基于河網(wǎng)納污能力的初期雨水治理截流標(biāo)準(zhǔn)

時珍寶，陳長太

(1.上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，上海 200233；2.上海碧波水務(wù)設(shè)計(jì)研發(fā)中心，上海 200233)

城市水環(huán)境污染根據(jù)排放方式可分為點(diǎn)源污染和面源污染兩類。上海中心城區(qū)點(diǎn)源污染治理率已達(dá)95%，雨天通過市政泵站放江產(chǎn)生的初期雨水污染已成為河道水環(huán)境治理的痼疾之一。市政泵站放江污染是整個城市排水系統(tǒng)不同歷史時期遺留下來的問題在排口處的集中反映，對其重視程度與社會的發(fā)展階段密切相關(guān)。管網(wǎng)雨天出流污染主要組成為初期地表徑流污染、管道沉積物污染和雨污混接導(dǎo)致的溢流污染，與點(diǎn)源污染相比，面源污染具有隨機(jī)性、廣泛性、時空分布不均的特性，治理起來也更加艱巨，需要從正本清源和水陸統(tǒng)籌兩個層面進(jìn)行綜合治理。本文主要從市政泵站的截流量優(yōu)化角度進(jìn)行探討。

1 國內(nèi)外初期雨水治理現(xiàn)狀

根據(jù)美國環(huán)保局(EPA)2000年環(huán)境報(bào)告，美國境內(nèi)點(diǎn)源污染基本解決，但河道水質(zhì)仍然不能達(dá)到聯(lián)邦政府或各州水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，究其原因主要是面源污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國尚有40%的河流、51%的湖泊、53%河口[2]和78%的五大湖地區(qū)仍受富營養(yǎng)化影響，不能達(dá)到聯(lián)邦政府或各州水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。日本針對合流制排水系統(tǒng)雨天溢流污染治理(CSO控制)進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐，提出了“治理后的合流制排水系統(tǒng)對水環(huán)境的污染負(fù)荷等同分流制”的總體目標(biāo)[3]。日本對合流制排水系統(tǒng)初期溢流污染的控制，其指標(biāo)主要為非汛期BOD削減率達(dá)到95%，汛期BOD削減率達(dá)到65%，對應(yīng)的初期雨水調(diào)蓄標(biāo)準(zhǔn)折合為9.5～16 mm的降雨量[3]。德國對分流制排水系統(tǒng)地表徑流污染的控制，治理標(biāo)準(zhǔn)為1.8～6 mm的降雨量。國內(nèi)初期雨水治理尚處于起步階段，對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的大中城市相關(guān)需求也越來越明顯。

上海在初期雨水治理領(lǐng)域已有部分工程措施探索，沿蘇州河建設(shè)了4座合流制排水系統(tǒng)溢流污染調(diào)蓄池，在蘊(yùn)藻浜附近修建了帶有快速就地處理設(shè)施的調(diào)蓄設(shè)施，在世博會地區(qū)建設(shè)了4座分流制排水系統(tǒng)初期地表徑流污染調(diào)蓄池。然而，迄今為止對市區(qū)雨天溢流污染控制的合理標(biāo)準(zhǔn)，仍缺乏研究。

2 上海市初期雨水污染負(fù)荷

根據(jù)上海市環(huán)境科學(xué)研究院的研究成果[4]，“十一五”期間，上海城鎮(zhèn)地表徑流面源污染CODCr負(fù)荷為24.26萬t/a，而同期上海城鎮(zhèn)點(diǎn)源污染CODCr負(fù)荷約為22.5萬t/a，可見面源已超過點(diǎn)源成為上海水環(huán)境污染的最主要因素。根據(jù)測算，上海市中心城區(qū)合流制與分流制排水系統(tǒng)放江的初期雨水分別攜帶約2.24萬t/a和4.97萬t/a CODCr進(jìn)入內(nèi)河和黃浦江，合計(jì)7.21萬t/a。

3 上海全市及中心城區(qū)納污能力

3.1 全市河網(wǎng)納污能力模型構(gòu)建

課題組以上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院河網(wǎng)水量水質(zhì)模型為基礎(chǔ)，采用一維和零維水量水質(zhì)耦合模型模擬計(jì)算水流的運(yùn)動、水質(zhì)以及納污能力變化規(guī)律，即對計(jì)算概化河網(wǎng)，采用一維水量水質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬；對未列入計(jì)算河網(wǎng)的調(diào)蓄支河采用零維水量水質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。黃浦江水系概化河段4 072條段，節(jié)點(diǎn)3 188個，水閘(泵站)控制建筑物447座[5]。

根據(jù)水(環(huán)境)功能區(qū)劃，將河網(wǎng)的水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)作為已知條件，基于感潮河網(wǎng)水量水質(zhì)模型，應(yīng)用水環(huán)境承載能力的理論和方法，建立感潮河網(wǎng)水環(huán)境納污能力模型，力求各河段的水質(zhì)濃度始終等于相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，反推河網(wǎng)能承受污染物的最大允許排放量。

3.2 設(shè)計(jì)水文水質(zhì)邊界條件

采用保證率90%以上的最枯月水文過程作為設(shè)計(jì)水文過程。根據(jù)長系列水文資料，經(jīng)頻率分析得到1967年7月為太湖流域95%來水保證率的典型枯水期。因此，利用太湖流域河網(wǎng)水量模型模擬計(jì)算出的黃浦江、蘇州河上游的同期水文變化過程，作為水環(huán)境納污能力計(jì)算的設(shè)計(jì)水文上邊界條件。采用下邊界長江口、杭州灣沿線實(shí)測潮位站的同期實(shí)測潮位變化過程，作為水環(huán)境納污能力計(jì)算的設(shè)計(jì)水文下邊界條件。

采用市水務(wù)局、市環(huán)保局和太湖流域管理局的實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)的平均值作為水環(huán)境納污能力計(jì)算的設(shè)計(jì)水質(zhì)上邊界條件。理想水質(zhì)邊界條件是省際邊界上游來水水質(zhì)均達(dá)到水功能區(qū)劃的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)取值。河道主要污染物的降解系數(shù)分別為KCOD=0.04 d-1。

3.3 納污能力計(jì)算結(jié)果

在理想水質(zhì)邊界條件下，即省際邊界上游來水水質(zhì)均達(dá)到水功能區(qū)劃的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時，全市河網(wǎng)水系的CODCr納污能力總量為30.75萬t/a。中心城區(qū)理想邊界下的水環(huán)境容量為5.58萬t/d，不考慮黃浦江水環(huán)境容量的利用，則中心城可利用的水環(huán)境容量為3.56萬t/d。

4 上海市中心城區(qū)初期雨水治理截流標(biāo)準(zhǔn)

初期雨水截流調(diào)蓄成本是相當(dāng)高的，這就需要根據(jù)排水系統(tǒng)溢流污染特性和降雨特征分析，在調(diào)蓄量與污染削減效率之間尋求合理區(qū)間，既能滿足水環(huán)境功能區(qū)劃要求，又能將治理成本控制在一定限度之內(nèi)，提升工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)可行性。初期雨水治理截流標(biāo)準(zhǔn)制定技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 初期雨水治理截流標(biāo)準(zhǔn)制定技術(shù)路線Fig.1 Technical Route Establishment for Initial Rainwater Treatment and Interception Standards

4.1 截流雨量與污染物削減效率分析

對于合流制排水系統(tǒng)，小雨被完全截流的程度，以及中到大雨初期降雨被截流比例是城市初期雨水治理效益分析的兩個關(guān)鍵。為了準(zhǔn)確把握上海市中心城區(qū)各種雨量的分布特征，找到合適的降雨截流量區(qū)間，實(shí)現(xiàn)“小雨完全截流、中到大雨合理截流”的目的，課題組根據(jù)中心城區(qū)徐家匯氣象站近30年的降雨歷史數(shù)據(jù)，編程統(tǒng)計(jì)了年總降雨場次、年總降雨量、雨量≤Xmm降雨場次、≤Xmm降雨初期截留總雨量等參數(shù)；根據(jù)年總降雨場次、≤Xmm降雨場次統(tǒng)計(jì)溢流污染場次削減效率；根據(jù)年總降雨量、≤Xmm降雨初期截留總雨量統(tǒng)計(jì)水量污染削減效率，X為初期雨水截流量，可取5～30。據(jù)此制作了溢流頻次削減—雨水截流量效率曲線和溢流污水量削減—雨水截流量效率曲線，如圖2、圖3所示。

由圖2～圖3可知，截流量在10～15 mm是溢流場次削減效率和雨量削減效率的高效區(qū)，即截留10～15 mm初期雨水，截流調(diào)蓄設(shè)施具有較好的環(huán)境-經(jīng)濟(jì)效益比。

4.2 與河網(wǎng)納污能力相匹配的初期雨水治理截流標(biāo)準(zhǔn)

課題綜合分析了上海合流制排水系統(tǒng)和分流制排水系統(tǒng)長歷時雨天放江的污染物濃度數(shù)據(jù)，參考?xì)W美日等發(fā)達(dá)國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律，以及初期雨水治理的目標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)，合流制系統(tǒng)的溢流污染(CSO)控制是重點(diǎn)，推薦上海市中心城區(qū)合流制排水系統(tǒng)截流量標(biāo)準(zhǔn)為11 mm；分流制系統(tǒng)隨著社會文明的進(jìn)步，混接污水將大幅降低，地表沖刷污染的初期效應(yīng)將明顯提升，因此，分流制排水系統(tǒng)以截流初期效應(yīng)比較明顯的初期地表徑流為主，推薦截流量標(biāo)準(zhǔn)為5 mm。

經(jīng)過點(diǎn)源與面源污染治理，最后進(jìn)入地表水體的污染物有以下幾類：一是未被完全收集處理的點(diǎn)源污水；二是就地污水處理廠尾水排放；三是降雨中后期地表徑流污染。上海市中心城區(qū)點(diǎn)源治理率按95%考慮，根據(jù)上述初期雨水治理推薦標(biāo)準(zhǔn)，不包含排入黃浦江的排水系統(tǒng)，上海市中心城區(qū)地表徑流污染物入河負(fù)荷為2.14萬t/a，剩余入河點(diǎn)源污染負(fù)荷為0.72萬t/a，中心城區(qū)分散污水處理廠尾水排放污染物負(fù)荷為0.55萬t/a，合計(jì)入河污染物負(fù)荷為3.41萬t/a，小于對應(yīng)區(qū)域內(nèi)的河道納污能力3.56萬t/a。在上游來水滿足水功能區(qū)的情況下，課題推薦的初期雨水治理標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足上海市中心城區(qū)水環(huán)境容量的要求，如圖4所示。

圖4 上海市中心城區(qū)面源污染削減與水環(huán)境容量分析圖Fig.4 Analysis Diagram of Non-Point Source Pollution Reduction and Water Environment Capacity in Downtown Shanghai

在上述治理標(biāo)準(zhǔn)下，以CODCr計(jì)，上海市中心城區(qū)初期雨水污染物削減量可達(dá)3.90萬t/a，截流后的地表徑流入河污染物量為2.14萬t/a，剩余點(diǎn)源和污水廠尾水排放污染負(fù)荷為1.4萬t/a，黃浦江區(qū)域污染負(fù)荷為1.17萬t/a，則上海市中心城區(qū)總面源污染負(fù)荷為8.61萬t/a，如圖5所示。

圖5 上海市中心城區(qū)COD污染物負(fù)荷組成分析 (單位：萬t/a)Fig.5 Composition Analysis of COD Pollutant Load in Downtown Shanghai (Unit:10 000 t/a)

5 結(jié)語

上海市點(diǎn)源污染治理已達(dá)95%以上，河道也已消除黑臭。要進(jìn)一步達(dá)到水功能區(qū)劃的目標(biāo)，除源頭需減少污染物排放外，通過末端調(diào)蓄處理是減少合流制溢流污染(CSO)和分流制初期地表徑流污染的重要途徑。本文對標(biāo)上海市水環(huán)境功能區(qū)劃的目標(biāo)，結(jié)合污染源數(shù)據(jù)，利用平原河網(wǎng)水動力水質(zhì)模型計(jì)算了上海市中心城的納污能力。通過對35年年降雨量進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)分析，并對中心城區(qū)各類入河污染物進(jìn)行測算，推薦上海市中心城區(qū)合流制排水系統(tǒng)初期雨水截流標(biāo)準(zhǔn)為11 mm，分流制排水系統(tǒng)初期雨水截流標(biāo)準(zhǔn)為5 mm。該截流標(biāo)準(zhǔn)從社會發(fā)展的預(yù)期出發(fā)，兼顧了水功能區(qū)劃和投資效益的雙重要求，為上海市初期雨水調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模的確定提供依據(jù)。