基于溢流頻次的合流制溢流污染控制優(yōu)化策略研究*

黃 俊 王 莉 高麗紅 喻澤斌

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530003；2.華藍(lán)設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司，廣西 南寧 530011；3.欽州市科技局，廣西 欽州 535099)

近年來(lái)，合流制溢流(CSO)污染已成為我國(guó)部分城市消除黑臭水體，提升城市整體水環(huán)境的主要障礙。目前，CSO溢流頻次和溢流量是世界上最為常用的合流制溢流污染控制指標(biāo)[1]，但由于我國(guó)對(duì)CSO污染研究起步較晚，缺乏CSO溢流量、溢流頻次以及溢流水質(zhì)等基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，致使CSO污染控制目標(biāo)難以確定。

DANIEL等[2]研究發(fā)現(xiàn)，影響CSO溢流量和溢流頻次的主要因素包括區(qū)域降雨、源頭地塊用地特征以及排水管網(wǎng)體系等。因此，忽視地域特征參數(shù)對(duì)CSO的影響，參考國(guó)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的CSO控制措施往往會(huì)導(dǎo)致CSO污染控制效果不佳，主要表現(xiàn)為CSO年溢流量、溢流頻次或年污染量削減率偏低。例如，2006年初上海市參考德國(guó)廢水協(xié)會(huì)《合流污水箱涵暴雨削減裝置指針》(ATV A128)建立的國(guó)內(nèi)合流制區(qū)域的首座調(diào)蓄池——成都路調(diào)蓄池，設(shè)計(jì)年溢流污染物削減率為80%，實(shí)際削減率僅為14.6%[3]43，程江[3]42在對(duì)成都路調(diào)蓄池進(jìn)行項(xiàng)目后評(píng)估中提出該調(diào)蓄池污染削減能力未達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)的原因是德國(guó)與上海的降雨特征存在著較大的差異，德國(guó)屬于平均型降雨，而上海地區(qū)屬于脈沖型降雨。

鑒于我國(guó)各城市降雨、用地特征以及排水管網(wǎng)體系等各項(xiàng)參數(shù)與國(guó)外存在著顯著差異，本研究通過(guò)分析城市CSO溢流量、溢流頻次與溢流污染的主要特征，結(jié)合我國(guó)合流制區(qū)域源頭地塊和排水管網(wǎng)體系現(xiàn)狀，提出基于降雨特征的CSO控制策略，為我國(guó)CSO污染控制提供參考。

1 CSO主要特征

1.1 CSO溢流量、溢流頻次與溢流污染之間的關(guān)系

經(jīng)過(guò)幾十年的CSO污染治理后，美國(guó)CSO年溢流量控制率達(dá)到了80%[4]，并在年溢流控制量和年溢流頻次關(guān)系研究方面也積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。紐約市對(duì)合流制區(qū)域CSO事件的研究發(fā)現(xiàn)[5]23，在69場(chǎng)CSO事件中，小雨(0～12.7 mm)引起43場(chǎng)CSO事件，溢流量占比僅為5%；暴雨(50.8～79.7 mm)引起4場(chǎng)CSO事件，溢流量占比為40%；中雨(12.7～25.4 mm)引起13場(chǎng)CSO事件，溢流量占比為16%；大雨(25.4～50.8 mm)引起9場(chǎng)CSO事件，溢流量占比為39%。

目前，紐約市CSO年溢流量控制率為80%，由小雨引起的CSO事件和中雨、大雨引起的CSO事件的溢流量之和占比約為60%，需全部控制，這是因?yàn)樵摬糠忠缌鞯奈廴疚餄舛雀?，?duì)城市受納水體可能會(huì)造成更為嚴(yán)重的污染[5]22。劉達(dá)等[6]對(duì)廣州市合流制區(qū)域某個(gè)大型排口的溢流水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析也發(fā)現(xiàn)，溢流污染濃度高值區(qū)主要集中在降雨量為5～12 mm區(qū)間。

此外，由暴雨引起溢流事件的溢流量占比為40%，其中20%的溢流量可允許直接排入水體，由此說(shuō)明，高溢流量事件中可控制前50%的溢流量。同時(shí)，李文濤等[7]3在對(duì)廣州市某個(gè)合流制區(qū)域研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于40 mm/h時(shí)(暴雨)，CSO出現(xiàn)兩個(gè)COD峰值，分別在溢流量的0～10%和10%～30%，濃度分別為旱天污水濃度的1.6～2.4倍和1～2倍，由暴雨引起的溢流事件污染主要集中在前40%的溢流量中。

1.2 CSO溢流量與溢流頻次的主要影響因素

CSO產(chǎn)生的主要原因是城市管網(wǎng)排水系統(tǒng)無(wú)法承載雨天產(chǎn)生的城市雨水徑流。城市排水系統(tǒng)的排水能力越強(qiáng)，溢流量會(huì)越小，溢流頻次也會(huì)更低，而城市雨水徑流量越大，溢流量會(huì)越大，溢流頻次也會(huì)更高。合流制管網(wǎng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與地塊生活污水、降雨強(qiáng)度以及徑流系數(shù)間關(guān)系見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；n為粗糙系數(shù)；x為過(guò)水?dāng)嗝嫔纤魉鶟駶?rùn)的邊界長(zhǎng)度，m；I為水力坡降；L為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；Ψ為徑流系數(shù)；F為匯水面積，hm2；qd為居民生活污水定額，L/(d·人)；P為人口密度，人/hm2；Kz為總變化系數(shù)。

由式(1)可知，城市排水管網(wǎng)的過(guò)水?dāng)嗝妗⒋植谙禂?shù)及水力坡降是影響管網(wǎng)排水能力的主要影響因素，暴雨強(qiáng)度、徑流系數(shù)是影響雨水徑流量的主要因素。

1.3 CSO污染的主要來(lái)源及特征

CSO污染主要來(lái)自于徑流雨水、管道沉積物以及生活污水[8]，溢流瞬時(shí)污染物濃度變化范圍極大(具體見(jiàn)表1)。

表1 部分地區(qū)CSO水質(zhì)污染情況Table 1 Water pollution of CSO in some areas

對(duì)于初期雨水徑流的污染，汪慧貞等[17]研究認(rèn)為，當(dāng)一場(chǎng)雨降雨量少于10 mm時(shí)，最初2 mm降雨形成的徑流中包含了此場(chǎng)降雨徑流70%以上的COD；當(dāng)降雨量大于15 mm時(shí)，最初2 mm降雨形成的徑流中包含了30%～40%的COD。因此，有效地控制初期雨水的污染能在一定程度上控制城市CSO污染。

管道沉積物污染主要來(lái)源于雨水和污水中的SS。其中，雨水中的SS通過(guò)雨水沖刷道路及屋面形成徑流而進(jìn)入管道；污水中的SS主要包括人體糞便中的小粒徑殘?jiān)?、廚衛(wèi)垃圾中的大粒徑殘?jiān)约坝袡C(jī)顆粒等。管道中沉積物沉積的臨界濃度(Cv,mg/L)、最小濃度(Cmin,mg/L)以及最大濃度(Cmax, mg/L)[18]分別見(jiàn)式(2)至式(4)。

(2)

Cmin=ηminρsρm(ρs-ρ)-1UJ/w

(3)

(4)

式中:f為沉積物的活動(dòng)性參數(shù)；q為單位流量，m3/(s·m)，q=Q/B，其中Q為管道總流量，m3/s，B為水面寬度，m；Sc為坡度參數(shù)，Sc=S0/(S-1)，其中S0為管道底坡，S為沉積物的相對(duì)密度；v為水的黏滯系數(shù)；λsb為沉積床摩擦力，N；w0為沉積物的沉降速度，m/s；d為沉積物顆粒粒徑，μm；Dh為水力深度，m，Dh=A/B；y0為水深，m；ηmin、ηmax為經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的效率系數(shù)；ρs為沉積物的密度，kg/m3；ρm為混合液的質(zhì)量濃度，kg/m3；ρ為水的密度，kg/m3；U為平均流速，m/s；J為坡度；w為沉積物啟動(dòng)速度，m/s。

當(dāng)Cv>Cmax時(shí)，水流中的顆粒物會(huì)沿水流方向逐漸沉積，水流中顆粒物濃度會(huì)逐漸降低，直至Cv=Cmax；當(dāng)Cv

2 中國(guó)城市合流制區(qū)域主要特征

2.1 源頭地塊徑流系數(shù)大、初期雨水徑流污染嚴(yán)重

我國(guó)合流制區(qū)域多位于城市舊城區(qū)，用地特征是地塊開(kāi)發(fā)強(qiáng)度高，人口密集，綠地面積少，一般為城市傳統(tǒng)的商貿(mào)區(qū)和居住區(qū)。張睿[20]對(duì)天津市的典型老舊城區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，建筑主要為低層和多層，綠地率為16.2%～35.4%，地面透水率僅為13.6%～36.5%。

城市路面和屋面是產(chǎn)生雨水徑流污染的兩種典型下墊面。據(jù)相關(guān)研究顯示，我國(guó)城市路面初期雨水COD的均值在102～400 mg/L，SS在394～600 mg/L，COD瞬時(shí)最高質(zhì)量濃度可達(dá)到1 740 mg/L，SS瞬時(shí)最高質(zhì)量濃度可達(dá)到2 350 mg/L[21-22]；屋面初期雨水COD均值在32.88～232.88 mg/L，SS在59.20～452.88 mg/L[23-25]。

2.2 管網(wǎng)系統(tǒng)管道破損、沉積嚴(yán)重

據(jù)報(bào)道顯示，市政污水處理廠的進(jìn)水COD平均值僅為267 mg/L，南方地區(qū)的一些污水處理廠COD甚至低于100 mg/L，歐洲污水處理廠的進(jìn)水COD一般在400～1 000 mg/L[26]，而在德國(guó)即使是合流制排水系統(tǒng)占比高達(dá)80%的巴登州污水處理廠進(jìn)水COD也有459 mg/L[27]，由此說(shuō)明我國(guó)管網(wǎng)的破損和外水入滲問(wèn)題非常嚴(yán)重。沈盼[28]調(diào)查發(fā)現(xiàn)南昌市中心城區(qū)5座污水處理廠的進(jìn)水中約有20%的水量來(lái)自于地下水的滲入或地表水的流入。此外，王燕[29]調(diào)查發(fā)現(xiàn)巢湖市中心城區(qū)某管道15天內(nèi)每日的平均外水入滲量為808.56 m3/km，美國(guó)城市的管道外水入滲量每日平均為3.7～111 m3/km，日本80%以上的管道每日入滲量小于60 m3/km，而文獻(xiàn)[27]報(bào)道德國(guó)每日管道外水入滲量?jī)H為13.4 m3/km。

此外，相關(guān)研究表明，雨天CSO中的污染有23%～80%來(lái)源于管道沉積物和初期雨水徑流[30-31]。目前，我國(guó)的城市排水管網(wǎng)，尤其是老城區(qū)管網(wǎng)，均出現(xiàn)了不同程度的淤積和堵塞[32]，北京市[33]二環(huán)內(nèi)某區(qū)域90%以上的合流制管道、廣州市[34]21新河浦涌南岸74%的合流制管道以及天津市[35]某中心城區(qū)內(nèi)76%的合流制管道均存在著沉積現(xiàn)象，其中，廣州市[34]24新河浦涌南岸沉積物厚度與管徑比例小于20%的占57.45%，20%～50%的占14.89%，大于50%的占2.13%，在嚴(yán)重影響管網(wǎng)過(guò)流能力的同時(shí)，也增加了CSO的污染風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 城市合流制區(qū)域的管網(wǎng)截流倍數(shù)低

管網(wǎng)的截流倍數(shù)是截流式合流制排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要參數(shù)，取值為通過(guò)截流干管截流的的污水量與旱流流量之比，因此，截流倍數(shù)的選取對(duì)CSO的水質(zhì)水量有著重要的影響。一般來(lái)說(shuō)，截流倍數(shù)越大，對(duì)CSO的截流效率越高。目前，國(guó)外的截流倍數(shù)取值多為2～5，我國(guó)規(guī)范中的取值為1～5，但考慮到工程成本和下游污水處理廠的污水處理能力，現(xiàn)實(shí)中多采用取值范圍下限。吳春篤等[36]的調(diào)研顯示，我國(guó)合流制管網(wǎng)的截流倍數(shù)大多取1，取1～2的城市占92%，僅有一些水環(huán)境要求比較高的地區(qū)，如旅游城市選擇的截流倍數(shù)相對(duì)較大。

3 基于城市降雨特征的CSO控制策略

3.1 基于城市降雨特征的CSO分類

城市合流制區(qū)域的CSO一般可分為3種特征事件：一是高頻次低溢流量CSO事件、中頻次中溢流量CSO事件以及低頻次高溢流量CSO事件。目前研究表明，高頻次的低溢流量CSO事件和低頻次的高溢流量CSO事件主要與降雨量有著密切的關(guān)系，而中頻次中溢流量CSO事件不僅與城市降雨量和降雨強(qiáng)度有關(guān)，同時(shí)也與源頭地塊特征以及管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力相關(guān)[37]551。

因此，對(duì)于城市CSO的控制，應(yīng)結(jié)合不同地區(qū)的源頭地塊特征和管網(wǎng)排水系統(tǒng)現(xiàn)狀，基于當(dāng)?shù)氐慕涤晏卣鳎瑢?duì)各類CSO事件采取不同的控制策略。

3.2 高頻次低溢流量CSO事件

高頻次低溢流量CSO事件主要由低強(qiáng)度低降雨量的降雨事件引起，一般來(lái)說(shuō)，低強(qiáng)度低降雨量事件可占據(jù)城市全年降雨事件的46%～70%[38]。雖然此類降雨事件發(fā)生概率大，但由于降雨量少和降雨強(qiáng)度低，不會(huì)對(duì)管網(wǎng)的沉積污染物造成沖刷，因此，此類CSO事件可通過(guò)低影響開(kāi)發(fā)(LID)措施進(jìn)行控制。

ROLDIN等[39]研究發(fā)現(xiàn)在哥本哈根3 km2合流制區(qū)域內(nèi)8%的不透水地面上布置滲透性LID措施后，該合流制區(qū)域的CSO溢流量減少了24%。AUTIXIER等[40]在研究雨水花園對(duì)CSO的控制時(shí)發(fā)現(xiàn)，在某個(gè)合流制區(qū)域內(nèi)20%的場(chǎng)地上實(shí)施雨水花園后，15 mm以下的降雨所引起的CSO事件，CSO溢流量減少了6%～18%，CSO峰值減少了7%～21%。密爾沃基市[41]在對(duì)綠色基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)踐的評(píng)估中，證實(shí)了LID設(shè)施對(duì)CSO年均溢流量的12%～38%有著顯著的控制潛力。

因此，對(duì)于合流制區(qū)域的高頻次低溢流量事件，可在合流制區(qū)域源頭地塊內(nèi)采取以LID措施為主的控制策略。

3.3 中頻次中溢流量CSO事件

中頻次中溢流量CSO事件由中雨或大雨事件引起，此類事件的降雨引起溢流量較高，合流管中雨水沖刷速度較大，管底沉積物會(huì)在一定程度上被沖刷，溢流污染主要來(lái)自于管底沉積物、初期雨水以及生活污水。對(duì)于此類CSO事件的控制，需結(jié)合排水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化情況，基于單位時(shí)間內(nèi)的降雨強(qiáng)度(i雨， mm/h)進(jìn)行分類考慮：一是降雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，i雨小于等于當(dāng)初管網(wǎng)設(shè)計(jì)的降雨強(qiáng)度(i設(shè)， mm/h)；二是降雨持續(xù)時(shí)間短，i雨大于i設(shè)。

(1) 當(dāng)i雨≤i設(shè)，降雨引起的雨水洪峰流量不會(huì)超過(guò)管網(wǎng)的最大過(guò)流能力，因而不會(huì)造成溢流，但由于現(xiàn)階段我國(guó)合流制區(qū)域管道沉積和滲漏嚴(yán)重，其最大過(guò)流能力已遠(yuǎn)低于當(dāng)初設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此，通過(guò)管道沖洗清淤、修復(fù)和增大管道截流倍數(shù)等排水系統(tǒng)優(yōu)化措施可大大提升管網(wǎng)的最大過(guò)流能力，在控制管網(wǎng)溢流的同時(shí)還可減少CSO污染。目前，NAGAIWA等[42]研究表明對(duì)管道的清洗可以削減22%的溢流污染量。

(2) 當(dāng)i雨>i設(shè)，高強(qiáng)度單位時(shí)間降雨會(huì)迅速引起雨水洪峰流量，超過(guò)管網(wǎng)的最大過(guò)流能力進(jìn)而造成溢流[37]546。GAROFALO等[43]研究表明針對(duì)24 h降雨量為18.91 mm的中雨(降雨強(qiáng)度0.78 mm/h)和54 mm(降雨強(qiáng)度2.25 mm/h)的大雨，通過(guò)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)措施對(duì)CSO的控制率可分別達(dá)到99%和36%。由此可知，對(duì)于較高強(qiáng)度的大雨，僅有管網(wǎng)的優(yōu)化措施仍然不可完全控制管網(wǎng)的CSO，需結(jié)合空間調(diào)蓄措施實(shí)施進(jìn)一步控制。

對(duì)于CSO空間調(diào)蓄措施的設(shè)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)常用規(guī)模設(shè)計(jì)依據(jù)為《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)中的徑流污染控制式，其中調(diào)蓄池建成后能達(dá)到的截流倍數(shù)是關(guān)鍵性參數(shù)。目前，規(guī)范給出的截流倍數(shù)確定依據(jù)是由要求的污染負(fù)荷目標(biāo)削減率、當(dāng)?shù)亟亓鞅稊?shù)和截流量占降雨量比例之間的關(guān)系求得，但由于我國(guó)目前多地的合流制排口溢流水量、水質(zhì)和溢流頻次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)欠缺，導(dǎo)致截流倍數(shù)難以確定，無(wú)法有效計(jì)算合理的調(diào)蓄容積。此外，管網(wǎng)外水入滲嚴(yán)重的南方地區(qū)，應(yīng)在加強(qiáng)管網(wǎng)清污分流的基礎(chǔ)上，再實(shí)施空間調(diào)蓄設(shè)施的建設(shè)，否則將會(huì)導(dǎo)致調(diào)蓄池進(jìn)水濃度過(guò)低，污染物負(fù)荷削減率過(guò)低。

因此，對(duì)于中雨或大雨事件引起的中頻次中溢流量CSO事件，應(yīng)基于當(dāng)?shù)刂杏旰痛笥杲涤晏卣?，結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓芫W(wǎng)沉積和外水入滲情況，采取不同的控制策略。i雨≤i設(shè)的CSO事件以“LID+管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化”控制策略為主；i雨>i設(shè)的CSO事件以“LID+管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化+空間調(diào)蓄”控制策略為主，而且對(duì)于空間調(diào)蓄的設(shè)計(jì)應(yīng)基于排口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行截流倍數(shù)核算，面積超過(guò)2 km2的匯水分區(qū)范圍最好通過(guò)模型實(shí)施調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)。

3.4 低頻次高溢流量CSO事件

低頻次高溢流量CSO事件由暴雨引起，對(duì)于此類事件，由于降雨量大，超過(guò)截流干管截流倍數(shù)的合流污水仍會(huì)通過(guò)排口溢流進(jìn)入水體，并伴隨著明顯的初期沖刷效應(yīng)。李文濤等[7]3對(duì)廣州市中心城區(qū)的雨天CSO開(kāi)展監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于40 mm/h時(shí)，CSO污染物主要集中在前40%的溢流量中，污染物濃度為旱天污水濃度的1.0～2.4倍。此外，李賀等[44]對(duì)上海市某合流制區(qū)域的雨天CSO水質(zhì)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在一場(chǎng)降雨強(qiáng)度超過(guò)25 mm/h的暴雨事件中，合流制區(qū)域CSO前42%左右的溢流量COD為150～250 mg/L，后期的溢流量COD在59～150 mg/L。因此，對(duì)于低頻次高溢流量CSO事件宜控制前40%的溢流量。

一般來(lái)說(shuō)，CSO過(guò)程中控制的污水會(huì)在降雨后送往下游污水處理廠進(jìn)行處理，但由于我國(guó)部分城市污水處理廠處理能力有限，若將收集的前40%溢流污水全部送往污水處理廠，會(huì)對(duì)污水處理廠造成較大的處理負(fù)擔(dān)，而文獻(xiàn)[27]報(bào)道的德國(guó)的污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為旱季污水量的2倍，這為雨季高峰CSO溢流量的處理提供了有利條件。鑒于我國(guó)污水處理廠對(duì)雨季CSO的應(yīng)對(duì)能力有限，在該類CSO事件控制中，可增加一定的末端處理措施，目前國(guó)際上采用的主要末端處理措施有旋流分離、砂濾分離、格柵分離、吸附、混凝、絮凝以及病原體消毒等[45]。

因此，對(duì)于暴雨引起的低頻次高溢流量CSO事件，宜控制前40%的溢流量，可采取“LID+管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化+空間調(diào)蓄+末端處理”控制策略。

4 結(jié) 語(yǔ)

CSO的污染控制是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前，我國(guó)的合流制區(qū)域呈現(xiàn)出源頭地塊徑流系數(shù)高、初期雨水徑流污染嚴(yán)重、管網(wǎng)系統(tǒng)外水入滲、沉積現(xiàn)象嚴(yán)重以及截流倍數(shù)相對(duì)較低等情況。此外，我國(guó)幅員遼闊，各地降雨特征差異明顯。因此，對(duì)于不同城市CSO的污染控制，應(yīng)在基于當(dāng)?shù)亟涤晏卣鞯那闆r下，結(jié)合區(qū)域的源頭地塊特征、排水管網(wǎng)系統(tǒng)特征以及下游污水處理廠處理能力，對(duì)不同類型降雨引起的CSO事件采取不同的控制策略。

(1) 高頻次低溢流量CSO事件以源頭分散的LID控制策略為主。

(2) 中頻次中溢流量CSO事件應(yīng)基于當(dāng)?shù)氐闹杏旰痛笥甑慕涤晏卣?，i雨≤i設(shè)的中頻次中溢流量CSO事件以“LID+管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化”控制策略為主；i雨>i設(shè)的中頻次中溢流量CSO事件以“LID+管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化+空間調(diào)蓄”控制策略為主。

(3) 低頻次高溢流量CSO事件以“LID+管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化+空間調(diào)蓄+末端處理”控制策略為主，且該類型事件宜控制前40%的溢流量。