上海市中心城区初期雨水污染治理策略与案例分析

程晓波

（上海市城市排水有限公司，上海 200233）

1 背景

1.1 排水系统现状

排水系统格局：上海市中心城区已形成合流制和分流制排水体制并存的格局，合流制排水系统主要分布于中心城区苏州河沿岸。 根据2002年 《上海市城镇雨水系统专业规划》，全市共规划建设排水系统361个。其中，中心城区规划建设排水系统281个。至2009年底，全市已建成排水系统250个(中心城区建成 213个）。其中，合流制排水系统71个，约占已建排水系统面积的31%。

1.2 初期雨水污染现状

上海市中心城3大片区、5大干线、213个排水系统的建立使得中心城区点源污染的控制率已达到85%。随着点源污染治理的不断完善，中心城区面源污染对水环境污染贡献率已超过点源污染，而且，随着时间的推移，这一比例还将继续上升。为此，必须进一步完善和拓展水环境治理思路，确保水环境质量持续稳步提高。

根据上海市环科院《污染控制和水源地保护规划》的研究成果，全市各类面源COD合计 35.5万t/a，其中城镇地表径流面源污染COD 24.26万t/a。中心城区地表径流面源污染COD 8.61万t/a，浦西6.38万t/a，浦东2.23万t/a。由于地表径流面源污染短时间高强度集中排放，对地表受纳水体形成高负荷冲击，水质恶化、不稳定，影响水环境治理成果。

1.3 排水标准

上海现行的排水标准一般为1 a一遇，重要地区采用3 a一遇，低于国内外许多大城市水平，导致暴雨期间超出设计排水能力的降雨径流形成溢流，严重污染城市受纳水体水质（见表1）。

表1 不同城市不同重现期暴雨强度对比表

1.4 排江量及水质

上海市平均降雨日约132d，年均量约1 150 mm，全年70%左右雨量集中在4～9月。汛期降雨特征：历时短、强度大。以苏州河为例，统计2007－2009年苏州河沿岸排水系统初期雨水溢流量达3 300万m3/a，其中 60%集中于 7～9 月（见图 1、图 2）。

图1 苏州河沿岸年初期雨水溢流量统计图（2007-2009）

图2 苏州河沿岸月平均初期雨水溢流量统计图（2007-2009）

初期雨水污染负荷大，上海中心城区苏州河沿岸泵站初期雨水中COD、氨氮等主要污染指标事件平均浓度分别超过410 mg/L和25 mg/L，超过地表水Ⅴ标准9.3倍和11.7倍，对苏州河尤其是汛期水质造成严重的冲击性污染（见表2）。

表2 上海成都路排水系统初期雨水污染物浓度统计表（单位：mg/L）

2 治理策略及工程案例

2.1 国内外研究进展

国际：从20世纪70年代起，美国、德国、日本等，通过长期规划、控制方法、排放标准、计算机模拟和监控等方面开展大量研究，制定出一系列的指导措施，通过源头分散、中途和末端蓄排以及末端治理等技术以削减初期雨水污染物。

国内：研究起始于上世纪80年代，本世纪初引起广泛关注，先后在北京、上海等城市开展了城市集水区、排水系统、屋面、道路等初期雨水污染相关研究。广州、合肥、昆明等城市也纷纷开展前期工作。

上海初期雨水污染控制理论研究：《合流制排水系统初期雨水污染控制技术》（2003-2005年）荣获上海市科技进步三等奖。对初期雨水进行调蓄处理并配套相应的管理措施，以期大大削减排入苏州河的初期雨水污染负荷。调蓄池工程将有助于减少黄浦江和苏州河水系的水体污染，提高城市防汛能力。溢流调蓄池同样适用于上海存在严重雨污水混接现象的分流制排水系统。

《中心城区和新城市化地区面源污染控制关键技术与示范工程》（2004-2006年）荣获上海市科技进步二等奖。揭示城市非点源污染规律；探索了自然和人工强化径流调蓄系统关键技术；高效实用的调蓄与就地处理相结合工艺雨水污染防治专项规划。

2.2 治理策略

中心城区已建系统：以工程措施和管理措施两手抓，推广雨水利用和源头控制设施的建设，在提高中心城区的防汛抗洪能力的同时，减少雨天溢流污水对河道造成的污染。

旧城改造地区：雨水系统建设时将同步建设溢流污染控制措施，积极探索采用适合上海本地情况的雨水最佳管理方法。

中心城区新建系统：蓄排结合，提高城市雨水防汛标准的同时控制治理初期雨水污染。提出低影响开发，通过综合性措施从源头上降低开发导致的水文条件的显著变化和雨水径流对生态环境的影响。

区县新建系统：按管道排水与天然沟渠、水塘相结合的方法，建设接近自然状态的排水系统，并注重通过工程性与非工程性措施对雨水污染开展源头控制。

调蓄隧道研究：上海市正在大力开展隧道调蓄初期雨水研究，对苏州河调蓄管系统、两港调蓄管系统进行研究。

2.3 治理措施

控制与治理初期雨水污染理念：利用工程性和非工程型措施截留初期浓度较高的雨水径流，达到良好的环境效益投资比。达到合流制排水系统全年排入水体的污染负荷总量，应不得大于相同条件下分流制系统排入水体的污染负荷总量。

合流制系统溢流污染控制的任务为：对雨水进行截流处理，在保证流入污水处理厂的水量不超过其设计允许流量的同时，使直接排放的雨水对水体造成的冲击性负荷在可接受的范围内。因为一个水体的质量好坏是由全部进入该水体的污染物总量来决定的，需要将进入受纳水体的全部污染物总量减少到最低程度。

工程性措施：包括可持续城市排水系统（SUDS）、污水截污纳管、排水系统达标改造、调蓄池、下凹式绿地、河漫滩、人工湿地、土地处理系统等。

非工程性措施：包括雨水利用、最佳管理措施（BMP）、低影响开发（LID）、地表清扫、管道疏通等。

其他：包括政策指导、税收调节、财政补贴等手段。

2.4 国内外工程案例

美国：芝加哥1975年始建世界上最大溢流雨水调蓄隧道及水库工程 （TARP），4个隧道系统组成，总容量16 800万m3。

德国：截至2002年，已拥有38 000座雨水池，其中溢流截流池24 000座，雨水截流池12000座，雨水净化池2 000座，总容量达4 000万m3。

日本今井川地下调蓄池 （调蓄隧道）容量178 000 m3，池体内径10.8 m，长度2 000 m，盾构法施工，沿国道一号线施工，服务面积达7.6 km3。

澳大利亚悉尼北滩（Northern Beaches）调蓄工程：调蓄池容量18 000 m3，连同北滩就地解决方案，可使当地的雨季溢流频率减少到低于20次/10a。

香港：大坑东地下蓄洪池及泵站 容量10万m3；市区已建成多条雨水截流隧道。

上海：苏州河环境综合整治二期工程建设了5座调蓄池 （总容积70 700 m3）+新师大调蓄池；2010世博会园区建设了4座调蓄池（总容积19 800 m3）；西区污水输送干线改造工程建设了1座带后续处理功能的调蓄池（容积20 000 m3）。

昆明：市区二环内在建18座调蓄池。

3 工程案例分析

3.1 容积设计分析

调蓄池采用的容积设计方法有：面积负荷法（德国经验公式、日本经验公式、降雨量估算法）、调蓄时间法（截流强度法、降雨强度曲线计算法、冲击负荷法）、脱过系数法、统计降雨频率累计法、模型计算法、目标反推法（见表 3、表 4）。

调蓄池容积设计标准的选用直接影响调蓄池暴雨溢流削减量和削减率。应当因地制宜，根据当地的降雨特征和下垫面特征，并结合已建工程的实际运行效果和地区削减污染负荷的实际需要，采用合适的调蓄池容积设计标准。相关研究表明，在上海中心城区人口密集区，采用90～100 m3/hm2的设计容积，可取得良好的环境效益。

3.2 运行模式分析（见表5）

3.3 冲洗模式分析

调蓄池采用的冲淤清洗方法有：人工清洁、水力发射器冲洗、潜水搅拌器搅拌、水力冲洗翻斗冲洗、连续沟槽冲洗、铲车机械清除、门式自冲洗和冲淤拍门等模式。

上海已建设的调蓄池采用的冲洗方式有：潜水搅拌器搅拌、水力冲洗翻斗冲洗、连续沟槽冲洗、门式自冲洗等几种方式，其中门式自冲洗装置的冲洗力非常强大，建议在设计条件允许时优先采用。

表3 上海采用德国经验公式法设计的已建设雨水调蓄池统计表

表4 上海采用截流强度法设计的已建设雨水调蓄池统计表

表5 苏州河二期建成雨水调蓄池运行模式统计表

3.4 除臭方式分析（见表6）

表6 不同除臭工艺原理比较表

上海已建成的几座调蓄池有单独采用喷淋植物液除臭、单独采用离子法除臭和采用植物液+离子法组合除臭等方式。离子法除臭要求除臭空间密闭，需要通过风管等收集系统将臭气扩散源的气体收集送至处理系统，除初步建设费用较高外，具有处理能力强，易操控的特点，是目前较优的除臭选择方案。

4 环境效益分析（见表7）

表7 新昌平调蓄池运行效果统计表

4.1 环境效益之一：初期雨水溢流量削减

以新昌平调蓄池为例，其服务面积3.45 km2，有效容积15 000 m3，2009年有效运行75次，年削减初期雨水溢流量达54.34万m3，初期雨水溢流量削减为30.6%。

2010年有效运行68次，年削减初期雨水溢流量达53.11万m3，初期雨水溢流量削减为28.9%。

4.2 环境效益之二：初期雨水溢流污染物削减

2009年，新昌平雨水调蓄池对初期雨水溢流COD、NH4+－N和TP的年均削减总量分别为264.7 t/a、18.5 t/a 和 1.59 t/a。 COD、NH4+－N 和 TP 的年均削减率分别为47.7%、36.6%、和40.2%。

2010年，新昌平雨水调蓄池对初期雨水溢流COD、NH4+－N和TP的年均削减总量分别为258.7 t/a、18.1 t/a和1.56 t/a。COD、NH4+－N 和TP的年均削减率分别为46.6%、35.7%和39.3%。

研究显示当调蓄池对溢流COD削减5%时，苏州河市区段COD浓度平均可下降13.8 mg/L。由此推断，调蓄池削减溢流污染物功能的有效发挥，将显著改善暴雨期间苏州河的水质。

蕴藻浜调蓄处理池：容积20 000 m3、后续就地处理池 （包含混凝反应和沉淀两个区）设计能力1 m3/s。考虑20%的初期雨水量和近期混接雨水量，通过管道和20 000 m3/s调蓄池调蓄；处理池分为混凝反应和沉淀两个区，规模为1 m3/s，合86 400 m3/d；混凝沉淀处理装置对污水SS、COD、TP和浊度平均去除率分别为82%、69%、71%和79%以上，可大大削减混接雨水的污染负荷，减少对河道的影响。

4.3 环境效益之三：提高系统短时截流倍数

据调蓄池雨水泵启动强度，理论上开启1台雨水泵，成都路排水系统截流倍数提高5.74倍；若同时开启2台雨水泵，可提高8.32倍截流倍数。

实际运行中：受降雨强度、降雨持续时间、管道汇流速度、开泵台数、截留时间等因素影响，实际平均截流倍数要低于理论瞬间截流倍数。此外，调蓄池实际平均截流倍数的计算还受统计时长的影响。

以2009年17次运行数据为例：调蓄池进水期间系统截流倍数提高7.35倍；降雨期间系统截流倍数提高3.23～4.81倍。

4.4 环境效益之四：延时效应明显

据调蓄池雨水泵启动强度，理论上开启1台雨水泵，成都路排水系统可对5.74倍排水系统截流倍数以下降雨管道出流峰值出现时间延后约20 min，缓解放江时间20 min；若同时开启2台雨水泵，可将8.32倍截流倍数以下降雨管道出流峰值出现时间延后约30 min，缓解放江时间30 min。

5 结语

初期雨水污染控制与治理是一项全方位、多领域的系统工程，上海市在借鉴和吸取国内外大城市的先进理念与经验的基础上，并结合上海实际情况，利用雨水调蓄池在初期雨水污染控制与治理方面取得一定成果。初期雨水调蓄池已被证明具有较好的暴雨溢流量和溢流污染物削减能力，并能提高短期内排水系统的排水标准和延缓暴雨洪峰时间。

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