欒 博,殷瑞雪,徐 鵬,翟生強(qiáng),王 鑫,唐孝炎

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基于綠色基礎(chǔ)設(shè)施的城市非點(diǎn)源污染控制研究

欒 博1,2,殷瑞雪2,徐 鵬3*,翟生強(qiáng)2,王 鑫2,唐孝炎1

(1.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100871；2.北京大學(xué)深圳研究生院,廣東 深圳 518057；3.南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 深圳 518055)

以珠海市西部新城為例,通過監(jiān)測(cè)采樣分析現(xiàn)狀城市降雨徑流污染特征和規(guī)劃前后城市非點(diǎn)源污染負(fù)荷,采用雨洪管理模型(SWMM)模型構(gòu)建6種基于不同綠色基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)的污染控制情景,并評(píng)估分析各情景下的成本效益.結(jié)果表明:現(xiàn)狀建成區(qū)道路和地面鋪裝的徑流污染較重(劣Ⅴ類);屋頂和地面的初期徑流沖刷效應(yīng)明顯;規(guī)劃后城市徑流污染物排放負(fù)荷增加至現(xiàn)狀的2.9~3.2倍.組合型方案(源頭型組合、源頭-末端組合)的污染綜合控制效果優(yōu)于單技術(shù)方案,但其污染物單位削減成本較高;單技術(shù)方案中,末端型的調(diào)節(jié)塘對(duì)各污染物的單位削減成本均最低,且對(duì)TN、TP的削減效果較好;源頭型的生物滯留池和植草淺溝的單位削減成本也較低,但污染物削減效果較差;而透水鋪裝的單位削減成本較高.總之,單項(xiàng)技術(shù)方案在污染控制的成本效益表現(xiàn)上要優(yōu)于組合型方案,若要取得更好的污染控制果,則還需投入更大的成本,采取組合型方案進(jìn)行污染控制.研究可為當(dāng)前快速城市化新區(qū)海綿城市的多目標(biāo)決策提供科學(xué)依據(jù).

綠色基礎(chǔ)設(shè)施；非點(diǎn)源污染；SWMM模型；海綿城市；成本效益

近年來,我國(guó)城市黑臭水體成為城市水污染治理的焦點(diǎn)[1-2].隨著城市點(diǎn)源污染控制的提高,城市非點(diǎn)源污染逐漸成為水體污染的主要來源[3-4].地表累積的污染物被降雨徑流沖刷后匯入水體,是城市非點(diǎn)源污染的主要來源,而初期降雨徑流污染是污染控制的關(guān)鍵[5].20世紀(jì)70年代,美國(guó)開始采取行動(dòng)應(yīng)對(duì)城市非點(diǎn)源污染.經(jīng)過近20年的發(fā)展,美國(guó)、澳大利亞、英國(guó)等國(guó)家相繼提出最佳管理實(shí)踐(BMP)、低影響開發(fā)(LID)、水敏感性城市設(shè)計(jì)(SUDS)、可持續(xù)排水系統(tǒng)(WSUD)等成熟的可持續(xù)雨洪管理體系[6-9],有效控制雨水徑流污染.2014年,我國(guó)海綿城市建設(shè)也開始迅速推廣[10].

綠色基礎(chǔ)設(shè)施(GI)是用于可持續(xù)雨洪管理的一系列綠色化的工程基礎(chǔ)設(shè)施[11],包括生物滯留池、透水鋪裝、植草淺溝、屋頂綠化等源頭分散型技術(shù),以及雨水塘、濕地等末端集中型技術(shù).相較于集中快排的灰色基礎(chǔ)設(shè)施帶來的雨水徑流高污染、高沖擊問題,綠色基礎(chǔ)設(shè)施采用分散式、低沖擊的綠色技術(shù)緩解城市雨水徑流引發(fā)的環(huán)境問題.國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)各技術(shù)的污染物去除效果方面進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究[12-19],TSS、TN、TP及重金屬等污染物是主要研究對(duì)象.受試驗(yàn)區(qū)氣候、地理?xiàng)l件及措施結(jié)構(gòu)等影響,不同研究的去除效果存在一定差異.區(qū)域污染控制效果主要依托雨洪管理模型(SWMM)、城市暴雨處理及分析集成模型系統(tǒng)(SUSTAIN)、基于低影響開發(fā)的長(zhǎng)期水文影響評(píng)價(jià)模型(L-THIA-LID)等水文模型對(duì)GI技術(shù)及組合進(jìn)行模擬研究[13,18],如利用L-THIA-LID模型評(píng)估雨水池對(duì)流域徑流量、TN和TP的控制效果比透水鋪裝更優(yōu)[20],利用SWMM模型評(píng)估源頭LID、末端BMPs聯(lián)合使用方案相比于單項(xiàng)技術(shù)對(duì)流域洪峰和非點(diǎn)源污染的控制效果更優(yōu)[3].為更好的支持決策,近年來國(guó)外關(guān)于GI技術(shù)方案的成本效益研究逐漸增多,如Liu等[21]評(píng)估了16種LID-BMPs情景的徑流量和水質(zhì)控制成本效益.Liao等[22]分析了7種LID技術(shù)組合的徑流總量、洪峰和污染控制成本效益.

不同類型GI技術(shù)組合對(duì)徑流污染負(fù)荷的削減效果,以及不同技術(shù)的成本效益分析是降雨徑流污染控制技術(shù)選擇的基礎(chǔ),能夠?yàn)槲覈?guó)當(dāng)前快速城市化新區(qū)海綿城市規(guī)劃決策提供重要支撐,目前國(guó)內(nèi)這方面研究較少.本研究以快速城市化的珠海西部新區(qū)為研究區(qū)域,首先對(duì)不同下墊面類型的降雨徑流進(jìn)行監(jiān)測(cè)采樣,分析現(xiàn)狀和未來城市非點(diǎn)源污染負(fù)荷特征及變化趨勢(shì),而后選用SWMM模型模擬分析不同GI技術(shù)組合情景的徑流污染削減效果,最后比較分析各技術(shù)情景的成本效益,為選擇最佳污染控制方案提供決策依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

珠海市位于珠江入?？?是珠江三角洲城市群的中心城市之一.屬亞熱帶季風(fēng)氣候,多年平均氣溫為22.2℃,多年平均降雨量為2103.6mm,降水集中4~9月,占全年降雨量的80%.西部新城是珠海城市未來發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域,總面積248.2km2.國(guó)家第二批海綿城市試點(diǎn)區(qū)即在此范圍內(nèi).該區(qū)域現(xiàn)狀土地利用以農(nóng)田、養(yǎng)殖塘、山體、水域等未建設(shè)地為主,城市建設(shè)用地僅47.8km2(占區(qū)域總面積的19.2%).而根據(jù)《珠海市西部中心城區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃》,2030年新區(qū)建成后土地利用類型將發(fā)生劇變,城市建設(shè)用地將達(dá)169.4km2(占區(qū)域總面積的68.3%),比現(xiàn)狀增加121.6km2,增長(zhǎng)比例為254%,而農(nóng)業(yè)用地僅余6.21km2(2.5%).因此城市非點(diǎn)源污染將成為未來該區(qū)域面源污染的首要來源.

圖1 研究區(qū)域范圍、土地利用及采樣點(diǎn)位置

本研究對(duì)西部新城范圍(248.2km2)通過監(jiān)測(cè)采樣研究現(xiàn)狀城市雨水徑流污染特征并分析未來變化趨勢(shì).選取近期啟動(dòng)區(qū)范圍內(nèi)的中央水系(南段)匯水區(qū)范圍(1.82km2)作為重點(diǎn)研究區(qū),通過模型模擬比較分析未來土地利用條件下不同技術(shù)組合情景的城市面源污染控制效果和成本效益.重點(diǎn)研究區(qū)現(xiàn)狀用地主要為未開發(fā)的養(yǎng)殖塘,未來規(guī)劃全部轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ㄔO(shè)用地,各用地類型及對(duì)應(yīng)的建筑密度和綠地率詳見文獻(xiàn)[23].其中居住用地占地面積最大(33.2%);其次為公共綠地和道路用地,分別占總面積的24.8%和22.2%.研究區(qū)內(nèi)雨水徑流排入中央水系(南段)后向南匯入2#主排河.地下水埋深為0.5~ 2.5m,平均埋深不足1m,土壤類型主要為粘壤土,下滲能力約1′10-7m/s.

1.2 城市降雨徑流水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣

在西部新城建成區(qū)分別選取屋頂、地面鋪裝、道路和綠地4種下墊面進(jìn)行徑流-水質(zhì)監(jiān)測(cè),共8處采樣點(diǎn),詳見表1.其中屋頂選取2處代表性樣點(diǎn),分別為居住區(qū)屋頂和公建區(qū)(公共設(shè)施用地)屋頂;地面鋪裝選取2處代表性樣點(diǎn),分別為居住區(qū)地面和公建區(qū)地面;道路選取3處代表性樣點(diǎn),分別為城市支路、城市主干路和工業(yè)區(qū)道路;綠地選取1處公園綠地樣點(diǎn).

表1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)

降雨水質(zhì)采樣方法為利用采樣器采集全過程混合水樣.徑流水質(zhì)采樣方法為:自降雨產(chǎn)生徑流開始采集樣品,前30min每隔5min取樣一次;30~60min每隔15min取樣一次;超過60min每隔30min取一次水樣.以上水樣采集方法均遵守《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》[24].樣品采集后,在24h內(nèi)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)指標(biāo)包括TSS、COD、TN、TP、NH3-N、Cu、Fe、Pb、Zn.檢測(cè)方法參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》[25].本研究共實(shí)測(cè)3場(chǎng)降雨徑流事件,分別為2016年11月22日、2017年4月12日和2017年7月18日.

1.3 城市降雨徑流污染負(fù)荷計(jì)算

采用集成在流域水環(huán)境模擬工具系統(tǒng)里的非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型(PLOAD)方法計(jì)算徑流污染負(fù)荷.PLOAD是美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(USEPA)開發(fā)的BASINS系統(tǒng)中用來計(jì)算流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷量的模型,計(jì)算公式為:

式中:R為某土地利用類型的徑流深,取自SCS模型的計(jì)算結(jié)果;C為降雨徑流事件平均濃度,取自EMC計(jì)算值;A為各用地類型面積.本研究中將西部新城建成區(qū)內(nèi)的用地劃分為屋頂、地面鋪裝、道路和綠地4類,現(xiàn)狀建成區(qū)內(nèi)的面積分別為1155,1078,503, 2046hm2,規(guī)劃建成區(qū)內(nèi)的面積分別為2912,2891, 2231,8905hm2.

SCS模型基本原理為假定實(shí)際入滲量與土壤潛在入滲量之比等于實(shí)際地表徑流深與可能最大徑流深之比的基礎(chǔ)上建立,計(jì)算公式為:

=(-0.1)2/(+0.9) 當(dāng)>0.1(2)

=0 當(dāng)<0.1(3)

=(25400/CN)-254 (4)

式中:為實(shí)際地表徑流深,mm;為土壤潛在入滲量,mm;為一次降雨量,mm;CN為土壤綜合參數(shù).本研究中屋頂、地面鋪裝、道路和綠地的CN值分別取98,98,98和79.

由于降雨的不均勻性,某一時(shí)刻的徑流污染物濃度無法代表整個(gè)降雨過程中污染負(fù)荷,為解決這一問題,特引入EMC對(duì)徑流污染物濃度進(jìn)行估算.

式中:EMC是指單次徑流污染的平均濃度,mg/L;()是指時(shí)刻污染物的濃度,mg/L;()是指時(shí)刻徑流流量,m3/min;為降雨徑流時(shí)間,min.

1.4 GI技術(shù)情景設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)雨水管理技術(shù)的大量研究,城市徑流污染控制技術(shù)可分為源頭分散型技術(shù)和末端集中型技術(shù)2類,本研究選取應(yīng)用廣泛的3種源頭分散型技術(shù)(透水鋪裝、生物滯留池和植草淺溝)和1種末端集中型技術(shù)(調(diào)節(jié)塘)開展研究.各措施的布置方式為:將透水鋪裝布置于路面廣場(chǎng)(除機(jī)動(dòng)車道),用于消納地面和非機(jī)動(dòng)車道雨水;生物滯留池布置于附屬綠地(各類用地地塊內(nèi)的綠地)內(nèi),用于消納各地塊屋頂和地面排水;植草淺溝布置于沿市政道路的公共綠地內(nèi),用于消納市政道路排水.調(diào)節(jié)塘集中布置于濱河公共綠地內(nèi),對(duì)區(qū)域雨水進(jìn)行綜合控制.因此各措施可利用的用地類型分別為道路廣場(chǎng)(除機(jī)動(dòng)車道)、地塊附屬綠地、道路兩側(cè)公共綠地和河道兩側(cè)公共綠地,依據(jù)各城市用地面積及其對(duì)應(yīng)的建筑密度和綠地率,計(jì)算得到透水鋪裝、生物滯留池、植草淺溝和調(diào)節(jié)塘可利用用地的總面積分別為62.2,28.4,24.7和17.1hm2,占區(qū)域總用地面積的比例分別為34.2%、15.6%、13.6%和9.4%.

分別通過單項(xiàng)技術(shù)和技術(shù)組合的方式設(shè)置情景方案,其中單項(xiàng)技術(shù)型包括3種單源頭技術(shù)方案和1種單末端技術(shù)方案,技術(shù)組合型包括源頭組合和源頭-末端組合2種方案,共設(shè)置6種方案,詳見表2.各情景中技術(shù)措施比例為該技術(shù)措施占其可利用用地面積的百分比,根據(jù)珠海西部實(shí)際可行性和相關(guān)文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)[23,26-27]進(jìn)行設(shè)置.考慮到單項(xiàng)技術(shù)型情景的技術(shù)措施單一,因此單項(xiàng)技術(shù)情景中的技術(shù)措施比例取較高值,技術(shù)組合情景中的各技術(shù)均取較低值,且技術(shù)組合中的措施越多,設(shè)置比例越低.

表2 徑流污染控制情景方案

注:表中百分比均指措施占可利用土地類型的比例.

1.5 SWMM模型構(gòu)建與模擬

SWMM模型是動(dòng)態(tài)降水-徑流模擬模型,主要包括水文、水力和水質(zhì)模塊,能夠計(jì)算降雨地表產(chǎn)流、地表匯流、管網(wǎng)水動(dòng)力傳輸和水質(zhì)傳輸,可以對(duì)單場(chǎng)暴雨或者連續(xù)暴雨產(chǎn)生的降雨徑流進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬.該模型已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于模擬城市暴雨洪水地表徑流過程、污染負(fù)荷及雨水管理效果評(píng)價(jià)中,對(duì)不同流域均具有適用性.因此,本研究采用SWMM模型模擬不同情景方案的水質(zhì)控制效益.徑流污染控制一般包含TSS、COD、TN、TP、NH3-N等指標(biāo),根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研,各GI技術(shù)對(duì)COD的去除效果研究較少,對(duì)模型計(jì)算缺少必要的數(shù)據(jù)支撐,因此選取TSS、TP、TN和NH3-N4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行研究.

模型選用2012年(平水年)全年小時(shí)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,選取動(dòng)態(tài)波routing模擬水流運(yùn)動(dòng)過程,選取霍頓method模擬土壤下滲過程.模型依據(jù)中央水系(南段)匯水區(qū)的雨水管渠及排水口分布,共建立20個(gè)節(jié)點(diǎn)、20段管渠和14個(gè)子匯水分區(qū).各排水分區(qū)的面積、坡度、不透水比例,各節(jié)點(diǎn)的高程、各管渠的斷面參數(shù)、長(zhǎng)度、糙率系數(shù)等參數(shù)均通過基礎(chǔ)資料獲得,其他參數(shù)如透水區(qū)/不透水區(qū)的曼寧系數(shù)、蓄洼量,霍頓模型中的最大/最小入滲率等通過查閱模型用戶手冊(cè)和鄰近區(qū)域的文獻(xiàn)成果[3,28]獲得.水質(zhì)模型中污染物累積模型選取飽和函數(shù),污染物沖刷模型選取EMC.將污染物產(chǎn)生的用地類型分為屋頂、道路、地面鋪裝和綠地4類,各用地類型累積函數(shù)中的最大累積量和累積常數(shù)通過鄰近區(qū)域的文獻(xiàn)[3,29]獲得,EMC濃度來源于章節(jié)1.2監(jiān)測(cè)結(jié)果.各情景方案中的源頭GI技術(shù)通過LID控制模塊添加,由于研究區(qū)域地下水位較高,土壤入滲能力差,因此均采取底端防滲,埋設(shè)排水管的方式排除雨水;末端調(diào)節(jié)塘技術(shù)通過蓄水單元添加,蓄水深度為1.5m,底部防滲,排空時(shí)間按48h設(shè)置. SWMM模型中水文和水力參數(shù)、水質(zhì)參數(shù)、源頭GI結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見表3和文獻(xiàn)[23].

表3 SWMM模型主要水質(zhì)參數(shù)表

1.6 成本效益分析

國(guó)外[20-21]對(duì)成本效益分析的通用指標(biāo)為單位成本效益,具體計(jì)算方法為成本/效益或效益/成本.本研究的效益指各方案對(duì)污染物的削減量(2012年全年),通過SWMM模型模擬獲得.成本包含建設(shè)成本和維護(hù)成本,其中,建設(shè)成本單價(jià)參考《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》[30]中的低影響開發(fā)單項(xiàng)設(shè)施單價(jià)估算,同時(shí)結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),將生物滯留池、植草淺溝和透水鋪裝的建設(shè)成本分別定為400, 300和160RMB/m2;調(diào)節(jié)塘的建設(shè)成本定為300RMB/m3;維護(hù)費(fèi)用參考文獻(xiàn)[31-33],各措施每年維護(hù)費(fèi)用分別按照成本百分比的8%、8%、5%和5%進(jìn)行核算,維護(hù)壽命為20a.本研究擬通過成本/污染物削減量的方式計(jì)算得到各污染物的單位成本效益,單位為元(或萬元)/(kg·a).

2 結(jié)果與討論

2.1 城市降雨徑流污染特征

2.1.1 現(xiàn)狀不同城市下墊面徑流污染特征 依據(jù)天然降雨、屋頂、地面鋪裝、道路和公園綠地的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖2),各類城市下墊面地表徑流中COD、TSS、Fe、Zn、Pb污染物的平均質(zhì)量濃度明顯高于天然降雨;屋頂和綠地徑流中TP濃度與天然降雨相似,為0.02~0.03mg/L;各類下墊面徑流中TN、NH3-N和Cu濃度與天然降雨差別均較小.

對(duì)比各城市下墊面徑流污染情況,硬質(zhì)地表(道路和地面鋪裝)徑流中除TN濃度略低于屋頂,Cu與屋頂持平外,其它污染物濃度均高于屋頂和綠地(可達(dá)1.3~10.2倍).其中TP、TSS、Fe、Zn和Pb差異較大.道路和地面鋪裝相比,COD濃度兩者持平,道路徑流中Pb濃度是地面鋪裝的109倍(鋪裝為0.01mg/L,道路為1.09mg/L),其它污染物濃度地面鋪裝均略高于道路濃度(1.1~1.3倍).可見,各類下墊面中硬質(zhì)地表(地面鋪裝和道路)的徑流污染相對(duì)較重,特別是道路徑流中Pb濃度較高.

對(duì)比國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838- 2002)[34],天然降雨中的COD、Zn、Pb濃度滿足地表Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn),TP、NH3-N、Cu滿足地表Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn).屋頂?shù)腜b濃度滿足地表Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn),TP、Zn、Cu滿足地表Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn),NH3-N和COD達(dá)到地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn).硬質(zhì)地表中各污染物濃度差別較大,Cu滿足地表Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn),NH3-N和Zn滿足Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn),TP、COD和Pb為劣Ⅴ類,特別是Pb超標(biāo)嚴(yán)重.綠地的TP、Zn、Cu、Pb滿足地表Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn),NH3-N滿足地表Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn),COD滿足地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn).因此,天然降雨可達(dá)到地表水Ⅰ～Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn),屋頂和綠地可滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn),而硬質(zhì)地表污染較重,為劣Ⅴ類.

圖2 各下墊面污染物平均濃度對(duì)比

2.1.2 現(xiàn)狀城市雨水徑流排放過程污染特征 本研究選取2017年4月12日居住區(qū)屋頂和地面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析不同下墊面的TP、NH3-N、COD和TSS的濃度變化過程,由圖3可知,屋頂和地面在產(chǎn)生徑流的前20~30min,各污染物濃度下降顯著,有較為明顯的初期徑流沖刷效應(yīng).屋頂?shù)腘H3-N濃度在徑流前10min濃度達(dá)到1.92mg/L,為地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn).地面的TP、NH3-N和COD在徑流前10min濃度分別達(dá)到0.34,2.19,47.1~ 116mg/L,為地表水Ⅴ類或劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn).TSS濃度可達(dá)到437~554mg/L.因此,屋頂初期雨水中NH3-N濃度較高,路面初雨徑流中的TP、NH3-N和COD均較高,TSS污染尤其嚴(yán)重,會(huì)增加地表受納水體的污染負(fù)荷.

圖3 各下墊面徑流污染排放過程

圖4 西部新城規(guī)劃前后城市建設(shè)用地污染排放負(fù)荷

2.1.3 規(guī)劃前后城市非點(diǎn)源污染負(fù)荷分析 基于各下墊面平均濃度值,利用PLOAD模型計(jì)算得到西部新城(248.2km2)現(xiàn)狀和規(guī)劃建設(shè)后城市建設(shè)用地的TP、TN、NH3-N、COD和TSS排放量,城市雨水徑流污染排放負(fù)荷計(jì)算結(jié)果見圖4.規(guī)劃建設(shè)后城市非點(diǎn)源污染排放負(fù)荷為建設(shè)前的2.9~3.2倍.TP、TN、NH3-N、COD和TSS的排放負(fù)荷分別新增213.1%(9.0t/a)、189.9%(103.7t/a)、202.2% (36.4t/a)、219.3%(1946.2t/a)、215.6%(8721.8t/a).總體來看,由于未來新城發(fā)展,研究區(qū)內(nèi)土地利用劇變,城市建設(shè)用地面積大幅增加,城市非點(diǎn)源污染總負(fù)荷將顯著增加,因此有必要合理選擇綠色基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)緩解徑流污染壓力.

2.2 不同情景方案的成本效益分析

經(jīng)SWMM模擬,重點(diǎn)研究區(qū)(1.82km2)傳統(tǒng)方式規(guī)劃建設(shè)后的TSS、TP、TN和NH3-N的排放量分別為235310,223,2051和717kg/a.規(guī)劃中應(yīng)用綠色基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)情景S1~S6的各污染物負(fù)荷削減量及削減率分別見圖5.對(duì)于TSS負(fù)荷削減而言,情景S5的效果最優(yōu),削減率為57.4%,其次為S3和S6,S2的削減效果最差,削減率僅19.5%.在控制TP方面,情景S5仍為最優(yōu),削減率為30.7%,其后的S6、S4和S3削減率差異很小,均在27.5%~28.5%之間,S1和S2的削減效果最差,削減率僅為11.0%和12.0%.情景S4對(duì)TN的負(fù)荷削減效果最優(yōu),削減率為26.3%,S2和S3的削減效果最差,削減率不足10.0%.對(duì)NH3-N而言,最優(yōu)削減方案S5的削減率為45.6%,最差削減方案S2的削減率僅為8.4%.

圖5 各情景方案的污染負(fù)荷削減量

各情景(S1~S6)的總成本見圖6,其中S2和S5分別為總成本的最低(3862萬元)和最高(16839萬元)方案.含有透水鋪裝的S3、S5和S6成本均較高(S3、S6總成本分別為15936萬元和11954萬元),主要原因?yàn)檠芯繀^(qū)域可鋪設(shè)透水鋪裝的面積較大.總之,組合型情景的成本高于單技術(shù)型情景.

圖6 各情景方案的建設(shè)成本及維護(hù)成本

基于各情景的污染物去除效益和成本,進(jìn)一步分析了單位污染物削減成本(圖7),結(jié)果表明:單末端技術(shù)S4對(duì)TSS、TP、TN和NH3-N的單位削減成本均最低,分別為692元/kg、75萬元/kg、9萬元/kg和20萬元/kg.單源頭技術(shù)型S1和S2的單位效益成本僅次于S4.S1除對(duì)TP的單位削減成本較高外,對(duì)其他污染物的成本效益較好;而S2僅對(duì)NH3-N的單位削減成本較高,其他均較低.對(duì)于組合型方案S5和S6,其各項(xiàng)污染物單位削減成本均較高.由于透水鋪裝(S3)的總成本較高,因而成為單位削減成本最高的方案,對(duì)TSS、TP、TN和NH3-N的單位削減成本效益分別為1364元/kg、259萬元/kg、171萬元/kg和55萬元/kg.

根據(jù)以上結(jié)果可知,僅從效益方面來看,組合情景的污染物綜合控制效果總體上優(yōu)于單技術(shù)情景.源頭組合型方案(S5)較其他方案優(yōu)勢(shì)明顯,除對(duì)TN控制效果略低外,對(duì)其余3種污染物控制效果均為最優(yōu).源頭-末端組合型方案(S6)的綜合控制效果也較佳.在單技術(shù)方案中,S4和S3相對(duì)表現(xiàn)較好,而僅用生物滯留池(S1)或植草溝(S2)的單技術(shù)方案對(duì)各污染物控制效果都不佳.從成本效益方面來看,污染控制效果較好的組合型方案(S5和S6)在單位削減成本上卻很高;而單技術(shù)方案的源頭型生物滯留池(S1)和植草溝(S2)雖然污染控制效果不佳,但其單位削減成本很低.值得注意的是,單技術(shù)型的末端調(diào)節(jié)塘(S4),其效益表現(xiàn)居中,而各污染物單位削減成本均為最低.

2.3 討論

對(duì)快速城鎮(zhèn)化區(qū)域雨洪管理而言,組合型方案(源頭型組合與源頭-末端組合)是控制污染的較優(yōu)選擇,與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果一致[3,35-36].源頭型單技術(shù)方案中,生物滯留池(S1)、植草溝(S2)的污染物控制效益有限,且污染物單位削減成本并不低;而透水鋪裝(S3)雖然效益貢獻(xiàn)較大,但單位效益成本過高.末端型單技術(shù)(S4)值得更多重視,這類集中式的傳統(tǒng)BMP設(shè)施的性價(jià)比很高,而其污染控制效益僅略低于組合型技術(shù)方案,因此具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).在實(shí)際決策中,單位效益成本最低方案并非最優(yōu)選擇,需要進(jìn)一步考量其實(shí)際效益貢獻(xiàn).如單技術(shù)情景S1在NH3-N和TN的成本效益表現(xiàn)很好,但其實(shí)際效益總量很低,因而不是最佳選擇.然而,本研究還存在一定的局限性,在進(jìn)行降雨徑流污染特征分析過程中,本研究主要針對(duì)城市非點(diǎn)源的影響.若更加全面有效控制非點(diǎn)源污染,需考慮城市建設(shè)用地增加以及農(nóng)業(yè)用地減少所帶來的污染物負(fù)荷變化的綜合效應(yīng).另外,SWMM模型需要較多的參數(shù)輸入,雖然本研究進(jìn)了部分參數(shù)的本地化校正,在未來研究中需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來參數(shù)率定.

對(duì)于技術(shù)選擇和綜合決策而言,需進(jìn)一步權(quán)衡各GI技術(shù)情景的污染物削減總量和單位效益成本.未來有待于通過多目標(biāo)決策分析等方法進(jìn)一步加以研究.

3 結(jié)論

3.1 非點(diǎn)源污染特征方面:現(xiàn)狀建成區(qū)地面鋪裝和道路污染程度相對(duì)較重,TN、TP、COD、TSS和Pb為地表水Ⅴ類或劣Ⅴ類;屋頂和地面的初期徑流沖刷效應(yīng)明顯;規(guī)劃建設(shè)后城市用地的污染物排放負(fù)荷顯著增加,污染負(fù)荷量為現(xiàn)狀的2.9~3.2倍,對(duì)受納水體造成污染壓力.

3.2 污染控制效果方面:不同的GI技術(shù)方案對(duì)TSS、TP、TN和NH3-N的削減率為4.5%~57.4%.源頭組合型情景(S5)的污染負(fù)荷削減效果最佳,其TSS、TP、NH3-N的削減率分別可達(dá)57.4%,30.7%和45.6%.組合型方案(S5、S6)的綜合污染控制效果優(yōu)于單技術(shù)方案.末端型技術(shù)(S4)對(duì)TN、TP控制效果較好,源頭型技術(shù)(S1~S3)均在某一或幾項(xiàng)污染物削減效果上存在明顯弱勢(shì).

3.3 成本效益方面:末端型技術(shù)(S4)是單位削減成本最低的方案,對(duì)TSS、TP、TN和NH3-N的單位削減成本分別為692元/kg、75萬元/kg、9萬元/kg和20萬元/kg.而源頭型的透水鋪裝(S3)則是單位削減成本最高的方案.總體而言,單項(xiàng)技術(shù)方案在污染控制的成本效益表現(xiàn)上要優(yōu)于組合型方案,若要取得更好的污染控制效果,則還需投入更大的成本、采取組合型方案進(jìn)行污染控制.

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致謝：感謝珠海市環(huán)境保護(hù)局、環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站在調(diào)研與采樣期間的大力支持和幫助.

Study for green infrastructure approach on urban non-point source pollution control.

LUAN Bo1,2, YIN Rui-xue2, XU Peng3*, ZHAI Sheng-qiang2, WANG Xin2, TANG Xiaoyan1

(1.College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China；2.Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518057, China；3.School of Environmental Science and Engineering, Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, China)., 2019,39(4)：1705~1714

This study aimed to: (i) characterize the runoff pollution before and after urbanization; (ii) analyze the cost-effectiveness of different GI strategies and their combinations (CGIs); and (iii) provide the scientific basis for Multi-Objective Decision-Making for the Sponge City planning. Using the rapidly developing Western New City of Zhuhai as the case study, we analyzed the characteristics of the current urban rainfall-runoff pollution and the changes of pollution load before and after planning through field monitoring. To evaluate the performance and cost-effectiveness, six GI and CGI scenarios were considered with the use of SWMM modeling. The results indicated that: (1) under the current condition, heavy runoff pollution (inferior to water quality class V) was identified for roads and paved ground in the developed areas; (2) there existed obvious initial flush effect from roofs and ground; (3) after development, the runoff pollutant loads were 2.9~3.2 times as those under current conditions; (4) the CGI (source/source-terminal controls) yielded better overall performance than the single GIs, however its cost per unit of pollutant reduction was higher; (5) among the single GIs, the detention basin yielded the lowest cost per unit of reduction, and it also effectively reduced TN and TP; (6) bio-retention and vegetated swale also yielded low reduction cost, but they could not effectively reduce the pollutant load; and (7) the reduction cost per unit of permeable pavement is the most expensive among all considered single GI strategies. Overall, the cost-effectiveness performance of single GI was superior to the CGI in pollution control. The single GI strategies were more cost-effective compared to CGI strategies; however it was necessary to invest more to adopt the CGI strategies in order to achieve better pollution control results.

green infrastructure；non-source pollution；SWMM；sponge city；cost effectiveness

X321

A

1000-6923(2019)04-1705-10

2018-09-28

珠海市政府采購(gòu)單一來源項(xiàng)目(ZHGJ2016-016)

*責(zé)任作者, 博士, xup@sustech.edu.cn

欒 博(1983-),男,北京人,北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生,研究方向?yàn)榫G色基礎(chǔ)設(shè)施與環(huán)境景觀規(guī)劃.發(fā)表論文14篇.