城市建设中排水体制的战略思考

城市建设中排水体制的战略思考*

车 伍，李俊奇. 北京建筑工程学院,，北京, 100044　陈和平，中国深圳出入境检验检疫局，深圳，518045

　　摘要 城市排水体制是城市规划和基础设施建设中面临的一项重大决策问题，不仅关系到排水管道和污水处理系统的巨额资金投入，还关系到这些资金的投资效益，关系城市水生态环境的保护和城市的可持续发展。作者基于近年来的研究，回顾我国发达地区城市发展过程中和一些发达国家在城市排水体制方面的一些经验，对城市排水体制的规划建设提出一些战略性的思考和建议。
　　关键词 城市建设 排水体制　 雨水利用 径流污染控制

Strategic Considerations on Sewer System in City Planning and Constuction

Che Wu ,Li Junqi,
Beijing Institute of Civil Engineering & Architecture, Beijing 100044, China
Cheng Heping

ABSTRACT：Sewer system choice is an important decision-making in the urban infrastructure plan and construction, which concerned not only with huge cost of the sewer and wastewater treatment system but also with the cost-efficiency, with water ecological environment of urban area and with their sustainable development. This article reviews some experiences about the strategy of drainage system in a few relative developed Chinese cities and in some developed countries, and gives some strategic considerations and suggestions.
Keywords ：urbanization, drainage system, stormwater management, runoff pollution control

0 问题的提出

　　中国目前的城市化水平还很低，不超过35%，距发达国家有很大差距，距50%的标准和世界平均46%的水平也有较大距离。落后的城镇化水平明显地影响国民经济持续、稳定地快速发展。
　　加快城镇建设，提高城镇化水平已成为一项基本国策。但我国城镇水资源短缺、水污染和生态环境恶化的矛盾非常突出，如全国600多城市中有400多存在资源性或水质性缺水问题，一些大中城市和地区出现大面积地下水位和地面的下沉，水涝灾害、水污染严重，生态环境恶化等。城镇的快速发展还会加剧这些矛盾，尤其在广阔的西部地区，面临经济落后、资金严重不足、资源、环境和生态问题等尖锐矛盾，它们甚至可能成为我国城镇可持续发展的制约因素。
　　城市排水体制是城市基础设施规划建设中首先面临的一项重大决策问题，不仅关系到排水管道和污水处理系统的巨额资金投入，还关系到这些资金的投资效益，关系城镇水与生态环境的保护和可持续发展。
　　总结我国发达地区的城市和发达国家在城市排水体制方面的一些经验和教训显得十分重要。

1 发达地区城市排水体制的一些问题和经验

1.1 对排水体制方面的科学研究明显落后
　　城市排水体制和管道系统是整个水污染控制和水生态环境保护体系中的重大环节，但数十年来国内对它们的研究显得十分薄弱，无论是在科技的投入还是在科技成果上都与比较先进的污水处理和终端治理技术有很大的差距。在这方面，我国的教科书和设计资料在观念、理论和技术上，几乎还停留在几十年前的水平。工程实践中暴露出的许多矛盾和问题得不到科学的解答和技术的支持，如城市雨水径流的严重污染、雨水资源的大量流失并由此带来的一系列城市环境和生态问题等。
　　我国在污水处理技术领域和发达国家的差距很小，但在涉及包括城市雨水资源利用和雨水径流污染控制等问题的城镇排水系统和设施的科学规划、设计与建设，及相关的技术、法规与管理等领域，与发达国家相比至少有十年以上的差距，这已经构成我国城市有效实施水污染控制和水生态环境保护战略的制约因素之一。
1.2 排水管道系统的建设落后
　　由于科学研究的落后、历史欠账和资金的短缺，许多发展较快的城市都遇到污水处理厂建设的相对快速和排水管道系统建设落后的突出矛盾。一些投入巨资修建的技术先进的处理厂不得不面对多年收集不到足够的污水或污水浓度很低的困惑。即一方面资金严重不足，水污染矛盾突出，另一方面处理厂又发挥不出设计能力，造成有限的宝贵资金的“闲置”。尽管原因是多方面的，但排水体制的科学规划及其建设问题处理不当是重要因素之一。
1.3 隐患多,投资效益低
　　目前排水体制规划和建设中的隐患也是多方面的。
　　首先，城市快速发展中不透水面积的大幅度增加，导致当地雨水流失量增加和水循环系统的平衡遭到破坏，并引发一系列环境与生态问题^{[1] [2]}。我国许多城镇水资源严重短缺的同时大量雨水资源却白白流失，雨水利用率不到10%。如京津地区，水资源严重不足，需要上“南水北调”这样的巨大工程。但仅北京市城区每年平均流失的雨水资源量就达2亿吨，并以很快的速率增加^[3]。
　　另一方面，我国城镇雨水径流的污染也非常严重^[4]-[7]，这不仅直接危及城镇水环境和生态环境，增加了城镇雨水利用的难度和复杂性，而且对整个流域的水环境和生态平衡也构成严重的威胁。但以前对城市雨水径流污染危害认识不足，没有相应的法规和技术规范。倾向依赖分流制排水系统来减轻水体污染。但分流制排水系统耗资巨大，旧合流制管系彻底改建为分流制周期长、难度大、影响面宽，改造后却仍然要面临雨水径流污染的威胁。城市雨水径流的污染和合流制溢流污染谁重谁轻及有效的总量控制战略问题至今并没有得到很好地解决。
　　北京的多年研究表明^[4]，初期雨水的污染程度通常超过城市污水。表1给出部分城市分流制雨水和合流制溢流水质的比较。

表1 部分城市雨水及溢流污水污染物浓度

污染指标 北京城区天然雨水（mg/l） 北京城区初期径流
（mg/l） 北京市降雨地面径流
（mg/l） 珠海市降雨地面径流
（mg/l） 北京某合流管系溢流
（mg/l） 里昂市合流管系溢流
（mg/l） COD 25-200 1220 582 77.5 190 145 SS <10 1934 734 569.3 350 170 NH₃-N 7.9 2.4 3.5 铅 <0.05 0.3 0.1 Zn 0.269 1.76 1.23 TP 5.6 1.74 0.48 2.4 TN 13 11.2 4.96 26

　　在北京的抽样调查结果还表明^[8]，雨水口被普遍当作垃圾和污水口，雨水井充塞垃圾的现象非常严重。暴雨季节大量垃圾和污染物直接随雨水径流进入城市水体，构成严重污染。如2001-2003年的雨季，多次发生暴雨径流的严重污染事件，耗资数十亿整治后的城区河湖仍然发生水质恶化和严重的水华。
　　表2给出澳大利亚悉尼的分流制雨水径流和法国里昂的合流制溢流水质的比较^[9]。尽管他们在排水流域、降雨特性和排水系统本身都有显著的不同，结果虽然不代表普遍的结论，但至少说明具体问题具体分析的重要性，对这两种排水系统水质的比较研究也很有参考意义。

表2 分流制污水、溢流雨水和合流制雨污溢流水污染物平均浓度

　　　　　　 污染物浓度（mg/l) 污染指标

　　　　悉

尼　 里 昂 污水 溢流雨水 合流制溢流污水 BOD 59 47 42 COD 180 132 145 SS 186 141 170

表4 分流制污水、溢流雨水和合流制雨污溢流水年平均污染负荷

　　　　 　　　污染负荷（kg/ha) 污染指标 　　　 悉

尼 里 昂 污水 溢流雨水 合流制溢流污水 BOD 29.5 141 12.6 COD 90 396 43.5 SS 93 423 51.1

　　这些数据还表明，对待排水体制问题和制定水污染控制战略，城市径流的污染负荷与合流制的溢流一样，是一个不容忽视的重要考虑因素，否则可能导致规划和实施上的战略性失误。
　　此外，一些较发达的城市如深圳、上海浦东等，在实施分流制时都暴露出与污水管系的混接、乱接与错接等突出矛盾，没有达到分流制排水系统所期望的效果。这些问题也需要认真对待。
1.4 不可持续性
　　我国许多城市旧的合流制排水系统存在老化、排水能力小、雨季溢流污染等问题，因此不少城市的规划设计是今后逐步实现完全分流制。事实上，如何有效地改造和利用这些系统，是彻底将这些老的排水系统改建为完全的分流制系统，还是因地制宜地保留、改造和利用，最大限度地提高投资效益，这的确是一道难题，也是一个很值得研究的课题。即使是新建的城市排水系统也需要根据当地具体条件，因地制宜地进行投资效益分析后作出科学的选择。
　　上述分析和以下发达国家的一些经验说明，城市排水系统的规划设计如果还只停留在如何尽快地将城镇雨水直接排放和简单地依赖“雨污分流”等传统观念上，已明显地不能满足现代城市发展和生态环境保护的要求。上述问题如果得不到科学的解决，作为百年大计的城市排水系统这种基础设施可能成为一种脆弱和不符合可持续发展要求的体系。图1是对这种体系的简化描述。这种传统的排水体系的主要问题是：
　　（1）雨水资源大量流失，地下水位和地面下沉，水涝增加，城市生态环境恶化；
　　（2）合流制溢流和分流制的雨水污染并存，下大力气将合流改为分流虽减少溢流1的污染，但不能控制甚至会相应增加分流雨水的污染；因为在截流式合流制中，污染严重的大部分小雨和部分初期雨水径流污染物能够进入污水处理厂。
　　（3）合流制都改建为分流制十分困难，耗资巨大，耗时长，还有污染隐患；
　　（4）严重的混接乱接抵消了分流的作用，污染依旧，降低投资效益；
　　（5）过分依赖分流和终端治理，投资效益低。

图1 典型的传统城市排水体系简化模型

2 发达国家城市排水体制方面的一些经验

　　发达国家的城市化进程中，在资源、环境与生态方面也走过弯路，并研究积累了一些好的技术和经验。尤其在近二十年里，欧、美、日等国家对城市排水系统的完善、雨水资源的合理利用与管理、雨水径流及合流管系溢流（CSO）污染控制的都投入大量的资金和研究，取得显著的成果。
　　美国在七十~八十年代基本上成功地控制了点源污染，并开始重视非点源如雨水径流污染的控制。1981—1983年，美国环保局（EPA）主持的“全美城市雨水径流项目”（Nationwide Urban Runoff Program）投入1.5亿美元^[10] ，第一次大范围、大规模地对城市雨水径流的污染及控制进行研究。分300个课题在美国22个城市、81个现场，共收集分析了2300场降雨数据资料。最后提交320份研究报告，100份会议论文并有100多篇论文发表。这是一项影响很大的研究。
　　美国从70年代开始重视对城市雨水径流和CSO污染控制的研究。早在1965年通过国会批准的专项资金寻求城市雨水的控制方案。到80年代，经过十多年的努力，研究开发出各种技术和措施，如城市雨水污染的评价与监测；科学管理城市雨水资源和控制雨水径流污染的BMP技术与非技术体系（Best management practice）；CSO及雨水处理技术等。并于1986年修订水质法（Water Quality Act）来控制非点源污染，使EPA开始有效地依法参与城市雨水径流的管理。
　　1987年修订的水污染防治法，将全国点源污染排放削减系统（National Pollutant Discharge Elimination System-NPDES）扩大范围，涵盖包括对城市雨水径流污染管制在内的非点源污染防治，1990年正式发布，主要针对10万人口以上的雨水管道系统和11类工业活动，包括大于5英亩的建筑工地。1999年12月重新修订发布的NPDES管制对象扩充到所有城区雨水管道系统和占地１～５英亩的建筑工地，将于２００３年３月全面实施。与之配套的还有各种第二代BMP技术和非技术措施，对城市雨水污染控制的法令和技术都将更加严厉和完善。
　　德国从八十年代到九十年代已基本实现对城市雨水的污染控制，最典型的措施是修建大量的雨水池截留处理合流制和分流制管系的污染雨水，以及采取分散式源头生态措施削减和净化雨水。城市雨水资源的收集利用也实现标准化和产业化^{[11] [12]}。值得注意的是，他们没有走完全分流制的道路，而是因地制宜地采纳适合当地条件的不同排水方案，保留大量的合流制（约占70%左右，在地形坡度较大的德国南部更多地采用合流制，而在地势平坦的北部则倾向分流，即使如此，科隆市合流制甚至占94%），他们将重点放在源头污染控制和终端污染控制的结合、排水系统的改造与削减径流量和其它雨水径流污染控制的技术性和非技术性措施的结合。通过全面而科学的系统规划，较快地实现了对城市排水系统的改造、建设和水污染的有效控制。
　　新西兰也不断完善对城市雨水水质水量的控制管制措施。如奥克兰地区80年代系统地研究城市活动对雨水径流水质的影响及相应的控制措施，1992年完成雨水处理装置设计（Storm Treatment Devices）指南。2000年又出版了控制雨水径流污染的技术手册，也强调分散式现场选择性技术措施，如湿地、自然水道、河岸缓冲带、土壤渗透、天然植被带的利用等,为雨水径流污染控制提供更完善的参考依据 。
　　瑞典在八十年代初就放弃了市政管系雨污分流的思想^[13]，因为认识到分流制耗资巨大，合流制改造为分流制影响范围大，耗时长，经济上不合理，技术上又不足以有效地防止城市雨水径流对水体的继续污染。基于同样的理由，美国等国家在很大程度上也没有完全靠新建分流制管系取代旧合流制管系作为水污染控制措施的做法。
　　日本在八十年代也开展了对城市雨水利用与管理的研究，提出“雨水抑制型下水道”并纳入国家下水道推进计划，制定相应的政策，已有大量的工程实施^[14]。在全国63.5%下水道中，合流制约占20%，但在一些大中城市，合流制则占有更大的比例，如东京的合流制超过90%，对已有的合流制下水道采取的主要对策是对雨季的溢流污水进行处理，而不是采取实施困难、耗资过大的改建为分流制的办法。这与德国及一些欧美国家的策略类似。

3 我国城市排水体制规划建设应遵循的原则

　　城镇建设中的排水体制选择应充分借鉴国内发达城市和一些发达国家的经验，避免他们走过的弯路。应充分体现前瞻性、战略高度和因地制宜，应与城市雨水资源的利用相结合、与城市径流污染控制相结合、与削减城市径流和水涝相结合、与城镇的生态环境保护相结合。应建设一种可持续性的、生态型的新型城市排水系统（图2），其主要特点：
　　（1）因地制宜地选择排水体制，可能保留并改造原有较完善的合流制，也可能是新型的混合制、完全分流制、或不完全分流制等。是通过认真的研究和投资效益分析后的决策；
　　（2）加大雨水的下渗和综合利用，削减城市洪峰和水涝，缓解地面下沉和改善城市生态减少并控制合流制溢流污染和分流制初期雨水的污染；
　　（3）控制混接乱接（非法连接）；
　　（4）雨水径流源头和终端污染控制相结合的资源利用型、生态型的城市排水系统。

图2 新型的城市排水系统简化模型

参考文献

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* 北京市科委专项基金项目：北京城区雨水径流污染控制与管理模式（H010610020112）