长沙市望城区海绵城市地表径流控制率分析

王 沁

(长沙市望城区重大基础设施建设前期研究中心，湖南 长沙 410000)

1 引言

当今社会发展迅速，传统灰色雨水系统的单一建设模式已经无法适应城镇化的快速发展，传统都市建设导致地表径流雨水污染严重、水资源严重短缺、城市涝灾等，制约了社会发展，影响人民正常生活。

2016年，望城区与岳阳、津市、凤凰县被列为省级海绵城市建设试点城市(湘财建[2016]7号)。望城区作为省会长沙唯一一个新型城镇化和海绵城市建设试点县区，打造“宜居城市”品牌，加快海绵城市建设。

《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》[1]明确了构建海绵城市的规划控制目标，包含径流总量、峰值控制、径流污染雨水资源化利用 值控制4个方面，其中径流总量控制是海绵城市规划的一个重要目标，其他3个可以通过径流总量控制来部分实现。

2 望城区雨水地表径流控制率研究目的和内容

2.1 研究目的

随着城市化的发展，望城区硬质地面逐渐增加，导致城市降雨径流量增长，同时，降雨早期大量地面、屋顶污染物在雨水冲刷下随径流穿过城市排水管道或无限制漫流入河流。望城区部分已建城区采用雨污合流制排水，造成城市河道既是地表径流汇水河道又是沿途纳污水河道，望城区多条河道水质逐渐恶化。

2016年，望城区成为湖南第一个省级海绵城市建设试点，预通过海绵城市的建设，解决传统城市开发造成的各种问题，如：城市内涝、面源污染、地表硬化等。在《长沙市望城区海绵城市建设技术导则》(试行)[2]中确定望城区年径流总量控制目标不小于75%，年径流污染控制目标不低于60%。

海绵城市技术是实现年径流总量和年径流污染控制目标的关键。目前常用的海绵城市技术主要有生物滞留池、植草沟、透水路面铺装、绿色屋顶等。通过正确的选择和合理的设计，方能使这些技术发挥效果，而掌握雨水径流水质水量排放规律及其径流污染情况及其关键，而目前望城区缺少雨水径流水质水量方面的检测资料，对本地区的径流污染情况尚不清楚。

目前通过SS指标来判定年径流污染是否得到控制，控制SS指标能否达到控制污染的目的，需要进一步了解望城区雨水径流污染组成成分、污染物浓度、水质各指标的相关关系以及水量的变化等。本文对望城区不同下垫面的雨水径流水质进行检测，分析雨水径流水质变化规律，掌握望城区雨水径流污染特征、水质各指标的相关性，并根据望城区已建海绵设施地块SS检测数据分析望城区地表径流控制率，为雨水径流控制设施的选择提供指导，使望城区能达到年径流总量和年径流污染控制目标。

2.2 研究内容

本文主要研究内容如下：①对望城区降雨径流中污染物进行检测并评价降雨径流面源污染状况，识别不同下垫面面源污染特征与变化规律；②结合《长沙市望城区海绵城市建设导则》[2]中提出的不同下垫面海绵设施的配置，分析雨水径流污染控制率；③根据望城区已建海绵设施地块的SS检测数据分析望城区地表径流控制率。

3 望城区雨水地表径流水质检测及面源污染分析

为了解不同下垫面形成的雨水地表径流污染特征，本文选择了几个典型取样点，包括天然雨水、道路、建筑屋面、海绵化改造后的下垫面(公园草地、雨水花园、硬化路面、小学硬化路面、草地、绿色屋顶等)。道路取样点选在望府路，望城区政府办公楼对面；几处海绵化改造后的下垫面；建筑屋顶取样点选在新塘小区附近。每个采样点从形成径流开始，每隔数分钟取一次径流水样，间隔时间约5～10 min。将采集的水样盛放于500 mL采样品中，运回实验室进行水质分析。

3.1 天然雨水水质分析

大气中的粉尘、硫化物、氮氧化物等是天然雨水的主要污染来源。通过雨水的淋洗作用，将空气中的污染物带入地表水体。雨水水质会受到气压、风力、风向、空气受污染的情况等因素的影响。图1所示为2019年3月28日所检测的天然雨水中的COD和TN浓度。

图1 望城区天然雨水水质(2019年3月28日)

从图1可知：望城区天然雨水COD值基本在30～50 mg/L之间。在降雨的前30 min内，TN浓度较高，达到0.95 mg/L，此后，TN浓度维持较低的水平，基本在0.10 mg/L左右；主要原因是降雨将空气中的污染物冲洗下来，造成早期雨水的TN浓度偏高，随着不断降雨，TN浓度降低，最后稳定在较低值。

同时对2019年5月12日降雨水质进行检测，当日，望城区约从10:30开始降雨，刚开始一段时间，降雨强度小，13:00以后降雨强度开始增大，14:00～16:00降雨强度最大。在12:14～13:14时段内，COD约为10 mg/L左右，TN约为2 mg/L左右；14:15～14:45时段内，COD达到56.75 mg/L，TN浓度为7.46 mg/L，在此时段内雨水中的COD、TN较高，可能与降雨强度增大有关。在所检测的时段内，望城区天然雨水中TP较低，低于0.1 mg/L。

3.2 道路雨水径流水质及污染物相关性分析

2019年5月12日在望府路(望城区政府对面)取样分析雨水径流水质，检测结果见图2、3，污染物之间的相关性分析见图4。

图2 道路(望府路)雨水径流水质COD、SS

图3 道路(望府路)雨水径流水质

图4 道路(望府路)雨水径流污染物相关性分析

望府路是望城区一条交通主干道，该区域附近有广场、商场，行人多，交通量较大，且在本次采样前，已有多天未下雨，路面沉积污染较多，故所检测的望府路雨水径流中污染物浓度较高。由上图可知，刚开始形成径流时，径流中的COD达到279.50 mg/L，此后COD呈下降的趋势，在开始形成径流后40 min内COD超过100 mg/L；形成径流60 min后，所检测的COD均低于30 mg/L。

望府路雨水径流中SS随时间的变化趋势与COD相同；刚开始形成径流时，径流中的SS达到250.50 mg/L，此后呈下降的趋势，在开始形成径流后50 min内SS超过100 mg/L；形成径流60 min后，SS基本低于20 mg/L。结果表明，望府路雨水径流中COD以悬浮物为主。

3.3 建筑屋顶雨水径流水质及污染物相关性分析

于2019年5月12日在新塘小区附近某建筑物雨水落水口处取样，取样时间见表1，水质检测结果见图5、6。

表1 取样时间

图5 屋面(新塘小区)雨水径流水质COD、SS

图6 屋面(新塘小区)雨水径流水质

本次检测的望城区污染物在屋面雨水中的浓度与我国其他地区相比，TP浓度与其他地区接近；而COD和SS值偏低较多。分析其原因，主要是：屋面雨水中的污染物主要来源于雨水、屋面材料析出物、屋面沉淀物。2019年5月12日，望城区约从上午10：30开始降雨，开始一段时间内降雨量小，未形成屋面径流，雨水口未有雨水流出。自13：15形成径流，此时已降雨165 min，大气中的污染物基本已转移到前期的雨水中，此时天然雨水中污染物浓度较低，COD、TP、TN浓度分别为6.75 mg/L、0.04 mg/L、1.12 mg/L；因此雨水径流中污染物主要来自屋面沉淀物和屋面材料析出物。当天在12：30之前降雨强度小，形成的雨水径流量较小，故沉积在屋面的大颗粒物质不能被雨水冲刷带入径流中，主要是一些小颗粒的物质进入雨水径流，故所检测的SS值较低；并且根据检测的COD值可知，屋面材料析出物中能溶解的有机物含量低。

图7 屋面(新塘小区)雨水径流污染物相关性分析

3.4 海绵城市改造后的下垫面雨水径流水质及污染物相关性分析

为了解实施海绵化改造后的下垫面地表雨水径流水质，于2019年3月28日在经过海绵化改造后的雷锋公园、工农东路、斑马湖小学、长郡斑马湖中学设置取样点，见表2，检测各取样点雨水径流水质，检测数据见图8、9。

表2 取样点及取样时间

图8 海绵化改造后下垫面雨水地表径流水质COD、SS

图9 海绵化改造后下垫面雨水地表径流

表3为不同下垫面雨水径流中SS与其他污染物相关系数汇总表。

由表3可以看出，不一样的下垫面雨水径流中SS与其他污染物相关系数差异较大。望府路SS与其他污染物相关系数最大，屋顶与雷锋公园内道路相关系数最小。望府路取样点交通繁忙、人流量大，地面污染严重，望府路早期雨水径流中以悬浮物为主，以SS能有效代表其他污染物。屋顶与雷锋公园内道路雨水径流中有机物、氮、磷以溶解性物质为主，仅以SS作为指标不可以反映雨水中有机物、氮、磷对水体的污染情况。

表3 不同下垫面雨水径流中SS与其他污染物相关系数

4 望城区雨水地表径流控制分析

《长沙市望城区海绵城市建设技术导则》[2]中明确望城区全区总体年径流总量控制目标不小于75%，全区总体年径流污染控制目标不小于60%；并提出建筑小区、道路、绿地与广场采用的海绵设施。根据各文献[7～13]及实验数据分析，各类海绵设施对雨水径流量消减率和污染控制能力进行归纳总结如表4所示。

表4 各类海绵设施对径流消减率与污染物去除率 %

4.1 绿色屋顶

绿色屋顶的植被层对径流中的COD、TN去除率为50%～70%，绿化屋面主要通过过滤和微生物的生物降解作用去除COD，主要通过植物吸附和微生物脱氮去除TN。当进水TP<0.1 mg/L时，绿色屋顶对TP没有除去效果，偶尔还会出现出水TP高于进水TP的情况，其原因是土壤中储存的一些可溶性磷，遇水溶于水，随雨水水流流出。当进水TP>0.1 mgL时，绿色屋顶对屋顶雨水径流中的TP去除率基本在40%～70%之间；绿色屋顶中土壤的吸附是去除磷的主要途径。

4.2 生物滞留设施

生物滞留设施主要包括雨水花园、下凹式绿地、生物滞留带、高位花坛、生态树池等。生物滞留设施包括植被、有机物覆盖层、植物生长介质层，通过植被可以蒸发蒸腾调节径流量，并通过与外界的氮循环降解污染物，有机覆盖层为植被提供生长的介质，并起到部分污染物的降解作用，植物生长介质层可以贮存部分雨水，也可以除去雨水中的部分污染物。生物滞留设施可以有效除去雨水径流中的SS、COD，SS除去率超过90%，COD除去率为35.0%～96.2%。但对N、P等营养物质的去除效果差异较大。

4.3 透水铺装

透水铺装是指透水性好的材料铺设道路，使得降雨时，雨水通过铺装层尽量多的渗入到地下。

透水混凝土路面可以去除降雨径流中90%的总悬浮物；也有研究发现透水铺装系统自上部依次向下，各结构层对总悬浮物的去除能力逐渐减小，其中面层和基层起主要的去除作用。透水混凝土铺装对雨水中COD的去除率约为40%～60%，对TN的截留可达33%～66%。透水铺装对磷的去除率超过75%，降雨径流中颗粒态磷主要通过面层和基层材料的吸附、沉淀在系统内，而溶解态磷则与铺装材料中的铝、钙等金属离子发生化学反应产生沉淀，有的溶解态磷则被聚磷菌的摄取。

4.4 植草沟

植草沟是种有植被的地表浅沟，一般设置在道路两侧、大面积绿地内等，可可以连接到雨水管和它共同运行，也可以单独运行，进行雨水的输送和净化。

当降雨径流流过植草沟时，通过沉淀、截留、渗透、吸附等作用下，雨水中的颗粒物会沉淀或者被吸附于土壤、滤料表面，颗粒物浓度有所降低。同时，植草沟中的植物生长过程中吸收部分氮、磷等物质，降低了氮、磷浓度。植物还能吸附和富集一些重金属。文献研究表明植草沟对SS和COD去除性能较好，但对氮、磷去除率较低。

4.5 雨水调蓄设施

雨水调蓄池是对雨水进行调节和贮存功能的一类构筑物的总称。主要有三种：控制暴雨洪峰流量调蓄池、控制面源污染调节池、雨水回收利用池。

雨水调节池对水质的改善主要通过各种物理、化学和生物过程完成。在调节池中发生的基本水处理过程包括颗粒性固体的沉淀、颗粒固体表面与周围水环境之间的物质交换作用(适当条件下, 溶解性污染物会粘附在颗粒固体上)、生物吸附作用，以及一些可能的化学过程；调节池通常可以截留固体污染物，比例约40%～90%，富含营养的溶解性污染物，比例约20%～70%的。

5 结语

本文通过检测望城区天然雨水、不同下垫面雨水水质，进行水质相关性分析；并分析了望城区海绵城市建成后，对各污染物的削减能力，所得结论如下：

(1)望城区降雨早期天然雨水中COD值能达到约50 mg/L，TN能达到约7 mg/L。

(4)望府路雨水径流悬浮性COD、悬浮性TP所占比例较高，TN以含氮有机物为主。屋面沉积物中有机物含量少，TP多数以溶解态含磷污染物形态存在，TN以溶解性的含氮有机物为主。雷锋公园内雨水花园附近雨水径流中COD以溶解性物质为主；TN也是以溶解性的含氮有机物为主。

(6)由于望城区早期雨水径流中COD、SS、TP、TN浓度超标，重点需控制COD、SS、TP、TN这几个指标。

(7)在望城区拟采用的海绵设施中，透水铺装、下沉式绿地和生态滞留设施对雨水径流中的污染物削减率较高；绿色屋顶和植草沟的对污染物削减率低，主要原因是设置植草沟和绿色屋顶的比例较低。各海绵地块对雨水径流控制较好，不少海绵地块检测的径流SS值较高，建议适当提高LID设施设置比例，消减雨水径流污染。