管網(wǎng)河道耦合的排水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)分析及治理措施*

孟瑩瑩 趙天明 周 建 謝 芳

(北控水務(wù)(中國(guó))投資有限公司，北京 100102)

黑臭水體整治工作是全國(guó)各城市均十分關(guān)注的問(wèn)題，其中管網(wǎng)是黑臭水體整治工作的核心[1]。由于建設(shè)時(shí)序不同以及區(qū)域建設(shè)不平衡等原因，我國(guó)城市存在較多的混流式管網(wǎng)，造成污水混入雨水系統(tǒng)直排，導(dǎo)致末端水體污染[2-3]，如上海市雨天泵站集中式放江造成的沖擊負(fù)荷常導(dǎo)致受納河道階段性黑臭[4]。目前，有關(guān)城市雨水管網(wǎng)本身以及管網(wǎng)河道耦合的研究大多關(guān)注防洪排澇相關(guān)問(wèn)題，宋雅輝[5]對(duì)不同降雨重現(xiàn)期下管網(wǎng)的排水能力進(jìn)行評(píng)估，識(shí)別管網(wǎng)系統(tǒng)瓶頸并提出解決方案；李尤等[6]構(gòu)建了降雨產(chǎn)流、管網(wǎng)匯流、河道匯流與地表漫流的綜合洪澇模型，評(píng)估了管網(wǎng)排水、河道行洪、地表積水相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)；沈丹[7]從雨水系統(tǒng)的水動(dòng)力承載能力和水質(zhì)排出濃度方面分析了雨水排水系統(tǒng)的健康程度。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于系統(tǒng)考慮管網(wǎng)與受納水體關(guān)系，從減少水體污染的角度評(píng)估管網(wǎng)建設(shè)和改造的研究鮮有報(bào)道。根據(jù)康麗娟[8]的研究，上海市漕河涇排水系統(tǒng)雨水管網(wǎng)混接改造工程實(shí)施后，市政泵站旱天放江污染負(fù)荷平均削減約58%，雨天放江污染負(fù)荷平均削減約30%，可見(jiàn)管網(wǎng)改造對(duì)受納水體水質(zhì)改善的效果。

對(duì)水環(huán)境項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)而言，最終的績(jī)效體現(xiàn)于受納水體的水質(zhì)改善，因此需要以水質(zhì)達(dá)標(biāo)為績(jī)效目標(biāo)，系統(tǒng)梳理岸上管網(wǎng)工程的實(shí)施效果及治理優(yōu)先級(jí)。為此，本研究采用暴雨洪水管理模型(SWMM)與河流水動(dòng)力模擬軟件MIKE 11建立了區(qū)域雨水管網(wǎng)與河網(wǎng)的耦合模型，以河網(wǎng)水質(zhì)達(dá)標(biāo)為前提分析區(qū)域管網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，并重點(diǎn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域管網(wǎng)末端排口制定了針對(duì)性的解決措施，以期為其他管網(wǎng)河道類(lèi)水環(huán)境項(xiàng)目的診斷評(píng)估提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于杭州市某區(qū)，流域面積為62.9 km2，其中老城區(qū)11.3 km2，新城區(qū)51.6 km2，流域內(nèi)河網(wǎng)水系密布，主要河道有48條。研究區(qū)內(nèi)有1座污水處理廠，新城區(qū)和老城區(qū)的污水分別收集后進(jìn)入污水處理廠集中處理。研究區(qū)管網(wǎng)雨污混接嚴(yán)重，旱季污水管網(wǎng)基本為滿管運(yùn)行，雨季一旦雨水進(jìn)入混接系統(tǒng)，極易發(fā)生污水溢流入河。由于河道水位較高，入河雨水口基本淹沒(méi)于水下，排水系統(tǒng)受頂托情況明顯。

2 研究方法

2.1 區(qū)域調(diào)研與監(jiān)測(cè)

在非降雨日對(duì)研究區(qū)內(nèi)不同類(lèi)型管網(wǎng)(包括小區(qū)、支路、主(次)干路管網(wǎng))及污水處理廠進(jìn)水進(jìn)行水質(zhì)采樣監(jiān)測(cè)，區(qū)域上游來(lái)水水質(zhì)及河道水位、水質(zhì)等采用常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其中，老城區(qū)設(shè)置6個(gè)污水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、3個(gè)雨水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，新城區(qū)設(shè)置7個(gè)污水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、4個(gè)雨水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，此外本研究設(shè)置38個(gè)河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及1個(gè)河道水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布情況見(jiàn)圖1，水質(zhì)分析指標(biāo)包括COD、氨氮、TN、TP、SS。2019年5月25日有降雨，在降雨產(chǎn)流時(shí)測(cè)定屋面、道路、綠地等典型下墊面的徑流流量及水質(zhì)。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布

2.2 管網(wǎng)河道耦合模型建立

通過(guò)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署SWMM(5.1版)建立研究區(qū)管網(wǎng)模型，其包括4 619個(gè)節(jié)點(diǎn)、258個(gè)排口、4 375段管線，節(jié)點(diǎn)和管線的基本屬性通過(guò)普查資料獲取。結(jié)合管網(wǎng)和河道分布，通過(guò)泰森多邊形法將流域劃分為4 373個(gè)子匯水單元。匯水單元參數(shù)包括資料參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，資料參數(shù)通過(guò)已有資料獲取，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)通過(guò)SWMM幫助文檔和文獻(xiàn)報(bào)道的經(jīng)驗(yàn)值獲取，具體見(jiàn)表1。地表污染物累積沖刷參數(shù)根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果擬合確定[9]。采用MIKE 11建立研究區(qū)河網(wǎng)模型，河道斷面、上游來(lái)水邊界條件、下游河道水位等根據(jù)實(shí)測(cè)確定，研究區(qū)域內(nèi)的匯流邊界條件由SWMM計(jì)算結(jié)果確定。

表1 模型參數(shù)獲取方法

2.3 運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)分析及工程治理優(yōu)先級(jí)評(píng)估

當(dāng)?shù)毓芫W(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)內(nèi)容主要包括防止積水內(nèi)澇、改造管網(wǎng)混接，因此將影響管網(wǎng)運(yùn)行的主要風(fēng)險(xiǎn)分為節(jié)點(diǎn)積水風(fēng)險(xiǎn)、管線承壓風(fēng)險(xiǎn)、河水倒灌風(fēng)險(xiǎn)及管網(wǎng)混接風(fēng)險(xiǎn)，不同風(fēng)險(xiǎn)等權(quán)考慮后得到管網(wǎng)系統(tǒng)的綜合運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。在管網(wǎng)綜合運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上，按照以下原則篩選重點(diǎn)排口進(jìn)行針對(duì)性的工程治理：(1)年入河排放污染負(fù)荷高、占比大的排口；(2)排放污染物對(duì)河道水質(zhì)影響大的排口；(3)河水倒灌、對(duì)污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)影響大的排口。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)管網(wǎng)情況初步診斷

研究區(qū)管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。以COD濃度評(píng)估污水在管網(wǎng)流經(jīng)過(guò)程中的外水入滲情況，老城區(qū)及新城區(qū)的污水管網(wǎng)中，污水經(jīng)由小區(qū)管網(wǎng)—支路管網(wǎng)—主(次)干路管網(wǎng)的平均COD濃度沒(méi)有明顯的降低趨勢(shì)，表明污水管網(wǎng)中外水入滲的情況較少。老城區(qū)雨水管網(wǎng)中污染物濃度普遍較低，現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)明顯水流，表明污水混入雨水系統(tǒng)的情況不明顯。新城區(qū)雨水管網(wǎng)中，僅1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物濃度偏低，表現(xiàn)出正常雨水水質(zhì)，其他3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染物濃度均較高，表明污水混接進(jìn)入雨水管網(wǎng)，個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)COD高達(dá)39 300 mg/L，說(shuō)明可能有工業(yè)廢水混入?？傮w看來(lái)，老城區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)相對(duì)健康，新城區(qū)存在比較明顯的污水混接進(jìn)入雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的情況，導(dǎo)致污水通過(guò)雨水管網(wǎng)直排河道。由于管網(wǎng)與河道耦合模型的可變邊界條件為區(qū)域雨水管網(wǎng)匯水，因此通過(guò)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的長(zhǎng)序列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)率定河道模型和雨水管網(wǎng)的污水匯入量。經(jīng)校正后，將管網(wǎng)與河道耦合模型用于管網(wǎng)相對(duì)排水情況的分析。

表2 管網(wǎng)系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2 地表徑流排放規(guī)律及累積沖刷參數(shù)

在2019年5月25日降雨過(guò)程(降雨量13.6 mm)中，屋面徑流污染物排放過(guò)程見(jiàn)圖2?？梢钥闯?，降雨過(guò)程中污染物呈現(xiàn)比較明顯的初期效應(yīng)，即降雨初期濃度較高，隨著降雨的進(jìn)行污染物濃度逐漸下降平緩。以污染風(fēng)險(xiǎn)較大的COD、氨氮、TP為例，擬合計(jì)算其在3種典型下墊面(屋面、道路、綠地)的累積沖刷參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 屋面徑流污染物質(zhì)量濃度變化

表3 典型下墊面累積沖刷參數(shù)

3.3 管網(wǎng)河道耦合模型校正

以污水混接量為變量，通過(guò)不同匯水分區(qū)污水混接量調(diào)整模擬河道水位，結(jié)果見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，模擬河道水位與監(jiān)測(cè)水位變化趨勢(shì)總體一致，相對(duì)誤差在10%以?xún)?nèi)。對(duì)38個(gè)河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物模擬濃度和實(shí)測(cè)濃度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)污染物模擬濃度基本在實(shí)測(cè)濃度的范圍內(nèi)，平均誤差約為64%，河道水位和水質(zhì)模擬結(jié)果表明模型的參數(shù)設(shè)置基本滿足實(shí)際需求。

圖3 模擬與實(shí)測(cè)水位

3.4 管網(wǎng)混接程度分析

利用模型校正得出各匯水分區(qū)的污水混接量，由此評(píng)估管網(wǎng)的混接對(duì)河道及管網(wǎng)的污染程度，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4(a)可見(jiàn)，管網(wǎng)混接對(duì)研究區(qū)河道污染影響相對(duì)較小，研究區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)先排查區(qū)域(污染程度為中、較高、高的區(qū)域)為東北部、中部及東部中心區(qū)域，其面積占流域面積的16.0%，其他區(qū)域污水混接對(duì)河道水質(zhì)達(dá)標(biāo)不造成影響，但從消除污水直排入河的角度，其他區(qū)域也應(yīng)逐步開(kāi)展排查工作。由圖4(b)可見(jiàn)，混接對(duì)管網(wǎng)本身影響較大，尤其新城區(qū)混接管網(wǎng)污染程度明顯較高，主要集中在新城區(qū)東部、北部區(qū)域，面積占流域面積的45.0%，這些區(qū)域應(yīng)作為優(yōu)先排查區(qū)域，其他區(qū)域也需要根據(jù)評(píng)估結(jié)果逐步開(kāi)展排查工作。

圖4 管網(wǎng)混接污染程度評(píng)估

3.5 管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)分析

將節(jié)點(diǎn)積水分為有溢流和無(wú)溢流兩種情形，將管線承壓分為有承壓和無(wú)承壓兩種情形，將河水倒灌區(qū)域分為無(wú)倒灌風(fēng)險(xiǎn)、排口淹沒(méi)1/3、排口淹沒(méi)2/3、排口全淹沒(méi)等4種情形，采用管網(wǎng)河道耦合模型分別評(píng)估節(jié)點(diǎn)積水、管線承壓、河水倒灌風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果見(jiàn)圖5。根據(jù)3個(gè)因素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，結(jié)合混接后管網(wǎng)污染程度評(píng)估，將4個(gè)因素等權(quán)考慮評(píng)估管網(wǎng)系統(tǒng)的綜合運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖5可見(jiàn)，區(qū)域存在一定的節(jié)點(diǎn)溢流風(fēng)險(xiǎn)，溢流區(qū)域以東部、中部為主，管線承壓和河水倒灌的風(fēng)險(xiǎn)較大，在區(qū)域內(nèi)基本均有分布。由圖6可見(jiàn)，研究區(qū)低風(fēng)險(xiǎn)、較低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的面積占比分別為12.0%、20.4%、36.0%、17.4%、14.2%。低風(fēng)險(xiǎn)及較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中需要較少的投入，而較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域是運(yùn)營(yíng)投入的重點(diǎn)區(qū)域，也是管網(wǎng)的優(yōu)先治理區(qū)域。由于管網(wǎng)提質(zhì)增效工作在持續(xù)進(jìn)行中，因此管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)分析也需要階段性的評(píng)估，據(jù)此安排排口治理工程項(xiàng)目的開(kāi)展。

圖5 管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)單項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

圖6 管網(wǎng)綜合運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.6 排口治理措施

排水系統(tǒng)效能提升工作是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，為了迅速提升河道水質(zhì)，保障運(yùn)營(yíng)達(dá)標(biāo)，各地通常將末端排口改善作為應(yīng)急措施首先開(kāi)展。考慮對(duì)河道水質(zhì)的影響、污染排放負(fù)荷、河水倒灌程度等因素，在新城區(qū)排查篩選131個(gè)重點(diǎn)排口，針對(duì)旱天不產(chǎn)流、標(biāo)高低于河道水位的排口僅設(shè)拍門(mén)等防倒灌措施即可；而對(duì)旱天產(chǎn)流、污染較重的排口設(shè)置拍門(mén)和手電一體閘門(mén)，并配套自控設(shè)施，日常關(guān)閉閘門(mén)防止溢流和倒灌，暴雨開(kāi)啟閘門(mén)泄洪；對(duì)旱天出流量較大(10 t/d以上)、水質(zhì)較差(混接污水)且現(xiàn)場(chǎng)具備實(shí)施條件的排口，考慮末端截污提升進(jìn)入現(xiàn)狀管網(wǎng)；對(duì)旱天出流污染較輕、水量較少、雨天溢流污染負(fù)荷較輕的排口，采取生態(tài)強(qiáng)化措施，如通過(guò)設(shè)置“強(qiáng)化吸附過(guò)濾屏障”，雨水進(jìn)入河道時(shí)對(duì)污染水進(jìn)行攔截，填料部分進(jìn)行吸附過(guò)濾，輔以投加固化微生物和曝氣，進(jìn)一步削減污染物；針對(duì)雨天溢流污染較為嚴(yán)重，即雨污水對(duì)河道水質(zhì)影響大、年排放污染負(fù)荷高的排口，通過(guò)溢流污染處理措施進(jìn)行治理，如通過(guò)對(duì)溢流污水混凝沉淀，去除大量懸浮物，從而實(shí)現(xiàn)削減雨季入河污染量的目的，旱天通過(guò)吸泥車(chē)將底泥吸至污水處理廠脫泥系統(tǒng)處理。研究區(qū)重點(diǎn)排口治理措施分布見(jiàn)圖7，根據(jù)測(cè)算，重點(diǎn)排口中防倒灌、末端截污提升、溢流污染處理、生態(tài)強(qiáng)化措施的工程占比分別為16.8%、15.3%、45.8%、22.1%。

圖7 重點(diǎn)排口治理措施

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)老城區(qū)管網(wǎng)情況相對(duì)健康，新城區(qū)存在比較明顯的污水混接進(jìn)入雨水系統(tǒng)的情況，導(dǎo)致污水通過(guò)雨水管網(wǎng)直排河道。通過(guò)河道水位和水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果率定管網(wǎng)河道耦合模型，水位相對(duì)誤差在10%以?xún)?nèi)，水質(zhì)平均誤差為64%，經(jīng)校正后的模型可用于管網(wǎng)系統(tǒng)分析。

(2) 管網(wǎng)混接對(duì)研究區(qū)河道污染影響相對(duì)較小，對(duì)管網(wǎng)本身污染影響較大，尤其新城區(qū)混接管網(wǎng)污染程度明顯較高，優(yōu)先排查區(qū)域占流域面積的45.0%，主要集中在新城區(qū)?？紤]節(jié)點(diǎn)積水、管線承壓、河水倒灌及管網(wǎng)混接等因素評(píng)估管網(wǎng)系統(tǒng)綜合運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，較高和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積占比約為31.6%，管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)需要重點(diǎn)投入。

(3) 考慮對(duì)河道水質(zhì)的影響、污染排放負(fù)荷、河水倒灌程度等因素，在新城區(qū)排查篩選131個(gè)重點(diǎn)排口，根據(jù)排口特點(diǎn)提出針對(duì)性措施，其中防倒灌、末端截污提升、溢流污染處理、生態(tài)強(qiáng)化措施的工程占比分別為16.8%、15.3%、45.8%、22.1%。