分流制系統(tǒng)泵站放江污染特征研究

劉 磊

（上海市城市排水有限公司，上海市 200233）

0 引言

上海市中心城區(qū)雨水以強(qiáng)排為主，中心城區(qū)多為合流制區(qū)域或存在混接的分流制區(qū)域。其中分流制系統(tǒng)雨天泵站短時(shí)集中放江裹挾的大量混接污水、初期雨水及管道沉積物排入河道造成雨后黑臭，泵站放江污染已成為上海市水體污染的主要原因之一。在未探明溢流污染物出流規(guī)律和溢流污染來源的情況下，盲目采取控制措施并不能有效削減溢流污染，為了解決上海市泵站放江污染問題，需要對(duì)上海市中心城區(qū)泵站放江污染特征開展研究。

國外自上世紀(jì)70 年代對(duì)排水系統(tǒng)溢流污染的特征及規(guī)律便開展研究。1996—2001 年，針對(duì)巴黎歷史文化中心的Marais 排水系統(tǒng)（面積0.41 km2），研究尺度相對(duì)較小的合流制排水系統(tǒng)溢流污染效應(yīng)[1]。Bertrand 等[2]對(duì)法國QASTOR 數(shù)據(jù)庫中的6 個(gè)分流制和6 個(gè)合流制排水系統(tǒng)的197 場(chǎng)降雨事件進(jìn)行分析，表明在分流制排水系統(tǒng)中50%的降雨事件，38%的初期污水中含50%的污染物，74%的初期污水中含80%的污染物；在合流制排水系統(tǒng)中50%的降雨事件，47%的初期污水中含50%的污染物，79%的初期污水中含80%的污染物，存在微弱的初期效應(yīng)。

國內(nèi)對(duì)排水系統(tǒng)雨天出流污染規(guī)律的研究從上世紀(jì)80 年代開始。劉翠云、車伍等[3]2003—2004 年對(duì)北京市合流管道的溢流口和雨水干管的雨污水進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，合流制溢流的COD、SS、TN、TP 的事件平均濃度的均值基本上處于分流制雨水濃度的低值或中值范圍內(nèi)。李賀[4]重點(diǎn)研究了上海中心城區(qū)某合流制排水區(qū)域JXB 系統(tǒng)雨天污染物溢流的出流過程和污染物的事件平均濃度（EMC），并探討了溢流污染物的初期效應(yīng)。孫從軍[5]通過對(duì)上海市中心城區(qū)典型分流制系統(tǒng)汛期降雨放江水質(zhì)水量分析表明，溢流排放污染物的事件平均濃度（EMC）在不同雨型情況下表現(xiàn)不同，溶解性污染物隨降雨量的增大而降低，而包含懸浮物的污染指標(biāo)呈先升后降的變化趨勢(shì)；在同等降雨條件下，前鋒雨使得泵站溢流排放污染負(fù)荷遠(yuǎn)大于后峰雨；受雨型與預(yù)抽空的影響，不論小雨、中雨、大雨，SS 初期效應(yīng)均不顯著，而溶解態(tài)污染物初期效應(yīng)顯著，不受降雨雨量與雨型的影響。

目前國內(nèi)外學(xué)者雖然已經(jīng)對(duì)排水系統(tǒng)溢流污染開展大量的研究工作，但是由于地域降雨特征、排水管道管理狀況、地面衛(wèi)生狀況等不同，溢流污染特征以及污染物來源會(huì)呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。本研究通過對(duì)上海市中心城區(qū)分流制排水系統(tǒng)的溢流污染特征進(jìn)行調(diào)研分析，建立排水系統(tǒng)溢流污染排放數(shù)據(jù)庫和溢流污染排放來源解析方法，揭示市政泵站雨天排放特征及其影響機(jī)制，用以支撐制定上海市分流制排水系統(tǒng)泵站雨天放江污染控制策略。

1 研究區(qū)域

本研究選擇上海市中心城區(qū)外環(huán)高速、西虬江、桃浦河及滬寧鐵路所圍成的相對(duì)獨(dú)立的排水分區(qū)作為研究對(duì)象。

該排水分區(qū)有4 個(gè)子排水系統(tǒng)，分別為真邊西系統(tǒng)、真江東系統(tǒng)、真光系統(tǒng)及真如系統(tǒng)。其服務(wù)面積及末端泵站相關(guān)信息見表1。

表1 子排水系統(tǒng)相關(guān)信息

上述4 個(gè)子排水系統(tǒng)均為分流制排水系統(tǒng)，但因管道混接等原因，為截流旱天污水，上述排水系統(tǒng)末端排澇泵站均設(shè)置了截流泵，將截流污水排入西干線，最終排入污水處理廠處理。雨天末端排澇泵站將雨水排入西虬江或桃浦河，但因雨天泵站放江雨水中有大量生活污水、初期雨水及管道沉積物，造成上述水體嚴(yán)重污染，上海市于2016 年將上述水體納入黑臭水體治理范圍。

2 材料與方法

2.1 取樣點(diǎn)確定

為研究上海市中心城區(qū)泵站放江污染特征，本研究降雨期間在上述子排水系統(tǒng)末端泵站進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)，以分析其放江污染特征。采樣點(diǎn)設(shè)置于上述泵站的泵站前池。

2.2 采樣方法

水質(zhì)監(jiān)測(cè)時(shí)間段：雨天溢流排放事件發(fā)生后，在0～60 min 內(nèi)每隔10 min 取1 個(gè)樣，在60～180 min內(nèi)每隔20 min 取一個(gè)樣，在180 min 后每隔30 min取一個(gè)樣；直到溢流排放事件結(jié)束。采樣點(diǎn)為泵站前池，均采用自動(dòng)采樣儀（ISCO 6712）采集雨天出流過程樣。

雨量測(cè)量方法：4 個(gè)排水系統(tǒng)的采樣點(diǎn)附近均安裝有自動(dòng)雨量計(jì)，每隔1 min 采集一次降雨數(shù)據(jù)，降雨量精確到0.1 mm。

2.3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

對(duì)每個(gè)采集的樣品，監(jiān)測(cè)分析化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、懸浮固體（SS）等3 項(xiàng)指標(biāo)。

2.4 放江規(guī)律統(tǒng)計(jì)方法

2.4.1 放江事件平均濃度計(jì)算公式

由于排水系統(tǒng)雨天排放水量隨降雨過程動(dòng)態(tài)開啟雨水泵而發(fā)生變化，采用事件平均濃度（Event mean concentration,EMC）分析排水系統(tǒng)雨天溢流污染的總體特征，計(jì)算公式如下：

式中：n 為整個(gè)溢流排放事件的采樣次數(shù)；Ci為第i次采樣濃度，mg/L；Qi為第i 次采樣徑流流量，L/s；Δt 為采樣時(shí)間間隔，s。

2.4.2 放江污染負(fù)荷計(jì)算方法

污染負(fù)荷為排水系統(tǒng)雨天排放污染物的總質(zhì)量，是事件平均濃度與放江總水量的乘積，計(jì)算公式如下：

式中：CEMC為事件平均濃度，mg/L；Q 為放江總水量，m3。

2.5 初期效應(yīng)分析方法

本研究采用M（v）曲線法來定量判斷初期效應(yīng)。用橫坐標(biāo)表示累積排放體積占總體積的分?jǐn)?shù)，縱坐標(biāo)表示累積排放污染物質(zhì)量占總排放量的分?jǐn)?shù)，就可以得到M（v）曲線，如圖1 所示。

圖1 M（v）曲線示意圖

式中：t 為時(shí)間；m（t）為t 時(shí)刻出流污染物累積質(zhì)量；M 為出流污染物總量；v（t）為t 時(shí)刻出流累積體積；V為出流總體積。

根據(jù)得到的M（v）曲線，可以比較方便的判定初期效應(yīng)的存在。M（v）曲線可以近似地用一個(gè)冪函數(shù)來表示：

式中：b 為初期效應(yīng)參數(shù)，反映M（v）曲線與角平分線之間的距離。b=1 為角平分線，b 值越小，初期效應(yīng)越強(qiáng)，根據(jù)b 值的不同將M（v）曲線圖分為6 個(gè)區(qū)域以描述初期效應(yīng)的程，見表2。

表2 初期效應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與討論

各排水系統(tǒng)雨天溢流污染特征，在小雨、中雨和大雨之間存在差異。因此，分別對(duì)小雨、中雨、大雨條件下的排水系統(tǒng)雨天溢流污染初期效應(yīng)展開研究，分析排水系統(tǒng)溢流污染的特征。

3.1 雨天放江水質(zhì)與旱天水質(zhì)對(duì)比分析

2019—2020 年間，分別對(duì)四個(gè)排水系統(tǒng)旱天、小雨放江、中雨放江及大雨放江污水濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，如圖2 各圖所示，分析可見：

圖2 旱天及雨天泵站污水濃度監(jiān)測(cè)

（1）四個(gè)系統(tǒng)雨天放江的COD、NH3-N 事件平均濃度均明顯高于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)V 類水濃度限制，造成雨天河道水質(zhì)變差。

（2）定邊系統(tǒng)小雨放江時(shí)的事件平均濃度與旱天出流濃度較為接近，真西系統(tǒng)小雨和中雨放江時(shí)的事件平均濃度與旱天出流濃度較為接近，表明上述兩個(gè)系統(tǒng)在小雨、中雨時(shí)放江與旱天管道中蓄存的污水有關(guān)。

（3）定邊系統(tǒng)在中雨、大雨時(shí)，其他3 個(gè)系統(tǒng)在大雨時(shí)，放江COD、SS 明顯高于旱天出流水質(zhì)濃度，與旱天時(shí)沉積在管道中的顆粒態(tài)污染物在雨天沖刷排放有關(guān)。

3.2 不同排水放江CEMC 對(duì)比分析

對(duì)4 個(gè)排水系統(tǒng)在小雨、中雨、大雨情形下的放江事件平均濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行對(duì)比分析，可得出：

（1）四個(gè)排水系統(tǒng)小雨情形下的放江NH3-N 濃度相對(duì)最高，中雨情形次之，大雨情形下的放江NH3-N 濃度相對(duì)最低，與降雨量大時(shí)的稀釋效應(yīng)有關(guān)。

（2）四個(gè)排水系統(tǒng)總體上大雨情形下的放江COD、SS 濃度相對(duì)最高，中雨情形次之，小雨情形相對(duì)最低。這表明雖然降雨對(duì)污染物濃度具有稀釋作用，但是雨水泵開啟臺(tái)數(shù)增加了管道中淤積污染物沖刷效應(yīng)；沖刷效應(yīng)強(qiáng)于稀釋效應(yīng)導(dǎo)致了大雨情形下放江化學(xué)需氧量、懸浮物濃度的增加。

（3）真西系統(tǒng)的放江水質(zhì)濃度相對(duì)最低，真光和真江東系統(tǒng)的放江濃度總體上較為接近且高于其它排水系統(tǒng)，尤其是大雨時(shí)真光和真江東系統(tǒng)的放江濃度明顯高于其它兩個(gè)排水系統(tǒng)，表明不同排水系統(tǒng)之間放江特征存在差異。

3.3 雨天泵站放江初期效應(yīng)分析

分別對(duì)四個(gè)排水系統(tǒng)在大雨、中雨、小雨情形下的放江初期效應(yīng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，三種工況下初期效應(yīng)參數(shù)范圍介于0.440～2.113，可見：

（1）總體上所有四個(gè)排水系統(tǒng)在小雨、中雨、大雨情形下均表現(xiàn)為微弱的正、負(fù)初期效應(yīng)現(xiàn)象（0.862＜b≤1.159），或者說沒有明顯的初期效應(yīng)現(xiàn)象，與以下原因有關(guān)：

a.四個(gè)排水系統(tǒng)雨水管網(wǎng)均存在污水混接現(xiàn)象，旱天時(shí)管道中流速較低導(dǎo)致污水中的顆粒態(tài)污染物在管道中大量沉積。雨天降雨放江時(shí)管道中的污染物受水力沖刷作用再懸??；沉積物由管道中不同位置達(dá)到雨水泵站，形成持續(xù)的沖刷效應(yīng)。

b.混接污水旱天蓄積在雨水管道中，雨天時(shí)隨著泵站放江管道中蓄存的污水排出，降低了初期效應(yīng)現(xiàn)象。

c.研究區(qū)域的服務(wù)區(qū)域面積在2.38～3.54 km2之間，不同地點(diǎn)降雨初期形成的地表徑流達(dá)到雨水管網(wǎng)末端排放口的時(shí)間不同，導(dǎo)致降雨初期效應(yīng)不明顯。

（2）大雨情形下部分降雨場(chǎng)次存在中等程度的正、負(fù)初期效應(yīng)現(xiàn)象；但均無強(qiáng)烈的正、負(fù)初期效應(yīng)出現(xiàn)。定邊系統(tǒng)大雨情形下COD 初期效應(yīng)參數(shù)的最小值為0.454，最大值為2.113；真江東系統(tǒng)大雨情形下COD、SS 初期效應(yīng)參數(shù)最小值分別為0.565、0.44；真西系統(tǒng)大雨情形下COD、SS 初期效應(yīng)參數(shù)最小值分別為0.561、0.595。

4 個(gè)排水系統(tǒng)中等初期效應(yīng)均主要表現(xiàn)為COD、SS 兩項(xiàng)指標(biāo)，且主要表現(xiàn)為中等正初期效應(yīng)現(xiàn)象。究其原因，大雨時(shí)雨水泵站開啟臺(tái)數(shù)多導(dǎo)致泵站放江初期管道中沉積物沖刷劇烈，因此到了降雨后期沉積物沖刷效應(yīng)減弱。這就降低了降雨中后期的污染物濃度，并在部分降雨場(chǎng)次表現(xiàn)出中等程度的正初期效應(yīng)現(xiàn)象。

4 結(jié)論

總體上，定邊、真光、真江東和真西四個(gè)排水系統(tǒng)在小雨、中雨、大雨時(shí)的雨水管網(wǎng)放江COD 濃度分別超出地表水V 類水濃度限值2.1 倍、3.8 倍和5.9 倍；NH3-N 濃度分別超出地表水V 類水濃度限值2.1 倍、3.8 倍和5.9 倍。排水系統(tǒng)雨天放江對(duì)河道水質(zhì)造成了嚴(yán)重影響，是導(dǎo)致雨天河道水質(zhì)反復(fù)變差的成因。

大雨時(shí)的放江COD 濃度相對(duì)最高、NH3-N 濃度相對(duì)最低，前者與管道中旱天沉積污染物在雨天的沖刷排放有關(guān)；后者與降雨徑流對(duì)NH3-N 的稀釋有關(guān)。大雨乃至中雨時(shí)，雨水泵開啟臺(tái)數(shù)增加了管道中淤積污染物沖刷效應(yīng)；沖刷效應(yīng)強(qiáng)于稀釋效應(yīng)導(dǎo)致了大雨、中雨情形下放江COD、SS 濃度的增加。

與雨水管網(wǎng)旱天截流水質(zhì)平均濃度相比，小雨時(shí)的放江濃度與其基本接近，表明雨水管網(wǎng)旱天水位較高、管蓄容量大，雨天時(shí)管蓄污水隨著泵站開啟進(jìn)入河道。

通過對(duì)雨天泵站放江過程中累計(jì)污染物量與累計(jì)水量的M（v）曲線分析表明，總體上4 個(gè)泵站在小雨、中雨、大雨情形下均表現(xiàn)為微弱的正、負(fù)初期效應(yīng)現(xiàn)象，所有監(jiān)測(cè)的降雨場(chǎng)次均未出現(xiàn)明顯的正、負(fù)初期效應(yīng)現(xiàn)象。泵站放江過程中污染負(fù)荷量和水質(zhì)濃度隨時(shí)間變化不明顯，上述現(xiàn)象與放江時(shí)管蓄污水的排放以及管道沉積污染物的沖刷排放兩者效應(yīng)的共同作用有關(guān)，小雨時(shí)以前者為主，大雨時(shí)以后者為主，中雨時(shí)則與兩種作用均有關(guān)系。