初期雨水径流管控现状与展望

陆敏博，朱伟锋，刘 畅，杨 卓，沈 昊，杨小丽

(1.悉地(苏州)勘察设计顾问有限公司，江苏 苏州 215123； 2.东南大学土木工程学院，江苏 南京 211189)

降雨初期产生一定深度的降雨径流称为初期雨水径流。2015年先后颁布的《水污染防治行动计划》和《国务院办公厅关于推进海绵城市建设的指导意见》明确提出控制初期雨水径流污染，推进初期雨水收集、处理和资源化利用。目前，国内外对初期雨水冲刷效应开展了较为广泛的研究。国外，美国、澳大利亚、日本等国家均形成相应的雨洪管理体系，国内学者在此基础上研究了不同功能区的初期雨水污染特性，但对初期雨水污染特征差异分析、初雨径流管控规范要求以及雨洪管理体系的系统性研究比较缺乏。本文通过对初期雨水的水质水量特性进行分析，比较国内外初期雨水径流管控的相关规范和要求，总结归纳现有初期雨水收集、弃流设备及运行效果，对今后初雨径流污染控制、相关规范编制(修编)和收集弃流设备优化提出建议与展望。

1 初期雨水特性

1.1 初期雨水的界定

目前对初期雨水尚无统一的明确定义，国内外许多规范和学者都提出了不同的界定方式[1-4]，如表1所示。由表1可见，初期雨水的界定通常有2种方法：①采用降水量界定，且屋面初期雨水量低于道路初期雨水量；②采用降雨历时界定，如降雨初期前15～30 min的雨水。此外，Sansalone等[3]通过研究整个降雨过程的径流总量污染负荷分布，确定总径流量中的20%为初期雨水。分析可知，不同强度的降雨在相同时间内的径流量和冲刷特性差异较大，以时间来界定初期雨水误差较大；而降雨径流总量在降雨初期也无法确定，故以降雨径流总量来控制初期雨水在实际工程中操作难度较大。相比较而言，根据某地区降雨过程曲线和以往的降雨水质监测数据，可得出符合该地区情况的初期雨水界定值。因此以降水量界定初期雨水方便易操作，但不同地域、不同下垫面条件下应采取不同的降水量。

表1 不同规范和学者对初期雨水的界定

1.2 初期雨水径流污染特征

初期雨水径流控制包括水质控制和水量控制[5]，了解初期雨水的水质水量特征及其变化规律，是初期雨水径流控制利用的前提。

1.2.1水质变化特征

由于不同功能分区本底情况不同，导致初期雨水径流污染存在较大差异[6]。国内常将研究区域划分为城市道路、商业区、住宅区、绿地等不同功能分区，表2列出了国内外不同城市不同功能区的初期雨水径流污染情况。由表2可见，不同城市功能区的初期雨水径流污染相差较大，仅在少数功能区存在一定规律：①城市道路径流污染中SS质量浓度普遍较高，为323～597 mg/L，COD质量浓度变化较大，为74.42～408 mg/L；②由于大量餐饮、娱乐等人类活动影响，商业区径流污染中TN和氨氮质量浓度处于较高水平。其他功能区则未呈现明显共性。分析认为：①现有文献调研时未严格区分住宅区类别，各地住宅区性质差异较大，住宅区已知径流污染中氨氮质量浓度较高，其他污染物有待进一步明确；②由于地区、调研时间和工业类别不同，工业区径流污染物没有明显规律；③由于植物或落叶腐烂的影响，可能导致绿地径流污染中COD和TN质量浓度较高。此外，从时间角度看，随着年代的推移，污染物浓度总体呈下降趋势，推测可能与城市排水体制完善程度和清扫方式有关。由于各城市采样时间不同，气候、土壤本底情况以及城市管理情况(道路清扫方式等)不同，不同功能区初雨径流污染差异较大，没有明显的规律性。

表2 国内外不同城市不同功能分区初期雨水径流污染情况 单位：mg/L

1.2.2径流量变化特性

初期雨水水质污染严重，其径流量控制直接影响进入地表水环境的污染负荷[15]。由于下垫面特性、土壤本底条件、排水设施完善程度的不同，不同城市不同功能区的初期雨水径流量存在明显差异[16]。目前，初期雨水径流量多以降水量或降雨历时来确定，对不同城市不同功能区初期雨水径流量的变化规律研究较少。

2 国内外初期雨水径流管控要求与规范

由于初期雨水直接排放会导致面源污染，恶化水环境，因此国内外均对初期雨水径流管控提出了相关要求[17]。

2.1 国内初期雨水径流管控

GB 50014—2006《室外排水设计规范》是我国室外排水工程设计的总领性规范，在排水体制、排水管渠、雨水综合利用、雨水口、雨水调蓄池、雨水渗透设施等方面均有涉及初期雨水径流管控的相关规定。在初期雨水界定方面，该规范规定用于分流制排水系统径流污染控制时，雨水调蓄池的调蓄量按降水量计，可取4～8 mm。另外，根据调蓄目的、排水体制等不同因素，分别提出用于合流制排水系统径流污染控制、分流制排水系统径流污染控制、削减排水管道洪峰流量3种情形下的雨水调蓄池的有效容积计算公式。前2种针对水质控制，第3种主要针对水量控制，但在削减流量的同时也考虑削减污染物总量。现有的调蓄相关规范，如GB 51174—2017《城镇雨水调蓄工程技术规范》和CECS 416—2015《城镇径流污染控制调蓄池技术规程》，均对雨水调蓄池提出了相应的容积计算公式，且分流制排水系统均按降水量4～8 mm作为初期雨水量，与GB 50014—2006《室外排水设计规范》的规定一致。

《公约》第30条规定了对腐败犯罪应当“受到与其严重性相当的制裁”，该条规定本意主张对腐败犯罪行为人财产和资格的剥夺。我国《刑法》对贿赂犯罪的处刑却偏重于自由刑乃至死刑这样的生命刑，应当更加充分发挥资格刑、财产刑在打击腐败犯罪中的作用。

海绵城市通过加强城市规划建设管理，充分发挥建筑、道路、绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制雨水径流，实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展。《海绵城市建设技术指南——低影响开发(low impact development, LID)雨水系统构建(试行)》在初期雨水管控方面要求通过一定方法或装置将存在初期冲刷效应、污染物浓度较高的降雨初期径流予以弃除，以降低雨水的后续处理难度，并列举了常见的初期弃流方法和弃流形式。

此外，国内多个地方标准也涉及初期雨水管控。北京市地方标准DB 11/T 1743—2020《海绵城市建设设计标准》从径流污染削减、雨水径流控制、雨水调蓄排放、水质保持等方面对初期雨水弃流设施提出了具体要求，并对各项海绵技术的适用性作了归纳总结。深圳市地方标准DB 4403/T 24—2019《海绵城市设计图集》提出将渗透技术、储存技术、调节技术、转输技术、截污净化技术分别用于实现“渗、蓄、用、滞、排、净”的主要功能；在截污净化方面，该标准对初期雨水径流弃流量、截流的初期雨水径流排放去向、弃流装置及其设置、植草沟、初期雨水径流弃流池、渗透弃流井、绿色屋顶等均做了较为详细的规定。云南省地方标准DB 53/T 950—2019《高原湖泊城市河道初期雨水拦截技术规范》对初期雨水径流污染控制量提出了明确的计算公式，列举了初期雨水截流技术，并给出了不同城市功能区的初期雨水径流污染浓度范围。

表3对比分析了国内关于初期雨水径流管控的规范要求，可以看出，国内初期雨水主要侧重于水质控制。从实现方式上看，有的是通过设置LID设施直接实现水质控制，但大多是通过设置初雨弃流设施或雨水调蓄池等来控制排入水体中的初期雨水水量，从而实现水质控制。此外，大部分规范要求初期雨水弃流排入污水管或者设施末端处理后排入受纳水体，缺乏对雨水回收利用的具体要求。

表3 国内初期雨水径流管控规范对比

国内系统性、专门性对初期雨水径流污染控制提出相应具体要求的规范、技术指南、图集较少，目前仅有云南省地方标准DB 53/T 950—2019《高原湖泊城市河道初期雨水拦截技术规范》是一部专门针对初期雨水的规范。针对其他特定区域的法规、标准、技术规程有待出台，以便更有针对性、权威性地指导各地初期雨水径流污染控制[18]。

2.2 国外初期雨水径流管控

目前发达国家的初期雨水径流管控主要集中于弃流调蓄和绿色设施源头控制[19]，其中，美国和澳大利亚形成了以绿色设施管控为主的雨洪管理体系。因此，本文分别分析美国和澳大利亚在初期雨水收集、调蓄、转输和处理过程中对于初期雨水径流管控的措施和技术手段。

2.2.1美国雨水管理体系

美国的雨水管理经历了从非点源污染末端处理的最佳管理实践(best management practices, BMPs)到以分散式小规模措施对雨水径流进行源头控制的LID的转变，对我国构建完整雨洪管理体系以及明确初期雨水径流管控的定位具有借鉴意义。目前美国的雨洪管理将常用的水文控制指标大致分为6个量级，形成从入渗控制到预警机制的雨洪管理控制指标体系，以芝加哥市的降雨频率曲线为代表[20]，如图1所示。

图1 美国城市雨洪管理水文控制指标体系

图1为水文控制指标体系和降雨频率的关系，体系中入渗控制、面源污染控制和河道侵蚀控制3个指标旨在控制径流总量，侧重于水环境保护；小量级洪水控制和极端洪水控制2个指标旨在控制径流峰值，以减少城市及下游地区的洪涝灾害；预警预报应急避险指标属非工程措施范畴；河流侵蚀控制指标属于河道治理范畴。故研究初期雨水径流污染中，应着重考虑入渗控制和面源污染控制2个指标。其中，入渗控制目标在于保持开发前的天然雨水下渗状态，多采用简单的体积径流系数法计算入渗量体积。面源污染控制主要在于控制降雨产生的地表径流，多采用基于径流体积控制指标的美国城市雨水管理标准体系(stormwater sizing criteria)，主要包括：①水质控制体积(water quality volume, WQV)，通过控制高频率的中小降雨事件来有效控制径流污染，即控制一场降雨事件中降雨初期特定的降水量；②地下水回补体积(groundwater recharge volume, GRV)；③河道保护体积标准(channel protection volume, CPV)，主要利用雨水调节设施如调节塘等末端设施进行峰值流量控制。

在初期雨水径流污染问题上，美国主要通过控制水量的方式来实现对初期雨水的水质控制，即以水质为主要指标构建完整的雨洪管理指标体系和水质控制体积标准。同时，大部分雨洪管理指导性文件如《哥伦比亚特区雨水管理手册》(2020年1月修订版)以该体系为指导，在雨水源头管控中明确了雨水滞留体积和雨水处理体积的计算方法，并在雨水收集过程中对初期雨水的定义和处理方式，以及弃流之后雨水的处理措施进行了详细规定。

2.2.2澳大利亚雨水收集与回用

澳大利亚对雨水收集、回用和处理均提出了具体要求[21]。雨水收集要求中，水敏感城市设计(water sensitive urban design，WSUD)收集处理系统与快速收集雨水口都可以使用，但部分州的雨水收集手册规定应使用快速收集雨水口；回用水则需考虑减轻水量冲击、增补生活用水和灌溉用水的要求[22]。澳大利亚还分别规定了雨水回用和雨水处理过程中，污染物指标关注度的重要性排序。其中，雨水回用主要关注公众健康，各污染物指标的重要性从高到低依次为粪便病原体、微生物、重金属、烃类污染物、营养物质、固体沉积物、需氧量、污染物总量；雨水处理则主要关注环境保护，各污染物指标的重要性从高到低依次为营养物质、重金属、固体沉积物、需氧量、烃类污染物、微生物、污染物总量、粪便病原体。

同时，澳大利亚还规定了径流产流量、流量指标、峰值流量、流量曲线和污染物负荷等方面各指标的评价分析频率，主要用于指导各地区雨水收集回用和转输设施的设计，以及指导雨水收集、处理或回用方式的选取、WSUD设施与雨水快速收集转输设施的选用。澳大利亚雨水收集与回用指南中，宏观上规定了雨水收集和回用目标、要点和各项指标[23]，其中初期雨水水质和水量的控制并重，比如雨水径流中污染负荷指标侧重于水质控制，径流量分析频率等则侧重于水量控制。但该指南在雨水调蓄存储方面，仅明确了雨水调蓄体积计算方法或雨水调蓄设施各部分组成，在初期雨水界定及水质污染特征方面缺乏具体规定。

2.3 国内外初期雨水径流管控比较

从管控的侧重点和实施方式来看，目前国内外初期雨水径流管控规范或标准均涉及初期雨水的水质控制。国内多通过规定水质指标或控制水量来实现水质控制，但针对性不强，尤其是对初期雨水径流管控的聚焦不够，且目前仍主要通过工程性措施来实现管控目标[24]。国外(以美国和澳大利亚为例)则首先从宏观水文角度出发，通过同步控制水质和水量来达到对初期雨水径流控制目的。因此，国内规范标准应增加宏观水文控制方面和非工程性措施方面的相关规定内容。由于我国不同地区差异较大，此项规定需结合实际情况，可考虑划分不同类型区域，并鼓励各地因地制宜出台地方标准[25]。

从管控的目标和体系来看，雨水径流管控的目标主要包括雨水利用、环境保护和排水防涝3个方面。美国雨水管理体系综合了以上3个方面，系统性较强，而国内尚未建立或出台能够较好兼顾3个方面的雨水管理体系、技术规范或标准。国内目前已颁布实施的雨水径流管控方面的规范和标准侧重点各有不同，其中关于初期雨水径流管控的具体规定也有一定差异，导致实际实施系统性不强、落地困难。这可能是由于我国以上3个方面的行业监管职责分别由建设、生态环境和水利行政主管部门承担，存在“多头管理”的现象[26]。建议针对雨水径流管控出台专项政策，并组织不同专业的专家编写系统性强、适用性广的雨水管控技术规范[27]。

3 初期雨水收集弃流设施设备现状

初期雨水的控制利用主要从源头控制、中端控制和末端控制3方面入手。在中端控制和末端控制环节，主要有中端调蓄弃流、生态沟渠和传统管道的合理布局、末端集中式或分散式处理以及回用等。源头管控是前提，且管控成本相对较低，因此本文主要对初期雨水源头控制的收集弃流设备进行调研分析。

初期雨水弃流指通过一定方法或装置将存在冲刷效应、污染物浓度较高的降雨初期径流予以弃除，以降低雨水的后续处理难度。弃流雨水应进行处理，如排入市政污水管网(或雨污合流管网)由污水处理厂进行集中处理。弃流设备的运行效果不仅影响弃流雨水的后续处理，还直接影响进入地表水环境的面源污染负荷。为此，本文调研分析了现有初期雨水收集弃流专利设备和市售典型初期雨水收集弃流设备，为初期雨水收集弃流设备的研发和应用提供参考。

3.1 现有初期雨水收集弃流专利设备

表4为根据30多项初期雨水弃流型雨水口专利设备[28-58]情况，并从雨水口类型、初雨弃流方式、侧重的初雨指标等方面进行了对比。由表4可知，水力弃流型雨水口多结构简单、成本低，但初期雨水界定较为单一和固定，弃流精度不足；机械弃流型雨水口在弃流自动化方面较水力型有所提高，但初雨界定仍不够灵活，弃流精度仍然不足；电控弃流型雨水口在初雨界定和弃流精度均有了进一步提升，但大部分成本较高，且适用范围较小。

表4 初期雨水弃流雨水口专利设备比较

3.2 市售典型初期雨水收集弃流设备

4款市售典型初期雨水收集弃流设备对比见表5，4款弃流设备均可实现自动控制，无须人工操作，但存在占用空间大、弃流精度不足、建设成本较高、初期雨水界定方式单一等缺点，且设备可靠性和运行效果缺乏统一的评价标准。

表5 市售典型初期雨水收集弃流设备

4 结 论

a.明确初期雨水水质水量变化特征是进行初期雨水精确化、针对性控制的前提，不同城市不同功能区的初期雨水径流污染规律存在较大差异，进行

不同地区初期雨水管控时，应实地调研所在地区的初期雨水水质水量特征，更好地指导实际工程。

b.国内关于初期雨水管控相关的规范标准体系尚不健全，且多关注初雨径流污染，较少从宏观水文角度关注初期雨水并建立相应评价体系。国内规范标准的制定应结合地区差异性，分别从宏观水文控制和非工程性措施方面增加相应规定，并鼓励各地因地制宜出台相应地方标准。建议针对雨水径流管控出台专项政策，编制综合雨水利用、环境保护和排水防涝等方面的雨水管控技术规范。

c.国内现有的初期雨水弃流设备、收集转输设备还不成体系，应从收集转输方式、设施分布及运行情况等方面，探究其在不同地区的适用性和径流控制效能。