雨水系统运行回归设计状态是城市雨天污染控制的关键
雨天排水污染是影响当前城市水环境质量提升的限制性因素，雨水系统运行回归设计状态是城市雨天污染控制的关键。围绕雨天排水污染控制这一难题，从雨水系统设计状态涵义、雨水系统如何回归设计状态及回归设计状态过程中的关键控制举措三方面展开论述。遵循现行国家标准设计的完全分流制雨水系统，按照设计状态运行可以有效实现入河污染控制；污染动态溯源排查整治让雨水和污水“各行其道”、强化城市排水管渠检测修复保障运行水位可从技术手段上使雨水系统回归设计状态，长效管理和智能运维是雨水系统保持设计状态的关键；同步提出雨水系统回归设计状态过程中可采取基于雨水口截污源头减排、合流制区域排水户雨天污水排放管控等措施。
[引用本文]王盼，陈嫣，吕永鹏，等. 雨水系统运行回归设计状态是城市雨天污染控制的关键［J］. 给水排水，2024，50（4）：40-45.
前言
随着城市黑臭水体治理和生活污水处理提质增效工作的推进，城市污水收集效率大幅上升，2022年我国城市的平均污水集中收集率达到70.06%，提前满足《“十四五城镇污水处理及资源化利用发展规划》到2025年力争达到70%以上的要求。当前，旱天污水直排现象已大幅削减，城市水环境质量明显提高，然而雨天河道水质经常反复，是限制水环境质量进一步提升的瓶颈。为控制雨天污染，各地实际操作中较多采用末端排口截流调蓄等方式，目前看仍然是排水系统污染负荷快速削减的有效途径，在中小降雨情况时可大幅减少溢流污染频次，缓解河道水质污染，但在大雨排放时径流面源污染、混接污水、管道积存水、管道沉积物、垃圾漂浮物等集中大量排入河道，对河道水体造成冲击性污染，导致雨后部分河道水质不稳定，甚至出现短时黑臭现象。在日常雨水管道高水位运行等状况下，仅靠末端排口调蓄截流不能彻底解决雨天河道水质反复问题。如何系统解决城市雨天排水污染是当前行业亟待研究解决的难题，笔者认为，排水系统运行回归设计状态是城市雨天污染控制的关键。
1、雨水系统设计状态涵义
雨水系统的管理目标除内涝防治外还包括径流污染控制。《城乡排水工程项目规范》规定：分流制排水系统应分别设置雨水管渠和污水管道，不得混接、误接；《室外排水设计标准》规定；分流制排水系统禁止污水接入雨水管网，并应采取截流、调蓄和处理等措施控制径流污染。雨水系统设计状态指遵循标准设计的完全分流制雨水系统，应满足四个条件：①排水分区服务面积、排水模式合理；②边界清晰，与周边系统特别是合流制无连接；③雨水管渠旱天见底，无污水；④设置源头减排等设施控制径流污染。另外，排水模式应遵循“自然生态排水”原则，尽量采用分散自排模式，避免集中排水带来的强冲击负荷。防汛保障要求高的重点区域可采用强排，同步注重污染管控。
完全分流制雨水系统可以有效实现入河污染控制：以华东某市新开发区域SY雨水系统为例（图1所示），系统内建设用地面积59%，道路交通设施面积15%，公园绿地面积26%，通过长期数据监测，雨水系统雨天排水SS平均浓度约42mg/L、COD平均浓度33mg/L、氨氮平均浓度1.1mg/L，优于地表Ⅴ类水标准，雨天对河道水质影响较小。另外，完全分流制雨水系统，在高密度城市化地区，源头减排设施落实困难区域，可通过末端截流-调蓄实现污染控制，以上海为例，末端截流调蓄5mm，可截流全年74%的降雨场次和35%的降雨量，经测算可基本满足区域水环境功能区划要求。
图1华东某市新开发区域SY雨水系统概况
2、雨水系统如何回归设计状态
实际过程中随着长时间运行，由于建设时序不同、施工质量和管材质量参差不齐、管理维护不到位等原因，雨水系统内存在污水混接、高水位运行、淤积堵塞严重等问题。让排水系统运行逐渐回归设计状态应从污染溯源排查与整治、管道清淤与检测修复、长效管理与智能运维三方面进行。
2.1污染溯源排查与整治
2.1.1排水污染负荷
雨水系统排水污染主要由三方面构成：一是地表雨水径流携带的污染物；二是雨天排放期间，流入雨水管道的混接污水；三是管道中蓄积污染物，包括旱天积存于管道的积水和积泥污染等。以上海4个典型分流制系统为例（90年代初期建设，总服务面积约11 km2），通过典型下垫面、混接污水和雨天泵站排水多次实测采样分析测算，地表径流COD污染物排放量约占泵站入河污染总量的40%左右，管道沉积污染物约占59%，雨水排放期间流入雨水管道的混接污水污染比例仅约1%。徐祖信等也指出管道沉积污染负荷约占雨天溢流负荷60%以上。管道沉积污染多是高水位运行引起，旱天混接污水、环卫冲洗污水、路面冲洗污水、洗车污水等进入管道后积存，而设计状态时雨水管渠多为空管，混接污水以及通过接口、裂缝渗入的地下水等，通过日常开井目视巡查即可发现，大幅提高溯源诊断效率。
2.1.2 雨污混接溯源排查
相关研究表明，长江中下游城市排水管网雨污混接比例平均约为26%，最高可达70%，长江下游某市中心城区90%以上的分流制管网存在不同程度的混接，问题严重。长三角某市自2015年起开展分流制地区雨污混接排查和整治工作，经相关统计，住宅小区混接个数占比约20%，企事业单位占比约35%，沿街商铺占比约35%，市政混接约3%，其他混接如露天洗车、临时大排档污水违法倾倒至路面雨水收集口等约7%，近90%混接均是由源头排水户引起，做好排水户的基础排摸、长效管理是消除混接的关键。
雨污混接溯源排查方法以低水位下人工开井检查为主要手段，水质水量检测以辅助判别。在服务范围或排查难度较大的排水系统，可通过节点水质水量水位监测和水质特征因子法等手段，进行混接区域筛查，缩小排查范围，快速精准发现问题。美国国家环保署发布的《雨水管网非常规径流污染源调查指南》中提出了基于水质特征因子的雨水管网污染源调查技术方法，选择能够表征不同来源（如生活污水、工业废水、地下水等）的水质特征因子，建立区域水质特征因子数据库，通过旱天和雨天管网末端水质监测，基于管网入流和出流质量守恒方程，定性、定量判定雨水管网混接、外水的来源及不同来源的水量。该方法在国内也得到实践应用，朱弋等针对上海某分流制雨水系统开展溯源排查，以水量水质检测和解析结果为引领，只用全面调查所需四分之一的工作量，即快速聚焦系统主要问题管段，揭示问题产生的原因。此外，近年来国际上将光纤分布式测温方法引入排水管道，通过基于沿管道内铺设的光纤长时间高精度、高频率感知管道内介质温度变化特征，进而分析识别管道内入流点位。国内尹海龙等在 50m 长的污水管道内开展光纤分布式测温技术的旱天污水和雨天入流实时监控, 提出了污水管道内部水温自然变化的背景噪声值、以及入流污水、雨水的温差变化。该方法可应用于管道高水位运行工况，但对专业技术要求高，需大量数据进行入流入渗点的研判定位。
2.2 管道清淤与检测修复
雨水管道存在部分地下水渗漏，但不影响管底可见的情况，是可以在设计范围内接受的。但由于结构损坏严重导致管道水位超过半管甚至满管、承压运行状态后，会给运行管理带来较大难度，当小流量雨水或污水流动时，流态变化更易沉积；另外，高水位状态下清淤难度大，难以判断是否清淤彻底。针对管道结构健康状况，国际上较早开始研究实践，建立了较完善的检测修复清淤维护制度。德国根据《管网监测法规》要求，城市内所有管道每年都需要由业主进行监测，同时业主可按照需要每两年对管网进行一次冲洗；每15年对整个管网完成一次CCTV检测分析并由注册管网修复工程师进行评估和决策。日本一般管网的检测周期3年，30年以上管龄的检测频率加密，受餐饮业污染的油垢管道一年冲洗二次，排水管渠积泥超过5%即进行维护。近年来，全国各城市均开展了排水管渠检测修复工作，以华东某市为例，近十年来已完成全市管龄10年以上近2万km的管道检测，并根据管道缺陷等级陆续开展修复工作，图2所示为华东某市某分流制区域雨水管道结构缺陷类型统计情况，以管道渗漏、腐蚀和破裂为主，约占80%以上。此外，根据日本相关资料，排水管道使用超过25年特别是超过40年后，发生塌陷事故次数成倍增加，建成使用后40年开始，每年百公里发生50起以上事故。郭宰宏等分析了北方某内陆城市排水管道塌陷情况，使用超过30年的管道6年内百公里发生塌陷事故数量约42起。
图2 某区域雨水管道结构性缺陷类型及占比情况
不管从水环境控制还是从道路塌陷安全防范角度，均应强化城市排水管渠的检测修复工作，遵循"定期检测—计划—修复—再检测—再计划—再修复”良性循环，综合区域位置、管道使用年限、管道功能、管道材质等因素，结合信息化手段有计划地开展超前性诊断和修复工作，有针对性地制定和实施养护修复方案，保障管道运行水位可恢复至设计状态，并从根本上消除排水管渠安全隐患。
2.3 长效管理与智能运维
2.3.1 雨水管理制度
发达国家和地区已建立较完善雨水管理制度，许多经验值得学习借鉴。以美国市政分流制雨水排水系统（MS4，Municipal Separate Storm Sewer Systems）管理为例，将雨水排放纳入美国国家排污许可系统（NPDES），要求人口为50 000以上的城市化区域需要制订MS4计划才能合法将雨水直接排入水体中，MS4计划必须包含6个最低控制措施（MCMs），即：公众宣传与教育、公众参与、非法排污控制、建筑工地径流控制、建设后期雨水管理、源头径流污染控制，同时提出每个MCM下的最佳管理措施（BMPs）和可衡量目标。此外，要定期编制雨水管理报告，对MS4计划的实施情况进行总结。国内雨水管理应更注重系统性和智能化，建立城市排水系统智慧化管控平台，从径流产生源头、雨水管渠、末端排口全过程以及规划、设计、建设、运维全方位制定系统实施计划，从技术角度上突破住建、水务、绿化等行政管理边界，以效果为导向，因地制宜制定源头地块、排口管控目标。需要说明的是，智能运维和管理系统应力求简约，并加强成本效益分析。
2.3.2 排水户长效管理与智能运维
结合近年来多地提质增效经验，大部分雨污混接由源头排水户引起的，即使经过雨污分流改造的排水户，由于内部设施维护管理不到位等原因，雨污混接新增、回潮现象仍很普遍。建立完善合理、经济可行的排水户长效运维管理制度势在必行。第一，应摸清底数，结合信息化、智能化手段，对区域内所有直接或间接排入市政管道或水体的排水户进行普查，通过收集排水户名称、联系人及联系方式、四至范围、内部排水设施、出门井位置、排水许可办理等基础信息，建立排水户和排水系统的管道拓扑关系，明确排水系统范围内的排水户数量、类别等，为后续管理提供基础支撑。第二，通过行业管理、日常宣传及行政告知等多种方式落实排水户内部设施运维责任人，落实专业运维工作；排水行业管理单位应建立排水户外部巡查和内部抽查的监管考核机制，及时发现问题并处置。第三，通过对水量较大、污染较重的重点排水户出门井处加装电导率仪、流向仪等成本低、易维护、高灵敏度的监测设备，可实时发现混接问题。第四，排水户信息应定期更新，并纳入城市排水系统智慧化管控平台。
2.3.3 城镇公共排水管道长效管理与智能运维
针对城镇公共排水管道，通过周期性检测修复清淤，保证管道健康，通过智能化调度，实现按照设计水位运行；通过加强日常巡查，旱天及时发现雨水管道内混接问题。同时，针对餐饮、商场聚集等重点排水区域，借助摄像头AI识别污水倾倒入雨水口违法行为等技术，加强公众宣传、专项执法。此外，建立末端问题发现机制，根据河道水质变化、雨天排口水质或旱天管道水质等指标及时发现排水系统问题，如上海针对强排雨水泵站，当雨天排水水质平均COD浓度超过40mg/L时，即启动该排水系统溯源排查整治工作，保证河道水环境质量。针对淹没式出流自排雨水系统，可在旱天中上游位置抽检COD或氨氮等水质指标，以评判是否存在雨污混接等问题。排水管道信息应定期更新，并纳入城市排水系统智慧化管控平台。
3、回归设计状态过程中的关键控制举措
雨污混接排查整治、管道检测修复是系统性中长期工程，雨水系统回归设计状态不可能一蹴而就，需要有个螺旋式发展过程，可采取下列举措。
3.1 源头减排控制径流污染
在新、改建项目中，通过设置雨水花园、植草沟等分散式源头减排设施，可有效削减径流污染，各地海绵城市建设实例已充分证明源头减排设施的控制效果。但对于高密度建成区，限于场地条件和服务范围，源头减排设施应用较困难，可结合分布广、服务面积大的雨水口设施，通过加装垃圾拦截、截污过滤等设施，减轻入河污染。以上海城区某排水系统为例，通过对468个雨水口加装挂篮，两个月内共清捞垃圾约2 300 kg，每年仅雨水口即可拦截垃圾近2万t。挂篮仅对塑料包装袋、树叶等体积较大垃圾有拦截作用，对于水环境要求高、雨水花园等绿色设施难以实施的区域，可在挂篮基础上，加装截污过滤模块，通常采用填料、滤网等形式，在不显著影响排水能力的前提下，进一步对径流中的悬浮固体等物质进行过滤，实现悬浮固体去除率在50%以上。
3.2 末端截流-调蓄-处理削减系统污染
在当前雨水系统混接改造尚未完成的情况下，通过末端截流-调蓄-处理可有效削减入河污染。上海较早在国内建设污染控制调蓄池，截至2023年，已完成近20座调蓄池建设运行，环境效益显著，以某分流制系统DW调蓄池为例（单位面积调蓄深度5mm），2023全年对雨天入河水量控制率平均可达47.5%，污染物控制率可达60%。但目前污染控制调蓄池出水以远距离输送至末端污水厂为主要出路，考虑到未来调蓄规模扩大将增加污水厂负荷，以及日益严格的双碳目标和水资源回收需求，调蓄水就地处理后排放或回用将是一项技术选择。目前国内仅对城镇污水厂处理排放标准进行规范，尚未将雨天排水污染纳入排污许可管理制度，也没有明确的就地处理设施的排放标准。
借鉴国内外相关标准及污染控制发展进程，建议分阶段制定就地处理设施控制标准。近期可以将部分水质较差或排放污染物负荷量大的排口纳入排放许可管理，允许旱天处理达标后排放。排放标准可以参考《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准（COD≤50mg/L、氨氮≤2mg/L）；雨天可以制定较为宽松的管控标准，比如SS排放浓度日均值不大于50mg/L、年 TSS 总量削减率≥70%等。远期结合水环境改善情况和处理设施能力等，逐渐提出更为合理的污染控制标准。
3.3 合流制区域排水户雨天污水排放管控
对于合流制系统，在末端截流、污水处理厂规模难以提升的情况下，除通过源头减排控制径流污染外，为削减合流排水系统内污水排放对水体污染，参照分流制系统雨天调蓄污染雨水思路，可对合流制系统雨天污水进行调蓄。有条件的区域针对大体量商场、餐饮等排放污染负荷较大的源头排水户，设置污水调蓄设施，雨天时启用，管控削减排入合流管道的污水量，旱天正常排放保证下游污水厂进水浓度。以华东某市中心城区某合流制排水系统为例，服务面积约1.4km2，人口密度约2.6万人/ km2，范围内约近10处大型商场，每天日排水量约2 000m3/d，水量约占区域污水总排水量30%，通过分散设置雨天污水调蓄设施，以截流倍数n=2计，中雨25mm降雨条件雨天排水污染负荷可削减约30%，大雨50mm降雨条件雨天排水污染负荷可削减约15%。
4、结论与建议
城市雨天排水污染控制专栏
（1）遵循现行国家标准设计的完全分流制雨水系统，按照设计状态运行可以有效实现入河污染控制，保障水环境质量。雨水排水应遵循自然生态排水原则，注重生态和绿色设施的利用，在新建区域排水模式选择时，优先采用分散自排模式。防汛保障要求高的重点区域可采用强排，同步注重污染管控。
（2）污染动态溯源排查整治让雨水和污水“各行其道”、强化城市排水管渠检测修复保障运行水位可从技术手段上使雨水系统回归设计状态；长效管理和智能运维是雨水系统保持设计状态的关键，建议从径流产生源头、雨水管渠到末端排口全过程以及规划、设计、建设、运维全方位制定系统实施计划，以效果为导向，因地制宜制定排水户、排水系统管控目标。
（3）建议强化排水户长效管理和智能运维，智能运维和管理系统应力求简约，并加强成本效益分析。在排水户底数摸清基础上，进一步落实排水户内部设施运维责任人，落实专业运维工作，建立排水行业监管考核机制并严格贯彻落实。同时进一步强化城镇公共排水管道长效管理和智能运维，加强公众宣传和专业执法等，以效果为导向，建立并落实问题发现及闭环处置机制。
（4）雨水系统回归设计状态是系统性中长期工程，不是一蹴而就的。过程中可采取基于雨水口截污的源头减排、末端截流-调蓄-处理、合流制区域排水户雨天污水排放管控等方式，削减入河污染。
（5）在管道结构健康、雨污混接基本消除的情况下，可找寻水安全、水环境的两水平衡运行模式，旱天保持设计状态，中、小雨时，充分利用管道调蓄和末端调蓄体积蓄存雨水，通过缓排、处理等方式削减入河污染负荷；大、暴雨时，采用快排模式，保障排水安全。
