雨水径流污染与城镇排水系统规划

摘要:随着生活污水污染逐步得到控制,城镇雨水径流污染问题日益受到关注。对城镇雨水径流的污染特征进行了分析,并将其污染效应与截流式合流制溢流水污染进行了对比,提出了城镇雨水径流污染控制的必要性。指出城镇排水系统是随着环境、生态、社会、经济条件和需要的变化而不断演化的,未来城镇排水系统规划应将雨水径流污染控制与排水系统方案整合考虑,并对相应的控制措施和设施及其对排水系统的影响做出适应性的安排。

关键词:城镇雨水径流污染;初期雨水;排水体制;排水系统规划

中图分类号:X52 ; TU992 　　文献标识码:A 　　文章编号:1672-1683 (2010) 03-0039-03

Perspectives on Urban Runoff Pollution and Drainage System Planning

JIANG Wen-chao ,GUAN Ji-ling ,LU Nian-nan ,YANG Zheng-cheng

Abstract : Pollutants and loadings derived from urban rainwater runoff have been increasingly emphasized by investigators with the improvement of urban domestic wastewater pollution cont rol in recent years. Pollutant s of urban rainwater runoff on water environment as well as the influencing factors are reviewed. By comparing with combined sewer overflows (CSOs) ,the paper thinks that urban rainwater runoff pollution cont rol is necessary. Technologies of urban drainage system have been found to be evolved with the conjunctive needs from environmental ,ecological ,social and economic areas. Future urban drainage planning should integrate the requirement of urban rainwater pollution control and make arrangement on the countermeasures and land use.

Key words : Urban runoff pollution ;first2flush rainwater ;drainage system;drainage system planning

0 　前言

20 世纪90 年代以来,我国城镇水污染控制取得了较大的发展,很多县级以上城市建设了城市生活污水收集和处理设施,从而大大地改善了城镇水环境质量。随着全国各地城市化进程加快,由截流式合流制溢流水及分流制初期雨水所造成的城镇地表径流污染危害日益受到越来越多的关注。但目前我国仍主要采用合流制和分流制两种排水系统,对城镇雨水径流污染的危害还尚未采取有效的控制措施,使其成为当前影响城镇河流水系水质的重要问题,近年来再次引发了关于城镇排水体制“合”与“分”的争议,因此迫切需要对其污染及规划控制措施进行深入的思考。

1 　城镇雨水径流污染的特征和影响

1. 1 　概述

20 世纪中叶,美国环保局(USEPA) 率先开展了城市降雨径流污染的调查研究,随后其它一些发达国家也开展了大量的城市地表径流污染研究[1] ,包括降雨场次污染物平均浓度(Event Mean Concentration ,EMC) [2 ] 、初期冲刷效应(First  Flush Effect) [3 ] 、不同下垫面地表径流污染特征影响因素[4] 以及初期冲刷效应的产生及其规模对于城市径流污染控制的影响[5 ] 等。我国城市雨水径流污染的研究起步较晚,20 世纪80 年代初率先在北京开展了有关研究,随后在上海、杭州、南京、苏州、成都等大中城市也逐渐开展了类似研究[6] ,一些城镇雨水控制及利用技术(如纳入中水系统、建设独立的雨水利用系统、初期雨水弃流技术等) [729 ]也相继得以提出,同时取得了城镇雨水径流污染物种类、污染物变化规律及其影响因素等方面的研究成果,为城镇雨水径流污染的认识和控制奠定了较好的基础。

1. 2 　城镇雨水径流污染特征

城市雨水径流污染物的来源复杂,一般来说,主要来自大气降水、道路径流以及屋顶径流冲刷等。由于不同城镇雨水径流的实际发生过程受到下垫面等多种可变因素的影响,其所包含的污染物及其浓度也相应地会有所不同,但总体上看城镇雨水径流污染大都含有碳氢化合物、SS 和COD 及一定的重金属和营养物污染物,而道路与屋顶径流是城镇雨水径流污染的主要原因。

城镇雨水径流污染一般受到以下因素的影响。①路面条件。道路的建设坡度可以影响汇流的时间,一般坡度越大,汇流时间越短。此外,不同材质的路面上在形成雨水径流的过程中,产生的径流污染物的种类和浓度是不同的,Bannermanet 等的研究[10 ]表明:在对不同材质的路面上进行监测时,仅沥青路面的雨水径流中存在悬浮固体、磷、镉、铜、铅、锌等污染物质。此外,不同材质的路面在同样的降雨条件下形成的径流量也会不同,J ennifer 等[11 ]通过测定沥青、可渗透铺路材料及碎石三种不同材料路面的雨水渗透率发现,不同的路面对雨水的渗透率存在显著差距。②屋顶条件。屋顶面积可占城市总不可渗透表面的30 %以上,其对雨水径流污染的影响一方面源自城市大气降尘的积累,另一方面则源自屋面自身材质(如铺装材料) 的影响,如重金属污染等[12213 ] 。③降雨条件。降雨条件主要包括降雨强度、两次降雨的间隔时间、降雨量的大小等,一般来说,降雨强度越大,降雨时间间隔越长,降雨量越大产生的雨水径流污染越严重。

我国部分城市的雨水径流污染浓度见表1 。

表1 　我国典型城市雨水径流主要污染物浓度 mg/ L

(注:北京浓度值为初期径流浓度值,珠海、广州径流污染物浓度为算术平均值)

从表1 可以看出,城市雨水初期径流的污染物浓度存在一定的地区差异,但总体上看,COD、SS 等均高于污水综合排放标准的有关限值。其中尤其是悬浮物等会在降水期间增加城镇水体的瞬间污染,带来较突出的污染效应,加上未测定的生物学指标的影响,城镇雨水径流的污染效应的确应引起高度重视。事实上,在特定的城市或特定的时期,城镇雨水初期径流污染甚至比截流式合流制排水系统更为显著(见表2[19 ] ) ,特别是COD、SS、浊度等较为突出。

表2 　北京城区分流制初雨水与合流制溢流水污染物浓度的比较

由表2 可以看出,在一些采用分流制排水系统的城市,雨水径流污染较严重,若将雨水径流直接排放至自然水体,会对水生态环境造成非常严重的污染。

1. 3 　城镇雨水径流污染控制的必要性

如前所述,城镇雨水径流污染较为突出[20] ,由暴雨径流引起的城市面源污染已成为城市水环境恶化的重要原因之一,同时,地表径流中携带大量氮磷营养物质和重金属排入受纳水体,水体中水生植物大量繁殖,破坏水体溶解氧平衡,大量重金属流入水中,人类因食用底栖鱼类引起重金属累积,可能导致多种疾病的发生。欧美一些国家在治理面源污染时付出了巨大代价,一些城市至今仍受其困扰。鉴于上述影响,对城镇雨水径流污染进行控制是十分必要的。

2 　基于雨水径流污染的城镇排水系统规划思考

2. 1 　城镇雨水径流污染控制的主要措施

城镇雨水径流污染主要集中在初期雨水径流,目前城镇雨水径流污染控制的主要措施如下[21 ] 。

2. 1. 1 　控制源头污染

源头污染控制可以大大改善收集雨水的水质和提高后续处理的效果。可以通过控制污染材料的使用,如尽量避免采用平顶油毡等污染性材料直接做屋面表层防水,对新建工程规定限制污染性材料屋顶的使用等。

2. 1. 2 　源头截污控制

针对屋面雨水和路面雨水等采取适当的截污措施,如通过设置初期雨水弃流装置、滤网截污装置、路边植草沟、植物截污带等作为源头截污措施,保证雨水利用系统的安全性和提高整个系统的效率。

2. 1. 3 　加强环境管理和宣传教育

大部分径流污染物可以通过清扫去除,通过加强卫生管理,及时清扫等措施有效减少雨水径流污染量。制定严格的卫生管理条例和惩罚措施,减少乱扔垃圾、材料堆放、垃圾堆放收集等环节产生的大量污染,可以明显改善雨水径流水质。

2. 2 　城镇雨水径流污染控制对城镇排水系统规划的影响

2. 2. 1 　排水体系的发展演变规律

长期以来,我国乃至世界各国所采用的排水体制主要有合流制和分流制两种,由于其流行性,以至于大多数人包括专业技术人员都将其视为当然。事实上,城镇排水体制的发展是随着城镇环境、生态的需要及社会、经济条件的变化而不断发展变化的。

在较早时期,排水系统建设主要基于环境卫生及城镇排涝等较单纯的目的,一般均未修建后续的污水处理设施,且大多受到经济条件的制约。随着城镇化的发展和城镇不透水地面的增多,一方面,人们对快速排水的要求更加突出,另一方面,人们对合流制所带来的溢流水污染及其控制也引起较大的关注,排水体制的选择主要基于城镇安全和环境污染方面的考虑,于是许多城市新建地区推荐选用分流制系统,或推荐将旧城区的合流制改建为分流制系统。但是实践结果表明往往不尽如人意,一方面,分流制系统仍然存在一定的污染效应,另一方面,合流制改建为分流制也往往并不成功,如深圳市排水工程的规划与建设完全采用分流制,但后来发现特区内开发最早的罗湖、上步两区的实际情况是雨水、污水几乎全部混流[22 ] ,于是引起了分流制和合流制选择上的争议和分歧。随后,随着社会经济条件的提高,人们对城镇水系水质及景观效果的要求也随之提高,加之对雨水利用要求的提高,一些新型的生态排水体制相继出现并得到了越来越多的应用。总之,城镇排水体制的选择应当与城镇的生态环境要求及社会经济条件相适应。

2. 2. 2 　排水体制的选择

目前我国很多新建城市或地区在选择排水体制时不加分辨地选择分流制,在对待城市排水体制和雨水径流污染问题上,仍主要还停留在单纯排水的思维上,简单地倾向靠分流制来解决点源污染的控制,忽视了雨水排放和非点源污染的关系[23 ] 。分流制使污染严重的初期雨水排入河流,在解决合流制溢流污染的同时却增加了非点源污染的程度。

因此,在排水体制选择时,首先应克服盲目性,既不能单纯地追求短期的经济性而选取合流制系统,也不能过分相信分流制系统的优越性而选择分流制。城市排水体制的选择要与城市的整体规划、经济发展情况以及城市自然条件相结合。随着城市化的发展,热岛效应、地下水位下降、城市径流污染严重、城市环境恶化、城市水文规律改变、城市内涝严重等问题纷纷出现。针对这些问题,一些城市发展规划中融入了越来越多的自然、和谐的因素,如城市绿化面积增大、绿色节能建筑以及应用各种小区雨水资源化利用技术等,这些技术的发展和应用很大程度上减小了城市雨水径流的污染程度,在这样的地区建设分流制排水系统,是比较适宜的。而对于城镇合流制溢流水污染相对不太严重、城镇地下空间有限的城市,选择合流制可能是比较合适的。而对于经济发达、城镇水环境质量较为敏感,同时具有较好的经济条件的城市,采用全处理合流制系统或全处理分流制系统则可能是必须的。

2. 2. 3 　基于雨水径流控制的城镇排水系统规划思考

城镇雨水径流污染控制措施有很多种,除管理方面的措施外,大都要求采用附加的设施,如要么需要增加一些浅草沟等源头减量设施,要么需要修建雨水调蓄池及相应的管道,或者需要在分流制上增加初期雨水弃流设施或跳跃井等附属设施。这些设施的增加必然会对城镇排水系统规划带来较大的影响。首先,需要在城镇用地规划上进行安排,特别是对于用地较为紧张的山地城市,提前规划雨水调蓄池、初雨水弃流装置或跳跃井等设施的位置更为必要;其次,当在分流制系统中采用雨水径流污染措施时,也会对污水管道的流量和水质等产生一定的影响,如可能导致单纯按照污水量设计的管道超过输水能力造成管道冲刷或污水溢流到地面,因此,需要根据初期雨水径流的截流量对污水管道进行校核;再次,采取雨水径流污染控制措施时,也会对城镇污水厂的处理水量和处理水质产生影响,在进行污水厂规划和设计时做出相应的调整,如按照旱季流量进行规划设计时,需要对处理设施的雨季流量进行校核,而且在污水处理设施设计中也需要对初期雨水截流造成的水质变化进行校核。

3 　结语

城镇雨水径流中包含有悬浮物、COD、重金属及N、P 营养物质等多种污染物,个别污染物的浓度甚至比截流式合流制的溢流水的还高,已经成为城镇水环境质量的重要威胁,尤其是现阶段,随着我国城镇生活污水污染逐步得到控制,城镇雨水径流污染控制在未来将显得越来越必要。

城镇排水体制的选择及革新对于城镇雨水径流的污染控制具有重要的影响,从城镇雨水径流污染控制的角度看,传统上要么选用合流制要么选用分流制的做法显得过于简单和不合适。除投资和维护管理等方面外,现代排水体制的选择必须综合考虑城镇雨水径流污染控制、雨水综合利用与处理、城镇水文规律的维持及城镇水景观等多重因素,尽可能建设“复合”型的生态排水体制。而从雨水径流污染控制的角度看,城镇排水系统规划也必须在用地、污水管道设计、污水厂主要处理设施的设计水量和设计水质等方面做出适应性的应对。同时,从技术上看,目前城镇雨水径流污染控制的措施(如修建调蓄池等) 需要较大的用地或地下空间,对于人口稠密的高度城镇化地区或山地城市来说局限性很大,未来还需要在适应性的革新技术的开发与研究上开展更多的工作。

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作者简介:姜文超(1973-) ,男,河南上蔡人,副教授,工学博士,主要从事城镇水污染控制及水资源规划与管理研究。