唐 洋 博,李 瑋,吳 一 帆,李 翀
(中國長江三峽集團(tuán)有限公司 長江生態(tài)環(huán)境工程研究中心,北京 100038)
隨著中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,城市化進(jìn)程日益深化,人口集中化導(dǎo)致污水負(fù)荷激增,下墊面硬質(zhì)化加劇雨水產(chǎn)流,城市老舊的排水系統(tǒng)已經(jīng)不堪重負(fù)。管網(wǎng)系統(tǒng)的缺陷使得旱天沉積物淤積、雨天污染物溢流,導(dǎo)致城市建成區(qū)的內(nèi)河內(nèi)湖水環(huán)境問題日益突出。因此,運(yùn)用工程措施對老舊排水系統(tǒng)進(jìn)行全面升級和改造已經(jīng)迫在眉睫。然而,單一的工程措施往往難以達(dá)到系統(tǒng)治理的效果。從系統(tǒng)整體出發(fā),規(guī)劃符合水環(huán)境治理目標(biāo)的工程體系,才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)治水的目的,而工程體系目標(biāo)評測是其中的關(guān)鍵[1-2]。
在規(guī)劃階段,目標(biāo)評測模型可以指導(dǎo)工程措施選擇、工程體系構(gòu)建及環(huán)境效益分析,從而幫助城市排水系統(tǒng)管理者設(shè)定合理清晰的治理目標(biāo),為建立工程投入與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益產(chǎn)出關(guān)系打好基礎(chǔ)[3]。傳統(tǒng)的工程措施目標(biāo)評測分析主要基于各類水動(dòng)力水質(zhì)模型相關(guān)環(huán)境指標(biāo)的預(yù)測結(jié)果,現(xiàn)有針對城市排水系統(tǒng)的模型(如SWMM,InfoWorks和MIKE)需要豐富、系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫才能評估工程項(xiàng)目的環(huán)境效益,資金和人力成本高、周期長,不適用于規(guī)劃階段。
系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD模型)由Jay Forrester開發(fā)[4],可模擬復(fù)雜系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)、運(yùn)算目標(biāo)要素之間的交互反饋行為,模擬物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化路徑[5]。SD模型是重現(xiàn)城市排水系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的合適工具,能夠模擬徑流和污染物在各種涉水設(shè)施和內(nèi)河內(nèi)湖間的遷移和反饋機(jī)制。與傳統(tǒng)水動(dòng)力水質(zhì)模型不同,SD模型屬于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型,具有高效的評估能力[6-7]。SD模型更新關(guān)鍵因素的變化十分便利(如工程項(xiàng)目參數(shù)、人口、污染物去除效率、時(shí)間步長等),有助于快速輔助決策[8]。因此,本研究基于SD模型構(gòu)建了城市排水系統(tǒng)目標(biāo)評測模型,對各類排水系統(tǒng)工程措施進(jìn)行環(huán)境效益評測分析,以岳陽東風(fēng)湖流域排水系統(tǒng)為例,探討了符合水環(huán)境治理目標(biāo)的工程體系。
東風(fēng)湖位于岳陽西北部,臨近洞庭湖與長江的交匯處。東風(fēng)湖流域覆蓋范圍北至建設(shè)北路和沿湖大道,南至延壽路、良田山路以及天圖路,東至吉家湖路,西至新岳西路,共計(jì)17.73 km2,人口23萬人,湖面面積2.54 km2,庫容約為670萬m3。東風(fēng)湖從南往北被分為上上湖、上湖、中湖及下湖,上湖、中湖水質(zhì)為劣Ⅴ類,下湖部分區(qū)域?yàn)榱英躅悾饕廴局笜?biāo)為化學(xué)需氧量等。目前東風(fēng)湖4個(gè)區(qū)域基本被隔絕,水體幾乎沒有流動(dòng)性(流速約為0.003 m/s),水源補(bǔ)給主要依靠降雨、地下水及環(huán)湖周邊城市排水。東風(fēng)湖在全國黑臭水體普查中被列為黑臭水體,嚴(yán)重影響了城市水環(huán)境質(zhì)量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[9]。
東風(fēng)湖流域在水環(huán)境治理工程前約有排水管網(wǎng)56 km,其中合流制管網(wǎng)超過90%,管網(wǎng)密度僅為3.2 km/km2。主要排水通道包含楓橋湖合流排水涵、楊樹塘-土橋地段合流排水涵和青年堤合流排水涵等主干線路。東風(fēng)湖南側(cè)的良田山片區(qū)存在大面積的管網(wǎng)空白區(qū)。馬壕一期污水處理廠處理能力為5萬t/d,平均進(jìn)水量為3.6萬t/d,COD平均進(jìn)廠濃度為210 mg/L,污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)為一級A??傮w來看,東風(fēng)湖流域排水系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施相對薄弱,需要系統(tǒng)治理來解決東風(fēng)湖黑臭問題以及水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到Ⅳ類地表水的目標(biāo)。
引起東風(fēng)湖流域黑臭的原因包括污水直排散排、溢流污染和徑流污染3個(gè)方面[9]。就污水直排散排而言,老城區(qū)內(nèi)污水收集率不高,良田山片區(qū)存在管網(wǎng)空白區(qū),污水直排散排現(xiàn)象嚴(yán)重。東風(fēng)湖流域管網(wǎng)雨污合流制占比超過90%,由于老城區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)截流倍數(shù)較低,降雨量大時(shí)會(huì)有大量合流制溢流污水進(jìn)入東風(fēng)湖水體。東風(fēng)湖屬于城市水體,周邊農(nóng)業(yè)面源較少,僅存在分散的居民種植菜地和養(yǎng)殖畜禽[9],本研究中徑流污染主要考慮城市面源污染。總體來說,東風(fēng)湖水體黑臭問題突出,需要系統(tǒng)治理措施來全面控制污水直排散排、溢流污染、徑流污染,使得東風(fēng)湖水體長期穩(wěn)定在Ⅳ類地表水的水平。本研究主要考慮的治理措施包括排口整治、源頭治理、雨污分離、調(diào)蓄池、污水處理廠提標(biāo)等。
模型將東風(fēng)湖流域排水系統(tǒng)分為5個(gè)子區(qū)(九華山片區(qū)、岳陽樓片區(qū)、火車站片區(qū)、良田山片區(qū)和高家組洞氮片區(qū))(見圖1)。東風(fēng)湖流域排水系統(tǒng)主要以合流制系統(tǒng)為主,有極少部分區(qū)域?yàn)榉至髦婆潘到y(tǒng),東風(fēng)湖位于流域中心,馬壕污水處理廠位于東風(fēng)湖南側(cè)。用于目標(biāo)評測的工程措施包括:排口整治、源頭治理、雨污分離、調(diào)蓄池、污水處理廠提標(biāo)等,不同措施之間的資金投入情況見表1。通常排口整治的費(fèi)用較低,源頭治理和雨污分流的整體工程費(fèi)用較高,調(diào)蓄池和污水廠提標(biāo)的費(fèi)用主要集中在特定的區(qū)域。模型主要關(guān)注指標(biāo)包括合流制溢流量和東風(fēng)湖水體中COD濃度變化。
圖1 研究區(qū)域示意Fig.1 Sketch of the study area
表1 預(yù)估水環(huán)境治理資金投入Tab.1 Proposed investment for aquatic environment improvement 億元
目標(biāo)評測模型可分為3類子模型:分流制系統(tǒng)子模型、合流制系統(tǒng)子模型和湖泊子模型。其中九華山、岳陽樓、火車站部分區(qū)域?qū)儆诜至髦谱幽P停P驮O(shè)置以上區(qū)域污水系統(tǒng)的輸出條件成為下游馬壕合流制系統(tǒng)的輸入條件;此外,良田山、高家組洞氮片區(qū)屬于相對獨(dú)立的合流制系統(tǒng)。整個(gè)東風(fēng)湖模型接收了上述子模型的所有輸出條件。降水?dāng)?shù)據(jù)為2018年觀測數(shù)據(jù),模型涉及的城市徑流、污水處理廠、東風(fēng)湖基本情況等參數(shù)匯總見表2。模型以日為計(jì)算時(shí)間步長,模型架構(gòu)具體闡述見下文。
表2 模型參數(shù)匯總Tab.2 Parameters in the target accessibility model
分流制系統(tǒng)子模型(見圖2,以九華山片區(qū)為例)涉及雨污分流排水系統(tǒng)的運(yùn)行情況。一方面考慮降雨及地面產(chǎn)匯流過程形成的雨水及雨水徑流污染負(fù)荷[13],另一方面考慮生活污水水量及污染物負(fù)荷[14]。降雨產(chǎn)流計(jì)算公式如下:
圖2 九華山分流制系統(tǒng)子模型Fig.2 Sub-model of JHS separated sewer system
Q=1000CIA
(1)
(2)
式中:Q為徑流量,m3/d;C為綜合徑流系數(shù);I為降雨強(qiáng)度,mm/d;A為集雨面積,km2;n為下墊面?zhèn)€數(shù),i為其中第i個(gè)下墊面。
徑流系數(shù)由用地類型和面積綜合決定,其中屋頂、混凝土等不透水面徑流系數(shù)一般為0.85~0.95,碎石路面為0.55~0.65,干磚路面為0.35~0.40,土路為0.25~0.35,綠地為0.1~0.2[15-16]。
雨污分流比例按照分流制區(qū)域和合流制區(qū)域面積比確定,直接入湖的雨水為雨污分流比例與徑流量的乘積。其余雨水與生活污水一同進(jìn)入合流制管道。排口整治措施將決定雨水排口的污染物去除率。雨水徑流的污染物濃度取自文獻(xiàn)[10],文獻(xiàn)采用降雨事件平均濃度,CODCr為52 mg/L。源頭治理措施(海綿設(shè)施)對雨水徑流有一定的蓄水及污染物去除功效。生活污水產(chǎn)量主要由人口和人均產(chǎn)污量決定,人均產(chǎn)污量的取值由地域決定,一般取值在342~425 L/(人·d)[17],日內(nèi)用水習(xí)慣及波動(dòng)未考慮。進(jìn)入管道的污水量為污水收集率與生活污水量的乘積,收集率按照馬壕污水處理廠平均進(jìn)廠COD濃度與水量的乘積以及人口對應(yīng)的COD污染總量確定。分流制子系統(tǒng)的污水量成為下游合流制系統(tǒng)的輸入條件。未收集的污水將通過散排方式進(jìn)入東風(fēng)湖,衰減系數(shù)根據(jù)距離東風(fēng)湖的遠(yuǎn)近取值范圍在0.5~0.7之間。雨水管網(wǎng)和污水管網(wǎng)都具備一定的調(diào)蓄能力,在本研究中根據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)情況設(shè)定為片區(qū)收納污水量的30%~50%。
合流制系統(tǒng)子模型(見圖3,以馬壕合流制子系統(tǒng)為例)主要考慮九華山、岳陽樓、火車站片區(qū)的雨污來水。污水處理廠處理量、調(diào)蓄池及管網(wǎng)調(diào)蓄量對雨水徑流量產(chǎn)生反饋?zhàn)饔?,調(diào)蓄及污水處理廠容量不足時(shí),合流制管網(wǎng)內(nèi)部污水會(huì)通過溢流口直接溢流到東風(fēng)湖水體,水質(zhì)指標(biāo)和水量密切相關(guān)同屬于一個(gè)反饋機(jī)制。以馬壕合流制子系統(tǒng)為例,與溢流量相關(guān)的計(jì)算邏輯如下:當(dāng)實(shí)際調(diào)蓄量(含管網(wǎng)、調(diào)蓄池)Vt&r大于馬壕合流制來水流量Vmh時(shí),則溢流量Vo等于0,否則Vo=Vmh-Vt&r;實(shí)際調(diào)蓄量Vt&r為理論調(diào)蓄量Vt減去馬壕合流制系統(tǒng)存水Ve;Ve為馬壕合流制系統(tǒng)中前一天無法處理的水量Vu;Vu為馬壕合流制來水流量Vmh減去溢流量Vo及馬壕污水處理廠設(shè)計(jì)處理量Vp,即Vu=Vmh-Vo-Vp;Vmh&r用于統(tǒng)計(jì)馬壕合流制實(shí)際水量,為Vmh,Vt&r兩者中較小的值。
圖3 馬壕合流制系統(tǒng)子模型Fig.3 Sub-model of MH combined sewer system
湖泊模型主要包含水量模塊(見圖4)和水質(zhì)模塊(見圖5以COD為例)兩類。水量模塊輸入條件主要包括各區(qū)域直排雨水、溢流水量、污水處理廠尾水、散排入湖水量、鐵山水庫補(bǔ)水、湖面降雨量、蒸發(fā)量、下滲量。因東風(fēng)湖水體容量限制,一旦達(dá)到排澇容積東風(fēng)湖電排站將持續(xù)排出多余水量,讓東風(fēng)湖水位回到低點(diǎn)。水質(zhì)模塊主要考慮COD濃度,污染負(fù)荷來自雨水、散排污水、溢流、污水廠尾水等,綜合降解系數(shù)也被考慮到模型中[10,18]。
圖4 東風(fēng)湖水量模型Fig.4 Water quantity model of DF Lake
圖5 東風(fēng)湖水質(zhì)模型Fig.5 Water quality model of DF Lake
東風(fēng)湖排水系統(tǒng)目標(biāo)評測模型采用了SWMM模型來驗(yàn)證青年堤調(diào)蓄池溢流頻次和溢流量。該模型計(jì)算的溢流頻次為26次,略高于SWMM模型的23次,總溢流量為180萬m3/a稍低于SWMM模擬的207萬m3/a?,F(xiàn)場監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)(月平均)被用于校驗(yàn)?zāi)繕?biāo)評測模型的水質(zhì)預(yù)測模塊(見圖6),模擬結(jié)果顯示雨季溢流污染問題較大。經(jīng)計(jì)算,模型納什效率系數(shù)(NSE)為0.330,平均相對誤差(MRE)為0.034。模型納什效率系數(shù)相對較小,說明模型精度有一定的局限性,但考慮到模型運(yùn)用場景是快速評測,不需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐,且平均相對誤差較小,結(jié)果能夠較好地反映污染物月均濃度變化趨勢,總體來說模型結(jié)果實(shí)用性較強(qiáng)且相對可靠。由此可見目標(biāo)評測模型可用于模擬城市排水系統(tǒng)水量水質(zhì)情況。
圖6 目標(biāo)評測模型與COD監(jiān)測結(jié)果對比Fig.6 Results comparison between target evaluation model and field monitoring
結(jié)合東風(fēng)湖流域的排水系統(tǒng)特征,確定了9種治理策略(見表3)。策略0代表排水系統(tǒng)初始狀態(tài),未實(shí)施任何工程措施;策略1代表采取源頭控制措施,減小徑流量;策略2采用部分區(qū)域雨污分流改造措施,分質(zhì)收集雨污水的同時(shí),在一定程度上提升整個(gè)系統(tǒng)的截流倍數(shù);策略3采用雨水排口治理措施,在排口處消除污染物負(fù)荷(以COD為例);策略4建設(shè)調(diào)蓄池,提升系統(tǒng)調(diào)蓄能力;策略5提升污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)至Ⅳ類地表水;策略6采取源頭治理+排口整治+雨污分流,即策略1+策略2+策略3;策略7采取源頭治理+排口治理+新建調(diào)蓄池,即策略1+策略2+策略4;策略8采取源頭治理+雨污分流+排口治理+調(diào)蓄池,即策略1+策略2+策略3+策略4;策略9綜合運(yùn)用策略1~5。目標(biāo)評測模型考慮主要指標(biāo)為溢流量(見圖7)和東風(fēng)湖水體COD濃度(見圖8)。
圖7 不同工程措施對溢流量的影響Fig.7 Combined sewer overflows under various engineering approaches
圖8 不同工程措施對對東風(fēng)湖COD濃度的影響Fig.8 COD concentrations in DF Lake under various engineering approaches
表3 工程措施策略設(shè)計(jì)及成效Tab.3 Engineering approach and corresponding effects
策略1采用減少源頭徑流量以及源頭快速污染物處理的方法,使COD峰值濃度降低10%左右,溢流污水峰值明顯減少8萬t以上,從峰值的接近50萬t降至不足40萬t。策略1針對合流制溢流最大水量、合流制溢流總水量、COD負(fù)荷總量可分別減少20%,19%和4%??梢?,策略1可良好控制溢流水量,但對COD負(fù)荷削減水平較低,而且東風(fēng)湖流域城市發(fā)展程度較深,透水面積及源頭污染物削減設(shè)施難以廣泛應(yīng)用。典型案例為山東營丘鎮(zhèn)區(qū)低影響開發(fā)設(shè)計(jì),低影響開發(fā)措施對徑流總量、峰值流量和TSS排放負(fù)荷等方面的控制效果顯著[19]。
策略2中通過部分地區(qū)雨污分流的方式分質(zhì)輸送雨水和污水,一定程度上提升了調(diào)蓄容積。雨污分流對減少COD負(fù)荷產(chǎn)生的影響較小。策略2中溢流總量減少了22%,但COD負(fù)荷總量的削減只達(dá)到2.6%,這是由于該工程方法只覆蓋了部分區(qū)域,后期污水還是會(huì)進(jìn)入合流制管網(wǎng)系統(tǒng),削減的溢流污染物濃度較低。雨污分流工程需要實(shí)現(xiàn)全面覆蓋才能更好地削減污染物水平。
策略3涉及雨水排口整治工程,中國運(yùn)用雨水排口快速凈化技術(shù)相對廣泛且成熟。策略3對溢流量幾乎沒有貢獻(xiàn)作用,對于COD負(fù)荷總量的削減達(dá)到了2.5%,考慮到排口整治措施只是零星布設(shè)在雨水排口末端,對于污染物的去除作用和雨污分流工程相當(dāng),但工程成本只占雨污分流工程的1/10,這表明排口整治工程十分必要。
策略4是新建調(diào)蓄池,片區(qū)內(nèi)建設(shè)3.5萬m3的調(diào)蓄空間能減少溢流水量23%,對COD負(fù)荷的削減也達(dá)到了4%。在同等投資水平下,策略4的溢流量和污染物削減作用略優(yōu)于策略1和策略2,但考慮到施工周期較長且對于選址要求較高,需要充分論證其可行性之后再運(yùn)用,不能盲目新建調(diào)蓄池。典型案例為東莞市石馬河流域溢流調(diào)蓄池,針對控制區(qū)域初期面源污染,達(dá)到控制80%的污染負(fù)荷的目標(biāo)[20]。
策略5是污水處理廠提標(biāo)方法。策略5在理論上是給東風(fēng)湖每天提供3萬~5萬m3的地表Ⅳ類水作為補(bǔ)水,擴(kuò)大了東風(fēng)湖的環(huán)境容量。該工程對溢流污水量減少?zèng)]有貢獻(xiàn),COD總負(fù)荷值削減量約為8%。
策略6綜合運(yùn)用策略1、策略2和策略3。策略6中合流制溢流總量削減40%,溢流次數(shù)明顯減少,COD負(fù)荷總量比策略0減少10%以上。這表明城市源頭治理配合管網(wǎng)系統(tǒng)提質(zhì)增效的集成方法效果要比單一技術(shù)好。典型案例為茅洲河一級支流鵝頸水,治理后流域點(diǎn)源污染控制率90.0%、面源污染控制率62.8%、污染物總量削減率84.0%(均以COD計(jì))[21]。
策略7綜合運(yùn)用策略1、策略2和策略4。策略7在策略6的基礎(chǔ)上溢流量削減提高至51%,COD負(fù)荷總量與策略6接近,總體費(fèi)用提升10%。典型案例為九江黑臭水體治理,加快污水收集處理的提質(zhì)增效,統(tǒng)籌初期雨水的快速處理、合流制溢流污染控制[22]。
策略8綜合策略1~4。合流制溢流量削減65%,溢流次數(shù)明顯減少,COD負(fù)荷總量比策略0減少14.5%??傮w投資增加至4.27億元,排口治理對污染物削減效率高。典型案例為合流制溢流污染控制策略,可以應(yīng)對低頻次高溢流量的CSO事件,并削減40%溢流量[23]。
策略9綜合運(yùn)用策略1~5。策略9中合流制溢流量削減65%,溢流次數(shù)明顯減少,COD負(fù)荷總量比策略0減少20%以上。這表明選擇綜合技術(shù)集成方法的效果較好,東風(fēng)湖COD指標(biāo)能長時(shí)間維持Ⅳ類地表水的水平,但相應(yīng)工程成本也會(huì)增加。
針對城市復(fù)雜的水環(huán)境問題,需要通過系統(tǒng)策略以達(dá)成水環(huán)境治理目標(biāo)。本文圍繞岳陽東風(fēng)湖流域排水系統(tǒng),通過SD模型建立降雨徑流、雨水污水收集運(yùn)輸、合流制溢流、污水處理、受納水體及各項(xiàng)工程措施之間的反饋機(jī)制,形成了東風(fēng)湖流域排水系統(tǒng)目標(biāo)評測模型。模型納什效率系數(shù)(NSE)為0.330,平均相對誤差(MRE)為0.034。模型運(yùn)用場景是快速評測,精度有一定局限性,但不需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐,且平均相對誤差較小,結(jié)果能夠較好地反映污染物月均濃度變化趨勢,總體來說模型結(jié)果實(shí)用性較強(qiáng)且相對可靠。
東風(fēng)湖流域排水系統(tǒng)設(shè)施陳舊,周邊生活污水直排散排、溢流污染和徑流污染問題嚴(yán)重,導(dǎo)致東風(fēng)湖流域水體黑臭。本研究針對污染現(xiàn)狀,提出多種工程策略,通過定量分析合流制溢流量和東風(fēng)湖水體COD濃度的方式以達(dá)到解決相應(yīng)問題的目的。策略1:采用源頭治理的方法,使COD峰值濃度降低10%,單次溢流量峰值明顯減少8萬t以上;策略2:通過部分區(qū)域雨污分流的方式分質(zhì)輸送雨水和污水,一定程度上提升了調(diào)蓄容積,但COD削減量不足3%,雨污分流需要覆蓋整個(gè)區(qū)域才能發(fā)揮最大;策略3:涉及雨水排口整治工程,工程造價(jià)相對較低,COD削減水平和策略2相近;策略4:新建3.5萬m3調(diào)蓄池,減少溢流水量23%,對COD負(fù)荷的削減也達(dá)到了4%;策略5:污水處理廠提標(biāo)方法,COD削減量約為8%;策略6~9:為5種工程措施的排列組合,相關(guān)治理成效表面系統(tǒng)集成措施的效果要比單一控制措施顯著,但相應(yīng)投資成本也會(huì)增加,策略9可以使東風(fēng)湖COD指標(biāo)能長時(shí)間維持在Ⅳ類地表水的水平。
目標(biāo)評測模型現(xiàn)階段評價(jià)效果較好,但模型對關(guān)鍵參數(shù)變化較為敏感,需通過下一階段工作進(jìn)行敏感度分析和參數(shù)調(diào)整,通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)參數(shù)慮定以及基于機(jī)器學(xué)習(xí)的參數(shù)自調(diào)節(jié)等方法持續(xù)完善,提升關(guān)鍵變量取值的規(guī)范性和科學(xué)性。未來目標(biāo)評測模型可引入成本效益的投入產(chǎn)出分析模塊,不斷迭代開發(fā),為城市水環(huán)境治理頂層規(guī)劃提供技術(shù)支撐。