海绵城市径流指标评估监测网络的构建方法

杨松文, 陈铁, 周志鹏, 董文艺, 孙飞云, 洪德松, 张斌, 孙丹平. 海绵城市径流指标评估监测网络的构建方法[J]. 环境工程学报, 2020, 14(11): 3225-3233. doi: 10.12030/j.cjee.201912117
引用本文: 杨松文, 陈铁, 周志鹏, 董文艺, 孙飞云, 洪德松, 张斌, 孙丹平. 海绵城市径流指标评估监测网络的构建方法[J]. 环境工程学报, 2020, 14(11): 3225-3233. doi: 10.12030/j.cjee.201912117
YANG Songwen, CHEN Tie, ZHOU Zhipeng, DONG Wenyi, SUN Feiyun, HONG Desong, ZHANG Bin, SUN Danping. Construction method of monitoring network for runoff index evaluation in sponge city[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(11): 3225-3233. doi: 10.12030/j.cjee.201912117
Citation: YANG Songwen, CHEN Tie, ZHOU Zhipeng, DONG Wenyi, SUN Feiyun, HONG Desong, ZHANG Bin, SUN Danping. Construction method of monitoring network for runoff index evaluation in sponge city[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(11): 3225-3233. doi: 10.12030/j.cjee.201912117

海绵城市径流指标评估监测网络的构建方法

    作者简介: 杨松文(1993—),男,博士研究生。研究方向:海绵城市监测与评估。E-mail:songwen315@qq.com
    通讯作者: 孙飞云(1982—),男,博士,副教授。研究方向:海绵城市、面源污染等。E-mail:sun_fy@hit.edu.cn
  • 基金项目:
    深圳市技术攻关项目(JSGG20170414101900541);深圳市基础研究项目(JCYJ20160406162038258)
  • 中图分类号: X84;X820.2

Construction method of monitoring network for runoff index evaluation in sponge city

    Corresponding author: SUN Feiyun, sun_fy@hit.edu.cn
  • 摘要: 针对当前海绵城市径流监测网络的构建方法存在不系统、不实用,导致监测数据无法追溯、评估数据不全面等问题,对海绵城市径流指标评估中监测网络的系统化构建和布点问题进行探讨,并以深圳市某海绵城市试点区域为例进行应用。探讨结果表明,系统化构建监测网络需按照“源头-过程-末端”3个层级对“海绵设施-建设地块-排水分区”监测点位进行全方位布置,以便达到监测数据全过程记录和可追溯的目标。“源头-过程-末端”3个层级监测点位选取和布置时需要满足实用性、代表性及经济性等原则。系统化监测网络的构建思路和布点方法能较好地适用于该试点区域,满足该区域径流指标评估的需求,可为海绵城市建设效果的定量化考核和评估提供借鉴。
  • 近年来,含铊矿石的采选和冶炼已导致多起流域铊污染事件[1]。含铊废水或含铊灰渣随雨水进入地表水体后,会引起流域铊质量浓度异常,并威胁饮用水安全。铊是具有剧毒特性的重金属,其毒性远大于铅、镉、镍、砷、汞等重金属,易导致急慢性中毒[2; 3]。铊的化合物易通过吸入、口服和皮肤接触的方式被生物体吸收。铊通过工业生产活动污染大气、水源和土壤,威胁生态环境安全,并在环境中转运、迁移,富集在植物可食部分,通过食物链进入人体,会危害公众身体健康[2-4]

    目前,关于含铊工业废水的处理及突发水污染事件中水厂应急处置除铊的研究较多。含铊工业废水的处理方法主要包括化学沉淀法[5-9]、吸附法[5-9]、离子交换法[5-7]、萃取法[6-7]。仅有少数单一技术可确保处理后水质达到5 µg·L−1的排放标准[6],但无法满足在应急处置中达到生活饮用水标准的应急目标要求。因材料易得性、经济性,以及pH影响、共存阳离子干扰等原因,也不一定适用于开放环境下铊的应急处置。为保障供水水质安全,自来水厂应急除铊一般采取预氧化强化混凝工艺[10-16],以确保出水稳定达标。

    开放环境下的流域铊污染应急处置仍鲜有报道。本研究采用硫化钠化学沉淀削污及流域调水稀释联合技术方案,对云南省富源县响水河水库及其上游鸡上河河道铊污染开展应急处置,探讨了技术方案在实际应用中可能的影响因素,并针对处置中存在的难点问题提出了解决策略,以期为应急处理小流域突发铊污染提供参考。

    2021年2月7日,云南省生态环境厅驻曲靖市生态环境监测站在饮用水源地例行监测时发现,曲靖市富源县地表水集中式饮用水水源地响水河水库大坝取水口铊质量浓度超过《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)标准限值约1.5倍。在2月8日至9日,对响水河水库及其上游鸡上河流域9个断面进行了复核和遡源监测,进一步确定了响水河水库、小河水库,以及两水库之间约15 km鸡上河铊质量浓度不同程度地超标。响水河水库大坝取水口、小河水库大坝、鸡上河大龙潭监测断面的铊质量浓度分别为0.26、8.17 、3.12 µg·L−1。相关监测及投药处置点位如图1所示,其设置时间和位点说明见表1

    图 1  主要应急处置投药点位和应急监测断面示意图
    Figure 1.  Schematic diagram of the main dosing points and monitoring section for emergency treatment
    表 1  主要应急处置投药点位和应急监测断面设置说明
    Table 1.  Description of the main dosing points and monitoring sections for emergency treatment
    投药点位/监测断面设置时间相对位置设置目的
    1#固定式投药点位2月15日小河水库坝下一级投药处置点位
    2#固定式投药点位2月15日2#监测断面下游100 m为确保处置达标而设置
    3#固定式投药点位2月18日6#监测断面下游100 m5#监测断面铊质量浓度升高后设置
    1#监测断面2月15日1#投药点位下游1000 m监控1#固定式投药点位处置效果
    2#监测断面2月15日2#投药点位上游100 m监控1#固定式投药点位处置后稳定性监控用于动态调整2#投药点位投药参数
    3#监测断面2月15日2#投药点位下游200 m监控2#固定式投药点位处置效果
    4#监测断面2月15日2#投药点位下游2000 m监控2#固定式投药点位处置后稳定性
    5#监测断面2月15日响水河水库入口处监控响水河水库入口处铊质量浓度
    6#监测断面2月18日3#投药点位上游100 m监控用于动态调整3#投药点位投药参数
    7#监测断面2月18日3#投药点位下游1 000 m监控3#固定式投药点位处置效果
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    在事件发生后,当地政府积极组织开展应急处置工作。富源县居民供水持续稳定,未受影响;社会舆论平稳,无不良反应。在2月10日,通过排查锁定污染源为曲靖市沾益区某公司,该公司位于沾益区白水工业园区,距小河水库直线距离约110 m,是一家含烧结、炼铁生产工序的钢铁非联合企业。自2月14日起,经过22 d的投药削污,小河水库及其下游鸡上河河道铊污染已得到全面妥善处置,不再对响水河水库铊质量浓度造成新的影响。自3月4日20时起,响水河水库大坝取水口铊质量浓度持续稳定达标,低于集中式生活饮用水地表水源地特定项目标准限值0.1 µg·L−1。至3月5日,应急响应终止。

    根据资料整理和现场踏勘情况,针对此次流域铊污染事件的应急处置,提出系统性综合解决方案,主要采取供水保障、源头阻断、工程削减、调水稀释等应急处置措施。

    1)水厂供水保障。2月10日,曲靖市政府当即切换水源,启用备用水源地供给富源县第二自来水厂,以确保居民供水安全。对自来水厂和供水管道采取措施消除铊污染,以确保管网末端居民龙头出水达标。在应急处置期间,持续监测水厂原水和出水,对饮水水质加密监测,并全面掌握供水安全情况。紧急调配抽水设备保障供水能力,并在用水高峰时段对高耗水产业进行管控,保证当地居民生活用水充足。自事件发生以来,富源县城饮水供水未出现中断和超标情况,居民生活用水未受影响。

    2)污染源头阻断。将肇事企业厂区潜在污染物料全部转运至曲靖银发危险废物集中处置中心有限公司应急贮存。对厂区原料和危险废物贮存场地采取“三防措施”。完善厂区雨污分流系统和应急池,开展厂内初期雨水收集设施和厂外截洪沟建设工作,以确保厂内水不出厂、厂外水不入厂。对厂区约3 500 m3高污染循环水先期投加沉淀剂和絮凝剂处理后,纳入小河水库一并处理。先期封堵小河水库泄洪道,防止小河水库高浓度含铊水体未经处理而进入下游鸡上河河道。

    3)化学沉淀削污。本次应急处置采用氢氧化钠调节水体pH至弱碱性,硫化钠沉淀法降低污染河流铊质量浓度工艺。天然水体中的铊以Tl+和Tl3+ 2种氧化态存在,Tl+比Tl3+更稳定,是水环境中铊的主要形式。Tl+的化合物水溶性较强,对pH不敏感,主要以游离离子的形式存在。Tl3+只有在极氧化和酸性条件下才可能存在,主要以微溶且反应性相对较低的Tl(OH)3形式存在[17-18]。在酸性条件下,硫化钠易生成硫化氢气体。在应急处置的碱性条件下,少量Tl3+以Tl(OH)3沉淀出来,而Tl+主要与过量硫化钠反应生成Tl2S沉淀,并沉积吸附到水系沉积物中,从水中去除。

    采用上述硫化钠化学沉淀方法对受污染小河水库及其下游鸡上河河道进行全面处置。设置两级投药处置点(1#和2#固定式投药处置点位),对小河水库47×104 m3高浓度污水采取硫化钠和氢氧化钠联合化学除铊工艺进行处置。自2月15日至2月21日,历时7 d,小河水库高浓度存水则已处置完毕。2月17日,发现响水河水库入口处监测断面铊质量浓度呈现升高趋势。2月18日,其上游鸡上河大龙潭监测断面铊质量浓度也出现波动情况。因此,于2月18日在鸡上河南村小桥增设了3#固定式投药处置点位,确保进入响水河水库的铊质量浓度持续保持在0.1 µg·L−1以下。因鸡上河河道淤泥和滞水较多,对小河水库完成投药处置后,下游鸡上河河道铊质量浓度依然较高,2月23日至2月28日,采取分散式投药方式对淤泥和滞水中留存的铊污染物进行削减,以完全消除上游河道对下游河道铊质量浓度的影响,缩短处置时间。

    4)流域调水稀释。统筹协调水资源调度和保障工作,在确保响水河水库饮用水取水口铊质量浓度达标的前提下,妥善安排生活、生产、农业用水需求,做好用水安全保障工作。采取流域统筹调水措施,科学做好水资源调度的时序安排,合理调整泄水与补水的调度时序,对响水河水库超标水体进行处置。自2月14日起,采取边补水边下泄方式,从石坝水库调水约345×104 m3补给响水河水库。至2月24日,石坝水库停止补水,响水河水库以4 m3·s−1的流量继续下泄,累计下泄639×104 m3。自3月4日20时起,响水河水库大坝取水口铊质量浓度首次达到0.10 µg·L−1,并呈持续下降的趋势。

    采用车载电感耦合等离子体质谱分析系统(车载ICP-MS,SUPEC 7000,杭州谱育科技发展有限公司)对采集的水样进行环境应急监测。采用标准《水质 65种元素的测定 电感耦合等离子体质谱法》(HJ 700-2014)测定水样中的铊元素,铊的方法检出限为0.02 µg·L−1

    去除率与处置效果的关系见图2。在利用氢氧化钠调节pH为8~9、采用硫化钠的典型实际应用质量浓度约为10 mg·L−1时,处置的去除率稳定,投药处置效果亦稳定。投药处置效果沿程的稳定性如图2(b)所示。对比1#监测断面(1#投药点下游1 000 m)和2#监测断面(2#投药点上游100m)的监测结果发现,2个监测断面的铊质量浓度基本一致,说明一次投药处置采用的投药浓度是合适的,投药处置效果亦是稳定的。

    图 2  去除率与处置效果的变化
    Figure 2.  Change of removal efficiency on disposal performance
    注:取样日期为2021年2月16日。

    经1#固定式投药点位投药处置后,污染水体铊质量浓度由8.17 µg·L−1降至0.15~0.41 µg·L−1,平均去除率大于95%。然而,经一次投药处置后,铊质量浓度并未降至0.10 µg·L−1以下,未实现应急处置目标。在应急处置中,考虑到处置效果和经济成本,硫化钠化学沉淀除铊的典型应用质量浓度为10~20 mg·L−1,远高于理论计算浓度。在一定浓度条件下,铊的去除率并不随硫化钠投药量的增大而提高,单次投药去除率存在一个极限值。因此,要使铊质量浓度降至0.10 µg·L−1以下,需要设置至少两级固定式投药点位进行处置。

    图3为河道环境对处置时效的影响。在2月21日,小河水库高浓度存水处置完毕后,鸡上河1#和2#监测断面的铊质量浓度均出现波动情况并呈现升高趋势,1#和2#监测断面浓度铊质量浓度均升至约0.80 µg·L−1,见图3(a)。经现场实地勘查发现,鸡上河2#投药点上游河道长期淤积,河道中淤泥和滞水较多,且上游不断有少量来水汇入,从而导致小河水库高浓度存水处置完毕后,其下游河道铊质量浓度仍较高。

    图 3  河道环境对处置时效的影响
    Figure 3.  Effect of river environment on disposal time
    注:取样日期为2021年2月28日。

    针对上述影响,自2月23日10:00起,采取多点分散式投药方式对鸡上河河道淤泥和滞水中的含铊污染物进行处置,并同时开展河道疏通工作,以缩短处置时间并彻底消除上游河道对下游河道铊质量浓度的影响。在分散式投药处置期间,鸡上河河道1#和2#监测断面的铊质量浓度变化见图3(b)。铊质量浓度呈现波动状态,1#和2#监测断面的铊质量浓度总体逐渐升高后保持稳定。图3(c)表明,截至2月28日,鸡上河河道上游铊质量浓度降至0.10 µg·L−1以下,不再对下游河道的铊质量浓度产生影响,故停止分散式投药。

    投药点位对处置效果的影响见图4。经2#固定式投药点位处置后,3#监测断面(2#固定式投药点位下游200 m)的铊质量浓度稳定小于0.10 µg·L−1。在整个应急处置期间,无论是在对小河水库高浓度存水处置期间(图4(a)),还是在对鸡上河河道淤泥和滞水采取多点分散式投药方式处置期间(图4(b)),3#监测断面的铊质量浓度始终小于0.10 µg·L−1。因此,在突发水污染事件应急处置中,为保证投药处置效果及其稳定性,设置多级固定式投药处置点位是十分必要的。一方面,由于存在极限去除率,经一次投药处置后,不能保证铊质量浓度降至0.10 µg·L−1以下;另一方面,由于河道的复杂性,需进行分散式多点投药,导致下游河道铊质量浓度产生波动。本次投药处置前期设置了1#和2# 2个固定式投药处置点位,以确保铊质量浓度处置达标和消除波动。

    图 4  投药点位对处置效果的影响
    Figure 4.  Effect of dosing point on disposal performance
    注:取样日期为2021年2月16日。

    图5为卡斯特地貌对处置效果的影响。自2月17日起,5#监测断面(响水河水库入口处)铊质量浓度呈现升高趋势。2月18日,4#监测断面(鸡上河大龙潭监测断面)的铊质量浓度也出现波动情况。经2#固定式投药点位处置后,其下游200 m的3#监测断面铊质量浓度已降至0.10 µg·L−1以下。然而,响水河水库入口处铊质量浓度自17日起即高于0.10 µg·L−1。这可能是由于碳酸氢根的影响。2#固定式投药点位下游为卡斯特地貌,故鸡上河地表水与周边地下水的交换频繁,存在地下河及地下涌水补给地表河水的情况。鸡上河主要的地下水补给来源于大龙潭地下涌水。地下水中较高的碳酸氢根离子可能对硫化钠化学沉淀除铊效果产生影响。

    图 5  卡斯特地貌对处置效果的影响
    Figure 5.  Effect of karst landform on disposal performance

    目前,对于铊在水体和沉积物间的界面化学和迁移转化研究较有限[18-19]。本次事件中,经大量硫化钠沉淀处置后,沉积物中的铊主要以硫化物结合态的形式存在。硫化物结合态的铊在一定物理化学条件下会通过解析释放出可交换性铊,并重新回到水体中并发生迁移[19]。pH可能是影响铊迁移的主要控制因素。在卡斯特地貌条件下,受HCO3电离产生的H+影响,一方面地下水中的HCO3可促进铊的硫化物沉淀出现解析,另一方面会促使水体中微量Tl(OH)3溶解,从而出现铊质量浓度的上升。反应式见式(1)和式(2)。

    Tl2S=2Tl++S2 (1)
    Tl(OH)3=Tl3++3OH (2)

    为解决此问题,在排查排除其他含铊污染源汇入的情况下,于2月18日紧急在鸡上河南村小桥设置了3#固定式投药点位,并于2月19日零点开始投药处置,以确保进入响水河水库的铊质量浓度小于0.10 µg·L−1。同时,在南村小桥上游100 m和下游1 000 m增设了6#和7#监测断面,以跟踪监测处置效果。图5(c)表明,在2月19日,经2#固定式投药点位处置后,其下游3#监测断面铊质量浓度持续小于0.1 µg·L−1。由于卡斯特地貌影响,4#监测断面依然呈现波动状态,6#监测断面铊质量浓度较高,但是经过3#固定式投药点位对解离出来的铊进行处置后,其下游7#和5#监测断面的铊质量浓度均小于0.1 µg·L−1。这表明卡斯特地貌的影响经采取设置3#固定式投药点位的方法得以消除。

    水库形状对处置时效的影响见图6。由于响水河水库较狭长且呈不规则形状,其入口、大坝以及全库平均铊质量浓度在空间分布上不均匀。自2月20日起,经3次固定式投药点位处置后,鸡上河进入响水河水库的铊质量浓度持续小于0.10 µg·L−1。至此,响水河水库入口处铊质量浓度实现达标,鸡上河对响水河水库的铊质量浓度不再产生影响。而响水河水库大坝取水口的铊质量浓度连续2 d仍为0.14 µg·L−1。在2月22日,对响水河水库全库9个代表性监测点位开展监测,铊的平均质量浓度为0.10 µg·L−1,已达到集中式生活饮用水地表水源地特定项目的标准限值。然而,由于响水河水库呈狭长型,且其形状极不规则、水动力条件不良,使得水体推移混合及置换速度较慢,故大坝取水口铊质量浓度仍为0.15 µg·L−1

    图 6  水库形状对处置时效的影响
    Figure 6.  Effect of reservoir shape on disposal time

    因响水河水库大坝取水口铊质量浓度降低速度较慢,为进一步加快铊元素从响水河水库的库中向大坝迁移,自2月24日起,采取暂停石坝水库下泄补水,并在响水河水库经低涵全速下泄坝头水体的措施,使得在节约水资源的前提下,加速降低铊质量浓度。这一调整措施实现了加快铊质量浓度降低的目标。此后,库内和大坝铊质量浓度持续下降。截至3月4日20:00,大坝取水口的铊质量浓度为0.10 µg·L−1,首次达标并持续下降。

    1)在一定浓度条件下,硫化钠化学沉淀除铊存在极限去除率,需设置至少两级投药处置点位,以确保处置达标。

    2)流域污染应急处置要充分考虑河道环境的复杂性,适时采取多点分散式投药方式处置,以消除波动和加快处置进度。

    3)在突发水污染事件应急处置前期应充分考虑喀斯特地貌或者其他因素的影响,提前规划多级固定式投药点位,以消除不可预见因素或情况对于处置达标的影响。

    4)对于不规则形状或者水动力条件较差的水库,要合理动态调整补水和泄水时序,以节约水资源并缩短处置时间。

  • 图 1  监测网络系统化布点思路

    Figure 1.  Systematic site distribution of monitoring network

    图 2  监测网络构建流程图

    Figure 2.  Flow chart of monitoring network construction

    图 3  G区域地形图及DEM高程图

    Figure 3.  Topographic map and DEM elevation map of G area

    图 4  管网数据、用地规划数据及管网节点与用地类型间拓扑关系图

    Figure 4.  Network data, land use planning data and topological relationship between network nodes and land use types

    图 5  C道路生物滞留带及透水铺装示意图

    Figure 5.  Schematic diagram of road biological detention zone and permeable pavement

    图 6  B学校绿色屋顶下接生物滞留带示意图

    Figure 6.  Schematic diagram of biological detention zone under the green roof of the school

    图 7  过程监测点位设置

    Figure 7.  Process monitoring point setting

    图 8  末端监测点位

    Figure 8.  Terminal monitoring point

    图 9  G区域监测网络

    Figure 9.  G regional monitoring network

    表 1  源头监测点的布置原则

    Table 1.  Layout principle of source monitoring points

    原则内容
    实用性源头监测点与所评估的海绵设施或项目紧密相连,便于实际操作
    代表性监测使用占比高、建设条件相对成熟的海绵设施或项目,避免相同项目或设施监测点位的重复设置
    经济性综合考虑时间、成本、人力等问题,监测点可以实现“一点多测”的目的,即一个监测口可同时获取两个或多个设施的数据
    原则内容
    实用性源头监测点与所评估的海绵设施或项目紧密相连,便于实际操作
    代表性监测使用占比高、建设条件相对成熟的海绵设施或项目,避免相同项目或设施监测点位的重复设置
    经济性综合考虑时间、成本、人力等问题,监测点可以实现“一点多测”的目的,即一个监测口可同时获取两个或多个设施的数据
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    表 2  源头监测点的布置方法

    Table 2.  Layout method of source monitoring points

    方法方法介绍
    现场踏勘法工作人员实地踏勘海绵设施,现场确认海绵设施的类型、面积、雨水进出口,以及海绵设施之间的衔接方式等
    图纸分析法根据设计单位提供的规划图纸,确认海绵设施的边界及其进出口,同时提取其覆盖面积、地块占比等数据
    方法方法介绍
    现场踏勘法工作人员实地踏勘海绵设施,现场确认海绵设施的类型、面积、雨水进出口,以及海绵设施之间的衔接方式等
    图纸分析法根据设计单位提供的规划图纸,确认海绵设施的边界及其进出口,同时提取其覆盖面积、地块占比等数据
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    表 3  过程监测点的布置原则

    Table 3.  Layout principle of process monitoring points

    原则内容
    便利性过程监测点中地块的排水边界可能处于闹市区、机动车道或不便于采样人员靠近的地方,避免在此类位置设置监测点
    全面性不同用地类型地块的排水特征不同,过程监测点的设置要保证各类建设地块全覆盖,分析不同下垫面的径流控制效果
    对比性考虑相同类型地块之间的对比,地块内布设的海绵设施比例或地块的坡度、汇流集水时间不一定相同,径流控制效果存在差异
    原则内容
    便利性过程监测点中地块的排水边界可能处于闹市区、机动车道或不便于采样人员靠近的地方,避免在此类位置设置监测点
    全面性不同用地类型地块的排水特征不同,过程监测点的设置要保证各类建设地块全覆盖,分析不同下垫面的径流控制效果
    对比性考虑相同类型地块之间的对比,地块内布设的海绵设施比例或地块的坡度、汇流集水时间不一定相同,径流控制效果存在差异
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    表 4  过程监测点的布置方法

    Table 4.  Layout method of process monitoring points

    方法方法介绍
    现场踏勘法实地踏勘建设地块的种类及其边界、汇水方向以及总汇水点的位置等信息,综合现场实际情况和原则优化过程监测点
    图纸分析法根据研究区的用地规划图、卫星影像图、以及地块与道路雨水主干道的衔接方式,布置各类地块的排水口
    GIS水文分析结合用地地块的DEM高程数据,对其进行“流向”分析,确定地块的整体流向,结合现场踏勘或图纸布置监测点
    方法方法介绍
    现场踏勘法实地踏勘建设地块的种类及其边界、汇水方向以及总汇水点的位置等信息,综合现场实际情况和原则优化过程监测点
    图纸分析法根据研究区的用地规划图、卫星影像图、以及地块与道路雨水主干道的衔接方式,布置各类地块的排水口
    GIS水文分析结合用地地块的DEM高程数据,对其进行“流向”分析,确定地块的整体流向,结合现场踏勘或图纸布置监测点
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    表 5  末端监测点的布置原则

    Table 5.  Layout principle of terminal monitoring points

    布置原则内容
    便利性末端监测点汇入湍急河流的,避免在此类位置设施监测点,应进行“上溯”处理,或利用多点加和等方式间接获取监测数据
    经济性在水利部门长期设置监测断面的河段,可直接采用水利部门的监测数据,避免点位重复,导致浪费
    布置原则内容
    便利性末端监测点汇入湍急河流的,避免在此类位置设施监测点,应进行“上溯”处理,或利用多点加和等方式间接获取监测数据
    经济性在水利部门长期设置监测断面的河段,可直接采用水利部门的监测数据,避免点位重复,导致浪费
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    表 6  末端监测点的布置方法

    Table 6.  Layout method of terminal monitoring points

    方法方法介绍
    图纸分析法根据研究区管网走向,布置在区域内排水分区总排口或其上游的管网节点
    GIS水文分析结合研究区的DEM高程数据,对其进行河网定义和盆域分析,布置研究区域的排水分区,结合现场踏勘或图纸布置总排口
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    表 7  G区域监测网络点位信息

    Table 7.  Monitoring network point information in area G

    所属层级典型点位覆盖范围
    源头监测点J2、J3等绿色屋顶、生物滞留带、透水铺装等海绵设施
    过程监测点M1、G1等工业用地、商业用地、公共设施用地、绿地、行政用地、道路等地块
    末端监测点Q1、Q2等D片区、E片区等排水分区
    所属层级典型点位覆盖范围
    源头监测点J2、J3等绿色屋顶、生物滞留带、透水铺装等海绵设施
    过程监测点M1、G1等工业用地、商业用地、公共设施用地、绿地、行政用地、道路等地块
    末端监测点Q1、Q2等D片区、E片区等排水分区
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-19
  • 录用日期:  2020-05-10
  • 刊出日期:  2020-11-10
杨松文, 陈铁, 周志鹏, 董文艺, 孙飞云, 洪德松, 张斌, 孙丹平. 海绵城市径流指标评估监测网络的构建方法[J]. 环境工程学报, 2020, 14(11): 3225-3233. doi: 10.12030/j.cjee.201912117
引用本文: 杨松文, 陈铁, 周志鹏, 董文艺, 孙飞云, 洪德松, 张斌, 孙丹平. 海绵城市径流指标评估监测网络的构建方法[J]. 环境工程学报, 2020, 14(11): 3225-3233. doi: 10.12030/j.cjee.201912117
YANG Songwen, CHEN Tie, ZHOU Zhipeng, DONG Wenyi, SUN Feiyun, HONG Desong, ZHANG Bin, SUN Danping. Construction method of monitoring network for runoff index evaluation in sponge city[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(11): 3225-3233. doi: 10.12030/j.cjee.201912117
Citation: YANG Songwen, CHEN Tie, ZHOU Zhipeng, DONG Wenyi, SUN Feiyun, HONG Desong, ZHANG Bin, SUN Danping. Construction method of monitoring network for runoff index evaluation in sponge city[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(11): 3225-3233. doi: 10.12030/j.cjee.201912117

海绵城市径流指标评估监测网络的构建方法

    通讯作者: 孙飞云(1982—),男,博士,副教授。研究方向:海绵城市、面源污染等。E-mail:sun_fy@hit.edu.cn
    作者简介: 杨松文(1993—),男,博士研究生。研究方向:海绵城市监测与评估。E-mail:songwen315@qq.com
  • 1. 哈尔滨工业大学(深圳)土木与环境工程学院,深圳 518055
  • 2. 深圳市新城市规划建筑设计股份有限公司,深圳 518000
基金项目:
深圳市技术攻关项目(JSGG20170414101900541);深圳市基础研究项目(JCYJ20160406162038258)

摘要: 针对当前海绵城市径流监测网络的构建方法存在不系统、不实用,导致监测数据无法追溯、评估数据不全面等问题,对海绵城市径流指标评估中监测网络的系统化构建和布点问题进行探讨,并以深圳市某海绵城市试点区域为例进行应用。探讨结果表明,系统化构建监测网络需按照“源头-过程-末端”3个层级对“海绵设施-建设地块-排水分区”监测点位进行全方位布置,以便达到监测数据全过程记录和可追溯的目标。“源头-过程-末端”3个层级监测点位选取和布置时需要满足实用性、代表性及经济性等原则。系统化监测网络的构建思路和布点方法能较好地适用于该试点区域,满足该区域径流指标评估的需求,可为海绵城市建设效果的定量化考核和评估提供借鉴。

English Abstract

  • 海绵城市建设目标是指通过加强城市规划建设管理,充分发挥建筑、道路和绿地等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用,有效控制雨水径流[1]。因此,对雨水径流指标控制效果的评估显得尤为重要。住建部发布的《海绵城市建设绩效评价与考核方法(试行)》中指出:应采取实地考察、查阅资料及监测数据分析相结合的方式,科学评估海绵城市建设成效[2]。由于海绵城市试点区域一般面积较大,涵盖商业区、工业区、行政区、居住区等不同下垫面类型;同时,不同下垫面类型区域又包含绿色屋顶[3]、生物滞留带[4]、透水铺装[5]等不同形式海绵设施。为做好不同类型下垫面和海绵设施基础数据的汇集和整理、科学评估试点区域的海绵城市建设效果,径流指标评估监测网络的构建是关键[6]

    现有海绵城市径流控制效果评估主要有监测法[7]、模拟法[8]和监测与模拟联合法[9]等方法。监测法选择代表场次日降雨,监测外排雨水径流流量和水质,计算径流控制效果。HU等[10]利用监测法评估某区域低影响开发设施对城市暴雨内涝的缓解效果,评估结果表明LID措施可以减少城市的洪水和内涝灾害,减少水深和灾害区域,但是这种单一的监测方法只适合小面积的研究区域。模拟法是指通过构建试点区域水文水质模型,模拟试点区域开发前后场次或全年雨水径流量水质,评估试点区域径流指标控制效果。MAO等[11]利用SUSTAIN软件实现了对LID-BMPs建设效果的模拟评估,评估对象包括总流量、峰值流量及COD、SS、TN、TP等污染因子。监测与模拟联合法融合监测法与模型模拟法的优点,利用有限次的监测数据和率定准确的模型对试点区域进行全过程监(预)测评估。郭效琛等[9]利用监测与模拟联合法对住宅小区海绵改造类项目进行评估,不仅获取到有效的监测数据,以支持监测期间项目径流总量控制率的计算分析,同时对模型参数进行率定和验证,进一步分析评估径流总量控制率,从而提高项目径流总量控制率计算的准确性和科学性。

    3种方法具备不同优缺点和适用范围,但均离不开系统化监测网络的构建。2019年实施的《海绵城市建设评价标准》仅对道路、停车场以及广场等地块的海绵城市建设实施有效性进行了说明,并未介绍如何具体监测海绵设施;同时,监测网络的构建仍存在不系统问题,导致监测数据无法追溯、评估数据不够全面等问题。本研究以海绵城市径流指标评估监测网络的系统化构建方法和布点方法为出发点,结合海绵城市监测评估的要求,对监测网络的构建方法进行了探讨和分析,以期为海绵城市建设效果的定量化考核和评估提供参考。

  • 海绵城市建设思路是构建“源头减排-过程控制-末端治理”的全过程理念,综合采用“渗、滞、蓄、净、用、排”多种措施,将自然途径与人工措施相结合,最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化,促进雨水资源利用和生态环境保护[12]。海绵城市径流控制指标监测网络的构建首先需要在试点区域进行“全过程、系统化”监测。

    通过人工监测或在线监测获取特定降雨条件下的径流流量和水质数据,对不同海绵设施、不同用地类型、不同排水分区的管网节点或雨水排口进行实地监测。全面、科学地评估各层级径流指标的满足情况,从而掌握海绵城市建设中试点区域在雨水径流控制方面的改善情况。

    基于“源头-过程-末端”的全过程理念,对海绵城市径流控制指标监测网络的系统化布点思路如图1所示。

    1)源头监测。监测试点区域的各种海绵设施进出水口水量及水质情况,为海绵城市建设效果评估提供依据。源头监测点的布设目的是监测水量和水质等基础数据,对海绵设施的径流控制效果和污染物削减率进行核算和收集。

    2)过程监测。对试点区域内典型地块排口、关键管网节点达标情况进行整体评估,典型地块排口的径流流量和水质监测可为海绵设施的组合应用效果评估提供过程数据。过程监测点的布设目的是监测水量、水质数据对地块内的径流控制效果和污染物削减率进行评估,同时对部分区域存在的内涝点进行监测。

    3)末端监测。根据试点区域的排水分区或区域整体,排水分区排口可为不同用地类型的地块组合对径流指标控制提供过程数据,区域总排口评估整个海绵城市试点区域内径流指标满足效果。末端监测点的布设目的是对试点区域整体水量进行监测,评估区域内的径流控制效果。

  • 监测网络构建分监测点位的空间布局和评估基础数据的获取2个部分:一是监测点位的系统化布局,“源头-过程-末端”3个层级的监测点位组成监测网络;二是监测点位对应的评估基础数据获取,评估基础数据包括监测点位对应的海绵设施、地块和排水分区的径流指标、服务面积、坡度、特征宽度等。监测网络构建流程见图2

    1)研究区域资料收集。调研试点区域的海绵城市建设目标和指标,确定该区域整体径流控制指标以及各排水分区、用地地块的类型、面积和规划设计的场次径流总量控制率、设计降雨量、场次径流污染削减率等数据。

    2)研究区基础数据需求分析。布置径流指标监测点位时应考虑试点区域雨水管网的布设方式、管网走向、管网之间的衔接方式等信息,区域内各地块用地类型以及该地块各种海绵设施布设比例、位置和海绵设施布设方式等数据。除此之外,还应了解各地块的坡度、面积以及排水分区的分界线等信息。获取这些数据和信息需要对该区域雨水管网图、用地规划图、DEM高程图等涉及到不同用途、不同文件类型的基础数据进行耦合、提取分析。

    3)监测点位布置。根据该区域现有管网数据以及对应的用地规划数据,可得到管网节点或入河口与海绵设施、建设地块、排水分区之间的拓扑关系[13],结合“源头-过程-末端”3层级监测点位的布置原则和方法,从众多管网节点中筛选出有代表性的、可系统化、全面评估海绵城市径流控制效果的监测点位,组成监测网络。针对管网混接点、合流制排口等问题,在选择监测点的时候尽量避开此类排口,或者通过监测临近区域点位的水量核减该部分水量。

    4)评估基础数据提取。海绵城市径流指标的评估离不开基础数据的提取。例如,对海绵设施绿色屋顶的评估,应了解绿色屋顶在不同降雨情景下对雨水径流的控制情况,根据实际监测的降雨量、绿色屋顶的面积和现场监测得到的外排流量和水质,计算其场次径流总量控制率和污染物削减情况,评估其对径流雨水的控制效果,对比相同或不同设施的控制效果,积累运行经验。评估包括海绵设施、地块或排水分区的面积、坡度、最大漫流长度等基础数据[14]

  • 源头监测主要指对海绵设施径流控制效果进行持续监测,布置原则见表1。源头监测点布置既要满足海绵设施运行效果的现阶段需求,又要满足积累海绵设施运行参数积累的长远需求。因此,源头监测点的布置应符合实用性、代表性以及经济性等原则。

    根据源头监测点布置原则,采用现场踏勘法或图纸分析法等对源头监测点的位置进行筛选和优化,其布置方法见表2

  • 过程监测点主要针对不同类型的建设地块,常见地块包括商业用地、绿地、行政用地、工业用地、居住用地、道路以及公共设施用地等[15]。过程监测点的布置需要兼顾对不同类型地块的建设效果监测,同时积累不同或相同类型地块内海绵设施的布设种类、组合方式以及地块自身的坡度和特征宽度对径流控制效果的影响。因此,过程监测点的布置应符合便利性、全面性以及对比性等原则(见表3)。

    过程监测点的布置方法见表4。常见的过程监测点布置方法有现场踏勘法、图纸分析法和GIS水文分析等;也可以采用多种方法联合的方式,如联合图纸分析法和现场踏勘法可迅速定位总排口位置,又可避免图纸与现场实际情况不符的情况。

  • 末端监测点主要针对的是试点区域内部的排水分区或区域整体,布置原则见表5。末端监测点主要实现对试点区域整体或区域内所含排水分区的雨水径流监测,评估区域整体径流指标的控制效果。针对不同排水分区进行监测,为各种用地类型建设地块组合方式对径流指标的控制效果研究提供数据支持。由于末端监测点的选择比较单一,在布置的时候主要考虑便利性和经济性原则。

    末端监测点布置方法见表6。常用末端监测点布设方法有图纸分析法和GIS水文分析等[16]。利用图纸分析法分析试点区域管网内雨水的最终流向,再根据GIS水文分析法确定雨水总排口的位置坐标。实地踏勘雨水总排口采样的便利性;若不便于采样,根据图纸选择总排口上游的管网节点。

  • 以深圳海绵城市试点区域G为例,根据其海绵城市径流控制效果评估的需要,确定对其基础数据进行需求分析,并分解其径流评估指标至“源头-过程-末端”3个层级,布置监测点位,构建G区域径流指标监测网络。

    G区域地形图和DEM高程图见图3。G区域位于深圳西北部,低山丘陵区,海拔为25~200 m;属南亚热带海洋性季风气候区,夏季长、冬季不明显;区域内年平均气温22.4 ℃,多年平均日照时间2 120 h;G区域土壤类型为第4系松散堆积层覆盖,分布广泛且深厚,以砂砾类土、粉质黏土、淤泥质土和淤泥等土类为主。

  • 通过分析G区域的管网数据(图4(a))、用地规划图(图4(b))、管网节点与海绵设施、建设地块或排水分区之间的拓扑关系(图4(c)),可确定G区域“源头-过程-末端”3个层级中监测点位的布置情况。

  • 1)源头监测点。选取G区域内基础海绵设施建设条件比较完善的A车站站前广场和B学校为源头监测点,研究这2个区域的海绵设施建设情况。其中,A车站C道路边侧采用“初雨沉砂+生物滞留”的海绵工艺。如图5所示,为便于界定流入及流出生物滞留带的雨水径流和水样的获取,在道路出流口设置生物滞留带的前端监测点(J1),滞留带溢流口入市政雨水管道处设置后端监测点(J2)。生物滞留带边侧人行道采用透水铺装路面,底部布设市政雨水管道。道路雨水检查井监测点(J2),可同时监测透水铺装和生物滞留带雨水径流出流的流量和水质。

    B学校教学楼屋顶采用绿色屋顶来削减径流流量和径流污染。为便于界定流入及流出绿色屋顶及生物滞留带的流量、方便水样获取,屋顶出水通过接地雨水管排入生物滞留带(见图6)。选择接地雨水管为监测点(J3),可同时获取绿色屋顶出流径流和流入生物滞留带的外部径流。在生物滞留带出水溢流入市政雨水管道处设置监测点(J4),可得到生物滞留带雨水径流出流流量和水质。

    2)过程监测点。G区域用地类型包含道路、绿地、居住用地、商业用地和行政用地。为横向和纵向对比分析各类典型地块的建设效果评估,过程监测点设置在兼顾典型性的同时,考虑相同用地类型控制效果的对比。共设置13个监测点,各过程监测点位置图如图7所示。在不同典型地块雨水汇集口设置监测点。以绿地为例,监测点分别设置在道路交界点,G1监测点的服务面积为7.41 hm2,G2监测点的服务面积为2.55 hm2,两者的平均坡度相差不大,可研究不同面积条件下,绿地类用地对径流指标的控制效果。

    3)末端监测点。结合现场踏勘和CAD图纸,2个排水分区最终流入D河流和E河流的支流。分别在D片区入D河流支流处设置末端监测点Q1和E片区入E河流支流处设置末端监测点Q2(图8),用于监测2个排水分区的径流流量以及水质情况。

  • “源头-过程-末端”3个层级监测点位的布置和确定,组成G区域径流指标评估需要的监测网络,监测网络各层级点位信息如图9所示,各点位信息见表7

  • 1)探讨了海绵城市径流控制效果评估中监测网络的系统化构建思路和布点方法。在系统化构建思路方面,监测网络按照“源头-过程-末端”3个层级对“海绵设施-建设地块-排水分区”的监测点位进行布置,可以实现监测数据的全过程记录和可追溯等目的。

    2)形成了研究区域资料收集→图纸及现场踏勘→点位分析及布置→评估基础数据提取→研究区监测网络的构建流程;在监测点位布置方面,“源头-过程-末端”3个层级监测点需要满足实用性、便利性和经济性等原则,可以对评估目标开展针对性分析。

    3)以深圳市海绵城市试点区域为例,探讨了该方法的实用性,满足该区域径流指标评估的需求。同时以该试点区域为例,提出了监测方法,尚缺乏对该方法的实验验证,期望在后续监测过程中对该方法进行验证和实施。

参考文献 (16)

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