城鎮(zhèn)降雨徑流污染控制典型工程案例績(jī)效評(píng)估

陳 淼，王振北，劉龍嚴(yán)，周 洋，孫德智，齊 飛

(北京林業(yè)大學(xué)水體污染源控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

陳淼，北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院齊飛老師課題組成員。齊飛老師團(tuán)隊(duì)主要從事水質(zhì)分析與水質(zhì)安全保障技術(shù)的科研與教學(xué)工作，主要研究方向?yàn)椋撼鞘酗嬘盟?污水深度處理技術(shù)；工業(yè)廢水深度處理技術(shù)；城鎮(zhèn)降雨徑流面源污染控制技術(shù)；惡臭氣體監(jiān)測(cè)與控制；城市水系統(tǒng)碳減排核算與策略；城市水循環(huán)過程中新型污染物的遷移與轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(政府間國(guó)際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng))1項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)，國(guó)家“水專項(xiàng)”子課題1項(xiàng)，北京市自然科學(xué)基金1項(xiàng)。

經(jīng)過多年的研究積累，齊飛教授團(tuán)隊(duì)取得了以下成果。①針對(duì)城市飲用水和再生水中的高風(fēng)險(xiǎn)微量有機(jī)物、高濃度難降解工業(yè)廢水，開發(fā)了多種基于臭氧、過氧化氫和過硫酸鹽的催化氧化水處理技術(shù)及相應(yīng)的水處理用高效多相催化劑；開發(fā)了基于高性能功能催化分離膜的臭氧-催化膜深度處理技術(shù)；能夠有效服務(wù)城市飲用水和再生水處理工程建設(shè)與改造，工業(yè)廢水流域達(dá)標(biāo)排放。②研發(fā)了海綿城市綠色設(shè)施氮磷農(nóng)藥同步處理的多功能介質(zhì)及一體化裝備；集成了國(guó)家“水專項(xiàng)”城市水環(huán)境主題降雨徑流面源污染控制技術(shù)，形成了適合于我國(guó)國(guó)情的海綿城市與溢流污染控制技術(shù)建設(shè)模式集與應(yīng)用方法，服務(wù)城鎮(zhèn)降雨徑流污染控制與海綿城市建設(shè)。③建立了污水處理過程中溫室氣體和惡臭氣體監(jiān)測(cè)方法；有效評(píng)估惡臭氣體對(duì)廠區(qū)及周邊環(huán)境的影響程度；建立了基于化學(xué)吸收-生物降解的惡臭氣體處理技術(shù)及全流程減排技術(shù)，服務(wù)城鎮(zhèn)與農(nóng)村污水/污泥處理處置設(shè)施的敏感性氣體監(jiān)測(cè)、排放評(píng)估、工程建設(shè)與改造。

近些年，城鎮(zhèn)降雨徑流污染已成為水體污染的主要來源之一[1]。為削減城市徑流污染負(fù)荷，我國(guó)開始推廣海綿城市建設(shè)[2]，并在一些大、中城市相繼開展一系列城鎮(zhèn)降雨徑流污染控制技術(shù)的工程應(yīng)用，如北京、上海、嘉興、西安、武漢、深圳等[3]。然而，這些應(yīng)用工程及設(shè)施的運(yùn)行效果能達(dá)到何種水平尚不明晰，也缺乏合適的評(píng)估方法及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。因此，亟需建立適合我國(guó)城鎮(zhèn)降雨徑流污染控制工程的績(jī)效評(píng)估體系，對(duì)海綿城市建設(shè)中的城鎮(zhèn)降雨徑流污染控制工程與設(shè)施開展評(píng)估，并診斷評(píng)估[4]。

目前，工程績(jī)效評(píng)估主要采用德菲爾法[5]、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法[6]、層次分析法[7]和模糊綜合評(píng)價(jià)法[8]等，但這些方法依然存在由權(quán)重確定主觀性的弊端[9]。城鎮(zhèn)降雨徑流污染控制工程績(jī)效評(píng)估實(shí)際上是多目標(biāo)的決策過程。逼近理想解排序(TOPSIS)法能充分利用原始數(shù)據(jù)，信息損失較少，是一種在多目標(biāo)決策分析研究中行之有效的方法[10-11]。為提高評(píng)估結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性，本文采用熵權(quán)法來確定TOPSIS法評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重，很大程度上減少主觀因素影響[12]，權(quán)重更合理、客觀[13]。本文基于熵權(quán)-TOPSIS法的城鎮(zhèn)降雨徑流污染控制工程績(jī)效評(píng)估模型，從城鎮(zhèn)降雨徑流污染控制的源頭削減、過程控制和后端治理3個(gè)階段,分別選取W市典型低影響開發(fā)(LID)、H市典型合流制溢流污染控制(CSO)和C市典型人工濕地示范工程進(jìn)行績(jī)效評(píng)估，以驗(yàn)證城鎮(zhèn)降雨徑流污染控制工程績(jī)效評(píng)估模型的可行性和實(shí)用性，最后，根據(jù)評(píng)估結(jié)果分析各個(gè)工程的短板，并提出改進(jìn)建議。

1 研究方法

1.1 評(píng)估指標(biāo)體系的建立

本文通過分析城鎮(zhèn)降雨徑流污染控制典型示范工程，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建包含經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境效益及工程長(zhǎng)效維護(hù)3個(gè)準(zhǔn)則層，共計(jì)10項(xiàng)指標(biāo)的績(jī)效評(píng)估指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 工程績(jī)效評(píng)估指標(biāo)體系Tab.1 Index System of Project Performance Evaluation

1.2 評(píng)估方法

1.2.1 熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種根據(jù)各指標(biāo)的變異程度，利用信息熵計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重的方法[14]。先構(gòu)建評(píng)估目標(biāo)決策矩陣，如式(1)。

X=(xij)m×n(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)

(1)

其中：m——待評(píng)工程個(gè)數(shù)；

n——評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)；

xij——第i個(gè)待評(píng)工程在第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值。

由于指標(biāo)的內(nèi)涵及單位不同，不便于比較和分析，需進(jìn)行正、反向指標(biāo)無量綱標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算如式(2)～式(3)。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，得無量綱化矩陣，如式(4)。為避免求熵時(shí)，產(chǎn)生無意義的對(duì)數(shù)(即為0的情況)，將標(biāo)準(zhǔn)化矩陣平移1個(gè)單位，計(jì)算如式(5)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)平移結(jié)果，計(jì)算指標(biāo)比重,如式(6)。

(2)

(3)

Y=(yij)m×n

(4)

y′ij=yij+1

(5)

(6)

其中：yij——第i個(gè)工程的第j項(xiàng)指標(biāo)的無量綱標(biāo)準(zhǔn)化值；

Y——無量綱化矩陣；

y′ij——平移1個(gè)單位后的無量綱化矩陣；

fij——第i個(gè)工程的第j項(xiàng)指標(biāo)值在該指標(biāo)總和值中的占比。

指標(biāo)熵值表征指標(biāo)的離散程度，熵值越小，離散程度越大。根據(jù)式(6)獲得的指標(biāo)比重，計(jì)算指標(biāo)熵值，如式(7)。差異系數(shù)表征指標(biāo)提供有效信息的量，差異系數(shù)越大，指標(biāo)提供的有效信息越多，指標(biāo)越重要，指標(biāo)權(quán)重越大。差異系數(shù)計(jì)算如式(8)。最后，根據(jù)各指標(biāo)差異系數(shù)按式(9)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。

(7)

gj=1-Gj

(8)

(9)

其中：Gj——第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值；

gj——指標(biāo)值j的差異系數(shù)；

wj——第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

1.2.2 TOPSIS法

TOPSIS法是一種通過計(jì)算方案靠近或偏離正、負(fù)理想解程度，以此判定方案優(yōu)劣的方法[15]。根據(jù)熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)熵權(quán)，并將指標(biāo)權(quán)重向量與無量綱標(biāo)準(zhǔn)化矩陣相乘，構(gòu)建加權(quán)決策矩陣，如式(10)。由式(11)～式(12)確定指標(biāo)的正理想解Y+與負(fù)理想解Y-。指標(biāo)的正理想解為各指標(biāo)最優(yōu)值的集合，負(fù)理想解為各指標(biāo)最劣值的集合。

Z=(zij)m×n=Wj(yij)m×n

(10)

Y+=max(zij)

(11)

Y-=min(zij)

(12)

其中：Z——加權(quán)決策矩陣；

zij——加權(quán)后第i個(gè)待評(píng)工程在第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值；

Wj——指標(biāo)權(quán)重向量；

Y+——正理想解，各指標(biāo)最優(yōu)值的集合；

Y-——負(fù)理想解，各指標(biāo)最劣值的集合。

(13)

(14)

(15)

C*——工程與理想解的貼近度。

1.3 典型案例

1.3.1 W市典型LID工程

該示范工程位于W市新城區(qū)，占地面積為280 m2，處理徑流面積為1 160 m2。工程采用雨水吸附凈化帶、反應(yīng)阻隔墻和原位停車位3項(xiàng)技術(shù)。工程對(duì)SS、COD、TP、氨氮的削減率分別為90.0%、65.0%、85.0%、74.0%，對(duì)應(yīng)污染物年削減量分別為12.567、2.442、0.025、0.059 t。

1.3.2 H市典型CSO控制工程

該示范工程位于H市老城區(qū)，總面積約為5 200 m2，調(diào)蓄池占地面積約為1 000 m2，調(diào)蓄容積為6 500 m3。該工程主要依托過程控制技術(shù)中的調(diào)蓄池技術(shù)，并通過優(yōu)化改造排水管網(wǎng)、提高管網(wǎng)聯(lián)動(dòng)能力來降低徑流污染負(fù)荷。工程對(duì)SS、COD、TP、氨氮的削減率分別為40%、32%、39%、42%，對(duì)應(yīng)污染物年削減量分別能夠達(dá)到34.1、36.1、1.0、2.0 t。

1.3.3 C市典型人工濕地示范工程

該示范工程位于C市老城區(qū)內(nèi)，占地面積約為2 500 m2，每次處理徑流量為1 000 m3。工程采用梯級(jí)人工濕地凈化技術(shù)。工程對(duì)SS、COD、TP、氨氮去除率分別為82%、82%、78%、94%，COD、TP、氨氮年削減量分別為19.4、0.62、0.9 t。

2 結(jié)果與討論

2.1 熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

對(duì)示范工程試運(yùn)行6個(gè)月的監(jiān)測(cè)記錄進(jìn)行整理，得各指標(biāo)的原始數(shù)值(表2)。利用式(1)～式(9)對(duì)表2中各指標(biāo)原始數(shù)值處理與計(jì)算，得指標(biāo)B1～B10權(quán)重(表3)。

表2 工程指標(biāo)原始數(shù)據(jù)Tab.2 Original Data of Project Index

表3 工程績(jī)效評(píng)估指標(biāo)權(quán)重Tab.3 Index Weight of Project Performance Evaluation

2.2 綜合貼近度結(jié)果及工程案例評(píng)估分析

由式(10)計(jì)算后，得各指標(biāo)加權(quán)化數(shù)據(jù)(表4)。然后，根據(jù)式(11)～式(15)計(jì)算出各示范工程的綜合貼近度(表5)。由表5可知，C市典型人工濕地示范工程的綜合貼近度最高，綜合貼近度為0.856 2，是排位第二的W市典型LID示范工程的1.75倍。因此，其綜合績(jī)效表現(xiàn)最好。C市典型人工濕地示范工程投資運(yùn)維成本低、污染物去除率高、運(yùn)行穩(wěn)定、技術(shù)規(guī)范與績(jī)效考核標(biāo)準(zhǔn)齊全。根本原因在于：①該工程建筑面積小，投資建設(shè)成本低；②工程的運(yùn)行維護(hù)主要體現(xiàn)在清理濕地中的腐敗植物，操作簡(jiǎn)單[16]，運(yùn)行維護(hù)成本較低；③工程采用多級(jí)濕地組合工藝，強(qiáng)化了濕地自然復(fù)氧能力，對(duì)徑流中的污染負(fù)荷有較高的削減效果[17]，故C市典型人工濕地示范工程COD凈化率、氨氮凈化率和TP凈化率較高；④當(dāng)前人工濕地技術(shù)在我國(guó)發(fā)展成熟，所以，該工程具有成熟的技術(shù)規(guī)范與績(jī)效考核標(biāo)準(zhǔn)[18]。然而，該工程處理徑流量較小，市政污水節(jié)省費(fèi)用較低。

表4 工程績(jī)效評(píng)估指標(biāo)加權(quán)數(shù)據(jù)Tab.4 Weighted Data of Project Performance Evaluation

表5 工程貼近度水平Tab.5 Closeness Level of Typical Project

W市典型LID示范工程的綜合貼近度排位第二，綜合貼近度為0.488 4。其綜合績(jī)效水平低于典型人工濕地示范工程，高于典型CSO控制示范工程。W市典型LID示范工程存在運(yùn)行維護(hù)成本高、市政污水節(jié)省費(fèi)用少、缺乏技術(shù)規(guī)范與績(jī)效考核標(biāo)準(zhǔn)等問題，體現(xiàn)在：①該工程需要定期開挖以更換填料[19]，運(yùn)行維護(hù)成本較高；②工程處理徑流量較小，市政污水節(jié)省費(fèi)用少；③LID工程措施是源自國(guó)外的低影響開發(fā)理念，此類技術(shù)在我國(guó)處于初期發(fā)展階段[20]，因此，還未形成相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和績(jī)效考核標(biāo)準(zhǔn)。

H市典型CSO控制示范工程的綜合貼近度最低，綜合貼近度為0.364 1，綜合績(jī)效水平最差。其根本原因在于：①調(diào)蓄池建筑面積較大，設(shè)備復(fù)雜[21]，投資建設(shè)成本較高；②調(diào)蓄池去除徑流中的污染負(fù)荷主要是通過沉淀和清淤[22]，這對(duì)COD、氨氮和TP凈化率較低；③調(diào)蓄池具有收集徑流量大的優(yōu)點(diǎn)[23]，但工程受沖擊負(fù)荷大，出水水質(zhì)穩(wěn)定度低；④當(dāng)前調(diào)蓄池技術(shù)還處于發(fā)展階段，其重心在于技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)建立，缺乏相應(yīng)的工程維護(hù)與績(jī)效考核標(biāo)準(zhǔn)[24]。因此，H市典型CSO控制示范工程存在投資建設(shè)成本高、污染物去除率低、運(yùn)行穩(wěn)定性差和缺乏績(jī)效考核標(biāo)準(zhǔn)的問題。

針對(duì)3個(gè)示范工程進(jìn)行對(duì)比分析，主要解析LID、CSO和人工濕地工程在生態(tài)環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和工程長(zhǎng)效維護(hù)等方面的特點(diǎn)及存在問題。在生態(tài)環(huán)境效益方面，LID和人工濕地工程對(duì)雨水徑流中污染物去除率較高，CSO工程對(duì)污染物去除率低。在經(jīng)濟(jì)效益方面，LID經(jīng)濟(jì)績(jī)效水平最低，一方面是因?yàn)樵摴こ痰倪\(yùn)行維護(hù)成本高，另一方面是該工程徑流消納能力弱，節(jié)省市政處理費(fèi)用有限。CSO工程經(jīng)濟(jì)績(jī)效水平排位第二，這主要是得益于該工程運(yùn)行維護(hù)成本較低，且徑流消納能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。人工濕地工程的經(jīng)濟(jì)績(jī)效水平最高，是因?yàn)樵摴こ掏顿Y建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本低，具有一定的徑流消納能力。由此可知，LID和人工濕地工程適用于建筑小區(qū)、公園綠地和市政道路等對(duì)環(huán)境要求較高但產(chǎn)生徑流量較少的地塊。調(diào)蓄池則適用于產(chǎn)生徑流量較大的區(qū)域，如不透水面面積較大的中心城區(qū)。另外，LID、CSO工程尚缺乏相關(guān)技術(shù)規(guī)范和考核標(biāo)準(zhǔn)，因此，在工程實(shí)踐中要特別注意對(duì)LID和CSO工程進(jìn)行維護(hù)，以保障工程正常運(yùn)行。

2.3 評(píng)估方法的可行性分析

熵權(quán)法求出的各指標(biāo)權(quán)重較為接近，其值均在0.100 0波動(dòng)。由此可知，綜合績(jī)效水平的高低主要取決于工程資料的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣。經(jīng)比對(duì)，本文的績(jī)效評(píng)估結(jié)果與表2中3個(gè)示范工程的原始資料基本一致，說明本文構(gòu)建的熵權(quán)-TOPSIS法模型可行且實(shí)用。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

本文通過分析城鎮(zhèn)降雨徑流污染控制典型示范工程，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，建立城鎮(zhèn)降雨徑流污染控制工程績(jī)效評(píng)估指標(biāo)體系，其中，包含經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境效益、工程長(zhǎng)效維護(hù)3個(gè)準(zhǔn)則層及10項(xiàng)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建熵權(quán)-TOPSIS模型，并對(duì)典型LID、CSO和人工濕地示范工程進(jìn)行績(jī)效評(píng)估，得3個(gè)典型示范工程的綜合貼近度，其中，C市典型人工濕地工程綜合績(jī)效表現(xiàn)最好，W市典型LID工程綜合績(jī)效表現(xiàn)偏低，H市典型CSO控制工程綜合績(jī)效表現(xiàn)最差。評(píng)估結(jié)果與工程的原始資料基本一致，證明該模型的可行性與實(shí)用性，可為后續(xù)城鎮(zhèn)降雨徑流污染控制工程的建設(shè)提供指導(dǎo)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 建議

(1)針對(duì)W市典型LID示范工程存在運(yùn)行維護(hù)成本高、市政污水節(jié)省費(fèi)用少、缺乏技術(shù)規(guī)范與績(jī)效考核標(biāo)準(zhǔn)的問題，提出3點(diǎn)建議。①采用吸附性能更為持久的新型廉價(jià)填料，減少工程開挖次數(shù)來降低運(yùn)行維護(hù)成本[25]；②利用土壤改良增大徑流處理量[26]來提升市政污水節(jié)省費(fèi)用；③在自身工程技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、工程維護(hù)和績(jī)效考核方面開展深入研究，以形成相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和績(jī)效考核標(biāo)準(zhǔn)文件。

(2)針對(duì)H市典型CSO控制示范工程存在投資建設(shè)成本高、污染物去除率低、運(yùn)行穩(wěn)定性差和缺乏績(jī)效考核標(biāo)準(zhǔn)的問題，提出4點(diǎn)建議：①在建設(shè)前對(duì)區(qū)域徑流量和污染負(fù)荷開展精確的診斷評(píng)估工作，合理設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積，以降低投資建設(shè)成本[27]；②在調(diào)蓄設(shè)施的入口和出口增設(shè)物化處理裝備，實(shí)現(xiàn)SS的高效去除，在一定程度上消除COD、氨氮和TP[28]；③增加工程監(jiān)測(cè)頻率，對(duì)水質(zhì)指標(biāo)異常情況及時(shí)反饋處理，以加強(qiáng)出水水質(zhì)穩(wěn)定度；④在自身工程維護(hù)和績(jī)效考核方面開展深入研究，以形成相應(yīng)的績(jī)效考核標(biāo)準(zhǔn)文件。

(3)針對(duì)C市典型人工濕地示范工程存在市政污水節(jié)省費(fèi)用較低的問題，建議C市通過與區(qū)域城片區(qū)的LID設(shè)施相結(jié)合，形成整體的綠色設(shè)施消除徑流污染，吸納更多的徑流量[29]，并開展雨水收集和回用工程，以此提升市政污水的節(jié)省費(fèi)用。

致謝本研究數(shù)據(jù)來源于水專項(xiàng)“十二五”城市主題部分課題，感謝各課題在調(diào)研和評(píng)估過程中給予的大力支持。