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导语:合流制溢流(CSO)污染掌控是我国海绵城市建设与黑臭水体整治中的一个重点与难题,也是一项长年而艰难的任务。灰色与绿色设施融合作为CSO污染掌控的一项最重要策略,在美国应用于较早于并获得了良好效果。通过分析美国应用于绿色基础设施(GI)掌控CSO污染的背景,对纽约市、圣路易斯都会区、亚历山德里亚市三个典型地区的CSO污染掌控实例进行重点剖析,并融合其他城市灰绿设施应用于概况的整体分析,对我国CSO污染掌控的现状和问题明确提出了有一点推崇与糅合的几点经验:①法规政策及责任部门的管控与导向;②CSO污染掌控的长年规划提示;③有所不同地区CSO污染控制策略的差异性;④通过技术经济分析优化灰绿设施人组;⑤CSO污染掌控子系统之间的协商;⑥建设雨污分流改建的针对性;⑦实行主动评估调整控制策略。作者简介:赵泽坤( 1992- ) ,男,河北沧州人,硕士研究生,研究方向为城市雨洪掌控与管理。合流制溢流(CSO)污染是我国许多城市特别是在一些大城市水环境管理中亟待解决的根本性难题。关于合流制排水系统及其溢流污染的掌控,我国近年来公布的一些新编或增补的规范标准有较小的突破,早已从过去形式化的“合改分”向综合整治改变,并开始推崇应用于绿色基础设施(GI)来掌控CSO污染,如2017年版《城市排水工程规划规范》(GB 50318-2017)认为,合流制区域不应优先建构源头排放量系统以增加转入管网的径流量。我国一些学者也从策略与决策、系统建构、技术措施、模型模拟等有所不同方面,展开了综合灰色和绿色基础设施掌控CSO污染的涉及研究。我国CSO污染掌控的前期实践中探寻以灰色策略居多,如上海、昆明等城市为提高水环境质量,积极开展了截污干管、CSO调蓄池等项目建设;广州市正在建设我国首个深层隧道调蓄工程,以减轻溢流污染及内涝问题;不少城市制订及实行了雨污分流的改建计划;此外,一些大城市也积极开展了调蓄隧道或调蓄池的可行性研究及涉及规划。近年来,随着海绵城市建设与黑臭水体整治的前进,城市雨水与合流制溢流污染的掌控任务更为严峻,一些城市逐步积极开展灰色与绿色设施的融合建设,如池州、常德、嘉兴等城市综合规划实行了CSO调蓄池、生物逗留措施等。整体而言,我国专业领域对合流制系统改建及溢流污染掌控的了解渐渐明晰,技术水平和工程实行能力都较慢提升,但在灰绿设施融合的CSO污染控制策略制订和实行过程中,还缺少强有力的承托和确保,仍具备一定盲目性,不存在系统性和科学性严重不足等许多问题。美国积极开展CSO污染管理工作有数数十年历史,在世界范围内较早于的推展灰绿设施融合的方法掌控CSO污染,整体上获得了良好效果,其中少有可糅合经验有一点我国参照。1美国CSO污染掌控“绿色化”的背景美国于20世纪中叶开始对CSO污染掌控的研究工作,联邦环保局将CSO污染划入到污染物废气许可证制度(NPDES)中展开管控,并实施CSO掌控政策明确要求各地实行九项最基本控制措施(Nine Minimum Control Measures)、编成CSO长年掌控规划等。21世纪初期及以前,美国CSO污染掌控以管网雨污分流、分洪管道修筑、调蓄池及隧道建设、污水处理厂升级改建等灰色策略居多,虽有一些绿色屋顶、雨水断接等GI项目,但由于缺少完备的性能参数及可靠性检验,在CSO掌控规划与实践中未大范围、系统性的应用于。随着CSO污染掌控的持续前进,在获得一定效果的同时,多地也暴露出资金缴纳艰难、空间容许、环境影响等一系列问题,仅有依赖灰色设施已无法符合CSO污染掌控及城市可持续发展的市场需求。而21世纪以来,GI的发展与实践经验的累积,其明显的综合效益受到普遍注目。2007年联邦环保局月公布声明推展用于GI减轻CSO污染和其他城市水问题,并希望将GI划入CSO长年掌控规划。

美国合流制溢流污染控制灰绿设施结合的经验

接下来几年里,联邦环保局陆续公布了《绿色长年掌控规划模板:小型社区CSO掌控规划工具》、《绿色化CSO掌控规划:GI掌控CSO的规划与仿真》等系列文件,更进一步前进与指导GI与CSO长年掌控规划的统合。为更佳构建市政雨污水综合管理,2012年联邦环保局公布了《市政雨污水综合规划方法框架》,将CSO污染掌控与雨水、污水等水问题互为协商,特别强调了GI应用于流域综合管理的重要性。地方政府多以与联邦环保局或州政府协商签订CSO裁决协议(Consent Decree)的形式,作为当地CSO污染掌控的最重要法律性依据。为更加有效地前进CSO污染控制策略的“绿色化”,纽约、费城、克里夫里等多地争相在CSO裁决协议中重新加入GI涉及条款;其中部分地区对实行GI明确提出了强制性分析拒绝,如克利夫兰规定在8年内最少投资4200万美GI掌控16.7万m3年溢流量。较为分析有所不同地区的CSO裁决协议,可以显现出,早期的裁决协议中更好将GI作为环境补足项目或额外投资项目,而近期的协议中更好将GI统合到CSO污染掌控的规划方案中,反映了美国多地在GI应用于策略上的最重要改变。2美国CSO污染掌控灰绿设施融合案例及分析2.1美国CSO污染掌控灰绿设施融合典型案例美国有所不同地区在运用灰绿设施融合方法掌控CSO污染中既有一定共性,又兼备有所不同特点。根据城市规模、现状条件及问题、控制策略等有所不同方面特征,挑选纽约市、圣路易斯都会区、亚历山德里亚市三个典型案例展开重点剖析。① 纽约市纽约市是美国人口最少的城市,灌溉面积的70%为合流制区域,其中72%为不透水表面。极大的人口和发展压力,以及较高的合流制及硬化面积比例,一定程度上反应了许多大型城市在CSO污染掌控中面对的广泛问题。纽约市于20世纪50年代开始对CSO污染的研究与评估工作,是美国较早于积极开展溢流污染掌控的城市之一。在前期的探寻中,纽约市以调蓄设施建设、污水厂升级改建等居多。1972年纽约市首座CSO调蓄设施完工,有效地存储容积4.5万m3,并在20世纪90年代陆续积极开展其他CSO调蓄设施的设计与实行工作。20世纪70年代中期到80年代中期,纽约市投放大量资金对当地污水厂的二级处理工艺展开升级改建,有效地提升了对CSO污染物的处置水平。此外,纽约市还大力实行了设施运营系统优化、管道清扫、水体漂浮物掌控、河道整治等措施。在CSO污染掌控获得一定效果的同时,便宜的建设费用、极大的环境及社会影响给纽约市带给了沈重的开销。为号召国家政策及符合自身发展市场需求,2008年纽约市开始实行可持续雨水管理规划,推展GI应用于城市住宅、街道、公园等新建及改建项目中,是纽约市雨水管理“绿色化”的最重要转折点。为更加规范具体地实行GI掌控CSO污染,2010年纽约市公布《绿色基础设施规划》,制订了一项灰绿设施融合策略,计划到2030年实行GI掌控10%合流制区域不透水面积上的25.4mm降雨,建设29亿美元高性价比的灰色设施,优化现有排水系统,积极开展适应性管理(Adaptive Management)及公众参予等。所谓的“适应性管理”是所指对实行的项目展开监测与评估,并依据对系统信息及时对控制策略展开优化调整。2012年纽约市改动CSO裁决协议,宣告中止14亿美元的调蓄设施、污水厂改建等项目,延期20亿美元的灰色基础设施建设,并筹划1.87亿美元用作首个5年的GI建设。此外,纽约市环保局还允诺将GI划入到CSO长年规划的编成中,细化GI明确的实行区域和技术措施。纽约市的灰绿设施综合实行策略中,GI投资24亿美元,占到比45.3%。其制订过程中重点考虑到了GI的综合效益,与前期制订的几乎灰色设施策略比起,该策略可节省15亿美元投资,每年多掌控760万m3的溢流量,并在节约能源、房产贬值等方面产生1.39~4.18亿美元的额外收益。累计到2016年,纽约市有数14座污水处理厂、4座CSO调蓄设施、多达4000个GI资产应用于CSO污染掌控中,每年需要掌控80%以上的溢流体积。根据纽约市《绿色基础设施绩效指标报告》表明,第一个五年计划后,使用GI措施掌控1.5%不透水面积的降雨,可增加190万m3年溢流量,大约占到全市年溢流总量的2.4%;2030年规划期完结后,通过GI可掌控10%不透水面积的降雨,增加8.1%的年溢流总量。图1 纽约合流制系统产于情况(资料来源:《SustainableStormwater Management Plan 2008,A Greener, Greater NewYork》)② 圣路易斯都会区圣路易斯都会灌溉区(MSD)服务人口140万人,享有全美第四大的管道系统,其中合流制区域194.2km2,占到比约14%,大部分于20世纪20年代前建设已完成。MSD具备199个CSO排口产于于密西西比河及其支流沿岸,管网老化及排口错综复杂是该地CSO污染掌控面对的引人注目问题。MSD前期的CSO污染掌控以灰色策略居多。为解决问题合流制污水直排问题,MSD于20世纪六七十年代展开2座污水厂及其设施分洪管网的建设,并在之后完备了污水厂的二级处理工艺。针对合流污水分洪改建后的溢流污染问题,1988年MSD开始修建“溢流调节系统”,通过在CSO排口设置自动控制闸门等措施,提升管网的搜集与短时间内的调蓄能力,每年可增加1.7亿m3溢流量。针对分洪与处置能力不给定的问题,20世纪90年代MSD对当地2座污水厂展开升级改建,提高了30余万m3的雨天合流污水处理能力,并展开了泵站等涉及设施的改建或完备。为更进一步增加溢流污染,MSD投资6900万美元修筑了一条直径为2myb体育_体彩平台官网的调蓄隧道,每年可掌控128万m3溢流量,并融合当地交通与住宅改建、管网修缮等项目,有针对性地自由选择了44个CSO排口的制订及雨污分流改建计划的实行。经过数十年的希望,MSD的CSO污染获得有效地提高,但累计到2010年每年仍有5035万m3合流污水溢流。为超过每年不多达4次溢流的CSO控制目标,MSD于2011年改动CSO长年掌控规划,计划在23年内建设3条调蓄隧道和1座调蓄池,展开局部雨污分流及处置设施建设,并投资1亿美元GI。其中GI重点在密西西比河附近区域实行,主要是由于该区域有大面积的空置或荒废场地,较更容易展开绿色化改建。为更加有效地实行GI,MSD首先投资300万美元展开为期5年的GI试点建设,监测评估项目绩效,并积极开展公众教育与推展工作。研究找到,当地合流制区域较适合使用绿色屋顶、绿色街道、绿色行驶厂改建、雨水桶等GI技术措施,而由于土壤特性,不适合使用较慢渗入等技术。2016年在试点项目经验总结的基础上,MSD公布了绿色基础设施全面实施规划,拒绝使用GI最少掌控(34~57)万m3年合流污水溢流量,并对剩下9700万美元的GI近远期实行计划展开了细化。除此之外,MSD还制订了树木栽种规划,目标是提升合流制GI项目区域10%的林冠覆盖率,并大力推展实行雨水断接、不透水面积改建等项目。基于简单的CSO污染及其废气特性,MSD在长年规划制订过程中区分了七个子区域,并对源头掌控、分洪、调蓄和处置四类技术中多达70个具体措施分别进行适用性评估,共计建构了55个有所不同人组的掌控方案展开比中选。MSD综合分析了费用、CSO掌控效果、财政缴纳能力、可实行性、公众接受程度等要素,最后确认的掌控方案中GI投资1亿美元,大约占到CSO掌控投资的5.5%。考虑到今后发展过程中有可能实行的其他GI项目,MSD模型模拟预测未来通过GI可有效地掌控大约9.4%的年溢流总量。图2 圣路易斯都会区合流制系统产于情况(资料来源:《Metropolitan St. Louis Sewer District Combined Sewer Overflow Long-Term Control Plan Update Report》)③ 亚历山德里亚市弗吉尼亚州的亚历山德里亚市城市及人口规模较小,合流制区域坐落于东部老城区,面积2.2km2,大约占到城市总灌溉面积的6%。虽然合流制区域面积及比例较低,但长期以来CSO污染严重影响了当地水体水质合格与提高,沦为了一类小型城市或城镇所不容忽视的问题。亚历山德里亚市在CSO污染掌控前期将雨污分流改建作为主要策略。1999年该市实施了CSO长年掌控规划,对CSO污染特性展开分析研究,细化了联邦环保局拒绝的九项最基本控制措施,并完备了公众参予及监管机制。2005年该市制订了一项“合流制面积缩减计划(ARP)”,拒绝所有开发者在合流制区域的新建和改建项目中展开分流制管网建设或改建,当实行更为艰难时,项目开发者需向地方政府缴纳资金,由政府主导展开雨污分流改建。基于雨污分流前进中遇上的一系列问题,该市公布的《可持续发展规划2030》认为,在短期阶段之后实行“合流制面积缩减计划”,并遵从NPDES废气许可证的涉及拒绝;在长年阶段通过较为调蓄、LID、雨污分流等技术措施,制订更加经济高效的掌控方案。累计到2014年,该市的雨污分流改建由于施工及资金艰难仅有已完成了0.057km2,每年仍有50~70次溢流,相当严重制约水环境提高。2016年该市对原先CSO长年掌控规划展开修改,计划在20年内投资1.3~1.9亿美元,建设1条0.6万m3的调蓄隧道和1座1.1万m3的调蓄池,并融合GI实行及局部雨污分流改建。该灰绿设施融合策略与3~4.5亿美元的几乎雨污分流改建策略比起,具备明显的经济效益,并具有更高的可行性。此外,该市还大力向当地居民获取雨水桶,积极开展雨水搜集利用项目,并制订了对私人开发商和业主的GI鼓舞计划。亚历山德里亚市的控制策略将调蓄及处置作为CSO污染掌控的主要技术,将GI作为一种补充性措施与灰色设施融合用于,占到总投资的4%,可更进一步减轻溢流污染,并产生额外的经济、社会、环境方面效益。这是由于亚历山德里亚市约71%是不透水表面,GI实行空间受限,分析表明,通过在合流区域所有的可行性空间建设GI,仅有能增加30%~40%的年溢流总量,并无法符合当地CSO控制目标,且如此大规模的实行GI可能会多达2035年的规划期限,而通过建设调蓄池、隧道等灰色设施可有效地将年溢流频率掌控在4次以下。图3 亚历山德里亚合流制系统产于情况(资料来源:《Alexandria CSS Long Term Control Plan Update》)2.2美国CSO污染掌控灰绿设施融合整体分析除以上列出的三个案例外,其他地区的CSO污染掌控也各有特点。例如,费城将GI作为CSO污染掌控的主要技术,并致力于建设成全美一流的绿色环保型城市,其GI投资比例低、实行力度大。波特兰市是灰绿设施融合掌控CSO污染的“先行者”,并于2011年超过了96%年溢流控制率的目标拒绝,随后该市又制订了长约40年的设施规划,侧重于实行经济高效GI掌控额外的CSO污染,以超过更高的水质水平。笔者融合涉及资料,对总共10个地区的灰绿设施应用于概况展开总结分析(闻表格1),虽足以反应美国的全部情况,但也具备一定的代表性。表格1 美国10个地区CSO污染掌控灰绿设施应用于概况可以显现出,美国不少地区的CSO污染掌控经历了数十年希望并投放了数以亿计的资金,且仍在之后,其长期性、艰巨性显而易见。2007年联邦环保局公布政策推展GI掌控CSO污染是一个最重要节点,随后几年各地争相增补原先规划,推展实行GI并与灰色设施融合,作为一种经济高效的控制策略,以超过CSO控制目标及水质标准拒绝。部分地区为更佳前进GI掌控CSO污染,另外编成了绿色基础设施规划,对GI的实行目标、明确技术措施、项目决定等展开了细化。从GI规划期限与实行目标方面看,比较长年的规划更好的自由选择合流区域不透水表面的面积或比例作为GI分析实行目标,其特点是更容易整体规划布局、便于监测与考核;比较短期的规划更好的使用年溢流掌控体积作为GI分析实行目标,能更为直观反映GI掌控CSO污染的绩效水平,经常必须融合模型模拟展开分析计算出来。10个地区中绝大多数GI的掌控比例在20%以下,可以显现出,虽然GI倍受注目,但灰色设施仍分担了大部分CSO污染掌控任务,其重要性不言而喻,而合理的规划实行GI往往可以填补灰色设施的严重不足,增加项目投资,提升整体效益。

美国合流制溢流污染控制灰绿设施结合的经验

从投资方面看,除纽约、费城GI投资比例较高外,多达半数地区GI投资在10%以下,多数城市对GI展现出出有“比较激进”的态度。笔者分析,这主要与当地CSO控制目标的合格情况、前期灰色设施完备程度、GI可实行程度等诸多因素有关。此外,互为较传统的灰色技术措施,GI作为一种新兴技术还在发展完备,在多地实行的有效性仍未获得充份证实,因此前进过程中多采行适应性管理,依据项目监测和实行效果评估情况,主动展开调整,逐步优化控制策略,并要求未来绿色或灰色设施的投资额。除此之外,密尔沃基市制订了一项GI实施规划,目标是到2035年应用于GI掌控相等于全市所有不透水表面上12.7mm的降雨;西雅图市制订了在2025年之前通过GI掌控265万m3年雨水体积的GI实行策略。此类在全市范围内推展的GI规划策略,类似于我国的海绵城市建设,虽不仅仅限于合流制区域实行,但对于增加雨水径流,融合灰色设施掌控CSO污染,也起着了不容忽视的起到。3美国CSO污染掌控灰绿设施融合经验总结融合我国在海绵城市建设与黑臭水体整治中CSO污染掌控的现状及和不存在的一些问题,以下几点经验最为有一点我国注目。①法规政策及责任部门的管控与导向通过联邦法规政策的公布与修改,美国将CSO污染划入NPDES废气许可制度,具体了CSO污染掌控的基本拒绝及指导性意见等,地方层面以此为基准,补足完备适当的政策条例并制订有效地的控制策略,构成了一套更为完善的管理与前进体系。某种程度有一点推崇的是,联邦环保局实施的一系列指南文件,对于推展和指导各地实施联邦政府的法规政策、实行GI掌控CSO污染等,充分发挥了十分关键的起到。②CSO污染掌控的长年规划提示基于CSO污染的复杂性及其控制工程的长期性与艰巨性,编成长年掌控规划是美国各地广泛应用的一项最重要措施。随着涉及工作的前进、实践经验的累积和一些问题的曝露,融合GI等新理念、新方法的发展,各地也大力调整CSO污染掌控的理念、方法和策略,并及时修正或新的编成长年规划。③有所不同地区CSO污染控制策略的差异性联邦环保局未对各地CSO污染的明确掌控方案和技术措施自由选择等作统一或分析的规定,各地往往融合自身实际情况因地制宜地制订适当策略。有所不同地区由于发展规模、本底条件、设施水平、资金情况、公众反对程度等有所不同,对灰色及绿色设施的定位、规划目标、技术自由选择、投资比例等都有一定差异。④通过技术经济分析优化灰绿设施人组CSO污染控制系统中包括多种灰色和绿色技术措施,美国各地多通过详尽的技术经济分析展开系统决策。即建构有所不同技术人组的掌控方案,利用模型模拟、理论分析计算出来、会议研讨等方法展开评估与比选,最后确认尤为高效合理的方案。此外,联邦及地方政府十分重视GI带给的环境、社会、经济等方面的综合效益,如纽约、费城、华盛顿等多个城市对其展开分析分析,并划入到规划方案的决策过程中,以构建投资效益的最大化。⑤CSO污染掌控子系统之间的协商建设实践中指出,美国十分推崇CSO污染掌控有所不同子系统之间的协商建设。不少地区规划实行GI后,在符合CSO控制目标的前提下,为增加投资,中止或延期了适当的灰色设施建设计划;许多地区在修筑分洪管网、CSO调蓄设施的同时,对污水处理厂及泵站等也展开了适当的升级改建。CSO污染掌控的源头掌控、分洪、调蓄、处置等子系统互相关联,合理的设施与交会对于优化资源配置、提高系统整体掌控效果具备最重要起到。⑥雨污分流改建的针对性实行美国许多城市的案例指出,几乎雨污分流改建往往投资代价很大,经常低于其他的掌控方案,并带给极大环境及交通影响。此外,雨污分流改建也并非一定会增加污染物的废气,改建后的雨水系统及其径流污染依然必须推崇。因此,美国多数地区都是将雨污分流改建作为CSO污染掌控的最合适措施之一,有针对性地自由选择可行性强劲、投资成本低、实行效果好的区域展开改建,并充份融合其他技术措施专责应用于,而不是形式化的念实行。⑦主动评估调整控制策略考虑到现有技术及认识水平的局限,今后行业的发展与变革,以及CSO污染掌控实践中有可能不存在的一系列不确认因素,不合理的或“一刀切”的规定或实行计划可能会导致带给很大的问题和损失。因此,对于CSO污染掌控,特别是在是包括GI的方案,美国多通过适应性管理的方法,依据建设后项目的监测及评估结果,主动调整和优化控制策略,并有针对性地部署下一阶段的灰色或绿色设施建设计划。