京津合作示范区初期雨水治理方案

张 超

(上海市政工程设计研究总院〈集团〉有限公司天津分公司，天津 300202)

1 工程概况

京津合作示范区作为天津未来科技城的重要组成部分，是未来科技城中唯一的现代服务业功能组团，为整个未来科技城提供商务、办公、研发、健康、教育、娱乐、居住等综合性服务。因此，高标准建设京津合作示范区市政基础设施配套工程至关重要，要充分吸收国内外相关建设项目的经验和教训，以人为本，坚持可持续发展战略方针，为未来科技城社会经济发展提供有利保障。

城市初期雨水在降雨初期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，又由于冲刷屋面、道路、管渠中沉积的污染物、泥沙及垃圾等，雨水中含有大量的有机物、病原体、重金属、油脂、悬浮固体等污染物质[1]。因此，初期雨水的污染程度较高，初期雨水甚至超过了普通城市污水的污染程度。

京津合作示范区起步区河流水质近期目标为地表V类水；远期目标为在周边水源水质改善且达标的前提下，河流水质目标达地表IV类，应采取有效措施保证区域内地表水系环境的质量。地表径流是水系的主要污染源之一，特别是初期雨水的污染。如初期雨水直排河道，将对水系水环境质量产生一定影响。考虑在海绵设施的空间布局中，将源头控制、中途削减与末端治理相结合，串联源头低影响开发措施、中途削减措施以及末端集中雨水处理措施控制雨水进入河道。地块内雨水可以通过源头海绵城市是进行削减，但很多道路上没有空间进行源头海绵城市设计，初期雨水直接排入管道，且道路上的雨水污染程度相对较高，管网末端雨水治理是初雨治理的必要手段。针对上述问题，提出不同区域管网末端初期雨水的管控措施，保证京津合作示范区水环境的质量。

2 治理范围

京津合作示范区东至潮白新河右堤，南至滨海西外环，西至永定新河左堤，北至清河农场北边界，总规划面积为38.07 km2。

排水体制为雨、污分流制。本着减少提升泵站，节省电耗，降低排水设施运行及维护管理费用的原则，根据雨水排水出路的不同，并尽量结合地形、水系布置等实际情况，将京津合作示范区雨水分为自排区域和强排区域。雨水系统分区如图1所示。

(1)雨水自排区域

示范区内规划有多条景观水系，充分结合各水系特点，为减少雨水泵站规模、数量，降低日后运行维护管理费用，临近水域的地块以及临水绿地采用雨水重力自流进入水系。示范区共分为6个自排区，37个雨水自排口。

(2)雨水强排区域

示范区内其他陆域属于雨水泵站强排区域。结合区域内水系位置、用地性质、路网布局以及分期建设情况，泵站强排区域共分为7个雨水泵站管网系统，各系统内雨水均由雨水泵站提升后就近外排至周边水系。

图1 雨水系统分区图Fig.1 System Partition Diagram of Rainwater

3 初期雨水水量

确定城市初期雨水水量控制指标是个复杂的过程，相关因数很多，目前仍没有一个完整的体系，工程上常用降雨截留量计算。降雨截流量的大小直接决定受保护水体的水质情况，也是决定工程造价高低的基本因素。截留的量越大，受纳水体的水质保证率就越高，工程造价也就越大。

《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)(2016版)结合我国实际情况规定分流制系统调蓄初期雨水调蓄量可取4～8 mm[2]。《天津市海绵城市建设技术导则》结合天津市实际情况要求用于分流制排水系统径流污染控制时，调蓄深度宜不小于8 mm[3]。考虑京津合作示范区为新建区域，在雨污分流、海绵城市建设及绿色生态城市建设等较高标准建设背景下，通过加强径流污染源头控制措施，可有效控制初期雨水量，其径流污染也相对较轻，同时结合工程造价及上述的降雨水质特征分析结果，确定京津合作示范区初期雨水控制标准为6 mm，区域综合径流系数取0.5。各区雨水排放系统的初期雨水规模确定如表1、表2所示。

表1 自排区初期雨水规模表Tab.1 Initial Rainwater Capacity in Self-Draining Area

表2 强排区初期雨水规模表Tab.2 Initial Rainwater Capacity in Pump-Draining Area

4 综合水质

《天津市海绵城市建设技术导则》规定径流雨水水质应以实测值为准，无实测资料时可参照导则规定取值。本区是新建区域，并未进行雨水水质的实际检测，故雨水水质根据导则内雨水水质指标、区域用地性质、绿化率等参数，通过加权平均计算，京津合作示范区初期雨水水质指标确定结果如表3所示。

表3 径流雨水综合水质指标值Tab.3 Comprehensive Water Quality Index of Runoff Rainwater

由表3可知，径流雨水中污染物指标均值全部超出地表IV类水水质标准，初期雨水污染物含量理论上会更高，直接排入水系，会对水质产生很大的威胁。其中，SS、CODCr含量较高，其他指标相对较低，初期雨水中应重点控制的指标为SS、CODCr，且SS指标与其他指标有一定的相关性，其他指标随SS的降低会相应降低。

5 初期雨水处理方案

5.1 自排区初期雨水处理方案

自排区排口的特点是流量小、位置分散，初期雨水集中收集处理较为困难。考虑到沿河规划有绿带，推荐采用海绵城市的手段，设置人工湿地，将人工湿地作为雨水入河的缓冲带，净化雨水水质，较少污染物排河。京津合作示范区自排口共有37个，每个排口相应配置人工湿地。

降雨初期由于地表或管道径流对污染物的冲刷和输送，导致初期径流中的泥沙明显较高。雨水进入人工湿地之前设置水力颗粒分离器或旋流分离器等设施，将雨水中的泥沙截流下来，降低泥沙对人工湿地土壤的阻塞[4]。

采用表面流人工湿地，雨水经过排放口后先进入湿地前置塘，前置塘深度和宽度均大于排放口尺寸；流水均匀地经过湿地土壤层，在水生植物及其共生菌的共同作用下，雨水得到净化，最终排至河道内。此外，结合人工湿地的布置可有效避免河道淤泥淤积排放口情况的发生。人工湿地水力负荷按照0.3 m3/(m2·d)，水力停留时间按照2 d考虑，处理单元长宽比为2∶1，所需湿地的长度为20～75 m不等[5]，河道周边绿化带宽度≥50 m的区域可考虑设置排口湿地。经过人工湿地处理后，初期雨水出水水质SS、CODCr、BOD5、TN指标分别为100、48、12、1.8 mg/L。湿地植物可选择菖蒲、灯芯草等挺水植物，浮萍、睡莲等浮水植物[5]。工艺流程如图2所示。

图2 自排区工艺流程图Fig.2 Process Flow Chart of Self-Draining Area

5.2 强排区初期雨水处理方案

京津合作示范区强排区域共设置7座雨水泵站，雨水收集较为集中，水量较大，初期雨水收集采用在末端截流治理的方案。

针对示范区强排区初雨特点，分别对比了末端调蓄方案、人工湿地方案、雨水就地处理方案。区域规划中并未单独对调蓄池进行用地划分，为节约土地资源，末端调蓄池可与雨水泵站合建，在不增加占地条件下解决初期雨水径流污染控制问题。调蓄池管理运行方便，节省土建成本。初期雨水放空至污水管，最终进入污水处理厂处理，水质有保证。人工湿地可使雨水自然处理，成本较低，但处理效果不稳定，占地面积大，示范区规划河道周边绿地面积偏小，很难达到处理效果。雨水就地处理可采用高效沉淀池或磁絮凝等设施，对雨水中SS指标有很好的去除，其他指标也有一定的去除率。但需增加处理设施建设用地，间歇式运行，设备管理难度大。处理指标为SS，水质保证率相对较低，产生的污泥需有效处理处置，需配备污泥处理装置，对城市环境影响大。综合考虑各方面因素，确定采用末端调蓄方案治理强排区初期雨水。区域初雨调蓄量取6 mm，径流系数取0.5，安全系数为1.1，计算调蓄池规模如表4所示。

表4 调蓄池规模Tab.4 Capacity of Detention Tank

初期雨水首先进入调蓄池，待调蓄池达到设计液位后，关闭进水闸门，雨水开始进入泵站，通过水泵排入河道。调蓄池内储存的雨水通过水泵放空至附近污水管，随污水最终进入污水处理厂处理。示范区污水处理厂设计规模为8万m3/d，污水处理厂总变化系数为1.315，污水厂最大处理能力可达10.52万m3/d，可接纳初期雨水量为2.52万m3/d，污水厂初雨进水流量为1 050 m3/h。经过京津合作示范区再生水厂的处理，达到地表准IV类水后，排入河道。本方案是在不改变现有规划框架条件下最具可行性的实施方案。初雨治理工艺流程如图3所示。

图3 强排区工艺流程图Fig.3 Process Flow Chart of Pump-Draining Area

6 成本效益分析

6.1 成本分析

本区域初期雨水治理方案总投资为25 928.01万元，其中工程费用为21 103.90万元，工程建设其他费因为2 467.01万元，基本预备费为2 357.09万元。自排区工程费用为3 089.50万元，强排区工程费用为18 014.40万元。自排区采用人工湿地自然处理工艺，基本无运行费用。强排区调蓄池运行费用主要是电费和设备维护费，每年的降雨场次决定了调蓄池的运行次数，运行费用较低。

6.2 环境效益

由于初期雨水治理工程为城市基础设施项目，以服务于社会为主要目的，它是改善环境的必要条件，对国民经济的贡献主要表现为外部效果，所产生的效益大部分则表现为难以用货币量化的环境效益和社会效益。因此，应从系统观点出发，与人民生活水准的提高和健康条件的改善，与工业农业生产的加速发展等宏观效益结合在一起来评价。

根据天津市典型年降雨量分析，全年形成径流的降雨有43场，总降雨量为776.10 mm。其中，未超过12 mm的降雨有27场，总降雨量为98.6 mm，超过12 mm的有16场，总降雨量为677.5 mm。根据调蓄总量以及初期雨水进、出水水质，计算自排区、强排区年污染负荷消减量，如表5所示。

表5 污染物负荷消减量 (单位：t/a)Tab.5 Reduction of Pollutant Load (Unit:t/a)

7 结论

(1)初期雨水污染物含量高，直接排放水体，将引起城市水体黑臭，应采取措施进行治理。京津合作示范区初期雨水治理方式因地制宜，自排区采用人工湿地净化模式，强排区采用调蓄池收集、污水厂处理模式，体现方案合理性和可行性的原则。

(2)初期雨水治理工程的建设将有效地保证水环境质量，保证地区的可持续发展，为居民提供更好的生活环境，收获良好的环境效益、社会效益。