城市初期雨水污染及处理措施的研究进展

周传庭，王梦玉，幸韵欣，朱 峰，安 莹,*，周 振

(1.上海市城市建设设计研究总院<集团>有限公司，上海 200125；2.同济大学环境科学与工程学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092；3.上海电力大学环境与化学工程学院，上海 200090；4.上海城投污水处理有限公司， 上海201203)

在城市点源污染得到有效控制的同时，由于城市化进程加快、不可渗透表面增多，雨水径流带来的城市面源污染问题日益严重[1-2]。美国城市雨水径流造成13.0%的河流和18.0%的湖泊污染；北京市城区雨水径流污染约占水体污染负荷的12.0%以上，上海市占20.0%左右[3]。初期雨水是指雨水径流初始阶段的雨水，具有较强的冲击性，在此阶段，径流污染物浓度明显高于后期阶段，存在污染物浓度峰值，是造成受纳水体水环境质量下降的主要原因[4-6]。因此，有效处理初期雨水能控制雨水径流带来的面源污染。

20世纪70年代的美国最先开始重视城市初期雨水径流污染，随后日本、欧洲、澳大利亚等发达国家或地区也根据自身雨水径流特点制定了完善的政策法规和管理体系：美国先后提出“最佳管理措施”和“低影响开发”；日本提出“雨水渗透计划”；英国提出“可持续城市排水系统”；澳大利亚提出“水敏感性城市设计”[7-11]。而我国对初期雨水径流污染的研究起步较晚，相应标准、评价指标与技术措施应用等还需进一步完善[12]。“十二五”期间，我国对污染物排放和水环境治理提出了更为严格的要求，还提出“海绵城市”的建设理念并推行“海绵城市”试点城市。本文重点对城市初期雨水的处理措施进行梳理总结，以期为我国城市初期雨水的污染控制及措施应用方面提供参考。

1 初期雨水水质

降雨初期，雨水溶解空气中的污染气体及污染颗粒物，待降落后又冲刷屋面、道路、雨污管渠等，使初期雨水携带大量的悬浮固体(SS)、有机物、病原体、重金属等污染物质。因此，初期雨水具有较高的污染负荷。据统计，美国雨水径流中SS的质量浓度为0.41～370.00 mg/L，五日生化需氧量(BOD5)为0.50～4 800.00 mg/L[13]。Gromire-Mertz等[14]研究发现，法国初期雨水中SS、化学需氧量(CODCr)、Pb、Zn的浓度均高于污水处理厂的进水浓度。选取北京、上海、天津等几个大、中城市的初期雨水与《地表水环境质量标准》Ⅴ类水质相比较，结果如表1所示。由基本水质指标可知，初期雨水径流引发的面源污染会严重造成城市水生态环境破坏，引起水体富营养化，威胁人体健康。

表1 初期雨水污染物浓度与《地表水环境质量标准》 Ⅴ类水质比较[15-16]Tab.1 Comparison of Pollutants Content between Initial Stormwater and Class Ⅴ Criteria of Environmental Quality Standards for Surface Water[15-16]

按照城市下垫面的不同，雨水径流分为绿地雨水径流、屋面雨水径流、道路雨水径流3种，初期雨水的污染程度因下垫面不同而差别较大。道路雨水径流由于路面铺砌材料、城市垃圾、车辆尾气和轮胎磨损等原因，其污染程度高于其他下垫面的雨水径流，屋面雨水径流次之[16]。

2 初期雨水处理措施

雨水径流污染控制技术很多，目前研究比较成熟的措施主要包括雨水调蓄、人工湿地、绿色屋顶、旋流分离、渗透铺装、截污雨水口和生物滞留池等。本文将处理措施的发展历程做了汇总，如图1所示。

图1 雨水处理技术的发展历程Fig.1 Development Process of Stormwater Treatment

总结国内外经验，初期雨水治理可分为源头减量、过程控制和末端治理3大类。源头治理是改变径流条件，增加降雨渗透量，使雨水进入管道系统之前得到处理。过程治理是指在雨水径流传输过程中，实现雨水净化。末端治理是在初期雨水排放到环境中之前，利用工艺对污染物质进行有效去除以减轻对水环境的污染。

2.1 源头治理

2.1.1 绿色屋顶

传统的绿色屋顶如图2所示[17]，其主要具有以下功能：(1)绿色屋顶的缓冲机制可推迟屋顶径流的形成时间，涵养部分降雨、减少径流总量[18]；(2)绿色屋顶能够去除雨水中部分污染物[19]；(3)绿色植物的光合作用将固定大气中的二氧化碳，减缓温室效应和各种废气污染源造成的城市热岛效应[20]；(4)绿色植物能有效吸收热量、结合蒸发辐射和降低建筑温度，可以减缓热浪的影响[21]；(5)绿色植物可以美化城市，改善生态效果。

目前，国外已成熟应用绿色屋顶技术，同时国内也制定了相关政策推进绿色屋顶技术的实施，比如上海市要求新的住宅和商务楼在规划设计时将绿色屋顶考虑在内。但绿色屋顶对屋顶绿化荷载、坡度和防水性能的高要求使得建造成本较高。容器式屋顶绿化是一种新型屋顶绿化形式，解决了传统绿色屋顶在建筑负重、防水方面的难题，具有可任意拆卸、节能降耗的特点，在上海市卢湾区南园规划馆、黄浦区政协人大等项目的建筑屋顶中均应用了此绿化形式。

图2 传统绿色屋顶结构组成[17]Fig.2 Composition of Traditional Green Roof[17]

2.1.2 透水铺装

透水铺装是一项重要的源头控制技术，指应用透水性能较好的材料进行地面铺装以实现雨水自然下渗、自然净化，如图3所示[22]。铺装基质空隙率较高，雨水通过透水铺装直接下渗到土壤，既减轻了城市排水管网压力，又能够使地下水得到补充；且在雨水下渗过程中，土壤可以过滤掉部分污染物，缓解地表径流污染。北京奥运会场、上海世博会场地中铺设生态砂基透水砖提高渗透率。透水铺装后期维护十分必要，空隙率较高使结构承载力下降、沉淀物堵塞孔隙结构都是制约透水铺装长期稳定运行的原因[23]。

图3 透水铺装[22]Fig.3 Water-Permeable Pavement[22]

2.1.3 下凹式绿地

城市生态系统中的重要组成部分之一是城市绿地，下凹式绿地是其中的一部分，如图4所示[27]。由于其高程比周边地面或道路低20.0 cm左右，绿地中积蓄流动的雨水会分为两个部分，一部分在重力作用下渗入地下，另一部分则在将绿地空间蓄满后往雨水口流去。因此，其既可以削减洪峰流量，起防洪的作用，又可以拦截径流雨水以补充地下水。Yang等[28]发现宜兴市下凹式绿地能蓄积81.4%以上的降雨量。

图4 下凹式绿地[27]Fig.4 Concave-Down Green Belt[27]

在积蓄流动过程中，雨水携带的污染物通过草地截留、土壤过滤、植物吸收作用得以去除。田文龙等[29]研究发现下凹式绿地对各种污染物都有一定的去除率，并且当水力负荷小于1.15 m3/(m2·d)时，其出水可以达到城市污水再生利用的标准。然而，降雨特征、绿地面积、下凹深度、植物类型和土壤基质等都会影响出水水质[30]。为方便日常管理，一般选择当地耐淹、抗旱且景观效应良好的植物在下凹式绿地进行种植，且可以往其土壤中添加改良剂来提高蓄渗和截污效果。

2.1.4 截污雨水口

雨水口不仅是汇集地面雨水径流的构筑物，经国内外研究，优化改造后的雨水口还具有截污净化的作用。1990年左右，德国将截污挂篮装在雨水口，拦截大尺寸颗粒杂物以减少径流中的SS，如图5所示[31]。美国对雨水口结构不断优化设计，公开了众多截污能力强、防护性能好的雨水口专利技术，如2011年公开的百叶窗雨水箅专利(图6)[32]。在国内，王宏杰等[33]设计的雨水口除污器应用于深圳龙岗国际低碳城中，实现污染物年削减量分别为7 000 kg SS、2 100 kg CODCr、210 kg氨氮、210 kg总磷(TP)、3.50 kg Zn、1.40 kg Cu、2.10 kg Pb。姚伟华等[34]采用粗滤网、熔喷聚丙烯纤维滤料和细滤网组成雨水自流过滤器，并应用于上海工程实践中，现场试验证明，进水SS质量浓度在40.0 mg/L以上时，过滤器对SS的去除率在60.0%以上。但我国雨水口截污技术在产业化程度上与国外还存在一定差距，需加大推广截污雨水口的应用。

图5 德国雨水口挂篮[31]Fig.5 German Rain Inlet Hanging Basket[31]

图6 美国百叶窗雨水箅[32]Fig.6 American Rain Shutters Inlet[32]

2.2 过程治理

2.2.1 雨水调蓄池

对于污染负荷较大的初期雨水，可以采用雨水调蓄池。该池一般配置在雨水管渠尾端，能够降低面源污染。雨季时，雨水调蓄池收集储蓄初期雨水以削减最大雨水流量；降雨结束后，污水处理厂负荷降低，再将储存的雨水送入进行处理。我国最先使用调蓄池治理河道的城市是上海，其在苏州河二期工程中建设了5座调蓄池，使排入苏州河的污染负荷减少，取得了良好的环境效益[35]。周鹏程等[36]利用SWMM软件模拟研究了调蓄池的运行效果，模拟结果表明，调蓄容积为10 000 m3时，在小重现期降雨中，调蓄池能拦蓄50%以上的雨水径流量，对TSS、CODCr、TP的削减率可达60.0%以上。有些雨水泵站不能直接建立独立调蓄池，对此，王斌等[37]提出在地下进行雨水泵站调蓄改造，如板材组装式调蓄池就更为便捷。周传庭[38]在现有的合流制排水系统下修建雨水调蓄池，实现溢流频率和溢流量的降低，一年多的运行证明了该工程的合理性和有效性。

2.2.2 植草沟

植草沟一般作为雨水径流流入下一个雨水处理设施的过渡性设施[39]，其结构如图7所示[40]。根据传输径流方式的不同，可以将植草沟分为标准传输型、干式渗透型和湿式植草沟[41]。植草沟对雨水的作用受到降雨强度的影响，降雨强度较大时以传输径流作用为主，降雨强度较小时以下渗作用为主，其下渗作用可以减小径流量[42]。

图7 植草沟[40]Fig.7 Grass Ditch[40]

2.2.3 植被缓冲带

植被缓冲带是一个复合生态系统，由土壤、植物和微生物等组合而成[51]，其具体结构如图8所示[52]。其对污染物的去除机理与植草沟类似，主要受到植被类型、缓冲带宽度、缓冲带坡度和土壤理化性质等因素的影响。比如李萍萍等[53]研究发现,灌草类型的缓冲带截留污染物的作用明显高于其他类型。Collins等[54]发现较窄的缓冲带也能改善部分水质。

图8 植被缓冲带[52]Fig.8 Vegetation Buffer Strip[52]

在城市中，植被缓冲带多建于河岸。程昌锦等[55]研究发现,在丹江口库区营造滨水植被缓冲带时，增加滨水植被缓冲带宽度并适度提高马尾松栓皮栎混交林的比例可提高其截留去污能力。闫钰等[56]在不同植物配置中优选出花苜蓿作为东新开河两岸缓冲带植物配置。张鸿龄等[57]在辽河两岸构建了4种植被缓冲带，试验发现紫穗槐+黑麦草(AL)组合带对N的去除效果均最好。

2.3 末端治理

2.3.1 旋流分离器

图9 高效旋流分离器示意图[58]Fig.9 Schematic Diagram of Efficient Hydrocyclone Separation Device[58]

旋流分离器是依据离心沉降原理分离不同介质的一种设备，包括无压旋流和有压旋流两种。其主要处理对象是径流中的SS，以及与SS相关性相对较高的CODCr、TP，而对于溶解态的氮类物质去除效果有限，常作为径流雨水的简单处理装置。为加强初期雨水的净化效果，旋流器可作为组合工艺的预处理单元。刘楠楠等[58]将旋流分离与接触氧化技术相结合，设计了高效旋流分离-生态砾间接触氧化联合装置，其中第一部分结构如图9所示。中试研究发现，系统能去除91.80%的SS、84.6%的CODCr、59.6%的TN、79.9%的氨氮和67.4%的TP，可有效缓解初期雨水带来的面源污染。此外，Motin等[59]研究发现旋流室的壁型结构对分离效率影响很大,相比于其他壁型旋流器，截锥改进的双曲涡流室制造更简单、分离效果更好。

2.3.2 人工湿地

人工湿地是模仿天然湿地系统，人为搭建的湿地生态系统。按照水流方式的不同，人工湿地可分为表面流、水平潜流和垂直潜流3种类型，结构形式如图10所示[60]。3类湿地的区别在于进水和出水方式，这导致进水与湿地内基质的接触方式有所不同，出水的污染物去除效果也有所不同。初期雨水中部分污染物主要通过基质、植物和微生物的协同作用被去除。曹婷婷等[61]研究发现，就污染物尤其是重金属的去除效果而言，复合流人工湿地系统更好。植物类型和径流水质状况同样影响人工湿地系统的处理效果，纪桂霞等[62]研究发现湿地植物的净化性能因水质而异。填料是植物和微生物的载体，且自身具有吸附、过滤作用，所以人工湿地中基质的选择尤为重要。高旺等[63]在深圳市中试研究中发现，砾石湿地系统对屋面雨水径流的处理效果较好，出水基本可达到景观用水水质标准。

图10 人工湿地类型[60]Fig.10 Types of Constructed Wetlands[60]

图11 典型生物滞留池结构示意图[64]Fig.11 Schematic Diagram of a Typical Bioretention Pond[64]

2.3.3 生物滞留池

初期雨水处理措施各自优缺点、适宜性及经济性如表2所示。根据主要功能不同，初期雨水处理措施又可分为输送型措施、滞留渗透型措施和调蓄型措施。输送型措施以植被浅沟、植被缓冲带为代表，以径流输送功能为主；滞留渗透型措施包括绿色屋顶、渗透铺装、下凹绿地、人工湿地、生物滞留池等，截留一定设计目标的径流量；调蓄型设施包括雨水调蓄池，以水量控制为主要目的。滞留渗透措施的规模受绿化率的影响，设计时采用容积法用于水质控制即水质控制容积。输送型措施规模的计算可从水量和水质两个角度确定设施规模：以水量控制为目的的计算方法，是通过计算一定重现期的设计降雨事件的径流峰值来确定设施规模；以水质控制的计算方法，是计算控制出现频率较高的小降雨事件产生的峰流量来确定规模。调蓄型设施规模确定常利用暴雨流量推理公式绘制出大致设计重现期下一场降雨的径流过程曲线，利用曲线积分或图解的方法计算雨洪控制技术中的调蓄或调节设施的容积。工程设计及应用应根据汇水区的特点、措施的适用性和经济性选择相应的处理措施或组合系统。

表2 初期雨水处理措施的优缺点、适用性及经济性Tab.2 Advantages and Disadvantages, Applicability and Economy of Initial Rainwater Treatment Measures

3 结语

初期雨水中含有较高的污染负荷，加强初期雨水的综合治理能有效缓解城市面源污染。随着海绵城市建设的推广，初期雨水处理措施受到越来越多的关注。虽然这些措施在改善初期雨水水质方面发挥了重要作用，但我国对雨水治理的研究较晚，措施净化效率的提高及工程化应用仍需深入研究。为更好地建设海绵城市，现提出如下展望。

(1)国外具有完善的雨水管理体系，对初期雨水处理设施的研究比较成熟，而我国对初期雨水污染治理尚处于起步阶段，相应的法规、标准不够全面。应借鉴国外经验，结合自身水质状况，制定雨水排放标准，加强雨水处理技术研究。

(2)基质填料、植被类型对治理措施的运行效果影响很大。传统的基质材料对径流中污染物的去除效果有限，且常面临堵塞问题。因此，需要对填料进行改进优化，如填料合理配比、添加改良剂、挑选合适粒径等。植物选择不当，不仅达不到预想处理效果，还会造成植物死亡。城市径流水质不同，植物也需因地制宜。所以，应选择耐污能力强、景观效果好、适合城市雨水径流污染特点的植物。为保持长期有效的净化效果，基质与植物应定期维护管理。

(3)未来应侧重于技术创新化、设计标准化。例如：提高渗透铺装的抗压性和耐磨性；探究组合工艺的净化效果等。处理措施应根据实地运行效果，制定合理设计参数，形成一套完善的雨水管理体系。

(4)当前雨水快速处理工艺仍在开发阶段，多为物化手段，未实现工程应用。可以考虑结合多种工艺，考虑生物技术，实现雨水高效快速处理，并尽可能提高水质，考虑其回用甚至作为饮用水的可能性。