蔣玖璐總工：他山之石——美國城市雨水控制設施介紹和啟示
城市受納水體：溪流、湖泊、河流和海洋
受納水體有多種規劃用途：
● 雨水輸送（降低洪水風險）；
● 完善生態系統（動植物的棲息地和生態多樣性）；
● 非接觸式娛樂（公園、景觀和游船）；
● 接觸式娛樂（游泳）；
● 供水水源。
● 達到峰值流量的時間提前
● 徑流量增大
雨水控制設施以調蓄池為例：將相應重現期的峰值流量控制在開發前水平或低于開發前水平。
2、城市化對徑流水質的影響
徑流攜帶污染物：氮、磷、重金屬、碳氫化合物泥砂、病菌、有機物、氯化物、顆粒物、殘渣。
污染物來源 ：化肥農藥、機油、剎車片殘渣、寵物和家畜糞便、人工除雪的鹽分、施工現場的泥砂、街道上的垃圾、流經熱鋪砌地面的雨水。
雨水控制設施主要工藝：沉淀、吸附、沉析、過濾、光合作用、硝化和反硝化、降溫、消毒、攔截、光降解、氧化還原。
3、城市化對河道形態的影響
● 徑流量的增大和水流暫時性的分布改變會加速對河道的沖蝕，導致了河道斷面和平面改變。
● 城市化流域中泥砂負荷的增加主要源于對河道的沖蝕，河岸沖蝕帶來的泥砂量約占泥砂負荷量的2/3。
雨水控制設施：如調蓄池削減降雨峰值，排放加大了沖蝕性水流在河道中的歷時和頻率，對于砂質河床，河道可能被刷深，設計時應考慮過量剪切應力的大小和持續時間。
4、城市化對水生生物的影響
● 大多數生態系統和生物體并不適應城市雨水系統帶來的物理、化學和溫度的變化，熱效應有助于藻類的繁殖，加劇氧氣消耗和缺氧。
● 河床和河岸的沖蝕、沉積和水力條件的改變重塑了生物棲息地環境，導致具有耐受性動植物群的替換，如濕地失去了典型的植物物種，而被雜草和外來植物所代替。
● 雨水排放可能會影響下游生物體的避難所，透明度、溫度或pH的變化可能中斷溯河產卵的魚類洄游的路線，河邊植被的破壞會消滅河流源頭的主要初級食物源。
● 水力泥砂的變化會影響泥砂和礫石砂丘的穩定性和產卵地質量、躲避洪水的安全地帶。
● 受工業或市政排污影響的城市河段擁有缺乏多樣性和以耐污染有機物為主的水生族，如食蚊魚和水絲蚓。
采用雨洪控制措施時需要掌握受納水體的特性：受納水體是湖泊，需加強磷和氮的控制；受納水體是鱒魚溪流，重點是溫度和重金屬的控制。
雨水控制目標和控制設施
1）補給蒸發R/EV
地下水補給：指雨水對淺層和深層含水層的入滲。雨水淺層入滲成為土內水流的一部分，部分入滲水從植物中蒸騰或從土壤中直接蒸發。過量的入滲水到達更深的土壤，存儲在含水層中，成為區域地下水系統的一部分 。
2）水質保護WQV
目的：雨水排放前去除雨水中污染物。水質標準確定雨水控制設施規模，決定需要截留和處理一定比例的年均降雨量或徑流量，可通過連續的水文模型模擬，或給出一個明確的總量，如年均徑流量的80％～90％，或規定一個頻率的降雨徑流截留量，如85％的降雨產生徑流被截留。
3）河道保護CPV
目的：減小對河道的沖蝕。為了保護河流周邊財產、地貌或穿越河道的基礎設施，如水生動物棲息地。CPV是通過降雨和徑流統計得到的，通過入滲、蒸發蒸騰、雨水截留來減少CPV，并將剩余徑流量以不造成沖蝕的流速排放。
目的：保護河道沿岸財產不會被淹沒河灘的暴雨損壞，也用于確定排水系統以及跨河橋梁的設計標準。保障在特定情況下的峰值流量維持在一定范圍內或在雨水輸送系統中使水位保持在某一個高程內。
5）極端洪水保護EFV
保障在特定情況下的峰值流量維持在一定范圍內或在雨水輸送系統中使水位保持在某一個高程內。
低流量和高流量雨水排水系統示意圖：
徑流量截留率：截留的徑流量占年總徑流量的百分比。
相對截留量：每場降雨的徑流截留量除以99.9%概率降雨徑流量。
最佳WQV：截留效率最大時的徑流截留量，最佳點在徑流量累積分布曲線切線值1:1處。
本例：在99.9%降雨概率（對應徑流量77.2mm）的暴雨中18%的相對截留量對應徑流量13.9mm的流域雨量處理容量，可以截留約83%的年總徑流量。
1）降雨強度-歷時-頻率曲線（IDF曲線）
確定特定降雨重現期及歷時下的總雨量。
2）累積概率分布曲線
截留“較小”降雨的地表徑流，可以使大部分降雨產生的地表徑流得到處理。
對佛羅里達州奧蘭多市以及俄亥俄州辛辛那提市40年的日降雨累積概率分布數據進行分析，在辛辛那提能產生徑流的雨量為2.5mm，奧蘭多為1.5mm。奧蘭多年均降雨量1270mm，其中90%的降雨小于36mm。辛辛那提年均降雨量1020mm，其中90%的降雨小于20mm。累積概率90%基本代表了確定WQV的效果遞減點，這是因為即使再明顯提高處理設施的容量，取得的效果也極為有限。
1）WQV=ζRv*a*Pavg*A
ζ：徑流系數的折減系數
Rv：徑流系數
Pavg：日均降雨量(mm)
a：雨水截留率
A：匯水面積（m2）
2）Rv=0.858i3-0.78i2+0.774i+0.04
Rv=0.05+0.9i
i：不透水面積比例
4、典型雨水控制設施的進出水污染物濃度
較平的橢圓表示排放濃度比較穩定且與進水濃度相關性不大。較陡的橢圓表示排放濃度受進水濃度影響較大。濕塘和濾池的出水中大部分污染物濃度都較低，干塘的處理效率相對低一些，植草溝的處理效率受進水濃度影響相對較大。
5、雨水控制設施及功能
常見控制設施的典型應用
1、干塘
1）水量控制：臨時滯留雨水，削減峰值，由進出水結構和干塘底入滲量決定。
2）水質控制：沉淀作用，植被型干塘比混凝土調蓄池的除污染能力強，是由于附著在沉淀物上的污染物釋放，而干塘的植物對滯留的沉淀物具有穩定作用。
3）適用條件及特點
所需土地面積較大；需要與基巖有足夠大的距離放坡；地下水位應較深；僅能去除沉淀性污染物效率不高；外觀不佳，因為進水口處有累積的沉淀物和垃圾以及干燥、裸露、泥濘區域；不良植物和外來入侵植物瘋長等。
4）設計要點
進水口：TSS中50%在此沉淀，設碎石防沖墊層、跌水井等消能設施；兩級結構：下級結構在塘出口處，深0.5-1m，防止大塘積水；邊坡：不小于3:1，通常4:1，防沖蝕，保證安全；流槽：曲折增加停留時間有助降雨初期提高去除率，排水減少對沉淀物擾動；植被：種植耐水本地草類，提高沉淀效率、防沖蝕；分層出水口：50%WQV在前1/3時間內排空，50%WQV在后2/3時間內排空，可提高小顆粒SS去除效果；設格柵；設置檢修通道；排空時間24-48hr。
1）水量控制：削減峰值，由進出水結構和塘底入滲、塘內水分蒸發、植物水分蒸散量決定。
2）水質控制：沉淀作用；有機物降解、硝化反硝化、病原體衰亡；污染物通過沉淀和吸附于底泥和水體內；溶解性磷酸鹽與鐵、鋁、錳的氧化物發生反應，溶解性金屬和硫化物及有機物發生反應；陽光照射產生的光降解作用可分解石油烴、殺蟲劑和個人護理用品等有機物；也會有捕食病原體的阿米巴蟲、輪蟲等高等級生物生存。
3）適用條件及特點
所需土地面積較大；太陽輻射水溫升高，不適合在敏感的受納水體（魚類產卵孵化區）上游；不設在礫石或喀斯特地貌上，考慮對地下水質的影響，一般雨水中污染物0.4-0.9m土層內被去除；旱季應有補充水源；對污染物去除方面效率高；景觀作用對養護要求高；吸引野生動物，導致營養物和病原體增加等。
4）設計要點
前置塘：硬化底板，大顆粒SS在此去除；進口：設拋石墊層、跌水井等消能設施，形成擴散流；前置塘與塘體間：覆蓋濕地植物的平臺；保持推流狀態：長寬比≥3:1、入口逐漸變寬出水口逐漸收縮、設置隔板或土丘減少短流措施；永久塘容積：至少等于WQV，2-3倍較好；調節塘容積：永久水位以上調蓄區滿足CPV、OFV或EFV；開闊水域深度：大于陽光透射深度，避免挺水植物生長，約2-2.5m；塘體周邊濱水區：種植挺水植物為水生和濕地動物提供棲息地，阻擋公眾涉水，寬度≥3m，水深15-30cm，占永久塘體面積25-30%；邊坡：通常4:1，防沖蝕，保證安全；濕塘底部土壤：不可為高透水性土壤，對塘底0.3m土層壓實混入黏土；出水口：泄洪標高上至少有0.3m超高；出水口處設格柵；設置檢修通道。排空時間12hr左右。
1）水量控制：削減峰值，由濕地內水分蒸發、植物水分蒸散量決定。
2）水質控制：濕塘的一種變形，用于去除溶解性污染物；沉淀作用；有機物降解、硝化反硝化、病原體衰亡；污染物通過沉淀和吸附于底泥和水體內；溶解性磷酸鹽與鐵、鋁、錳的氧化物發生反應，溶解性金屬和硫化物及有機物發生反應。
3）適用條件及特點
美觀性與野生動物棲息適應性較濕塘好，占地面積更大；比濕塘水頭損失大；出水溫度可能上升，不適合在敏感的受納水體（魚類產卵孵化區）上游；建于公眾活動區域的安全問題；植物密集易引發蚊蟲滋生；不能設在不穩定的坡地上；應有補充水源；對污染物去除效率高；景觀作用對養護要求高；吸引野生動物，導致營養物和病原體增加等。
4）設計要點
前置塘：硬化底板，大顆粒SS在此去除；進口：設擋板消散水流；面積分配：前置塘、出水口、開闊水面占濕地總面積30-50%，深度0.6-1.2m，挺水植物種植區占濕地總面積50-70%，深度0.15-0.3m；植物：耐水位、鹽度、溫度和PH大幅變化，多年生植物與一年生植物混種，落葉量適中，污染物去除效率得到驗證；濕地周邊：安全濕地平臺，寬度約1.2m，水深低于0.3m，邊坡≥4:1，穩定平緩，保證安全；濕地底部土壤：現有濕地底泥置換表層土0.1-0.3m，原有底泥可提供根芽、種子、小型底棲動物等，使土壤處于飽和狀態1周有助于種子發芽；出水口：排空時間12-24hr，出水口處設格柵；設置檢修通道。
1）水量控制：峰值削減主要在預處理池完成，本體能削減一定峰值，通過池底入滲和濾料孔隙水蒸發。
2）水質控制：沉淀及過濾作用。
3）適用條件:要求場地平整，在地下高水位0.6m以上，考慮入滲要高出1.2m以上。
4）設計要點
預處理單元：大顆粒SS在此去除，V≤25%WQV；進口：配水均勻；本體：濾層上水深＜1.2m，V≥0.75WQV；設置二級溢流口；濾料：滲透系數0.6-1.2m/d（0.6-6m/d），有效粒徑D10=0.3mm（0.15-0.45mm），均勻系數k60=2（1.5-3.5），厚度0.45-0.6m，高濾速濾池采用粗濾料1-2mm；集水系統：碎石墊層-穿孔管-碎石，碎石墊層厚300mm，粒徑2-5cm，穿孔管孔徑10-13mm，滲透系數＞6m/d不設集水系統，排空時間12-48hr；邊坡：通常3:1。
1）水量控制：峰值削減主要在預處理池完成，本體能削減一定峰值，通過池底入滲和植物蒸散。
2）水質控制：沉淀、濾料吸附及過濾作用，植物新陳代謝作用實現有機物降解。
3）適用條件:要求場地平整，在地下高水位0.6m以上，考慮入滲要高出1.2m以上。
4）設計要點
預處理單元：大顆粒SS在此去除，匯水面積小可不設；本體：濾層上水深0.3-0.6m；碎樹皮護根層：濾池表面，厚度＜70mm，每年更換一次；濾料：高滲透性砂/細顆粒礫石（50-70%）-堆肥（10-20%）-木屑/護根層（5-20%）-壤土（10-25%）的混合物，滲透系數0.3-6m/d，PH5.5-6.5，厚度0.6-0.9m，最厚1.5m（深根植物），均勻系數＞6；進口：消能防沖蝕；集水系統：碎石墊層-穿孔管-碎石，碎石墊層厚300mm，粒徑2-5cm，穿孔管孔徑10-13mm，滲透系數＞6m/d不設集水系統，排空時間12-24hr；植物：濕地植物、雜草、深根植物等多樣性本地植物。
1）水量控制：土壤水蒸發和植物蒸散，通過排水控制峰值削減。
2）水質控制：沉淀、吸附、過濾作用，植物新陳代謝作用實現有機物降解。
3）適用條件:合理的排水、防水措施、荷載約束。
4）設計要點
全屋頂綠化：土壤薄80-200mm，使用耐旱植物（肉質植物、禾草、苔蘚）幾乎不需維護，植物多樣性低，不對外開放，完全浸水50-170kg/m2；屋頂花園：土壤厚600（灌木）-800mm（小型樹木），植物多樣性高，對外開放，完全浸水240-1500kg/m2；屋頂底板：混凝土或金屬，要求耐腐蝕，坡度0.02-0.05，不透水膜：惰性材料，水吸收量＜1%，蒸汽透過量＜0.2perms，可現場粘結，強度高，改性瀝青膜、熱熔橡膠瀝青膜等。根障層：防止植物根系穿透排水層；排水層：與屋頂雨水口相連。
1）水質控制：撇除漂浮物，配備擋罩的雨水口。
2）適用地點：設在集泥井或存水的雨水井出口處。
3）設計要點：罩體底邊低于出水管底，低于井內水位，罩體底設置格網。考慮過罩體水頭損失，避免雨水從井內溢出溢出。
原創: 蔣玖璐