城市径流面源污染控制是海绵城市建设的核心目标之一^[1]。雨水径流污染具有时空范围广、来源复杂、不确定性大的特点, 是海绵城市建设的重点与难点。许多学者探索了海绵城市设施类型和工程技术对径流污染物的削减效果, 研究范围涉及透水铺装、绿色屋顶、初雨弃流、生物滞留、下沉式绿地、雨水花园等内容^{[2,3,4,5,6,7]}, 其中一些已经应用于社区的海绵城市改造工程。但海绵城市建设是一项长期的、复杂的系统工程, 不仅需要从多学科多角度进行全方位论证和协调, 还需要科学合理的评价方法对建设效果进行量化分析。对于面源污染的控制潜力评价, 径流总量控制是径流污染控制的主要方法和途径, 同时绿地的自然净化和社区管理也有污染控制效果^[8]。本文系统地分析了城市居住社区海绵城市建设特征和适用技术, 依托物元可拓和层次分析相结合的数学模型, 提出城市居住社区径流面源污染控制潜力的评价方法, 对已建社区径流污染削减现状与海绵化改造方案进行整体分析评价。

评价指标体系的选取参考《海绵城市建设技术指南———低影响开发雨水系统构建 (试行) 》中的相关规定。根据海绵城市建设目的和原则, 基于层次分析法理论, 以居住社区径流污染削减潜力评价为目标层, 以居住社区排水系统建设水平、道路建设水平、绿地建设水平、屋面建设水平和社区管理水平为准则层。对于指标体系指标项和各指标目标值的确定, 综合分析国内外各种已有标准规定和工程实例^[1,9,10,11], 选定定量指标项的目标值和定性指标项的划分依据, 确定五层次三等级递阶结构的评价指标体系, 其中一级评价指标5项, 二级评价指标20项, 评价等级分为3个级别:I级、II级和III级, 分别代表社区径流污染削减潜力从低到高, 详见表1。

指标权重的计算运用层次分析法, 采用三标度法排定同级指标的相对优劣顺序, 构造比较矩阵, 基于比较矩阵得出间接判断矩阵的权重向量并判断矩阵的一致性, 按照方法依次确定一级指标和二级指标的权重。指标关联度的计算采用物元可拓法, 选择二级指标作为评价因子, 结合评价体系等级划分和社区情况建立社区二级指标评价向量和评价指标矩阵, 对评价指标矩阵规范化, 根据规范化的评价指标矩阵, 确定关联度矩阵。

评价结果以百分制分数的形式对社区径流污染削减潜力给予定量分析。由关联度矩阵和权重向量确定综合关联度, 对每个等级的综合关联度归一化处理, 根据综合关联度与Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级对应的评分值计算加权平均分, 得到评价社区的径流污染削减潜力综合评价指数, 指数的分级评价见表2。

以上海浦东新区某已建居住社区的现状与海绵化改造方案为对象, 采用本文建立的方法评价该居住社区径流污染削减潜力。

上海浦东新区地处东亚季风盛行的滨海地带, 属海洋性气候, 四季分明, 雨量充沛。上海的城市居住社区由于区域自然基础条件与开发建设的原因, 总体上表现出地下水位高、土地利用率高、不透水面积比例高、建筑密度高、土壤入渗率低等四高一低的特点, 需要因地制宜地开展海绵城市建设^[12]。

案例社区为老旧小区, 列为浦东新区居住社区海绵化改造试点项目。所在地区排水系统的设计重现期P=1年, 建设场地属滨海平原地貌类型, 地形平坦, 不存在能导致场地滑移、大的变形和破坏等严重情况的地质条件。工程改造的区域总面积为91 938m², 建筑面积、绿地面积、道路设施等场地面积的比例约为3∶3∶2, 水系面积73m², 现状道路、广场、活动空间均为不透水路面。各种类型下垫面比例适中, 适宜采用多种海绵城市技术措施。

(1) 社区排水系统:社区目前采用不完全分流制排水系统;管线淤堵情况严峻, 过水能力差;社区排水为快排模式, 降水形成的径流短时间即排入地下管网, 径流污染难于控制。改造工程按最新设计标准对雨水管网进行重新设计, 同时对现有污水管线进行原位翻建, 调整部分现状排水走向。

(2) 社区路面改造:社区内道路和广场采用水泥混凝土和沥青等硬化路面, 易在局部低洼处形成积水。工程根据不同位置道路使用需求对路面进行改造, 道路采用透水沥青结构, 广场改造为透水铺装。

(3) 社区屋面改造:社区建筑内厨房排水和卫生间排水均接入排水立管, 存在阳台污水混接入雨水落水管现象。改造工程将阳台污水管改接至小区新建污水管道, 并设置水封井;对屋后有条件的落水管断接并改造排水边沟, 将雨水接入绿地内雨水花园或下沉式绿地, 对屋面雨水进行滞留与净化。

(4) 社区绿地改造:社区现状绿化分布不均, 宅间绿地高于道路, 暴雨期间绿地内雨水易溢流到道路上。改造工程将宅间绿地改造为植草沟、雨水花园或下沉式绿地, 对雨水进行转输、调蓄和滞流。超出绿地滞蓄能力的雨水, 通过溢流口溢流后接入小区雨水管道;加高道路沿石, 避免绿地雨水汇入路面。

(5) 社区管理升级:社区改造应对雨水入渗、收集、输送、储存、处理与回用系统清扫、清淤, 确保工程安全运行;加强道路清扫, 禁止垃圾落入雨水口;建立和完善跟踪监测和绩效考核体系。

结合该居住社区的现状情况, 计算评价指标的权重, 结果见表3。

根据评价方法计算社区改造前后评价指标关联度的分布, 如图1所示。改造前绿地建设水平对径流污染削减潜力I级的关联度最大, 是一级指标中的主要限制因素;结合指标权重计算结果, 排水系统的排水方式对径流污染削减潜力的影响最为显著。排水系统、道路、屋面的关联度水平在改造前后所处关联度水平一致, 结合社区改造工程, 排水系统、道路、屋面的改造是一个整体, 改造时需要统筹协调, 例如布设管道改进排水系统既要考虑屋面的雨水管道, 也要注意对路面的修复。

根据改造方案对社区进行海绵化改造的具体设计技术与参数, 该社区改造前后综合评价指数计算结果如图2所示, 社区海绵化改造后雨水径流污染削减潜力的综合评价指数从55提升到82, 反映了改造方案中低影响技术措施健全, 其中道路和屋面的污染改造对污染的削减有显著提升。一方面是因为道路改造和屋面改造在社区实施改造时相对容易实现, 另一方面采用的透水铺装、初雨弃流等技术措施发挥的作用较为显著。

改造后排水系统和绿地系统的污染削减能力也有一定程度的提高, 但幅度较道路和屋面小。排水系统因为早期的整体设计问题难以进行彻底改造, 改造方案重点就雨污管道混接和排水方式采取措施, 同时对局部管网进行设计翻建。绿地系统受限于上海地下水位高、绿地土壤渗透率低等自然原因, 故绿地改造方案仅通过增加下沉式绿地率和绿化面积适量减少雨水径流污染。

(1) 基于物元可拓-层次分析法数学模型建立的居住社区的径流面源污染控制潜力评价方法, 可量化反映居住社区雨水径流污染现状水平和海绵化改造方案的污染削减潜力。

(2) 案例分析显示, 符合居住社区特点的海绵化改造技术措施可以显著提高雨水径流面源污染的削减能力, 在居住社区这一源头层面上提高城市雨水径流面源污染的控制能力。

(3) 建立的评价方法适合于新建社区的海绵城市建设和已建社区的海绵化改造, 对径流面源污染控制能力的评价可为设计方案比选与优化提供参考。