污水處理廠海綿城市設(shè)施設(shè)計(jì)方案研究與探索

漢京超

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092)

近年來，海綿城市的建設(shè)理念逐步深入人心，海綿城市的示范應(yīng)用也日益普遍，在排水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中有機(jī)結(jié)合海綿城市建設(shè)理念成為一種趨勢和必然。在宏觀規(guī)劃層面，通過構(gòu)建“山、水、林、田、湖、草”的海綿生態(tài)空間格局，可為城市水環(huán)境整治提供重要保障[1]；在宏觀設(shè)計(jì)層面，專家指出基于海綿城市建設(shè)理念的排水工程設(shè)計(jì)需要著重考慮系統(tǒng)性、整體性和協(xié)同性[2]；在大片區(qū)設(shè)計(jì)尺度上，也有一些針對老城和新城海綿城市試點(diǎn)區(qū)的建設(shè)方案研究[3]；而在微觀項(xiàng)目尺度上，如何結(jié)合市政排水廠站工程的特征，充分發(fā)揮污水處理設(shè)施的就近處理能力及構(gòu)筑物功能特點(diǎn)，因地制宜地進(jìn)行海綿城市建設(shè)，實(shí)現(xiàn)徑流總量和徑流污染的有效控制的相關(guān)研究仍不多見[4-5]。

本研究結(jié)合某污水處理廠擴(kuò)建工程，經(jīng)方案評估，在擴(kuò)建廠區(qū)進(jìn)行海綿城市的試點(diǎn)工程，將海綿城市設(shè)施有機(jī)融合進(jìn)污水處理廠的擴(kuò)建方案，有效實(shí)現(xiàn)了年徑流總量控制率和年徑流污染控制率，可為污水處理廠中海綿城市設(shè)計(jì)和建設(shè)提供重要參考借鑒。

1 項(xiàng)目背景

上海某污水處理廠一期工程已建規(guī)模為8萬m3/d，預(yù)處理采用粗格柵+曝氣沉砂池，二級(jí)處理采用AAO生物反應(yīng)池+二沉池，深度處理采用高效沉淀池+高效纖維濾池，出水采用加氯消毒，并執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。由于服務(wù)范圍內(nèi)污水量不斷增加，同時(shí)未來有部分初期雨水也需要納入污水處理廠，2018年該廠啟動(dòng)了二期擴(kuò)建工程，第一階段先行實(shí)施6萬m3/d，使全廠處理能力達(dá)到14萬m3/d，排水標(biāo)準(zhǔn)仍執(zhí)行一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

2 海綿城市設(shè)計(jì)總體方案

2.1 實(shí)施范圍

污水處理廠一期占地面積約為121 010.4 m2，本次擴(kuò)建工程除充分利用現(xiàn)狀廠區(qū)內(nèi)空地新建部分構(gòu)(建)筑物外，需在廠區(qū)外規(guī)劃預(yù)留用地中補(bǔ)充征地，面積約為56 985.4 m2。

為充分體現(xiàn)海綿城市建設(shè)理念，整體提升污水處理廠的徑流總量控制及面源污染削減水平，考慮在污水處理廠擴(kuò)建過程中進(jìn)行海綿城市設(shè)施的示范建設(shè)，并對海綿城市設(shè)施的建設(shè)范圍進(jìn)行了分析評估，如表1所示。需要說明的是，若在擴(kuò)建廠區(qū)建設(shè)海綿設(shè)施，適當(dāng)考慮工程邊界及實(shí)際匯水范圍，服務(wù)面積約為59 002.2 m2。

表1 海綿設(shè)施建設(shè)范圍分析評估Tab.1 Analysis and Evaluation of Construction Scope of Sponge Facilities

綜合考慮現(xiàn)狀改造工程量、實(shí)施難度、展示效果、工程效果及工程投資等因素，經(jīng)綜合評估，本次擴(kuò)建工程海綿城市設(shè)施實(shí)施范圍確定為擴(kuò)建廠區(qū)。在擴(kuò)建廠區(qū)進(jìn)行示范建設(shè)后，可以結(jié)合運(yùn)行效果及積累的養(yǎng)護(hù)管理經(jīng)驗(yàn)，后續(xù)工程中擇機(jī)在現(xiàn)狀廠區(qū)內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

2.2 建設(shè)目標(biāo)

按照《上海市水務(wù)設(shè)施(廠/站)海綿城市建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》(試行)[6]，擴(kuò)建廠/站的擴(kuò)建部分年徑流總量控制率應(yīng)結(jié)合擴(kuò)建內(nèi)容和強(qiáng)度綜合分析后確定，取值宜為75%～80%。考慮到污水處理廠以污水處理為主要目標(biāo)，平面上需要建設(shè)較多的建(構(gòu))筑物，年徑流總量控制率確定為75%。參照上海市年徑流總量控制率與海綿城市設(shè)計(jì)降雨量的關(guān)系，對應(yīng)設(shè)計(jì)降雨量為22.2 mm，年徑流污染控制率經(jīng)綜合考慮，確定為55%。

2.3 本底條件分析

擴(kuò)建場地屬于潮坪地帶地貌類型，表層土壤為雜填土和黏性土為主，表層下方為黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土。土壤滲透系數(shù)在0.1～0.5 m/d，屬弱透水性。場地潛水補(bǔ)給來源主要為大氣降水與地表徑流，地下水年平均水位埋深一般為0.50～0.70 m，設(shè)計(jì)時(shí)低水位埋深可取1.50 m，高水位埋深可取0.50 m。

同時(shí)，本工程為地上式常規(guī)污水處理廠，擴(kuò)建廠區(qū)由于預(yù)留了部分遠(yuǎn)期建設(shè)用地，綠地所占比例超過50%。廠區(qū)總體地勢平坦，室外設(shè)計(jì)高程為4.50 m，道路中心標(biāo)高為4.45 m，主干道路寬度為7.0 m，道路橫坡為2%，道路邊緣標(biāo)高為4.38 m。

2.4 設(shè)施選型

基于廠區(qū)高地下水位、低土壤滲透率的本底條件，并依托污水處理廠可自身實(shí)現(xiàn)對污染物就近處理的獨(dú)特優(yōu)勢，本次海綿設(shè)施選擇考慮以滯、凈、排類型為主，并酌情設(shè)置滲蓄設(shè)施。為此，參照住建部《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》[7](簡稱《指南》)并經(jīng)綜合分析，重點(diǎn)選擇了透水路面、復(fù)雜型生物滯留設(shè)施(以雨水花園為主)、植草溝、池頂綠化(位于生物反應(yīng)池混凝土上蓋)等，結(jié)合污水處理廠污水處理，實(shí)現(xiàn)年徑流總量和徑流污染控制的目標(biāo)。對于超出設(shè)計(jì)降雨量的雨水徑流，則主要通過溢流設(shè)施接入廠區(qū)雨水管外排至周邊河道。

2.5 設(shè)計(jì)分區(qū)

根據(jù)本工程污水處理廠項(xiàng)目特征，擬充分結(jié)合擴(kuò)建廠區(qū)的構(gòu)筑物布置方案、綠化布置方案、道路走向等，有效利用污水處理廠污水處理設(shè)施能力，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)建廠區(qū)用地范圍內(nèi)的年徑流總量和徑流污染控制。結(jié)合地面高程、道路坡向及功能分區(qū)，將擴(kuò)建廠區(qū)分為6個(gè)海綿分區(qū)，具體情況如表2和圖1所示。普通不透水道路面積為4 274.9 m2，透水路面面積為3 679.5 m2，普通屋面、封閉水池面積為3 727.8 m2，綠地面積為17 459.7 m2，(類)開敞水池面積為8 685.4 m2，預(yù)留樁基區(qū)域面積為8 685.4 m2，遠(yuǎn)期待建區(qū)域面積為12 489.5 m2，區(qū)域綜合徑流系數(shù)為0.445 3。

表2 6個(gè)海綿分區(qū)的下墊面分布Tab.2 Distribution of Underlying Surface of Six Sponge Zones

圖1 海綿城市設(shè)計(jì)分區(qū)Fig.1 Designed Partitions of Sponge City

需要說明的是，為與遠(yuǎn)期擴(kuò)建相結(jié)合并預(yù)留建設(shè)條件，在分區(qū)5提前實(shí)施了遠(yuǎn)期2座二沉池的樁基，在分區(qū)6提前實(shí)施了遠(yuǎn)期1座生物反應(yīng)池的樁基。這兩個(gè)區(qū)域近期實(shí)施樁基，遠(yuǎn)期則建設(shè)開敞水池或類開敞水池，因此，近期條件略不利，綜合徑流系數(shù)按近期偏不利情況計(jì)算，并按遠(yuǎn)期復(fù)核。分區(qū)4遠(yuǎn)期將建設(shè)其他處理設(shè)施，以封閉水池為主，因此，在綜合徑流系數(shù)計(jì)算時(shí)按照遠(yuǎn)期偏不利情況。

2.6 設(shè)施規(guī)模計(jì)算

對于選擇海綿設(shè)施的設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積，參照住建部《指南》[7]進(jìn)行計(jì)算，如式(1)。

V=10HφF

(1)

其中：V——設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積，m3；

H——設(shè)計(jì)降雨量，mm；

φ——綜合雨量徑流系數(shù)，可進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算；

F——匯水面積，hm2(1 hm2=104m2)。

本工程設(shè)計(jì)降雨量為22.2 mm，綜合徑流系數(shù)為0.445 3，匯水面積為59 002.2 m2，經(jīng)計(jì)算，擴(kuò)建廠區(qū)理論所需調(diào)蓄量約為583.3 m3。

對6個(gè)分區(qū)進(jìn)行調(diào)蓄指標(biāo)分解，如表3所示。分區(qū)6理論所需調(diào)蓄量最大，為175.2 m3，分區(qū)1所需調(diào)蓄量較小，為22.8 m3。

表3 分區(qū)調(diào)蓄指標(biāo)分解Tab.3 Storage Task Decomposition of Sponge Zones

2.7 布置方案及建設(shè)目標(biāo)復(fù)核

結(jié)合分區(qū)內(nèi)平面布局、設(shè)施分布以及上文的海綿設(shè)施選型，對各個(gè)分區(qū)因地制宜地進(jìn)行海綿設(shè)施布置，如圖2所示。其中道路兩側(cè)的植草溝主要收集道路雨水及周邊地塊雨水，地塊內(nèi)部的植草溝和雨水花園主要收集地塊內(nèi)的雨水徑流和經(jīng)斷接的屋面雨水，池頂綠化則主要設(shè)置于生物反應(yīng)池厭缺氧池上方，用于收集池頂雨水。每個(gè)分區(qū)中起主要作用的海綿設(shè)施工程量如表3所示。擴(kuò)建廠區(qū)雨水管道按照重現(xiàn)期為5年設(shè)計(jì)，雨水管網(wǎng)分布如圖3所示。超出海綿設(shè)施滯蓄能力的雨水通過溢流井溢流至雨水管道中，經(jīng)現(xiàn)狀DN1000和新建DN1500排放口排入廠區(qū)北側(cè)河道中。

圖2 海綿設(shè)施分區(qū)設(shè)計(jì)Fig.2 Zoning Design of Sponge Facilities

圖3 廠區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)Fig.3 Design of Rainwater Pipe Network in the Plant Area

需要說明的是，開敞水池(主要是二沉池)的雨水全部進(jìn)入污水處理構(gòu)筑物，由于全部產(chǎn)流、不產(chǎn)生下滲等，徑流系數(shù)應(yīng)取1，但不匯流至雨水管網(wǎng)，徑流量控制比例為100%。類開敞水池區(qū)域主要指分區(qū)6的生物反應(yīng)池，通過建設(shè)池頂綠化以及頂棚雨水收集裝置將雨水全部引流進(jìn)入生物反應(yīng)池內(nèi)，不產(chǎn)生雨水徑流，因此，效果與開敞水池?zé)o異，而池頂綠化的效果可不單獨(dú)計(jì)算。

經(jīng)復(fù)核計(jì)算，通過建設(shè)725 m2雨水花園、2 060 m植草溝，結(jié)合開敞水池及730 m2池頂綠化，累計(jì)雨水徑流控制量約為646.9 m3，明顯大于583.3 m3的理論所需調(diào)蓄體積。且每個(gè)分區(qū)均能實(shí)現(xiàn)分區(qū)自身的控制目標(biāo)，因此，上述平面布置方案可以有效滿足75%年徑流總量控制率要求。

參照《指南》[7]，加權(quán)平均計(jì)算本工程的年徑流污染控制率，如表4所示。經(jīng)計(jì)算，本工程年徑流污染控制率為59.8%，可以滿足55%的控制目標(biāo)。

表4 年徑流污染控制率復(fù)核Tab.4 Review of Annual Runoff Pollution Control Rate

3 海綿城市設(shè)計(jì)相關(guān)思考

在污水處理廠進(jìn)行海綿城市建設(shè)具有以下幾個(gè)典型特點(diǎn)和優(yōu)勢：(類)開敞水池對徑流總量控制及徑流污染控制貢獻(xiàn)較大、控制的污染雨水可就近處理、可利用再生水澆灌海綿設(shè)施、運(yùn)行維護(hù)可以與污水處理廠綠化養(yǎng)護(hù)協(xié)同考慮等。同時(shí)，設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)注意以下要點(diǎn)。

3.1 海綿設(shè)施選型

結(jié)合本次海綿城市試點(diǎn)工程設(shè)計(jì)，認(rèn)為污水處理廠的海綿城市設(shè)計(jì)應(yīng)因地制宜進(jìn)行設(shè)施選型。一方面，在污水處理能力有余量的前提下，宜充分發(fā)揮污水處理廠污染物可就近處理的優(yōu)勢，將污染較嚴(yán)重的初期雨水引入處理流程，有效助力年徑流污染及徑流總量控制率目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)；另一方面，應(yīng)該充分考慮不同分區(qū)的功能特點(diǎn)進(jìn)行布置，例如污泥處理處置區(qū)域周邊以及主干運(yùn)輸通道路面污染一般較重[4]，同時(shí)對于道路荷載要求較高，應(yīng)優(yōu)先采用不透水路面,慎用透水路面，且路面雨水優(yōu)先考慮導(dǎo)入污水系統(tǒng)處理。此外，針對于地下水位偏高的問題，設(shè)施選型中也應(yīng)充分考慮，并酌情設(shè)置防滲土工布隔離地下水。

3.2 海綿設(shè)施設(shè)計(jì)計(jì)算

對于污水處理廠的海綿設(shè)施效果計(jì)算，應(yīng)當(dāng)考慮近遠(yuǎn)結(jié)合，按照每個(gè)分區(qū)近遠(yuǎn)期中偏不利工況計(jì)算和建設(shè)設(shè)施，這樣才能更好地新老銜接，從而避免海綿設(shè)施需要反復(fù)建設(shè)或者產(chǎn)生廢棄工程。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮不同設(shè)施的具體情況，例如對于加蓋除臭的生物反應(yīng)池，如果可以建設(shè)池頂綠化，并將加蓋池頂雨水進(jìn)行有效收集和導(dǎo)流進(jìn)池體，也可按開敞水池考慮效果。此外，對于開敞水池，由于不具有下滲效果，推薦徑流系數(shù)按1考慮，同時(shí)徑流量控制比例按100%考慮，這樣相對更加合理，也可以充分體現(xiàn)開敞水池高滯蓄量以及高污染物去除率的特點(diǎn)。如果開敞水池采用較低的徑流系數(shù)，則其作用將被直接排除在海綿設(shè)施效果計(jì)算之外，顯然與實(shí)際情況不符。

3.3 海綿設(shè)施的運(yùn)維

關(guān)于海綿設(shè)施的運(yùn)維，一方面，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)當(dāng)充分考慮運(yùn)維的難度和工作量。例如污水處理廠很多開關(guān)站、變配電間等構(gòu)筑物由于安全以及防滲等原因，不適合建設(shè)屋頂綠化，但是生物反應(yīng)池可以結(jié)合除臭、混凝土加蓋等局部建設(shè)池頂綠化，不僅可滯納雨水、美化景觀環(huán)境，而且解決了屋頂綠化養(yǎng)護(hù)不便的問題，一舉多得。另外，污水處理廠還可以結(jié)合再生水利用進(jìn)行海綿設(shè)施的養(yǎng)護(hù)和澆灌，更好地體現(xiàn)節(jié)水的理念。

4 結(jié)論

在污水處理廠中進(jìn)行海綿城市的試點(diǎn)應(yīng)用有其獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢。本研究結(jié)合某污水處理廠的擴(kuò)建工程，經(jīng)方案評估，在擴(kuò)建廠區(qū)進(jìn)行海綿城市的試點(diǎn)工程。通過本底條件分析、設(shè)施選型分析、設(shè)計(jì)分區(qū)劃分、設(shè)施規(guī)模計(jì)算、平面布置及建設(shè)目標(biāo)復(fù)核環(huán)節(jié)，將海綿城市設(shè)施有機(jī)融合進(jìn)污水處理廠的擴(kuò)建方案，并達(dá)到了年徑流總量控制率和年徑流污染控制率。研究認(rèn)為，污水處理廠的海綿城市設(shè)施選型應(yīng)因地制宜，充分考慮污水處理廠自身污染處理能力以及不同建(構(gòu))筑物的功能和特點(diǎn)；海綿設(shè)施設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)當(dāng)近遠(yuǎn)結(jié)合，按照偏不利工況考慮，同時(shí)開敞水池的計(jì)算應(yīng)當(dāng)合理選用徑流系數(shù)及徑流量控制比例；海綿設(shè)施的運(yùn)維應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)階段就提前考慮，并與廠區(qū)再生水回用有機(jī)結(jié)合。本研究可為污水處理廠中海綿城市建設(shè)提供重要參考借鑒。