混合绿色-灰色基础设施在密集城市流域中用于CSO削减和水质改善的长期性能，中国镇江

《Water》：Long-Term Performance of Hybrid Green-Gray Infrastructure for CSO Reduction and Water Quality Improvement in a Dense Urban Watershed, Zhenjiang, China

　　

城市合流制排水系统日益受到气候强化降雨、合流制溢流（CSO）和受纳水体退化的挑战。本研究对在中国镇江海绵城市试点流域实施的一项混合绿色-灰色改造项目进行了回顾性评估，该项目将绿色雨水基础设施（GSI）、排水管网升级和集中式深隧系统集成在一个空间有限、原生土壤渗透性低、地下水位浅、基础设施老化的密集开发流域内。研究人员通过长期运行观测、代表性水力与水质监测、市政运行记录以及设施和流域尺度的配套工程分析，评估了系统性能。结果表明，运行7–10年后水力功能持续保持，约90%的监测生物滞留系统维持有效入渗速率大于80 mm h^?1。基于事件的监测显示径流量和污染物负荷显著削减，包括总悬浮固体（TSS）、化学需氧量（COD）、氨氮（NH₃–N）和总磷（TP）。改造实施后，主要排放口的年CSO发生次数从318次降至24次，削减率达92.5%。配套工程分析表明，单独GSI改造可削减溢流频率约41.8%、溢流量约61.1%，而与深隧集成后削减率分别提高至约58.8%和85.3%。官方受纳水体监测记录进一步显示，2021–2026年间约74.7%的监测日维持了Class III或更优水质条件。这些发现提供了长期流域尺度证据，表明混合绿色-灰色改造策略可将绿色雨水基础设施与集中式溢流调控相结合，在高度受限的城市流域实现持续的溢流削减和受纳水体改善。

**论文解读：混合绿色-灰色基础设施在密集城市流域中用于CSO削减和水质改善的长期性能**

**研究背景与问题**
全球城市合流制排水系统正面临快速城市化、排水基础设施老化和气候变化加剧降雨的多重挑战。暴雨事件期间，径流生成量常超过合流制系统的水力与处理能力，导致合流制溢流（CSO）、城市内涝和受纳水体水质恶化。气候预测进一步表明，许多城市将经历更频繁和强烈的短历时降雨，加剧现有排水系统压力。此外，城市受纳水体退化与扩散性城市污染源密切相关，尤其在密集开发区——高不透水覆盖、老旧排水管网和强烈的初期冲刷效应使污染物（悬浮固体、营养物、有机物、病原体等）通过径流和CSO直接进入河流湖泊。尽管管网分离被视为长期解决方案，但在密集老旧城区常受限于高成本、施工复杂性、公共设施冲突、交通中断和长期维护挑战。因此，既能减少径流和污染物输送又能削减CSO的改造策略变得至关重要。传统灰色基础设施（如管网分离、调蓄设施、深隧系统）虽可增加水力容量，但需大量资金且难以在密集城区实施。绿色雨水基础设施（GSI）通过源头控制模拟自然水文过程（入渗、滞蓄、蒸散发、污染物去除），可减少进入合流制系统的雨水体积，但性能受当地水文地质条件强烈制约——低渗透性土壤、浅层地下水、密集地下公共设施和有限土地限制了传统入渗型GSI的效果。为此，越来越多城市采用混合绿色-灰色方法，将源头控制与集中式调蓄、输送和溢流调控设施结合。然而，长期流域尺度上集成系统的实际运行绩效证据仍然有限，尤其是在高度受限的城市流域中，设施尺度的持续性如何转化为CSO削减和受纳水体改善尚缺乏系统记录。

**研究目的与意义**
为填补上述空白，研究人员评估了中国江苏省镇江海绵城市试点流域。该流域代表了极具挑战性的改造环境：低原生土壤渗透性（约3.6–3.8 mm h^?1）、浅层地下水、密集地下公共设施、有限可用绿地和大量合流制基础设施。海绵城市项目实施了混合绿色-灰色改造策略，集成GSI措施、排水管网升级和集中式深隧系统，旨在减少CSO、雨水径流和受纳水体污染。本研究利用长期运行观测、水力与水质监测、市政记录和配套工程分析，探究该策略能否在密集城市流域提供持续长期的CSO削减和受纳水体保护。具体目标包括：（1）评估GSI系统在实际城市运行条件下的长期水力功能性；（2）评估集成混合系统实现的流域尺度CSO削减；（3）考察改造策略长期运行下的受纳水体和更广泛的城市适应结果。该论文发表于《Water》，为高度受限城市流域中混合绿色-灰色改造策略的长期有效性提供了罕见的流域尺度工程证据。

**主要关键技术方法**
研究采用回顾性工程评估框架，整合多源证据。关键技术方法包括：（1）设施尺度水力监测（2016–2017年连续监测，5分钟间隔记录降雨与流量）；（2）水质监测（7次降雨事件，测定TSS、COD、NH₃–N、TP，计算污染物负荷削减率）；（3）长期入渗评估（2024年对7个代表性GSI设施进行双环/单环入渗测试，涵盖3个居民社区Jianger、Chaoyang、Huarun）；（4）流域尺度评估（利用镇江市生态局提供的市政运行记录、CSO统计数据、官方受纳水体监测数据，包括2018年海绵城市验收监测和2021–2026年国家地表水监测断面数据）；（5）配套工程分析（采用SWMM、HEC-RAS、HSPF、EFDC模型支持设计与解释）。需注意样本队列来源：GSI设施位于典型居民社区，为径流和污染物负荷的主要来源区域。

**研究结果**

*3.1 长期水力功能性*
通过2016–2017年连续水力监测和2024年实地调查，研究人员发现GSI设施在高度受限城市社区运行7–10年后仍保持持续水力功能。监测设施保留了约95–99%的估计入流径流（通过入渗、存储、蒸散发和延迟的暗管排放联合作用），溢流发生有限。约90%的监测生物滞留设施维持有效入渗速率大于80 mm h^?1；透水联锁混凝土铺装（PICP）系统即使部分表面堵塞仍保持约600 mm h^?1的入渗能力。而透水沥青路面严重堵塞（<20 mm h^?1）。结果表明工程介质和暗管系统在低渗透条件下维持了有效排水和临时调蓄。

*3.2 污染物去除性能*
7次降雨事件的水质监测显示显著削减效果：TSS负荷削减97.95%，COD削减98.39%，NH₃–N削减98.72%，TP削减99.35%。高径流保留率与高效污染物去除表明GSI在源头同时提供水力与水质的益处。

*3.3 流域尺度CSO削减*
市政运行记录显示，主要排放口年CSO发生次数从改造前的318次降至改造后的24次，总体削减约92.5%。最大削减出现在金山湖（86次降至4次），古运河、运粮河、虹桥港河排放口削减幅度90.6%–95.3%。观察还表明历史上易涝的合流制区域污水溢流减少，运行稳定性提高。

*3.4 受纳水体水质响应*
官方监测数据（2018年海绵城市验收及2021–2026年国家断面）显示改造后水质持续改善。运粮河省级监测断面中，Class I–II水质占59.1%监测日，Class III占15.6%，合计约74.7%的监测日达到Class III或更优。发生较差水质（Class IV、V、劣V）的比例分别为9.2%、2.4%、7.7%。海绵城市验收期间金山湖、运粮河、古运河、虹桥港河均达到地表水Class III标准。

*3.5 更广泛的城市适应效益*
改造不仅实现水力与水质改善，还提升了社区基础设施——道路、排水、步行设施、景观和公共空间升级。北京大学进行的独立社会绩效评估报告显示，改造社区居民对排水性能、环境质量、步行可达性、公共空间质量和整体宜居性的满意度提高。同时指出停车场与公共空间分配冲突、长期维护需求和社区参与重要性的挑战。

**讨论与结论**

讨论部分总结了两点关键发现。第一，GSI在低渗透性和浅层地下水条件下的性能：镇江改造并未依赖高原生土壤入渗能力，而是通过高孔隙率工程介质、暗管系统和碎石存储层实现临时存储、控排和污染物处理，形成工程滞滤系统。这一设计理念根本区别于传统入渗主导方式——将水力性能与本地土壤入渗解耦，使系统在不利水文地质条件下仍维持有效径流保留和污染物去除。长期监测（7–10年）表明设施功能稳健，PICP即使部分堵塞仍保持高导水率。第二，设施尺度性能与流域尺度结果的关联：居民社区是径流和污染物负荷的主要来源（包含屋顶、道路径流及洗衣、厨房废水等不当连接），监测到95–99%的径流保留率直接减少了进入排水管网的径流和污染物，延迟排放降低了下游管道峰值负荷，从而整体减少溢流和污染物输送。虽然无法严格量化单一改造组分的贡献，但多个独立证据（设施监测、入渗测试、CSO统计、受纳水体监测）一致指向集成系统带来的改善。配套工程分析（SWMM模拟场景）进一步表明，单独GSI可削减溢流频率约41.8%、溢流量约61.1%，而与深隧集成后分别增至58.8%和85.3%，支持源头控制与集中式设施互补作用的解读。

结论部分原文翻译如下：
本研究对在中国29 km²镇江海绵城市试点流域实施的混合绿色-灰色改造策略进行了回顾性评估。研究探讨了在空间有限、浅层地下水、低原生土壤渗透性和老化排水基础设施的密集城市合流制流域中，集成源头控制GSI措施和集中式隧道基础设施能否有效削减CSO并改善受纳水体水质。结果表明：GSI设施在高度受限城市条件下可维持长期水力功能——约90%的监测生物滞留设施在运行7–10年后保持有效入渗速率>80 mm h^?1，透水铺装系统即使部分表面堵塞仍保持约600 mm h^?1的入渗能力；设施尺度监测显示高径流保留和污染物去除性能，转化为可测量的流域尺度效益——主要排放口年CSO发生次数从改造前318次降至改造后24次（削减92.5%）；官方监测记录显示受纳水体条件持续改善，省级监测断面约74.7%监测日达到Class III或更优水质。研究结果凸显了在高度城市化合流制流域中源头控制GSI与集中式隧道设施的互补作用：混合策略结合源头径流削减与下游输送、调蓄和调控能力，实现了CSO发生和污染物排放的大幅削减。总体而言，本研究提供了罕见的长期工程证据，证明混合绿色-灰色改造策略可在高度受限的现有城区同时改善雨水管理、减少CSO并提升受纳水体水质。研究成果为全球高度受限城市流域中采用混合绿色-灰色改造策略进行CSO缓解、受纳水体保护和气候适应提供了实用工程证据。