“灰綠”協(xié)同措施對銀川市合流制溢流污染的影響

侯精明，欒廣學(xué)，王 添，楊 露，銀雅倫，李欣怡，喬夢曦

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2.中規(guī)院(北京)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，北京 100044)

合流制溢流(combined sewer overflow, CSO)污染是城市水體發(fā)生黑臭的一個重要因素，城市溢流污染控制是當(dāng)前改善環(huán)境的關(guān)鍵舉措[1-5]。隨著我國經(jīng)濟(jì)、科技快速發(fā)展，城市建設(shè)面積及城區(qū)硬化路面比例不斷增加[6-7]，中國城市污水管網(wǎng)建設(shè)滯后城市發(fā)展20余年，特別是合流系統(tǒng)高密度城區(qū)排水系統(tǒng)導(dǎo)致路面積水、城市被淹、污水溢流、水體黑臭等問題[8-9]。合流污水遠(yuǎn)距離輸送過程中，將近50%的污染物沉積在管道底部，雨天排水“零存整取”，河道受到?jīng)_擊性污染，導(dǎo)致城市水體晴天不黑臭，但雨天黑臭嚴(yán)重的狀況[10-11]。在中國南方地區(qū)，合流制系統(tǒng)雨天排水時，COD質(zhì)量濃度最高值達(dá)1 200 mg/L，均值也高達(dá)540 mg/L左右[8]。目前解決CSO污染的方法主要有海綿化改造、增設(shè)調(diào)蓄池、雨污管網(wǎng)混錯接改造等[5,12-13]。國內(nèi)很多專家學(xué)者已經(jīng)對我國CSO污染問題做了大量研究，如黃俊等[14]對CSO污染控制策略優(yōu)化進(jìn)行了研究分析，認(rèn)為不同的降雨特征需要不同的控制策略；孟瑩瑩等[15]研究了“灰綠”措施組合對城市溢流污染的削減效果，認(rèn)為“灰綠”措施組合對CSO污染控制效果較好；李俊奇等[16]研究并提出了以受納水體水質(zhì)指標(biāo)為導(dǎo)向的CSO污染的控制指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)制定；楊新德等[17]基于SWMM模型從海綿城市建設(shè)、雨污分流改造等角度對溢流污染的削減情況進(jìn)行了評估，認(rèn)為雨污分流與源頭低影響開發(fā)可有效減少面源及溢流污染。

高密度城區(qū)綠色排水設(shè)施的基建費(fèi)用低，生態(tài)環(huán)境效益好，因此本文基于SWMM模型，通過“灰綠”措施結(jié)合、近遠(yuǎn)期結(jié)合，統(tǒng)籌排水分區(qū)內(nèi)源頭、過程、末端關(guān)系，分析“灰綠”協(xié)同治理措施對銀川市一污片區(qū)CSO污染的影響，以期為該區(qū)域溢流污染治理提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

選取銀川市興慶區(qū)某一污片區(qū)為研究區(qū)域，該區(qū)域管網(wǎng)系統(tǒng)以合流制為主，區(qū)域內(nèi)污水均匯至第一污水處理廠。第一污水處理廠位于上海路以北、城市四排溝以東，主要承擔(dān)銀川市興慶區(qū)大部分生活污水及廢水的處理任務(wù)，服務(wù)面積20.46 km2，原設(shè)計(jì)處理能力為5 萬 m3/d，擴(kuò)建后日設(shè)計(jì)處理規(guī)模達(dá)到10 萬 m3/d。該區(qū)域主要為高密度城區(qū)，不透水面積高達(dá)70%以上，出水通過城市四排溝、銀新干溝排入黃河。根據(jù)銀川市城區(qū)1990—2020年的日均降雨資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，銀川市城區(qū)多年平均降水量為199.54 mm3/d。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1降雨數(shù)據(jù)

a.短歷時設(shè)計(jì)降雨。短歷時設(shè)計(jì)降雨過程采用芝加哥暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行模擬，降雨歷時為2 h，步長5 min，雨峰系數(shù)為0.4。暴雨強(qiáng)度公式為

(1)

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，mm/min；p為重現(xiàn)期，a；t為暴雨歷時，min。選取重現(xiàn)期分別為1 a、5 a、10 a進(jìn)行模擬，降雨歷時為2 h的設(shè)計(jì)降雨過程見圖1。

圖1 不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)降雨過程

b．長歷時設(shè)計(jì)降雨。長歷時設(shè)計(jì)降雨的降雨過程根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)獲得，降雨歷時為24 h。1991年年降水量為194.6 mm3/d，最接近銀川市城區(qū)多年平均降水量，因此選擇1991年降雨數(shù)據(jù)作為典型年降雨數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 典型年日降水量情況

由于典型年降雨數(shù)據(jù)為日均降雨數(shù)據(jù)，在計(jì)算城區(qū)合流制管網(wǎng)溢流量及污染物溢流情況時，需采用更為精確的降雨數(shù)據(jù)，因此利用銀川市24 h歷時設(shè)計(jì)降雨雨型分配比(表2)，將日均降雨數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為每小時降雨數(shù)據(jù)。從典型年日降水量中選取1991-04-10作為典型小雨，降水量為6.5 mm；1991-08-26作為典型中雨，降水量為18.9 mm；1991-08-27作為典型大雨，降水量為40.6 mm。

表2 24 h歷時設(shè)計(jì)降雨雨型分配比

1.2.2管網(wǎng)數(shù)據(jù)

根據(jù)銀川市管委會提供的管網(wǎng)資料、實(shí)際地形及其本底特征構(gòu)建SWMM模型。模型共有261個子匯水分區(qū)，5 990個節(jié)點(diǎn)，3 953段雨水管網(wǎng)，總管長134 350.529 7 m。模型概化圖如圖2所示。

圖2 研究區(qū)概化結(jié)果

1.2.3旱季污水流量和污染物濃度

2 研究方法

選用SWMM模型對CSO污染進(jìn)行模擬研究。SWMM模型提供了線性、指數(shù)、冪函數(shù)和飽和函數(shù)4種污染物累積模型[20-22]，根據(jù)國內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn)，飽和函數(shù)累積模型能夠很好地模擬地表污染物的累積過程[23-25]，因此本文選取飽和函數(shù)累積模型模擬研究區(qū)地面污染物的累積情況，選取指數(shù)函數(shù)模型模擬地表污染物的沖刷過程。據(jù)研究區(qū)的土地利用情況，將子匯水區(qū)分為房屋、綠地、道路和其他4種地面類型分別進(jìn)行模擬[26]。飽和函數(shù)累積模型需要確定最大累積量和半飽和累積時間2個參數(shù)，指數(shù)函數(shù)模型要輸入沖刷系數(shù)和沖刷指數(shù)2個參數(shù)。根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)[15,17,23]確定參數(shù)的取值，結(jié)果見表3。

水質(zhì)以水量為載體，若水在管道內(nèi)的水動力過程能精準(zhǔn)模擬，則同樣能說明水質(zhì)模擬的準(zhǔn)確性。水量模擬的準(zhǔn)確性可通過出口流量過程線和內(nèi)澇積水點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，由于該片區(qū)無其他排水口，均排至第一污水處理廠，而研究期內(nèi)沒有污水處理廠實(shí)測進(jìn)水流量過程線，故本研究管網(wǎng)水動力參數(shù)通過二維地表積水點(diǎn)對比進(jìn)行率定。為防止研究區(qū)地表外圍客流影響，對管網(wǎng)模型進(jìn)行更精確的模擬，將銀川市全區(qū)域管網(wǎng)模型與二維地表水動力模型進(jìn)行耦合，在實(shí)測降雨條件下對實(shí)測積水點(diǎn)和模擬積水點(diǎn)的積水面積和積水深度進(jìn)行比較，以驗(yàn)證管網(wǎng)水動力參數(shù)的準(zhǔn)確性。實(shí)測積水點(diǎn)如圖3所示，積水點(diǎn)模擬值與實(shí)測值對比如表4所示。由表4可見，模型模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合度較高，相對誤差均在6%以內(nèi)，表明耦合模型可靠，能夠較好模擬地表及管網(wǎng)的水動力過程。

表3 模型污染物參數(shù)取值

圖3 實(shí)測積水點(diǎn)

表4 模擬值與實(shí)測值對比

3 “灰綠”協(xié)同措施

單一溢流削減措施不適用于高密度城區(qū)[27]，故針對第一污水處理廠旱天進(jìn)水量基本飽和、雨天大量雨污混合水外溢的問題，采取“灰綠”協(xié)同措施削減溢流。主要灰色設(shè)施有CSO調(diào)蓄池和雨污管道混錯接改造，綠色措施主要為對上游綠化帶進(jìn)行海綿化改造，“灰綠”協(xié)同措施為2種灰色措施和1種綠色措施組合使用。

3.1 CSO調(diào)蓄池

近期在城市四排暗渠段溢流口附近設(shè)置體積為4萬t的CSO調(diào)蓄池，減少溢流污水排至城市四排溝。經(jīng)計(jì)算需增加8萬 m3灰色調(diào)蓄設(shè)施，一期在原城市四排溝暗渠位置，擴(kuò)大斷面，布置4萬m3削峰調(diào)蓄池；二期在海寶公園東側(cè)入口停車場下，布置4萬 m3削峰調(diào)蓄池，本文僅考慮一期工程。

3.2 雨污管道混錯接改造

城市四排溝上游排水分區(qū)基本上是合流制排水分區(qū)，僅雙莊巷兩側(cè)新建區(qū)域?yàn)橛晡鄯至?，但分流管網(wǎng)在下游全部接入合流制管網(wǎng)。遠(yuǎn)期優(yōu)化排水體制，通過城市四排溝上游混錯接改造，將上游混流制片區(qū)改為完全分流制排水體制，減少雨水進(jìn)入污水管網(wǎng)，減少合流制溢流水量和頻次。雨污分流改造示意圖如圖4所示。

圖4 雨污分流改造示意圖(單位：mm)

3.3 綠化帶海綿化改造

遠(yuǎn)期通過對上游綠化帶進(jìn)行海綿化改造，削減雨水徑流進(jìn)入污水管網(wǎng)，從而減少CSO污染。綠化帶海綿化改造統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 興慶區(qū)綠化帶海綿化改造統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)果與分析

對CSO調(diào)蓄池、雨污管道混錯接改造、綠化帶海綿化改造3種單一措施及“灰綠”措施組合共4種方案對銀川市第一污水處理廠片區(qū)溢流污染影響進(jìn)行模擬分析，本研究不考慮除第一污水處理廠前溢流外的其他節(jié)點(diǎn)溢流。

4.1 短歷時設(shè)計(jì)降雨模擬結(jié)果

4.2 長歷時設(shè)計(jì)降雨模擬結(jié)果

小雨、中雨、大雨條件下現(xiàn)狀及4種方案下溢流負(fù)荷及其削減率如表7所示。由表7可見，現(xiàn)狀、添加CSO調(diào)蓄池、雨污管道混錯接改造、綠化帶海綿化改造與“灰綠”措施結(jié)合5種方案下，溢流水量及污染物負(fù)荷均隨著降水量的增加而增加，其中大雨條件下，調(diào)蓄設(shè)施充分發(fā)揮其功能，溢流水量仍分別達(dá)到25.49萬 m3、21.43萬 m3、23.39萬 m3、23.90萬 m3和18.24萬 m3；CSO污染主要是生活污水與雨水混合后再對管道內(nèi)的沉積物進(jìn)一步?jīng)_刷導(dǎo)致溢流污染物濃度較大，從而造成溢流污染物負(fù)荷嚴(yán)重超標(biāo)，其中現(xiàn)狀及4種方案下TSS溢流負(fù)荷分別達(dá)到9.37 t、7.68 t、8.66 t、8.95 t和6.38 t。由表7可見，在添加CSO調(diào)蓄池、雨污管道混錯接改造、綠化帶海綿化改造與“灰綠”措施結(jié)合4種方案下，小雨、中雨和大雨溢流水量及污染物負(fù)荷削減量變化幅度不大，其中大雨條件下溢流水量削減量分別為4.06 萬m3、2.10 萬m3、1.59 萬m3和7.25 萬m3，TSS溢流負(fù)荷削減量分別為1.69 t、0.71 t、0. 43 t和2.99 t；但隨著降水量的增加溢流水量與溢流污染物負(fù)荷的削減率均逐漸減小，其中大雨條件下4種方案溢流水量削減率分別為16%、8%、6%和28%，TSS溢流負(fù)荷削減率分別為18%、8%、5%和32%?？梢姟盎揖G”協(xié)同措施對長歷時降雨條件下溢流水量及溢流污染物負(fù)荷的削減效果較為明顯，在中雨條件下溢流水量及TSS溢流負(fù)荷削減率分別達(dá)到57%與74%。

表6 短歷時設(shè)計(jì)降雨條件下溢流負(fù)荷及削減率

表7 長歷時設(shè)計(jì)降雨條件下的溢流負(fù)荷及削減率

5 結(jié) 論