摘 要：利用工程性和非工程型措施截留初期浓度较高的雨水径流是当前国内外城市初期雨水治理的主要理念。雨水调蓄池是一项有效的初期雨水污染控制技术，在苏州河环境综合整治二期工程中，上海率先在国内利用雨水调蓄池控制初期雨水污染，并在西干线改造工程中建设了带有后续处理能力的调蓄处理池。以成都路、新昌平两座调蓄池和西干线蕰藻浜调蓄处理池为研究对象，初步探讨了包括削减初期雨水溢流量、削减初期雨水溢流污染物、提高系统截流倍数和延迟初期雨水溢流时间等在内的初期雨水治理设施的综合运行效益。为进一步提高初期雨水治理效果，建议可从初期雨水污染治理理念和技术两方面深入开展初期雨水污染治理的相关研究。
关键词：初期雨水；污染治理；调蓄池；排水系统；上海中心城区
1 前 言
城市排水系统初期雨水携带了大量来源于地表、城市污水及排水管道沉积的污染物质，致使在城市点源污染被有效控制后，初期雨水造成的城市非点源污染已成为城市河流、湖泊和河口等受纳水体的重要污染源，是目前世界城市水环境污染、生态系统健康失衡的重要原因之一。上世纪70年代起至今，削减初期雨水污染受到各国专家长期重点关注，欧美等国在城市初期雨水污染的长期规划、控制方法、排放标准、计算模拟和监控等方面进行了大量研究，并制定出一系列的指导性建议措施。中国相关研究起始于1980年代，但直到近15年来才引起各方面的广泛关注，主要研究集中于北京、上海、西安、澳门、珠海和镇江等城市。目前，上海在初期雨水治理规划、理念和技术等方面在中国国内处于领先地位。上海早在20世纪90年代初就对合流制排水系统溢流污染开展初步控制，建设了合流一期、污水二期和污水三期等重大工程，并在苏州河环境综合整治工程中，通过污水截污纳管、河道曝气复氧工程、上游底泥疏浚工程等措施，使得苏州河干流于2000年底基本消除黑臭，水质得到改善。
目前，上海已经形成6大污水处理片区，5大污水输送系统，中心城区已经建成213个排水系统，受历史原因影响，中心城区苏州河沿岸多为合流制排水系统，设计暴雨重现期较国内外许多城市偏低，一般地区暴雨设计重现期为1年一遇，重点区域为3~5年一遇，采用强排水模式。随着点源污染治理的不断完善，中心城区面源污染对水环境污染贡献率已超过点源污染，而且，随着时间的推移，这一比例还将继续上升。因此，必须进一步完善和拓展水环境治理思路，确保水环境质量持续稳步提高。目前，中心城区超过85％点源被有效截留，但城市地表水体水质的改善难度逐渐加大，究其原因，主要是初期雨水污染尚缺乏有效的控制和治理，即在汛期历时短、强度大的降雨特征下，由于排水系统管道中污染物沉积严重、分流制系统存在严重雨污混接使得其污染负荷甚至高于合流制系统，地表污染物负荷高，泵站出流初期效应比较弱，致使一些排水系统仅依靠调蓄控制初期雨水污染有局限性，导致暴雨设计重现期较低的排水系统初期雨水污染严重。
根据上海市环科院《污染控制和水源地保护规划》的研究成果，全市各类面源COD合计35.5万t/a，其中城镇地表径流面源污染COD达24.26万t/a。以上海中心城区苏州河水系为例，近年来沿岸排水系统年均初期雨水溢流量约达2800×104 m3/a，近60％的初期雨水溢流集中于7~9月，季节性污染排放特征显著，且初期雨水污染负荷大。上海市城市排水有限公司2006~2010年的连续监测研究显示，初期雨水中COD和NH4+-N浓度指标分别超过中国国家地表水环境Ⅴ标准(分别为40 mg/L和2.0 mg/L)9.3和11.7倍。由于地表径流面源污染短时间高强度集中排放，对地表受纳水体形成高负荷冲击，水质恶化、不稳定，影响水环境治理成果，这是目前上海中心城区苏州河市区段水质难以进一步改善的重要原因之一。
2 初期雨水污染治理方法
从20世纪70年代起，美国、德国、英国、丹麦和日本等国开展大量的初期雨水污染治理研究。初期雨水污染治理理念主要包括两大类，分别是利用工程性和非工程型措施截留初期浓度较高的雨水径流，以达到良好的环境效益投资比。目前国内外初期雨水污染治理方法主要包括：① 工程性措施：可持续城市排水系统(SUDS)、污水截污纳管、排水系统达标改造、调蓄池、下凹式绿地、河漫滩、人工湿地、土地处理系统等；② 非工程性措施：雨水利用、最佳管理措施、低环境影响开发(LID)、地表清扫、管道疏通等；③ 其他措施：税收、财政补贴等经济杠杆手段。
雨水调蓄池作为控制初期雨水污染的重要工程性措施之一，在国外经过了多年的研究和应用。例如，美国芝加哥1975年始建世界上最大溢流雨水调蓄隧道及水库工程（TARP），4个隧道系统组成，总容量16800万m3；截至2002年，德国已拥有38000座雨水池，其中溢流截流池24000座，雨水截流池12000座，雨水净化池2000座，各类调蓄池总容积超过4200×104 m3；日本将调蓄池作为改善合流制排水管道溢流污染的有效措施之一在全国推广应用，在今井川建设的地下调蓄池（调蓄隧道）容量178000 m3，池体内径10.8 m，长度2000 m，盾构法施工，服务面积达7.6 km2；澳大利亚悉尼北滩（Northern Beaches）调蓄工程，调蓄池容量18000 m3，连同北滩就地解决方案，可使当地的雨季溢流频率减少到低于20次/10年；香港在市区建设雨水调蓄隧道和大型蓄洪池，其中大坑东地下蓄洪池容积达100000 m3。
为了控制上海城市初期雨水污染，进一步改善城市地表受纳水体水质，2002年上海市城市排水有限公司主持的上海市科委重大科研项目合流制排水系统初期雨水污染控制技术”(2002~2005年)，从技术层面揭示：① 调蓄池工程将有助于减少黄浦江和苏州河水系的水体污染，提高城市防汛能力；② 溢流调蓄池同样适用于上海不少存在严重雨污水混接现象的分流制排水系统。2004年主持上海市科委的重大科研项目－－“中心城区和新城市化地区面源污染控制关键技术与示范工程”(2004~2007年)，从理论层面：① 揭示城市面源污染规律；② 探索了自然和人工强化径流调蓄系统关键技术；③ 研发了高效实用的调蓄与就地处理相结合工艺；④ 形成了切合上海市中心城区实际、因地制宜和可持续发展的雨水污染防治专项规划。
基于上述理论和技术层面的研究，并在借鉴国外初期雨水治理理念、方法和基础的研究基础上，上海率先在苏州河环境综合整治二期工程中，采用雨水调蓄技术控制初期雨水污染，首批建设了5座调蓄池，其中：成都路雨水调蓄池于2006年试运行，2007年正式投入运行；新昌平雨水调蓄池2008年试运行，2009年正式投入运行；江苏路雨水调蓄池和芙蓉江雨水调蓄池于2010年调试，2011年正式投入运行；梦清园雨水调蓄池2011年汛期前完成调试，汛期投入运行。在2010年中国上海世博会园区也建成使用了浦明、后滩、南码头和蒙自等4座雨水调蓄池，保障了世博园区的水环境质量和水环境安全。此外，在2010年完工的上海西区污水输送干线改造项目中建成了带有后续处理能力的蕰藻浜调蓄处理池。
3 上海初期雨水污染治理设施运行案例
3.1 成都路雨水调蓄池
成都路雨水调蓄池是国内首座投入使用的城市大型雨水调蓄池，位于上海中心城区的成都路合流制排水系统内。近30年平均降水量为1200.3 mm，其中约70%集中在汛期(4~9月)。成都路排水系统服务面积为3.06 km2，设计径流系数0.8，设计暴雨重现期为1年一遇。成都路雨水调蓄池容积按德国废水协会制定的《ATV128合流污水系统暴雨削减装置设置指南》方法计算，设计有效容积7400 m3，采用泵排进水模式，雨水配泵流量4.090 m3/s，单台流量2.045 m3/s。调蓄池所有设备均由成都路泵站PLC（Programmable Logic Controller）控制，分5种模式运行：晴天模式、进水模式、满池模式、放空模式和搅拌模式。调蓄池工作原理图解见图1。
上海市排水有限公司2006~2010年汛期对成都路合流制排水系统进行了40余次降雨量、管道出流量和出流水质变化过程监测。降雨与管道出流量数据由成都路泵站自动化采集系统获得，采集间隔为5 min，系统自动记录泵站各水泵的启、闭时间，并根据各台水泵的铭牌流量和运行时间计算出流量。水样采集点位于排水系统泵站集水井，人工手动（2006~2007年，2010年）与自动化采样（2008~2010年）相结合，平均采样间隔为5 min。水样采集后保存于1L的棕色玻璃水样瓶中，未及时分析的水样放入4℃的冰柜中保存。水质分析指标包括：COD、NH4+-N、TP和SS等10项，采用中国水和废水监测分析标准方法分析。
图1 合流制排水系统雨水调蓄池流程图（a）与流量图解（b）
3.1.1削减初期雨水量
2006~2010年成都路雨水调蓄池共有效运行74次(不含旱流试车使用次数)，共削减初期雨水量约44.7×104 m3，其中2006年试运行期间削减初期雨水7.5×104 m3，2007~2010年正式运行期间年均削减9.3×104 m3（表1）。连续运行5年的初期雨水削减率平均为8.84%，接近数学模型计算出的8.7%~13.5%年削减率。
表1 2006~2010年成都路合流制排水系统溢流削减量统计
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年份
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降雨量/mm
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溢流量/×104m3
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调蓄池使用次数
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调蓄量/m3
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溢流水量削减率/%
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2006
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985.9
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56.7
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13
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74970
|
11.68
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2007
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1225.8
|
116.4
|
10
|
57670
|
4.72
|
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2008
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1178.1
|
107.1
|
14
|
88344
|
7.62
|
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2009
|
1258.0
|
104.2
|
17
|
108587
|
9.44
|
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2010
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1122.0
|
97.9
|
20
|
117787
|
10.73
|
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平均
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1154.0
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96.5
|
14.8
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89471
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8.84
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对于容积恒定的调蓄池，次降雨事件的初期雨水削减率受降雨量影响显著，削减率随降雨量的增加而减小。以2007~2010年61次运行数据为例，调蓄池对初期雨水的削减率和次降雨量之间存在良好的负幂指数关系，决定系数R2达到0.80，p<0.001，这与相关研究的模型计算结果相似（图2）。在平均32.6 mm的次降雨强度下，成都路雨水调蓄池的次降雨事件的初期雨水削减率平均达到36.9%，约相当于在上海地区1 a一遇的暴雨设计重现期下(35.5 mm/h降雨强度连续降雨1 h)，成都路雨水调蓄池对所服务系统的初期雨水削减率平均可达到约35%。
图2 成都路调蓄池次降雨量与调蓄池溢流量削减率关系图
3.1.2削减初期雨水污染量
依据2006~2010年近40场降雨过程的初期雨水和溢流污水事件平均浓度，以及调蓄池实际调蓄初期雨水量和排水系统溢流水量数据，计算了2006~2010年运行期间成都路雨水调蓄池对COD、SS、NH4+-N和TP等4类典型初期雨水污染物质(为近十年来影响苏州河水质的主要污染因子)的削减量和削减率。其中对初期雨水COD、SS、NH4+-N和TP的年削减量分别介于：26.1~53.3 t、31.8~64.9t、1.34~2.74t和0.18~0.38t，年均分别为40.52、49.26、2.08和0.29 t（图3）。受暴雨强度、雨型、暴雨次数和调蓄池运行次数等因素影响，对初期雨水COD、SS、NH4+-N和TP的年削减率分别介于：6.2%~14.9%，6.9%~16.5%，8.5%~19.8%和6.8%~16.3%，年均分别为11.34%、12.65%、15.23%和12.49%（图4）。有研究显示当调蓄池削减5％的溢流COD时，苏州河市区段COD浓度平均可下降13.8 mg/L。据此可推断，成都路雨水调蓄池的运行对改善暴雨期间的苏州河水质将起重要作用。
3.1.3提高系统截流倍数
成都路雨水调蓄池采用水泵进水模式，理论上，开启1台雨水泵(调蓄池的进水泵为雨水泵)，成都路排水系统1 h内的瞬时截流倍数可从3.16倍增加至5.74倍；若同时开启2台雨水泵，系统0.5 h内的瞬时截流倍数可从3.16倍增加至8.32倍。受降雨强度、降雨持续时间、管道汇流速度、开泵台数、截留时间等因素影响，运行过程中系统实际平均截流倍数低于理论瞬时截流倍数。此外，实际平均截流倍数还受统计时长的影响，以2009年17次运行数据为例：按调蓄池平均进水时间计算，在平均32.65 min的调蓄池进水时段内，实际截留倍数平均为7.35；以平均降雨时间计算，在12.95 h平均降雨时段内，实际平均截留倍数在3.23~4.81之间变化，平均为3.55。
3.1.4延迟初期雨水溢流时间
城市化进程导致的土地利用结构与格局变化不仅影响了流域径流系数，还大大提高了雨水汇流速度。同时，城市排水系统的完善，如设置道路边沟、密布雨水管网和排洪沟等，也增加了汇流水力效率，使降雨管道出流洪峰提前。据成都路雨水调蓄池雨水泵启动强度，理论上开启1台雨水泵，调蓄池可对5.74倍排水系统截流倍数以下的降雨管道出流峰值出现时间延后约1 h，缓解初期雨水溢流时间约1 h；若同时开启2台雨水泵，可将8.32倍截流倍数以下的降雨管道出流峰值出现时间延后约0.5 h，缓解初期雨水溢流时间约0.5 h。值得注意的是，雨水调蓄池提高排水系统截流倍数、延迟管道出流峰值的效应，与森林系统减少洪水量、削弱洪峰流量、推迟和延长洪水汇集时间的功能相似，但这种削减、延时作用并不是无限的，受调蓄池容积、排水系统服务面积、旱流污水量、降雨强度和历时等诸多因素的影响。
3.2 新昌平雨水调蓄池
新昌平雨水调蓄池与成都路雨水调蓄池同处于上海中心城区静安区，紧邻苏州河南岸，服务于新昌平合流制排水系统，2008年试运行，2009年起正式运行。系统服务面积3.45 km2，设计径流系数0.7，暴雨重现期1年一遇。调蓄池容积采用截流时间法计算，根据单位时间截流污水量（4.034 m3/s）和截流时间（60 min）确定的调蓄池的容积为15000 m3。采用重力自流进水模式。调蓄池所有设备均由新昌平泵站PLC控制，分晴天模式、进水模式、满池模式、放空模式和冲洗拌模式等5种模式运行。
新昌平调蓄池2009年起正式运行来，2009~2010年共有效运行143次(不包括旱流试车使用次数)，共削减溢流水量约107.5×104 m3，其中2009年运行期间削减溢流水量54.3×104 m3，2010年运行期间年均削减9.3×104 m3。连续运行2年的年溢流水量削减率分别为30.6%和28.9%，平均为29.75%。2009和2010年新昌平调蓄池对的溢流COD总减排量分别为151 t和201.9 t。其中，2009年汛期和非汛期的COD减排量分别为88.3 t和62.8 t，相应比例分别为58.4％和41.6％；2010年汛期和非汛期的COD减排量分别为125.8 t和76.1 t，相应比例分别为62.3％和37.7％。
新昌平调蓄池自2009年强化运行管理以来，降雨期间尽可能多的使用调蓄池，一个降雨日中如果有多场次降雨发生，调蓄池就多次使用。2010全年使用次68次、溢流削减总量为531180 m3，溢流量削减比例28.9%，与2009年使用次数65次、调蓄总量543420、溢流量削减比例30.6%相当，仍然保持了较高水平的使用次数、溢流削减总量和削减比例等污染削减效能。同时，2010年新昌平调蓄池调蓄了更多的高浓度初期降雨径流，使得在调蓄总量略有增加的情况下，COD削减量达到创新高的201.9 t，超过2009年151 t水平高达33.7%。值得关注的是，新昌平非汛期COD削减量达到76.1 t，占到全年溢流COD削减量中的37.7%。
值得注意的是，两个调蓄池全年和汛期使用情况分类统计显示，无论是成都路还是新昌平调蓄池，全年的溢流量减排比例和溢流污染减排比例均高于汛期，这一方面是由于在非汛期，由于降雨强度普遍不大，调蓄池运行效能反而更优，另一方面也说明了排水公司作为运行管理单位对雨水调蓄池的科学运行管理非常重视，在思想上和工作中已不区分汛期和非汛期，而是进入全年的常态化运行管理，通过及时、高效使用调蓄池，从而大大提高了调蓄池的污染减排效能。
3.3 蕰藻浜调蓄处理池
西区污水输送干线改造工程建设了1座带处理功能的调蓄池，总容积25000 m3。当遇西干线在紧急情况造成污水厂处理量无法满足输送量的特殊时期，则可将合流污水先排至调蓄池，然后通过水泵将调蓄池内合流污水提升至上部处理池处理后紧急排放入蕰藻浜。处理池分为混凝反应和沉淀两个区，处理能力为1 m3/s，合86400 m3/d。前期研究表明，在不同气象情况下，试验中混凝沉淀处理装置对合流污水SS、COD、TP和浊度平均去除率分别为82％、69％、71％和79％以上，可大大削减混接雨水的污染负荷，减少对河道的影响。
4 初期雨水污染治理展望
由于国内初期雨水污染治理起步相对较晚，因此在初期雨水污染控制的科研、实践和管理工作中还有许多工作有待逐步改进和深入开展。以下可能是今后初期雨水污染治理发展需要重点关注的两方面：①初期雨水污染治理理念发展：从污染末端排放控制，逐步向污染迁移、转化的中间削减过程和源头控制转变。例如：将生态排水理念引入到城市水环境保护的系统工作中；②初期雨水污染治理技术发展：从工程型控制措施逐步向非工程型措施转变。例如：管理措施方面，可完善街道清扫制度，进行雨水系统的维护管理，控制管道非法链接，改善泵站运行模式，加强公众教育；政策法规方面，可建立面源污染控制标准体系，土地利用/覆被政策，优化排水管理体制，雨水资源利用体系。
今后上海初期雨水污染治理主要可从以下方面开展：① 控制初期雨污染源为主，兼顾初期雨水的治理和防汛标准的提高；② 污染治理多种措施并举，以点、线调蓄为主；③ 充分发挥原有设施作用，提高工程效益；④ 提倡生态排水，减少径流量、降低污染负荷。对于不同的排水系统，可具体采用如下策略：① 中心城区已建系统，建设调蓄池为主，附以实时监控系统以及改建部分管段，结合源头控制设施的利用；现已研究在苏州河底建隧道调蓄池,以提高中心城区的防汛排水能力，并减少雨天溢流污水对苏州河造成的污染；② 旧城改造地区，雨水系统的建设将综合考虑污染控制的需要，积极采用适合上海本地情况的雨水最佳管理方法；③ 中心城区新建系统，蓄排结合，提高城市雨水防汛标准的同时控制治理初期雨水污染。提出低影响开发，通过综合性措施从源头上降低开发导致的水文条件的显著变化和雨水径流对生态环境的影响；④ 区县新建系统，按管道排水与天然沟渠、水塘相结合的方法，建设接近自然状态的排水系统，并注重通过工程性与非工程性措施对雨水污染开展源头控制。
通过上述研究方向，可为解决上海城市化地区的初期雨水污染从工程性及非工程性等方面提出具有针对性、有效性、经济性的解决方案。将从整体上优化提高上海市初期雨水治理设施的使用效率和治理效果，为落实第四轮环保三年行动计划和编制水务“十二五”规划提供技术支撑；进一步加强节能减排、巩固额提高中心城水环境整治成果；同时也将进一步提高初期雨水治理的科学性和系统性，实现环境效益和投资效益的最大化。
