海绵城市理念下的初期雨水治污技术研究

杨旭亮，李炳阳，张振昌

(1.青海民族大学 土木与交通工程学院, 西宁 810007； 2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司,北京 100024； 3.青海省水利水电勘测规划设计研究院有限公司, 西宁 810000)

0 引 言

针对中国城镇化进程中的城市雨洪和初期雨水径流污染等问题，海绵城市建设旨在实现雨洪综合管理和利用，涉及到多学科交叉、多部门协同治水，海绵城市建设的目标、功能与发展方向等需要全面考虑[1]。结合初期冲刷规律，初期雨水控制主要适用于雨洪设施的预处理设施和初期冲刷明显的小汇水区域等情况，科学合理的控制可取得较高的控污效率[2]。城市初期雨水的处理措施主要分为3类[3]：城市径流雨水源头减排中，采用不同调控技术组合削减城市径流污染负荷，从源头对雨水进行蓄渗和缓释处理[4]；在过程控制中，应对城市生产生活不同用地类型分区[5]，根据不同区域初期雨水径流污染特征，利用土壤渗透性改良方案提高绿地[6]等城市非硬化下垫面及复合填料生物渗滤系统[7]的渗滤净化能力处理初期雨水引起的径流污染；在末端治理中，主要利用人工湿地和生物滞留设施所包含的填料、植物和微生物对雨水径流中的有机物、氮、磷等污染物进行去除[8]。基于低影响开发、因地制宜地从多尺度多功能角度设计绿色基础设施，合理解决城市径流污染及洪涝灾害，实现城市良性水循环[10]。

针对西宁市海绵城市建设进程，从城市雨水利用系统的多层次工程性措施及非工程性措施角度出发，充分借鉴国内外在城市雨水利用的绿色基础设施应用，分析西宁降雨特征及西宁城区与湟水河位置关系特征，并结合道路及小区规划实施浅草沟、雨水花园、雨水收集池等绿色雨水基础设施应用研究，通过采用绿色基础治污装置既可净化初期雨水水质又可对城市已有排水设施进行完善，减少径流污染总量，提出尝试进一步联通市政工程、水道、城市公园及湿地等，努力形成全域性“生态治水”格局的方案。

1 研究区概况

西宁市位于青藏高原和黄土高原的交界处，地势西南高、东北低，东西呈条带状分布，市区平均海拔达2 261 m，属典型的高原大陆季风性气候，降水稀少，蒸发强烈，平均降水约为380 mm/a，因夏季光照时间较长，蒸发量则达1 264.6 mm。湟水河与其支流南川河、北川河汇合于市内，经小峡流出西宁市后在甘肃流入黄河，见图1。随着西宁市发展建设，城市基础设施建设迅速扩张，人口密度也在不断增加，已出现水资源紧缺及环境污染等问题，其中水资源短缺尤为突出。

图1 西宁市地形与河流分布图

2 西宁市海绵城市建设情况

西宁市自批准为海绵城市建设试点城市以来，已规划湿地、道路、小区、植被覆盖率、综合管廊、广场等建设项目，至2019年初已完成80%以上的建设项目，为西宁市生态环保建设奠定了基础。

在小区建设方面，应按照自上而下的原则，并注重景观和空间的整体性原则进行实施，主要采用透水路面、绿色屋顶、雨水花园建设，并修建人工池塘进行蓄水，既可收集雨水又可改善小区环境。前期规划以城西区为主，其它城区辅助建设，海湖新区规划的居住区绿化以及雨水利用已完工。

在道路建设方面，主要考虑与周围场地及环境的协调关系，采用透水路面铺装、路侧生态草沟及雨水收集系统，通过雨水处理系统过滤净化后供给城市景观用水及补充地下水。以城西区为主要建设目标，并已完成5条道路的改造工程，在城北、城东等已完成部分道路改造；其次是综合管廊建设，进行雨污分流，可以减少污水处理量，将雨水引入城市下游河流。

湿地建设影响最大，能直接把雨水储存在湿地中，利用湿地中的动植物资源净化空气、调节局部气候、增加含氧量、改善周边的生态环境。西宁市湟水河湿地海绵化改造为修复城市水生态，采用河道生态治理与生态环境修复相结合的治理方式，净化水体、涵养水资源，增强城市防涝能力，已建成海湖湿地公园、宁湖湿地公园、北川湿地公园等。

根据城市雨洪管理设计理念在利用城市雨水资源时，不能忽视西宁市湿陷性黄土地质情况，需考虑湿陷性黄土对工程安全的影响。城西区一新建道路已出现塌陷情况，不能只考虑雨水的利用而忽略工程质量问题，还需考虑初期雨水污染负荷及处理问题，以营造绿色、健康的城市生活空间，实现人与自然和谐共处。

3 西宁市雨水收集利用的影响因素分析

根据西宁市海绵城市建设总目标，在提高西宁市雨水收集利用率、补充地下水短缺、减少内涝灾害发生等方面，从自然因素和人为因素角度分析西宁市雨水的利用情况。按照实际地势情况，城市西北部以渗透设施为主，东南部以调蓄设施为主；虽然西宁市境内河网发达，大多数河流以降水补给为主，多年平均径流量约为16.6×108m3，地表水资源的有效开发利用受到限制，水资源相对贫乏；西宁正处在城市化发展的高峰期，人口不断向城市集中，城市开发建设时部分自然土地被不渗水铺装所取代，下垫面的改变导致下渗能力减弱，70%～80%的降雨形成了地表快速径流；因西宁市地势情况约束，城市道路竖向设计和建设与城市排出雨水紧密关联，降雨强度较大时，来不及下渗外排的雨水，直接涌入城区地势低处，加之排水设施排水能力有限，导致路面积水严重，西宁市老城区是雨污合流排水系统，更易发生涝灾。针对城市发展建设中出现的水生态恶化、水资源紧缺、水环境污染、涝灾频发等一系列问题，2016年西宁市在海绵城市建设中充分考虑和规划，旨在有效改善和利用雨水，建成生态环保型和绿色宜居城市。

4 海绵城市建设进程中针对初期雨水的治污技术

青海西宁作为第二批海绵城市建设试点国家城市，根据海绵城市与河道生态修复的要求及西宁市水系分布特征，建设绿色调蓄基础设施需更加注重生态保护，初期雨水污染物汇入水域使整体水环境质量下降[13]，从湟水河水质改善、西宁市雨水利用和节能减排任务角度进行初期雨水的治污技术设计。

4.1 现有的初期雨水治污技术

1)除了雨水弃流之外，现有比较成熟的初期雨水处理措施主要是从源头治理、传输过程治理和末端治理3个方面进行的[14]，包括绿色屋顶、渗透铺装、植被缓冲带、人工湿地[8]和生物滞留池[9]等技术方案。以上初期雨水处理措施虽可以从不同阶段进行处理，各处理设施组成一个大系统，但位置分散，有一定的局限性，需要各方进行协调才能连通发挥作用，占地面积较大，总投资相对较高。

2)石英砂-活性炭快速过滤技术中采用旋流分离和快速过滤系统相结合的模式，可将含有大量污染物的初期雨水优先收集到初雨池中，然后泵入旋流分离器[15]，进行初期大粒径悬浮颗粒的分离，再进入快速过滤池，经过旋流器脱除了部分颗粒物和污染物的径流在填料和微生物等因素耦合协同作用下，对污染物拦截和吸附进行二次削减。该初期雨水处理措施虽然处理效果较好，但配套机电设施较多，运行成本及后期维修成本较高。

4.2 针对初期雨水的多级复合治污技术设计

针对初期雨水悬浮物质多、污染负荷高的问题，根据海绵城市理念下的绿色基础设施主要进行末端处理，对西宁市雨水利用提出技术原理明确、投资小的初期雨水净化技术。通过既有雨水排水系统在末端进行收集，然后利用调蓄池、氧化塘、渗滤系统、人工湿地等物理、化学及生物去污原理，组成多级复合系统对污染物进行去除，将雨水进行净化，减少径流污染总量，解决现有初期雨水处理技术方案占地面积大、设施复杂、投资大的问题，从而减轻污水处理厂的负荷，节约运营成本，改善城市水环境。

通过集物理、化学及生物去污原理的多级复合系统进行初期雨水治污的技术设计，设施包括拦污栅、矩形薄壁堰、自动启闭浮力闸、掺气挑流鼻坎、调蓄池、填料、渗滤排水口、排污底孔、输水植草沟、人工湿地等，结构示意图见图2-图4。该系统设计具有自主知识产权[16]。其中，拦污栅拦截过滤雨水中的漂浮物；调蓄池储存与净化初期雨水；自动启闭浮力闸利用杠杆原理控制初期雨水进入调蓄池，闸与浮球安装在杠杆两端，闸位于调蓄池入口处，浮球位于调蓄池内，当水质较差的初期雨水进入调蓄池之前浮球下沉，闸门处于开启状态，初期雨水可进入调蓄池，随着水位逐渐上升，通过浮力作用浮球上升，而杠杆另一端的闸门下降关闭，调蓄池蓄满，其余水质较好的雨水径流从矩形薄壁堰排出至承水区；掺气挑流鼻坎使通过闸门的雨水径流抛向空中充分与空气中的氧气接触，最后跌落到蓄水池中，采用人工曝气方式使初期雨水中尽可能多的溶解氧处于好氧状态，利用好氧微生物对有机物进行降解；渗滤排水口水平布置在调蓄池侧壁上，从内向外填充粒径不同的砂子，既可以在排水过程过滤雨水，又可避免雨水中的悬浮物沉积堵塞；排污底孔用于清除调蓄池内沉淀的污泥；输水植草沟可将调蓄池内初步处理后排出的雨水输送到人工湿地，并且可以在输水过程中下渗过滤补充地下水；人工湿地将初步处理后排出的雨水中的营养物质(如TP、TN)和重金属通过植物吸收再度降解。由汇水面积和降雨确定设计流量及各部分结构尺寸。

图2 结构平面示意图

图3 结构侧视示意图1.排水管道；2.矩形薄壁堰；3.水池；4.拦污栅；5.自动启闭浮力闸；6.掺气挑流鼻坎；7.调蓄池；8.渗滤排水口；9.排污底孔；10.输水植草沟；11.人工湿地；12.承水区河道

图4 自动启闭浮力闸

该初期雨水治污技术的优点是采取一系列措施进行过滤、供氧、吸附、沉淀、下渗、降解的过程，运转费用低，维护简单，并可长期循环使用；所用原料(沸石、蛭石、陶粒、煤渣、草炭土等填料，水生植物和微生物)易得[17]，施工和基建费用低、易于实施；与污水处理厂相比，该技术采用较为简易的物理、化学及生物去污原理，虽然处理环节多，但设施相对简单，治污成本较低，占用场地较小。

该技术方案的效益体现在海绵城市建设进程中要利用雨水，必须解决初期雨水径流污染问题。通过该治污装置既可净化初期雨水水质，又可对城市已有排水设施进行完善，减少径流污染总量，见式(1)[18]。其投资相对较小，运营成本较低，最终改善城市水环境。

V=10HφF

(1)

式中：V为雨水利用设施容积，m3；φ为综合雨量径流系数；H为初期雨水截流厚度，mm；F为汇水面积，hm2。

5 结 语

本文分析了西宁水系用地的现状特征、西宁市雨洪成因及规划防涝现存问题，结合空间结构、湿地利用等规划设计，将蓄水池、下沉式绿地等低影响开发防涝措施与城市雨水利用进行结合，采取绿色调蓄基础设施应用提升城市防涝效能，为西宁及其他城市雨水利用规划防涝体系构建与完善提供了科学依据。