初级小海绵社区建设意义及技术探索

袁东日

（上海轩浦净化科技有限公司，上海 201108）

0.引言

2015年10月国务院办公厅印发了《关于推进海绵城市建设的指导意见》加快部署和推进我国海绵城市建设方面的工作，2016年3月住建部也印发了《海绵城市专项规划编制暂行规定》要求各市海绵城市建设专项规划草案要按时出炉[2]。

海宁市属全国百强县市，经济基础好，海绵城市建设是当时政府重点工作任务之一。目前，环境治理也在紧锣密鼓地开展，根据全省“五水共治”要求，海宁市出台了海委办发〔2013〕128号《海宁市农村生活污水治理工作实施意见》，以科学发展观为指导，以整治水环境、遏制水污染、保护水资源、保障水安全为工作目标，坚持“因地制宜、实事求是”的原则，结合星级美丽乡村的创建同步进行。类似柏士社区农房高度集中、出租情况普遍、室外雨污混流、初期雨水污染严重的城乡结合处，环境治理是难点，是五水共治的“重点”，也是未来海绵城市建设的边缘地带，海绵城市建设专项规划应将环境治理纳入其中，并鼓励由点集面逐步逐年推进的方式。

海绵城市建设主要采取低影响度开发方式，而对于建设紧簇的老旧社区利用合理的地下空间实现蓄水消峰则是另一项实现海绵城市建设的重要技术举措，地下空间对初期雨水或地表汇流的少量脏水的收集正是环境治理的薄弱环节，急需补足的短板，实现海绵城市建设与环境治理同步规划同步施工的提前部署，可大大减少重复建设的财政资金投入。城市每个角落的建设作为海绵城市建设的一部分，结合水环境治理同步进行，利用社区基础设施改造和环境治理的便利逐步实现海绵城市建设，可缓解市财政投资压力，且降低新技术风险，初级小海绵社区建设理念的提出正基于此，它代表的是城市建设的那个角落，可为类似老旧社区建设与改造提供可复制可实施的参考范例。

1.初级小海绵社区建设过程提炼

1.1 基本情况

海宁市柏士社区位于马桥街道西侧，居民696户，属于亚热带季风气候。社区早期建有雨污分流系统，厨房、卫生间污水经排水管道收集进入市政管网，但因居民生活习惯问题，大部分居民会自建室外地下水井和洗涤板，则另有大量室外洗衣、洗菜、保洁等洗涤废水汇入室外雨水管网流入社区河道；店面小型饭馆污水的任意倾到，会导致大量污染物经雨水管道进入社区河道；初期雨水对地面冲刷，也将大量污染物带入社区河道，逐步破坏河道生态系统，造成底泥堆积，漂浮物增多，影响正常泄洪排涝，暴雨期间偶尔短时出现河水倒灌现象（图1）。

图1 室外水井/洗涤板

1.2 设计理念

海绵城市建设以低影响开发雨水系统构建为基本原则，降雨时起到渗、滞、蓄的作用，雨后则净、用、排加以释放。柏士社区为已建成熟社区不适合再做低影响开发建设，但社区水环境治理则需要对初期雨水、污水进行收集储存、净化，按两者相同功能的需求，设计同时达到要求的空间，实现蓄、净、用同样的目的。社区内大型地下空间开挖并不现实，非影响性地下空间建设最具可行的办法是利用河道底部含水率低于80%的污泥层敷设容积管渠，建设过程不破坏社区现状，不扰民，满足消峰和净水功能需求，降低投资成本。

以城边街道或村镇为建设对象，结合市级海绵城市建设整体规划，做好街道社区先期规划和布局，街道或社区海绵建设作为海绵城市建设的预建功能区，分段实施，不断改进，步调统一，目标一致，在建设、改造、更新过程中，采用逐渐成熟的经验和技术，与前期建设项目保持一贯性可衔接性。初级小海绵城镇或社区建设理念的形成，赋予了海绵城市建设方式方法的多样性和灵活性，可采取不同方法措施实现蓄水、净水、用水和排水的综合效能，以最小的经济代价，建设以“蓄和净”字为主的初级小海绵村镇或社区，并解决河道水质净化、生活污水治理、早期雨水收集及治理等3个方面的问题。

1.3 设计思路

针对柏士社区河道水质问题，结合当时雨污收集管网建设情况，围绕海绵城市建设整体规划纲要，制定科学可行的建设方案。基本思路利用现有河道，在河底含水率低于80%的泥土层内敷设容积式管渠的方式，达到蓄水和调容的目的，满足调蓄初期雨水，收集室外洗涤污水，兼顾处理河水。三水汇流处是容积式管渠调节充满度的关键点，必须设置可以预沉、调节雨污水、河水补水的截污弃流井（图2）以调节容积管渠内的充满度，目的在于控制洗涤污水与河水补水量的总和小于容积管渠总容积量减去暴雨时初期雨水的汇流量，以保证暴雨时管渠起到蓄水消峰的作用。

图2 截污弃流井

净水系统首要选择绿色处理方案，具有污水处理功能的绿色处理设施属新工艺、新技术，多方位比选后选择具有“污水处理站”之称的多生态项滤床污水湿地处理工艺（图3）。河岸两侧景观绿化带是唯一可用之地，该湿地处理工艺与绿地景观融合建设，并实现室外洗衣、洗菜、保洁等废水及初期雨水的蓄存、净化、回用和排放。多生态项滤床生活污水处理效果能达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A排放标准；初期雨水、河道水多生态项滤床处理效果，出水可按地表水指标提升两级。

图3 多生态项滤床湿地

2.技术方案确定

2.1 数据采集与测算

2.1.1 室外生活污水

项目所收集的污水以室外洗衣、保洁等污水为主，则根据室外洗衣、保洁用水量测算污水产水量，依居民实际调查数据测算每户每天用水量达200L/d，居民696户，该部分污水基本通过地表漫流排入雨水篦子，因此污水收集率相对较低，收集系数取0.7，地下水入渗系数取0.1，该社区靠近工业区，有一定数量外来人口无法确切统计，需要增加1.2倍富裕系数。

据此计算污水量如下：

Qw=qh·λ ·（1+b）·c=0.2×696×0.7×1.1×1.2=128.64 m³/d，取值 130m³/d。

其中：

Qw—污水量（m³/d）；

qh—每户日用水量（m³/d）；

λ—收集系数；

b—地下水入渗系数；

c—富裕系数。

2.1.2 初期雨水

初期雨水是指降雨初期的雨水。该部分雨水溶解了空气中的大量酸性气体、汽车尾气、工厂废气等污染性气体，降落地面后又因冲刷屋面、地面、道路等，使得该初期雨水污染物质含量很高，甚至超出普通城市污水的污染程度，经雨水管直排入河道，对水环境造成一定程度的污染。

根据《嘉兴市低影响开发规划设计导则》初期雨水径流量应按下式计算：

Wi=10·δ ·F=10×3×20=600m³

其中：

Wi—雨水初期径流量（m³）；

δ—初期径流厚度（mm），根据嘉兴市雨水水质特点，屋面初期雨水径流厚度宜为2mm～3mm，路面初期雨水径流厚度宜为3mm～5mm，本工程取3mm；

F—汇水面积（hm2），柏士村现状屋面及路面用地面积约 20hm2。

2.2 设计布局

2.2.1 水下容积管渠布置

污水来源主要包括室外洗衣、保洁等废水和初期雨水，其总设计处理水量为：

Q总=130+600=730m3

沿河总设计长度约910m，按容积法计算直径：

管径取DN1000，采用PE管材，管道水下固定使用挡杆锚固和混凝土基桩锚固混合形式（图4），根据工程经验含水率较低的河床底泥渗水性较差，对其他物体表面的黏附力相对较强（具体实验数据有待研究），因此对于具备此敷设条件的施工段采用不锈钢横杆或交叉杆锚固的辅助锚固手段，可节约一定资金和施工时间。

图4 河床调蓄管道系统布置图

2.2.2 多生态项滤床布置（图5）

图5 多生态项滤床湿地工艺布置图

多生态项滤床技术处理初期雨水，湿地面积按日处理水量1.5倍取值，初期雨水收集水量约为600m3/d，则多生态项滤床最小设计面积约为900m2较为合适。

多生态项滤床处理技术处理生活污水，湿地面积按日处理水量4倍取值，生活污水收集水量约为130m3/d，则多生态项滤床最小设计面积约为520m2较为合适。

两者取较大值，湿地面积宜定为900m2，可分别满足室外生活污水和初期雨水处理的需求。

2.2.3 初级小海绵社区建设功能区总平图

初级小海绵社区建设功能区总平图是基于居民楼雨污分流已完成，室外用水及街边店面存在雨污合流情况下规划布置，如图6所示。

图6 功能区总图

2.3 影响运行效果因素

首先，要求施工阶段对调容管渠、井严密性严格测试，渗流量控制在1%以内；其次，截污弃流井预沉和补水装置正确安装；最后，充分考虑温度因素对PE管材及多生态项滤床生态项运行的影响。

3.关键节点解析

3.1 截污弃流井设计及施工要点

3.1.1 截污弃流井基本功能

截污弃流井主要截留污水和初期雨水，起到隔油、预沉处理的作用，防止油脂、无机颗粒物、漂浮物等进入后续系统，造成管渠内淤堵或多生态项滤床系统堵塞问题。补水井位于截污弃流井内部起到预沉河道泥砂和污泥回河的作用，补水井浮箱阀调节补水量不得超过工艺要求值，否则不利于管渠空间释放影响调容效能。

3.1.2 截污弃流井关注控制点[3]

（1）截污弃流井尺寸需结合最大径流量和颗粒物沉积性能确定，如图7、图8所示。（2）沉淀斜板装置安装高度与进水孔标高控制准确，进水孔标高保持与堤岸齐平（堤岸标高低于道路标高为前提），尽量增加沉淀区高度提高沉淀效果，但不得造成污水排出困难。（3）井顶标高按河水连续7d保持高水位的最高水位标高加5cm设定。（4）截污弃流井总高度控制由最低位管道管底标高确定。（5）截污弃流井与各进出长距离管道接口须采取双软密封圈配置形式，以便消除管道伸缩产生的轴向力。

图7 截污弃流井平面图

图8 截污弃流立面图

3.2 多生态项滤床湿地配置及性能分析

3.2.1 结构原理解析

多生态项滤床运用了包括环境工程学、生态林业学、土木工程学等在内的多学科多领域相关知识与技术，人工合成的净水综合体（图9）。

图9 生态综合体

生态床系统通过床于基质上微生物对污染物分解吸收，辅以水生植物调配物质平衡以达到长期稳定运行的效果。污染物总体遵循好氧、兼氧、厌氧降解过程（图10），但各转化过程并不是在整个滤床基质内均匀或单次发生，因此，配水方式上要求滤床系统以间歇式为主，以促使滤床内部生物多样性。植物根区氧由根部释放并在周围形成环状有氧区，富氧区半径与水中BOD5含量成反向关系，生态床内好氧、厌氧菌比例随污水浓度、承载率及植物根部状况变化而变化，根部区域是一个复杂多变的微生态系统，任何化学反应、根系呼吸、微生物转化都关系到污水处理最终出水质优劣。

图10 基质床基本氧分布情况

多生态项滤床运作的核心是对有氧区域尺寸和数量的管理。通过选择不同的介质和根系，使得有氧或无氧生化反应充分发挥作用，提高处理效率。

生态床系统基质厚度分配从0.5m～1.5m不等，基质材料种类4～6种，渗透系数一般选择在kf=10-3～10-4m/s之间。植被配置需从污水性质、植物富氧和自养功能特性、植物对气候的适应性、周围景观配套情况等多因素考虑，主要供选配的多年生水生植物有芦苇、黄菖蒲、西伯利亚鸢尾、美人蕉、旱伞草、花叶芦竹等，植物配置密度根据运行阶段不同保持10～6株/m2为宜。

3.2.2 经济技术指标

多生态项滤床对脱氮除磷效果明显（表2），收集早期该地区三个村民组多生态项滤床农村生活处理终端培育成熟后污染物消减率数据，氨氮最低去除效率90.2%，最高去除效率99.8%；CODcr最低去除效率95%，最高去除效率97%；TP最低去除效率78%，最高去除效率81.3%；该生态湿地污水处理系统对氨氮、CODcr、总磷去除率高达70%～90%，属于该领域的一项技术突破。多生态项滤床在没有其他任何药剂辅助的情况下对污染物具有高去除率，维持正常的物质转移，保持稳定生态平衡的情况下，会大大降低滤床堵塞几率，相关实例已运行15年。

表2 早期农村生活污水多生态项滤床系统培育成熟后消减率数据分析

柏士社区初级小海绵社区建设后主要运行费用由多生态项滤床运行电费、月巡检维护人工费、植物修剪费等组成。

日常运行提升泵2台，每台流量150m3/h，每台功率10.5kW，每天平均运行时间为2h，耗电量21kW×2h=42度，农业电价按0.5元/度计算，则电费21元/天，折合每吨水运行电费21/600=0.035元/吨。

生态床系统维护人工费，社区普通电工按月巡检维护，巡检维护费用100元/次·月，折合吨水费用0.005元/吨。

年植物修剪费1元/m2·年，折合吨水0.004元/吨。

生态床年运行成本合计0.035+0.005+0.004=0.044元/吨，运行费用非常低。

900m2生态床每年水生植物产出约为5400株，实现经济价值约为10800元，折合吨水0.049元/吨，与上述运行耗费用做减法，0.049-0.044≈0元/吨，基本实现零成本运营。

3.2.3 环境影响

柏士社区初级小海绵社区建设过程中保持原有社区风貌，未对环境造成任何破坏，系统运行90d后河道由劣Ⅴ类水体提升到Ⅳ类水体，河面少见漂浮物和油污，实现感官良好型转变，河内生态活性逐渐恢复。

4.结论

柏士社区初级小海绵社区建设不是独立存在，作为整个海绵城市建设的一点，海绵城市建设应该遵循由点集面循序渐进的过程，该建设项目实现了暴雨消峰水质净化的基本功能，积极利用可用绿化带，非通航河道等公共空间实现工程规划与设计，并采用新工艺、新技术净化水质，建设费用属于社区改造资金，运营综合成本趋近于零，利用社区改造资金依海绵方式建设逐步实现城市海绵建设目标。该案例具有可复制、可推广、易实施的特点，海绵社区的建设应因地制宜，不局限于只有绿地才是海绵建设，采取任何可行稳妥的方式能够到达消峰、净化两个基本功能都是可行的，具有长效性稳定性安全性，低运行成本，对城市洪水灾害和环境污染有利的方式方法均可纳入海绵城市建设方案，是对海绵城市建设技术和经验的补充。