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、亞歷山德里亞市三個典型地區的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污染控制的現狀和問題提出了值得重視與借鑒的幾點經驗：①法規政策及責任部門的管控與導向;②CSO污染控制的長期規劃指引;③不同地區CSO污染控制策略的差異性;④通過技術經濟分析優化灰綠設施組合;⑤CSO污染控制子系統之間的協調;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境治理中亟待解決的重大難題。關于合流制排水系統及其溢流污染的控制，我國近年來發布的一些新編或修編的規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《城市排水工程規劃規范》(GB 50318-2017)指出，合流制區域應優先構建源頭減排系統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、嘉興等城市綜合規劃實施了CSO調蓄池、生物滯留措施等。
整體而言，我國專業領域對合流制系統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，聯邦環保局將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及可靠性驗證，在CSO控制規劃與實踐中并未大范圍、系統性的應用。
隨著CSO污染控制的持續推進，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發展的需求。而21世紀以來，GI的發展與實踐經驗的積累，其顯著的綜合效益受到廣泛關注。2007年聯邦環保局正式發布聲明推廣使用GI緩解CSO污染和其他城市水問題，并鼓勵將GI納入CSO長期控制規劃。接下來幾年里，聯邦環保局相繼發布了《綠色長期控制規劃模板:小型社區CSO控制規劃工具》、《綠色化CSO控制規劃：GI控制CSO的規劃與模擬》等系列文件，進一步推進與指導GI與CSO長期控制規劃的整合。為更好實現市政雨污水綜合管理，2012年聯邦環保局發布了《市政雨污水綜合規劃方法框架》，將CSO污染控制與雨水、污水等水問題相協調，強調了GI應用于流域綜合管理的重要性。
地方政府多以與聯邦環保局或州政府協商簽署CSO裁定協議(Consent Decree)的形式，作為當地CSO污染控制的重要法律性依據。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裁定協議中加入GI相關條款;其中部分地區對實施GI提出了強制性量化要求，如克利夫蘭規定在8年內至少投資4200萬美GI控制16.7萬m?年溢流量。比較分析不同地區的CSO裁定協議，可以看出，早期的裁定協議中更多將GI作為環境補充項目或額外投資項目，而近期的協議中更多將GI整合到CSO污染控制的規劃方案中，體現了美國多地在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。根據城市規模、現狀條件及問題、控制策略等不同方面特征，選取紐約市、圣路易斯都會區、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%為合流制區域，其中72%為不透水表面。巨大的人口和發展壓力，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地污水廠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優化、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展需求，2008年紐約市開始實施可持續雨水管理規劃，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。為更規范明確地實施GI控制CSO污染，2010年紐約市發布《綠色基礎設施規劃》，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，優化現有排水系統，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測與評估，并依據反饋信息及時對控制策略進行優化調整。2012年紐約市修改CSO裁定協議，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，紐約市環保局還承諾將GI納入到CSO長期規劃的編制中，細化GI具體的實施區域和技術措施。
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，該策略可節省15億美元投資，每年多控制760萬m?的溢流量，并在節能、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 紐約合流制系統分布情況
(資料來源：《SustainableStormwater Management Plan 2008，A Greener, Greater NewYork》)
② 圣路易斯都會區
圣路易斯都會排水區(MSD)服務人口140萬人，擁有全美第四大的管道系統，其中合流制區域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“溢流調節系統”，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對當地2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，并結合當地交通與住宅改造、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域實施，主要是由于該區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，監測評估項目績效，并開展公眾教育與推廣工作。研究發現，當地合流制區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發布了綠色基礎設施全面實施規劃，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劃，目標是提高合流制GI項目區域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在長期規劃制定過程中劃分了七個子區域，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 圣路易斯都會區合流制系統分布情況
(資料來源：《Metropolitan St. Louis Sewer District Combined Sewer Overflow Long-Term Control Plan Update Report》)
③ 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模較小，合流制區域位于東部老城區，面積2.2km?，約占城市總排水面積的6%。雖然合流制區域面積及比例較低，但長期以來CSO污染嚴重影響了當地水體水質達標與改善，成為了一類小型城市或城鎮所不容忽視的問題。
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長期控制規劃，對CSO污染特性進行分析研究，細化了聯邦環保局要求的九項最基本控制措施，并完善了公眾參與及監管機制。2005年該市制定了一項“合流制面積削減計劃(ARP)”，要求所有開發者在合流制區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，該市發布的《可持續發展規劃2030》指出，在短期階段繼續實施“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，嚴重制約水環境改善。2016年該市對原有CSO長期控制規劃進行修訂，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，該市還積極向當地居民提供雨水桶，開展雨水收集利用項目，并制定了對私人開發商和業主的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，并不能滿足當地CSO控制目標，且如此大規模的實施GI可能會超過2035年的規劃期限，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CSO污染控制灰綠設施應用概況
可以看出，美國不少地區的CSO污染控制經歷了數十年努力并投入了數以億計的資金，且仍在繼續，其長期性、艱巨性顯而易見。2007年聯邦環保局發布政策推廣GI控制CSO污染是一個重要節點，隨后幾年各地紛紛修編原有規劃，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。部分地區為更好推進GI控制CSO污染，另外編制了綠色基礎設施規劃，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規劃期限與實施目標方面看，相對長期的規劃更多的選擇合流區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劃布局、便于監測與考核;相對短期的規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個地區中絕大多數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，超過半數地區GI投資在10%以下，多數城市對GI表現出“相對保守”的態度。筆者分析，這主要與當地CSO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，相較傳統的灰色技術措施，GI作為一種新興技術還在發展完善，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，依據項目監測和實施效果評估情況，適時進行調整，逐步優化控制策略，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規劃策略，類似于我國的海綿城市建設，雖不僅限于合流制區域實施，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法規政策及責任部門的管控與導向
通過聯邦法規政策的發布與修訂，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，聯邦環保局出臺的一系列指南文件，對于推動和指導各地落實聯邦政府的法規政策、實施GI控制CSO污染等，發揮了極為關鍵的作用。
②CSO污染控制的長期規劃指引
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劃。
③不同地區CSO污染控制策略的差異性
聯邦環保局并未對各地CSO污染的具體控制方案和技術措施選擇等作統一或量化的規定，各地往往結合自身實際情況因地制宜地制定相應策略。不同地區由于發展規模、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、規劃目標、技術選擇、投資比例等都有一定差異。
④通過技術經濟分析優化灰綠設施組合
CSO污染控制系統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，聯邦及地方政府十分重視GI帶來的環境、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，并納入到規劃方案的決策過程中，以實現投資效益的最大化。
⑤CSO污染控制子系統之間的協調建設
實踐表明，美國極為重視CSO污染控制不同子系統之間的協調建設。不少地區規劃實施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、處理等子系統相互關聯，合理的配套與銜接對于優化資源配置、提升系統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，改造后的雨水系統及其徑流污染仍然需要重視。因此，美國多數地區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、實施效果好的區域進行改造，并充分結合其他技術措施統籌應用，而不是簡單化的一概推行。
⑦適時評估調整控制策略
考慮現有技術及認識水平的局限，今后行業的發展與變革，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，依據建設后項目的監測及評估結果，適時調整和優化控制策略，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(北京雨人潤科生態技術有限責任公司)，張偉(北京建筑大學)
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