導語：合流制溢流(CSO)污染控制是我國海綿城市建設與黑臭水體整治中的一個重點與難點，也是一項長期而艱巨的任務。灰色與綠色設施結合作為CSO污染控制的一項重要策略，在美國應用較早并取得了良好效果。通過分析美國應用綠色基礎設施(GI)控制CSO污染的背景，對紐約市、圣路易斯都會區(qū)、亞歷山德里亞市三個典型地區(qū)的CSO污染控制實例展開重點剖析，并結合其他城市灰綠設施應用概況的整體分析，對我國CSO污染控制的現(xiàn)狀和問題提出了值得重視與借鑒的幾點經驗：①法規(guī)政策及責任部門的管控與導向;②CSO污染控制的長期規(guī)劃指引;③不同地區(qū)CSO污染控制策略的差異性;④通過技術經濟分析優(yōu)化灰綠設施組合;⑤CSO污染控制子系統(tǒng)之間的協(xié)調;⑥建設雨污分流改造的針對性;⑦實施適時評估調整控制策略。
合流制溢流(CSO)污染是我國許多城市尤其一些大城市水環(huán)境治理中亟待解決的重大難題。關于合流制排水系統(tǒng)及其溢流污染的控制，我國近年來發(fā)布的一些新編或修編的規(guī)范標準有較大的突破，已經從過去簡單化的“合改分”向綜合整治轉變，并開始重視應用綠色基礎設施(GI)來控制CSO污染，如2017年版《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB 50318-2017)指出，合流制區(qū)域應優(yōu)先構建源頭減排系統(tǒng)以減少進入管網的徑流量。我國一些學者也從策略與決策、系統(tǒng)構建、技術措施、模型模擬等不同方面，進行了綜合灰色和綠色基礎設施控制CSO污染的相關研究。
我國CSO污染控制的前期實踐探索以灰色策略為主，如上海、昆明等城市為改善水環(huán)境質量，開展了截污干管、CSO調蓄池等項目建設;廣州市正在建設我國首個深層隧道調蓄工程，以緩解溢流污染及內澇問題;不少城市制定及實施了雨污分流的改造計劃;此外，一些大城市也開展了調蓄隧道或調蓄池的可行性研究及相關規(guī)劃。近年來，隨著海綿城市建設與黑臭水體整治的推進，城市雨水與合流制溢流污染的控制任務更加緊迫，一些城市逐步開展灰色與綠色設施的結合建設，如池州、常德、嘉興等城市綜合規(guī)劃實施了CSO調蓄池、生物滯留措施等。
整體而言，我國專業(yè)領域對合流制系統(tǒng)改造及溢流污染控制的認識逐漸清晰，技術水平和工程實施能力都快速提高，但在灰綠設施結合的CSO污染控制策略制定和實施過程中，還缺乏強有力的支撐和保障，仍具有一定盲目性，存在系統(tǒng)性和科學性不足等許多問題。
美國開展CSO污染治理工作已有數(shù)十年歷史，在世界范圍內較早的推廣灰綠設施結合的方法控制CSO污染，整體上取得了良好效果，其中不乏可借鑒經驗值得我國參考。
1美國CSO污染控制“綠色化”的背景
美國于20世紀中葉開始對CSO污染控制的研究工作，聯(lián)邦環(huán)保局將CSO污染納入到污染物排放許可證制度(NPDES)中進行管控，并出臺CSO控制政策明確要求各地實施九項最基本控制措施(Nine Minimum Control Measures)、編制CSO長期控制規(guī)劃等。21世紀初期及以前，美國CSO污染控制以管網雨污分流、截流管道修建、調蓄池及隧道建設、污水處理廠升級改造等灰色策略為主，雖有一些綠色屋頂、雨水斷接等GI項目，但由于缺乏完善的性能參數(shù)及可靠性驗證，在CSO控制規(guī)劃與實踐中并未大范圍、系統(tǒng)性的應用。
隨著CSO污染控制的持續(xù)推進，在取得一定效果的同時，多地也暴露出資金支付困難、空間限制、環(huán)境影響等一系列問題，僅依靠灰色設施已難以滿足CSO污染控制及城市可持續(xù)發(fā)展的需求。而21世紀以來，GI的發(fā)展與實踐經驗的積累，其顯著的綜合效益受到廣泛關注。2007年聯(lián)邦環(huán)保局正式發(fā)布聲明推廣使用GI緩解CSO污染和其他城市水問題，并鼓勵將GI納入CSO長期控制規(guī)劃。接下來幾年里，聯(lián)邦環(huán)保局相繼發(fā)布了《綠色長期控制規(guī)劃模板:小型社區(qū)CSO控制規(guī)劃工具》、《綠色化CSO控制規(guī)劃：GI控制CSO的規(guī)劃與模擬》等系列文件，進一步推進與指導GI與CSO長期控制規(guī)劃的整合。為更好實現(xiàn)市政雨污水綜合管理，2012年聯(lián)邦環(huán)保局發(fā)布了《市政雨污水綜合規(guī)劃方法框架》，將CSO污染控制與雨水、污水等水問題相協(xié)調，強調了GI應用于流域綜合管理的重要性。
地方政府多以與聯(lián)邦環(huán)保局或州政府協(xié)商簽署CSO裁定協(xié)議(Consent Decree)的形式，作為當?shù)谻SO污染控制的重要法律性依據(jù)。為更有效推進CSO污染控制策略的“綠色化”，紐約、費城、克里夫里等多地紛紛在CSO裁定協(xié)議中加入GI相關條款;其中部分地區(qū)對實施GI提出了強制性量化要求，如克利夫蘭規(guī)定在8年內至少投資4200萬美GI控制16.7萬m?年溢流量。比較分析不同地區(qū)的CSO裁定協(xié)議，可以看出，早期的裁定協(xié)議中更多將GI作為環(huán)境補充項目或額外投資項目，而近期的協(xié)議中更多將GI整合到CSO污染控制的規(guī)劃方案中，體現(xiàn)了美國多地在GI應用策略上的重要轉變。
2美國CSO污染控制灰綠設施結合案例及分析
2.1美國CSO污染控制灰綠設施結合典型案例
美國不同地區(qū)在運用灰綠設施結合方法控制CSO污染中既有一定共性，又兼具不同特點。根據(jù)城市規(guī)模、現(xiàn)狀條件及問題、控制策略等不同方面特征，選取紐約市、圣路易斯都會區(qū)、亞歷山德里亞市三個典型案例進行重點剖析。
① 紐約市
紐約市是美國人口最多的城市，排水面積的70%為合流制區(qū)域，其中72%為不透水表面。巨大的人口和發(fā)展壓力，以及較高的合流制及硬化面積比例，一定程度上反應了許多大型城市在CSO污染控制中面臨的普遍問題。
紐約市于20世紀50年代開始對CSO污染的研究與評估工作，是美國較早開展溢流污染控制的城市之一。在前期的探索中，紐約市以調蓄設施建設、污水廠升級改造等為主。1972年紐約市首座CSO調蓄設施竣工，有效存儲容積4.5萬m?，并在20世紀90年代相繼開展其他CSO調蓄設施的設計與實施工作。20世紀70年代中期到80年代中期，紐約市投入大量資金對當?shù)匚鬯畯S的二級處理工藝進行升級改造，有效提高了對CSO污染物的處理水平。此外，紐約市還積極實施了設施運行系統(tǒng)優(yōu)化、管道清理、水體漂浮物控制、河道整治等措施。在CSO污染控制取得一定效果的同時，昂貴的建設費用、巨大的環(huán)境及社會影響給紐約市帶來了沉重的負擔。
為響應國家政策及滿足自身發(fā)展需求，2008年紐約市開始實施可持續(xù)雨水管理規(guī)劃，推廣GI應用于城市住宅、街道、公園等新建及改造項目中，是紐約市雨水管理“綠色化”的重要轉折點。為更規(guī)范明確地實施GI控制CSO污染，2010年紐約市發(fā)布《綠色基礎設施規(guī)劃》，制定了一項灰綠設施結合策略，計劃到2030年實施GI控制10%合流制區(qū)域不透水面積上的25.4mm降雨，建設29億美元高性價比的灰色設施，優(yōu)化現(xiàn)有排水系統(tǒng)，開展適應性管理(Adaptive Management)及公眾參與等。所謂的“適應性管理”是指對實施的項目進行監(jiān)測與評估，并依據(jù)反饋信息及時對控制策略進行優(yōu)化調整。2012年紐約市修改CSO裁定協(xié)議，宣布取消14億美元的調蓄設施、污水廠擴建等項目，推遲20億美元的灰色基礎設施建設，并籌備1.87億美元用于首個5年的GI建設。此外，紐約市環(huán)保局還承諾將GI納入到CSO長期規(guī)劃的編制中，細化GI具體的實施區(qū)域和技術措施。
紐約市的灰綠設施綜合實施策略中，GI投資24億美元，占比45.3%。其制定過程中重點考慮了GI的綜合效益，與前期制定的完全灰色設施策略相比，該策略可節(jié)省15億美元投資，每年多控制760萬m?的溢流量，并在節(jié)能、房產升值等方面產生1.39~4.18億美元的額外收益。截止到2016年，紐約市已有14座污水處理廠、4座CSO調蓄設施、超過4000個GI資產應用于CSO污染控制中，每年能夠控制80%以上的溢流體積。根據(jù)紐約市《綠色基礎設施績效指標報告》顯示，第一個五年計劃后，采用GI措施控制1.5%不透水面積的降雨，可減少190萬m?年溢流量，約占全市年溢流總量的2.4%;2030年規(guī)劃期結束后，通過GI可控制10%不透水面積的降雨，減少8.1%的年溢流總量。
圖1 紐約合流制系統(tǒng)分布情況
(資料來源：《SustainableStormwater Management Plan 2008，A Greener, Greater NewYork》)
?、?圣路易斯都會區(qū)
圣路易斯都會排水區(qū)(MSD)服務人口140萬人，擁有全美第四大的管道系統(tǒng)，其中合流制區(qū)域194.2km?，占比約14%，大部分于20世紀20年代前建設完成。MSD具有199個CSO排口分布于密西西比河及其支流沿岸，管網老化及排口錯綜復雜是該地CSO污染控制面臨的突出問題。
MSD前期的CSO污染控制以灰色策略為主。為解決合流制污水直排問題，MSD于20世紀六七十年代進行2座污水廠及其配套截流管網的建設，并在之后完善了污水廠的二級處理工藝。針對合流污水截流改造后的溢流污染問題，1988年MSD開始建造“溢流調節(jié)系統(tǒng)”，通過在CSO排口設置自動控制閘門等措施，提高管網的收集與短時間內的調蓄能力，每年可減少1.7億m?溢流量。針對截流與處理能力不匹配的問題，20世紀90年代MSD對當?shù)?座污水廠進行升級改造，提升了30余萬m?的雨天合流污水處理能力，并進行了泵站等相關設施的擴建或完善。為進一步減少溢流污染，MSD投資6900萬美元修建了一條直徑為2m的調蓄隧道，每年可控制128萬m?溢流量，并結合當?shù)亟煌ㄅc住宅改造、管網修復等項目，有針對性地選擇了44個CSO排口的制定及雨污分流改造計劃的實施。
經過數(shù)十年的努力，MSD的CSO污染得到有效改善，但截止到2010年每年仍有5035萬m?合流污水溢流。為達到每年不超過4次溢流的CSO控制目標，MSD于2011年修改CSO長期控制規(guī)劃，計劃在23年內建設3條調蓄隧道和1座調蓄池，進行局部雨污分流及處理設施建設，并投資1億美元GI。其中GI重點在密西西比河附近區(qū)域實施，主要是由于該區(qū)域有大面積的空置或廢棄場地，較易于進行綠色化改造。
為更有效實施GI，MSD首先投資300萬美元進行為期5年的GI試點建設，監(jiān)測評估項目績效，并開展公眾教育與推廣工作。研究發(fā)現(xiàn)，當?shù)睾狭髦茀^(qū)域較適宜采用綠色屋頂、綠色街道、綠色停車廠改造、雨水桶等GI技術措施，而由于土壤特性，不適宜采用快速滲透等技術。2016年在試點項目經驗總結的基礎上，MSD發(fā)布了綠色基礎設施全面實施規(guī)劃，要求采用GI至少控制(34~57)萬m?年合流污水溢流量，并對剩余9700萬美元的GI近遠期實施計劃進行了細化。除此之外，MSD還制定了樹木種植規(guī)劃，目標是提高合流制GI項目區(qū)域10%的林冠覆蓋率，并積極推廣實施雨水斷接、不透水面積改造等項目。
基于復雜的CSO污染及其排放特性，MSD在長期規(guī)劃制定過程中劃分了七個子區(qū)域，并對源頭控制、截流、調蓄和處理四類技術中超過70個具體措施分別展開適用性評估，共構建了55個不同組合的控制方案進行比選。MSD綜合分析了費用、CSO控制效果、財政支付能力、可實施性、公眾接受程度等要素，最終確定的控制方案中GI投資1億美元，約占CSO控制投資的5.5%。考慮今后發(fā)展過程中可能實施的其他GI項目，MSD模型模擬預測未來通過GI可有效控制約9.4%的年溢流總量。
圖2 圣路易斯都會區(qū)合流制系統(tǒng)分布情況
(資料來源：《Metropolitan St. Louis Sewer District Combined Sewer Overflow Long-Term Control Plan Update Report》)
?、?亞歷山德里亞市
弗吉尼亞州的亞歷山德里亞市城市及人口規(guī)模較小，合流制區(qū)域位于東部老城區(qū)，面積2.2km?，約占城市總排水面積的6%。雖然合流制區(qū)域面積及比例較低，但長期以來CSO污染嚴重影響了當?shù)厮w水質達標與改善，成為了一類小型城市或城鎮(zhèn)所不容忽視的問題。
亞歷山德里亞市在CSO污染控制前期將雨污分流改造作為主要策略。1999年該市出臺了CSO長期控制規(guī)劃，對CSO污染特性進行分析研究，細化了聯(lián)邦環(huán)保局要求的九項最基本控制措施，并完善了公眾參與及監(jiān)管機制。2005年該市制定了一項“合流制面積削減計劃(ARP)”，要求所有開發(fā)者在合流制區(qū)域的新建和改造項目中進行分流制管網建設或改造，當實施較為困難時，項目開發(fā)者需向地方政府支付資金，由政府主導進行雨污分流改造。
基于雨污分流推進中遇到的一系列問題，該市發(fā)布的《可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃2030》指出，在短期階段繼續(xù)實施“合流制面積削減計劃”，并遵守NPDES排放許可證的相關要求;在長期階段通過比較調蓄、LID、雨污分流等技術措施，制定更經濟高效的控制方案。截止到2014年，該市的雨污分流改造由于施工及資金困難僅完成了0.057km?，每年仍有50~70次溢流，嚴重制約水環(huán)境改善。2016年該市對原有CSO長期控制規(guī)劃進行修訂，計劃在20年內投資1.3~1.9億美元，建設1條0.6萬m?的調蓄隧道和1座1.1萬m?的調蓄池，并結合GI實施及局部雨污分流改造。該灰綠設施結合策略與3~4.5億美元的完全雨污分流改造策略相比，具有顯著的經濟效益，并有著更高的可行性。此外，該市還積極向當?shù)鼐用裉峁┯晁埃_展雨水收集利用項目，并制定了對私人開發(fā)商和業(yè)主的GI激勵計劃。
亞歷山德里亞市的控制策略將調蓄及處理作為CSO污染控制的主要技術，將GI作為一種補充性措施與灰色設施結合使用，占總投資的4%，可進一步緩解溢流污染，并產生額外的經濟、社會、環(huán)境方面效益。這是由于亞歷山德里亞市約71%是不透水表面，GI實施空間有限，分析表明，通過在合流區(qū)域所有的可行性空間建設GI，僅能減少30%~40%的年溢流總量，并不能滿足當?shù)谻SO控制目標，且如此大規(guī)模的實施GI可能會超過2035年的規(guī)劃期限，而通過建設調蓄池、隧道等灰色設施可有效地將年溢流頻率控制在4次以下。
圖3 亞歷山德里亞合流制系統(tǒng)分布情況
(資料來源：《Alexandria CSS Long Term Control Plan Update》)
2.2美國CSO污染控制灰綠設施結合整體分析
除以上列舉的三個案例外，其他地區(qū)的CSO污染控制也各有特點。例如，費城將GI作為CSO污染控制的主要技術，并致力于建設成全美一流的綠色環(huán)保型城市，其GI投資比例高、實施力度大。波特蘭市是灰綠設施結合控制CSO污染的“先行者”，并于2011年達到了96%年溢流控制率的目標要求，隨后該市又制定了長達40年的設施規(guī)劃，側重于實施經濟高效GI控制額外的CSO污染，以達到更高的水質水平。
筆者結合相關資料，對總共10個地區(qū)的灰綠設施應用概況進行總結分析(見表1)，雖不足以反應美國的全部情況，但也具有一定的代表性。
表1 美國10個地區(qū)CSO污染控制灰綠設施應用概況
可以看出，美國不少地區(qū)的CSO污染控制經歷了數(shù)十年努力并投入了數(shù)以億計的資金，且仍在繼續(xù)，其長期性、艱巨性顯而易見。2007年聯(lián)邦環(huán)保局發(fā)布政策推廣GI控制CSO污染是一個重要節(jié)點，隨后幾年各地紛紛修編原有規(guī)劃，推廣實施GI并與灰色設施結合，作為一種經濟高效的控制策略，以達到CSO控制目標及水質標準要求。部分地區(qū)為更好推進GI控制CSO污染，另外編制了綠色基礎設施規(guī)劃，對GI的實施目標、具體技術措施、項目安排等進行了細化。
從GI規(guī)劃期限與實施目標方面看，相對長期的規(guī)劃更多的選擇合流區(qū)域不透水表面的面積或比例作為GI量化實施目標，其特點是易于整體規(guī)劃布局、便于監(jiān)測與考核;相對短期的規(guī)劃更多的采用年溢流控制體積作為GI量化實施目標，能較為直觀體現(xiàn)GI控制CSO污染的績效水平，常需要結合模型模擬進行分析計算。10個地區(qū)中絕大多數(shù)GI的控制比例在20%以下，可以看出，雖然GI備受關注，但灰色設施仍承擔了大部分CSO污染控制任務，其重要性不言而喻，而合理的規(guī)劃實施GI往往可以彌補灰色設施的不足，減少項目投資，提高整體效益。
從投資方面看，除紐約、費城GI投資比例較高外，超過半數(shù)地區(qū)GI投資在10%以下，多數(shù)城市對GI表現(xiàn)出“相對保守”的態(tài)度。筆者分析，這主要與當?shù)谻SO控制目標的達標情況、前期灰色設施完善程度、GI可實施程度等諸多因素有關。此外，相較傳統(tǒng)的灰色技術措施，GI作為一種新興技術還在發(fā)展完善，在多地實施的有效性尚未得到充分證實，因此推進過程中多采取適應性管理，依據(jù)項目監(jiān)測和實施效果評估情況，適時進行調整，逐步優(yōu)化控制策略，并決定未來綠色或灰色設施的投資額。
除此之外，密爾沃基市制定了一項GI實施規(guī)劃，目標是到2035年應用GI控制相當于全市所有不透水表面上12.7mm的降雨;西雅圖市制定了在2025年之前通過GI控制265萬m?年雨水體積的GI實施策略。此類在全市范圍內推廣的GI規(guī)劃策略，類似于我國的海綿城市建設，雖不僅限于合流制區(qū)域實施，但對于減少雨水徑流，結合灰色設施控制CSO污染，也起到了不容忽視的作用。
3美國CSO污染控制灰綠設施結合經驗總結
結合我國在海綿城市建設與黑臭水體整治中CSO污染控制的現(xiàn)狀及和存在的一些問題，以下幾點經驗尤為值得我國關注。
①法規(guī)政策及責任部門的管控與導向
通過聯(lián)邦法規(guī)政策的發(fā)布與修訂，美國將CSO污染納入NPDES排放許可制度，明確了CSO污染控制的基本要求及指導性意見等，地方層面以此為基準，補充完善相應的政策條例并制定有效的控制策略，形成了一套較為完備的管理與推進體系。同樣值得重視的是，聯(lián)邦環(huán)保局出臺的一系列指南文件，對于推動和指導各地落實聯(lián)邦政府的法規(guī)政策、實施GI控制CSO污染等，發(fā)揮了極為關鍵的作用。
?、贑SO污染控制的長期規(guī)劃指引
基于CSO污染的復雜性及其控制工程的長期性與艱巨性，編制長期控制規(guī)劃是美國各地廣泛應用的一項重要舉措。隨著相關工作的推進、實踐經驗的積累和一些問題的暴露，結合GI等新理念、新方法的發(fā)展，各地也積極調整CSO污染控制的理念、方法和策略，并及時修正或重新編制長期規(guī)劃。
?、鄄煌貐^(qū)CSO污染控制策略的差異性
聯(lián)邦環(huán)保局并未對各地CSO污染的具體控制方案和技術措施選擇等作統(tǒng)一或量化的規(guī)定，各地往往結合自身實際情況因地制宜地制定相應策略。不同地區(qū)由于發(fā)展規(guī)模、本底條件、設施水平、資金情況、公眾支持程度等不同，對灰色及綠色設施的定位、規(guī)劃目標、技術選擇、投資比例等都有一定差異。
?、芡ㄟ^技術經濟分析優(yōu)化灰綠設施組合
CSO污染控制系統(tǒng)中包含多種灰色和綠色技術措施，美國各地多通過詳細的技術經濟分析進行系統(tǒng)決策。即構建不同技術組合的控制方案，借助模型模擬、理論分析計算、會議研討等方法進行評估與比選，最終確定最為高效合理的方案。此外，聯(lián)邦及地方政府十分重視GI帶來的環(huán)境、社會、經濟等方面的綜合效益，如紐約、費城、華盛頓等多個城市對其進行量化分析，并納入到規(guī)劃方案的決策過程中，以實現(xiàn)投資效益的最大化。
?、軨SO污染控制子系統(tǒng)之間的協(xié)調建設
實踐表明，美國極為重視CSO污染控制不同子系統(tǒng)之間的協(xié)調建設。不少地區(qū)規(guī)劃實施GI后，在滿足CSO控制目標的前提下，為減少投資，取消或推遲了相應的灰色設施建設計劃;許多地區(qū)在修建截流管網、CSO調蓄設施的同時，對污水處理廠及泵站等也進行了相應的升級改造。CSO污染控制的源頭控制、截流、調蓄、處理等子系統(tǒng)相互關聯(lián)，合理的配套與銜接對于優(yōu)化資源配置、提升系統(tǒng)整體控制效果具有重要作用。
⑥雨污分流改造的針對性實施
美國許多城市的案例表明，完全雨污分流改造往往投資代價極大，常高于其他的控制方案，并帶來巨大環(huán)境及交通影響。此外，雨污分流改造也并非一定會減少污染物的排放，改造后的雨水系統(tǒng)及其徑流污染仍然需要重視。因此，美國多數(shù)地區(qū)都是將雨污分流改造作為CSO污染控制的備選措施之一，有針對性地選擇可行性強、投資成本低、實施效果好的區(qū)域進行改造，并充分結合其他技術措施統(tǒng)籌應用，而不是簡單化的一概推行。
?、哌m時評估調整控制策略
考慮現(xiàn)有技術及認識水平的局限，今后行業(yè)的發(fā)展與變革，以及CSO污染控制實踐中可能存在的一系列不確定因素，不合理的或“一刀切”的規(guī)定或實施計劃可能會造成帶來極大的問題和損失。因此，對于CSO污染控制，尤其是包含GI的方案，美國多通過適應性管理的方法，依據(jù)建設后項目的監(jiān)測及評估結果，適時調整和優(yōu)化控制策略，并有針對性地部署下一階段的灰色或綠色設施建設計劃。
本文作者：趙澤坤(北京建筑大學)，車伍(北京建筑大學)，趙楊(北京雨人潤科生態(tài)技術有限責任公司)，張偉(北京建筑大學)
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