jù)天津市典型年降雨量分析，全年形成徑流的降雨有43場(chǎng)，總降雨量為776.10 mm。其中，未超過(guò)12 mm的降雨有27場(chǎng)，總降雨量為98.6 mm，超過(guò)12 mm的有16場(chǎng)，總降雨量為677.5 mm。根據(jù)調(diào)蓄總量以及初期雨水進(jìn)、出水水質(zhì)，計(jì)算自排區(qū)、強(qiáng)排區(qū)年污染負(fù)荷消減量，如表5所示。

表5 污染物負(fù)荷消減量 (單位：t/a)Tab.5 Reduction of Pollutant Load (Unit:t/a)

7 結(jié)論

(1)初期雨水污染物含量高，直接排放水體，將引起城市水體黑臭，應(yīng)采取措施進(jìn)行治理。京津合作示范區(qū)初期雨水治理方式因地制宜，自排區(qū)采用人工濕地凈化模式，強(qiáng)排區(qū)采用調(diào)蓄池收集、污水廠處理模式，體現(xiàn)方案合理性和可行性的原則。

(2)初期雨水治理工程的建設(shè)將有效地保證水環(huán)境質(zhì)量，保證地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，為居民提供更好的生活環(huán)境，收獲良好的環(huán)境效益、社會(huì)效益。