中心城區(qū)泵站旱天放江特征及削減潛力分析

葉建鋒，張 玉

(1. 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620;2. 上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233)

上海開展了多年的水環(huán)境保護(hù)工作，中心城區(qū)點(diǎn)源污染目前已經(jīng)得到了有效控制，點(diǎn)源控制率已達(dá)85%以上［1］，但部分河道水質(zhì)仍未得到持續(xù)明顯的改善，尤其每逢降雨前后，河道沿線市政、雨水泵站附近河段仍時常出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象［2］。究其原因主要是城區(qū)面源污染特別是泵站放江污染因素，已凸顯為影響上海中心城區(qū)河流水質(zhì)穩(wěn)定和持續(xù)改善的主要問題［3，4］。

目前上海中心城區(qū)基本形成了以污水外排系統(tǒng)和雨水強(qiáng)排系統(tǒng)為主的排水設(shè)施體系，共規(guī)劃排水系統(tǒng)361 個，截止到2009 年底，已建排水系統(tǒng)250 個［1］。合流制排水系統(tǒng)溢流污水會污染河道水體，分流制排水系統(tǒng)亦沒能實現(xiàn)預(yù)期污染控制效果，主要是由于雨水徑流污染［5-7］和雨污水管道混接嚴(yán)重［8-10］兩方面原因引起的，造成泵站雨天、旱天放江污染，其中雨污混接導(dǎo)致大量污染物沉積雨水管道底部亦加劇了初期雨水放江污染濃度，對河道水體造成嚴(yán)重污染。

由于城市防洪排澇需要，泵站在雨天不得不將納管雨水排入河道，這就導(dǎo)致泵站雨天放江污染從量上控制相對較難。與雨天放江相比，雖然旱天放江水量和污染物量所占比例都相對較小(2012 年上海市中心城區(qū)旱天放江水量占12.27%，各污染物量占3.20% ～17.67%)［11］，但旱天放江產(chǎn)生的臭味易招居民環(huán)保投訴、嚴(yán)重影響受納河道的水質(zhì)景觀。因此，秉著先易后難的原則，管理部門提出先控制中心城區(qū)本不應(yīng)該大量存在的旱天放江現(xiàn)象。本研究在摸清中心城區(qū)泵站旱天放江水量、水質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，分析旱天放江原因，提出旱天放江削減技術(shù)路線，并匡算其削減潛力，從而為有效控制上海市中心城區(qū)泵站旱天放江污染提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 中心城區(qū)泵站概況

本研究所涉泵站為上海市城市排水有限公司下轄的所有防汛泵站，共計170 座，其中合流泵站86座，雨水泵站84 座，主要分布在中心城區(qū)的黃浦、靜安、徐匯、長寧、普陀、楊浦、虹口、閘北、寶山、閔行和嘉定等11 個行政區(qū)，泵站地區(qū)數(shù)量分布及位置具體如圖1 所示(數(shù)字表示該行政區(qū)域內(nèi)合流泵站-雨水泵站數(shù)量)。170 座防汛泵站的總排水能力為1 773.98 m3/s，雨水排入45 條河道，其中33 條河道的水質(zhì)控制指標(biāo)為中國《地表水環(huán)境質(zhì)量》(GB3838—2002)中的Ⅴ類，河道水質(zhì)控制指標(biāo)為Ⅲ、Ⅳ類的各有6 條［12］。

圖1 研究所涉泵站Fig.1 Pumping Stations Studied in Research

中心城區(qū)泵站旱天放江主要來源于合流泵站和雨水泵站，放江類型包括旱流放江、試車放江、雨前預(yù)抽空放江、檢修放江和施工配合放江。其中，旱流放江是指晴天時泵站達(dá)到開泵水位，開啟雨水泵將管網(wǎng)中的水排入河道;試車放江是指雨水泵站以15 d為周期，雨水泵必須運(yùn)行一次以保障其正常運(yùn)行而造成的放江;預(yù)抽空放江是為了保障區(qū)域排水安全，在遭遇暴雨天氣前，預(yù)先對排水管道進(jìn)行抽空而造成的放江;施工配合放江是指在市政施工、管道維護(hù)等需要降低排水系統(tǒng)水位時，采用雨水泵把排水系統(tǒng)水位降低而產(chǎn)生的放江;檢修放江是指泵站內(nèi)設(shè)施需要維修維護(hù)時，將泵站集水池內(nèi)的水位降低而產(chǎn)生的放江。

1.2 泵站旱天放江樣本采集分析

雨水泵站旱天放江污染物濃度根據(jù)2008 年9月～2009 年1 月間采集研究區(qū)域內(nèi)2 個雨水泵站旱流放江7 次水樣的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析;合流泵站旱天放江污染物濃度根據(jù)2008 年8 月～2009 年5月間采集2 個泵站旱流放江10 次水樣的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。泵站旱天放江15 min 采樣一次。

泵站放江過程的污染特性采用事件平均濃度(event mean concentration，EMC)分析，EMC 是以流量為權(quán)求的一次泵站放江事件排放水體的平均濃度，其表達(dá)式如下［13］。

其中EMC—事件平均濃度，mg/L;

M—泵站放江全過程某一污染物總質(zhì)量，mg;

V—泵站放江水量，L;

C(t)—隨泵站放江過程而變化的某污染物濃度，mg/L;

Q(t)—隨泵站放江過程而變化的排放水量，L。

1.3 分析項目及方法

SS 采用103 ～105 ℃烘干法測定;COD 采用重鉻酸鉀法測定;BOD 采用稀釋接種法測定;氨氮采用鈉氏試劑分光光度法;總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定;總磷采用鉬酸銨分光光度法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 泵站旱天放江特征

2.1.1 水量特征

2008 年～2012 年上海市中心城區(qū)170 座泵站旱天放江量為1 928.88 萬～5 053.74 萬m3，總體逐年呈減量趨勢(如圖2(a))，2012 年旱天放江量較2008 年下降50.9%。五年間旱天放江降幅與(旱流放江+配合放江)降幅呈顯著相關(guān)性(R2=0.975，n=5)，可見大旱流放江量泵站的關(guān)停、泵站截流工程改造和加強(qiáng)施工配合放江管理等措施可顯著減少泵站旱天放江量。另外，2008 ～2012 年泵站旱天放江量以旱流放江所占比例最大，為66.61% ～82.50%，因此減少旱流放江量仍是旱天放江減排的重點(diǎn)。根據(jù)不同類型泵站旱天放江量分析(如圖2(b))，合流泵站、雨水泵站2012 年旱天放江量較2008 年分別下降約2 218.40 萬m3和352.91 萬m3，降幅分別為78.2%和15.9%，雨水泵站和合流泵站旱天放江量的比例亦由0.78(2008 年)增至3.0(2012年)，可見合流泵站近年來旱天放江量控制效果顯著，而雨水泵站將是下一步旱天放江控制的重點(diǎn)。

圖2 上海市中心城區(qū)泵站旱天放江水量Fig.2 Volume of Discharged Water from Pumping Stations under Dry Weather Conditions in Central Shanghai

2.1.2 水質(zhì)特征

上海中心城區(qū)雨水泵站旱天放江除NH3-N、TN濃度低于當(dāng)?shù)厣钗鬯猓琒S、COD、BOD5和TP 的EMC 均與當(dāng)?shù)厣钗鬯嘟?如圖3(a)，各柱狀底端為EMC 最小值，頂端為最大值，中間為EMC 均值，下同)，這主要是由于污水混接至雨水管所致，這也是目前國內(nèi)諸多城市地區(qū)雨水排水系統(tǒng)存在的最大問題;合流泵站旱天放江的SS、COD、BOD5、NH3-N、TN 和TP的EMC 均值分別為96.40、231.10、134.20、31.40、50.24和6.77 mg/L，與當(dāng)?shù)厣钗鬯|(zhì)相近(如圖3(b))。

圖3 上海市中心城區(qū)泵站旱天放江污染物濃度Fig.3 Contaminant Concentrations of Discharge to River in Dry Weather in Central Shanghai

2.2 泵站旱天放江削減潛力分析

2.2.1 旱天放江原因分析

泵站旱天放江原因主要分三類［13］:(1)偶然性因素造成的放江，即偶發(fā)因素;(2)由于泵站所在系統(tǒng)的限制所造成放江，即系統(tǒng)因素;(3)由于泵站自身設(shè)施缺乏或不完善而造成的放江，即設(shè)施因素。旱流放江和試車放江由上述三種因素引起，而雨前預(yù)抽空放江、檢修放江和配合放江三種旱天放江類型僅為偶然因素導(dǎo)致。2012 年中心城區(qū)泵站旱流放江、試車放江、雨前預(yù)抽空放江、檢修放江和配合放江相應(yīng)放江水量分別為1 839.56 萬、143.90 萬、251.65 萬、158.44萬和88.88 萬m3。旱天放江具體原因如表1 所示。

表1 泵站旱天放江原因分析Tab.1 Analysis of Discharge to River in Dry Weather from Pumping Stations

續(xù) 表

2.2.2 旱天放江削減技術(shù)路線

泵站旱天放江削減必須從整個排水系統(tǒng)的角度，綜合考慮污水收集管網(wǎng)、泵站設(shè)施建設(shè)和污水出路三個因素，由此提出泵站旱天放江削減技術(shù)路線如圖4 所示。由圖4 可知泵站旱天放江削減主要針對旱流放江和試車放江，由偶然因素造成的預(yù)抽空放江、配合放江和檢修放江雖然可以通過降低管道、泵前集水池水位等措施降低各自放江量，但仍具有很大的不確定性。

圖4 泵站旱天放江削減技術(shù)路線圖Fig.4 Technology Route Chart of Reducing Discharge to River in Dry Weather from Pumping Stations

2.2.3 旱天放江削減潛力分析

針對系統(tǒng)和設(shè)施因素造成的泵站旱天放江問題，可采取工程性和管理性措施削減其放江量;偶然因素引發(fā)的預(yù)抽空放江、配合放江和檢修放江不考慮其削減量。利用2012 年泵站放江數(shù)據(jù)，對市管170 座泵站旱流放江和試車放江的削減潛力做一分析，如表2 所示。其中雨污混接改造由于工作量大，必須分批實施，削減潛力按照放江量的70%估算;泵站空間不夠，改造和建設(shè)需要征地的，由于征地比較困難，削減效果按照60%估算。

經(jīng)過估算，有削減潛力的涉及泵站82 座，其中應(yīng)用非工程措施(盡快啟用截流設(shè)施、回籠水設(shè)施，報廢，系統(tǒng)工程建設(shè)后可改善等)的泵站39 座，應(yīng)用工程措施的泵站43 座。非工程性措施估計能削減旱天放江量908.21 萬m3，工程措施預(yù)計能削減旱天放江867.95 萬m3，兩者占2012 年旱天放江總量的71.55%。

表2 中心城區(qū)泵站旱天放江對策措施Tab.2 Countermeasures of Discharge to River in Dry Weather from Pumping Stations in Central Urban Area

3 結(jié)論

(1)上海市中心城區(qū)泵站旱天放江量近年顯著下降，旱流放江仍占旱天放江量的66.61% ～82.50%，因此，減少旱流放江量仍是旱天放江減排的重點(diǎn);雨水泵站和合流泵站旱天放江量間的比例亦由0.78 增至3.0，可見雨水泵站將是下一步旱天放江控制的重點(diǎn);泵站旱天放江污染物濃度與當(dāng)?shù)厣钗鬯|(zhì)相近。

(2)泵站旱流放江和試車放江由偶發(fā)因素、系統(tǒng)因素和設(shè)施因素引起，而雨前預(yù)抽空放江、檢修放江和配合放江三種旱天放江類型僅為偶然因素導(dǎo)致，具有很大的不確定性。因此采用工程性和管理性削減措施，主要針對旱流放江和試車放江。

(3)經(jīng)過估算，有削減潛力的涉及泵站82 座，其中應(yīng)用非工程措施估計能削減旱天放江量908.21萬m3，工程措施預(yù)計能削減旱天放江867.95 萬m3，兩者占2012 年旱天放江總量的71.55%。

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