从“大截排”到清源和低影响开发——基于水质目标约束的情景模拟与规划

王 石,陈丽媛,孙 翔*,陈 良,黄章镕,姚焕玫



从“大截排”到清源和低影响开发——基于水质目标约束的情景模拟与规划

王 石1,陈丽媛1,孙 翔1*,陈 良2,黄章镕3,姚焕玫1

(1.广西大学资源环境与材料学院,广西南宁530004；2.广西大学数学与信息科学学院,广西南宁 530004；3.广西大学计算机与电子信息学院,广西南宁 530004)

运用SWMM模型,以深圳市茅洲河流域光明片区为例,以管网密度、距离及环境容量为约束条件,提出雨污分流改造和海绵城市改造的情景方案和决策判定依据.研究结果表明:海绵城市的建设中低影响开发面积改造比例与污染物削减率之间存在指数关系,9个雨污分流改造的研究小区中有鹅颈玉田、茅洲大凼和公明大凼区域需要匹配海绵城市改造,改造面积比例建议分别为30%、85%和20%.当某一研究小区与已建污水处理厂的距离小于27.25km时,投资建设污水管网与已建污水处理厂处理比新建污水处理厂更具有经济可行性,超过这个距离,新建一座污水处理厂比建设长距离污水管网更划算.对于本文研究案例,在只考虑污水处理厂节省的雨水处理成本下,各研究小区进行雨污分流改造的回本时间为27~64a.本研究提出的决策判定思路和依据能为城市建成区消除内涝和内河黑臭提供新的方法学视角,能为深圳市以及其他同类地区水环境整治规划提供决策信息参考.

雨污分流；低影响开发；城市内涝；城市黑臭河道；SWMM

城市建成区河流黑臭与内涝灾害是制约当前中国大部分城市现代化进程的关键问题,如何防治内涝并同时改进城区内河水质是目前水科学、水环境领域研究的热点和难点问题.深圳是中国改革开放的前沿阵地,城市化水平高,城市化进程快,水系发达,城市化过程内涝和河流黑臭所带来的水环境风险隐患问题十分突出[1],为消除隐患问题,深圳市政府实施了大截排工程方略,通过箱涵收集城市建成区混排的雨水和生活污水送下游污水处理厂处理,但是大截排工程实施后雨污混合的废水给污水处理厂造成了很大的冲击,来水量波动幅度大,暴雨时污水处理厂不堪重负,少雨时污水处理厂则来水不足造成污水处理厂设施的闲置与规模浪费,最重要的是一般雨水只有前15min的初期雨水污染较大,建大规模污水处理厂应对雨水处理实际并不划算,另外由于上游雨水收集送下游处理导致上游生态补水严重不足影响了区域水生态平衡.为应对大截排的问题,不少专家学者提出清源(雨污分流)改造,但改造的经济成本和社会成本很大,而且初期雨水就地排放如不加以控制会造成局部区域水环境恶化.到底应该在什么片区实施雨污分流改造,空间上应该如何布局,雨污分流与雨污合流该如何取舍,海绵城市又该如何搭配,是一个需要博弈的难点现实问题,这需要一个量化的数学框架来寻求解决,但是目前仍未在思路与模型上达成共识.

SWMM是由美国环保署开发的城市暴雨管理模型.可用于城市降雨产流、地表汇流、管道汇流、各类蓄水设施模拟、地表污染物的累计冲刷模拟等[2-9].通过对比分析TRRL、UCURM和SWMM模型对桑坦德市降雨水质的预测结果,显示3种模型模拟结果相似,模型预测结果的可信度较高[10],同时集合了神经网络模型对SWMM的运行参数的灵敏度做了分析研究[11].除此之外,该模型还曾结合地理信息系统和传感网络等手段升级为多平台集成,得到了实时排水模型系统[12].SWMM模型在国内的应用也十分广泛,从模拟天津市地表径流产生过程来表明该模型在构建城市排水管网模型方面有很好的适用性[13].在详细参考了深圳实际规划案例后,该模型也被考虑进实际使用的选择中[14].以上SWMM模型的拓展与应用为本研究的开展奠定了很好的方法基础.

本研究旨在为雨污混排与箱涵截排的老城区进行雨污分流、海绵城市联合改造提供系统和量化的判定分析思路,提出待改造集水分析单元主干管网离污水处理厂的空间距离与改造回本时间之间的函数关系,对比各分析单元的单独改造和多种联合改造情景下的回本时间差异,给出根据预设回本周期目标限制下最合理的空间改造布局方案.在确定雨污分流改造单元后,为缓解雨水就地排放可能对环境的不利影响,本研究提出通过海绵城市改造来削减城市面源污染,研究分析海绵城市不同面积比例改造与污染物削减率的量化关系,并提出根据水环境容量计算污染物削减量和进一步反推海绵城市改造面积比例的决策思路,以期为城市建成区水环境治理和水安全保障提供支撑依据.

1 研究区与数据来源

1.1 研究区概况

深圳属于亚热带海洋性气候,暴雨发生频率高、影响面广、危害大.平均每年降雨量1966.6mm,降雨日数144d,暴雨日数9d,大暴雨日数2.2d.近年来,每逢下雨,深圳就会出现“小雨小淹、大雨大淹”,以及关外逢暴雨必有大内涝的状况,内涝已经成为制约深圳城市发展不可回避的问题.

茅洲河位于深圳市西北角,属宝安区境内,与东莞市交界,主要包括宝安区的石岩镇、光明街道、公明镇、松岗镇、沙井镇与东莞市长安镇,控制流域面积为344.23km2,其中,深圳境内流域面积266.85km2,东莞境内面积77.38km2.由于城市化水平高,人口密度大,排水基础设施不完善,该区域面临着城区河流黑臭与内涝双重问题.研究区为茅洲河流域在光明片区的范围,总面积146.14km2,片区由1条干流及13条一级支流、17宗水库组成(图1).

研究区域目前采取的水安全治理工程主要包括防洪、排涝、排水3部分,现有的防洪体系主要遵循“以泄为主,以蓄为辅”的原则,其中干流段大部分已完成河道综合整治,部分支流已经进行过整治,但整治岸生态性较差,涝片主要采用“高水高排、低水抽排”的治理原则,通过排水管涵、渠道收集雨水,通过闸、涵封闭涝片,涝水通过泵站外排,海绵城市设计不足.研究区目前排水管道较为复杂,老城区的地下雨水管网和污水管网乱接现象严重,未形成完整的排污体系.研究区实际使用的污水处理厂包括光明(处理A区污水)和燕川(处理B区污水)2个污水处理厂,片区内地下管网复杂,分流及混流设施均存在,并且在茅洲河干流两侧设有截留箱涵,污水和雨水均通过箱涵接入2处污水处理厂.

图1 研究区域概况

1.2 数据来源

研究使用的高程数据为http://srtm.csi.cgiar. org网站的90m分辨率DEM数据;土地利用数据来自深圳市2016年5月1日Landsat 8遥感数据解译,解译使用基于专家知识的决策树方法;管网数据根据《深圳市城市总体规划2010- 2020》道路管网分布图矢量化得到;光明片区2016年常住人口数据来源于《深圳市统计年鉴》[15],2016年光明片区人口密度空间数据则根据2010年光明片区人口密度空间分布数据(2010年第六次人口普查统计数据进行空间网格化得到)、2016遥感数据解译得到的商居用地空间数据、光明片区2016年常住人口数据进行近似调整估算修正得到.

图2 研究小区和集水分析单元划分

1公明大凼集水区;2楼村木墩集水区;3茅洲大凼集水区;4木墩东坑集水区集水区;5鹅颈玉田集水区;6东坑鹅颈集水区;7新坡头楼村集水区;8大凼玉田集水区;9白沙西田集水区;10大集水区

本研究将整个研究区域按照河流水系分割成10块研究小区(其中标注为10序号的研究小区主要是林地生态系统,无人口居住,不作为分析对象,只分析9块研究小区,分别为白沙西田集水区、茅洲大凼集水区、新坡头楼村集水区、楼村木墩集水区、公明大凼集水区、木墩东坑集水区、东坑鹅颈集水区、大凼玉田集水区、鹅颈玉田集水区),进一步细分出235块子集水分析单元,如图2所示.

2 研究方法

2.1 地表径流模型

本研究首先构建径流模拟模型,模型运行参数参考相关研究文献[2-4,16-31],以深圳市特征年降雨为降雨时间序列,进行模拟,得出在特征年降雨下研究区面源污染量.该模型将地面分为3种类型:洼蓄透水面积1(m2)、洼蓄不透水面积2(m2)、无洼蓄不透水面积3(m2)3部分区域.雨水降落在地表后,在1区产生下渗,在2区产生积水,在3区直接产生径流.在子汇水区域的总径流量R计算见式(1).子汇水区产流后,通过地表汇流,流入管道或者该区域的出水口.地面汇流量(m3/min)的计算公式见式(2).

通过管网汇流的雨水,在管道中也有相应的汇流过程,管网汇流量(m3/s)的计算公式见式(3).

式中:为降雨量,mm;为蒸发量,mm;为洼蓄量,mm;0为潜在洼蓄量;1为汇水子区域宽度;为曼宁粗糙系数;y为汇水子区域的洼蓄量,mm;为汇水子区域坡度,m/m;为地表径流的平均水深,m; i为净雨量,mm/min.为管道平均流速,m/min;为过水断面面积,m2;为重力加速度,取9.8m/s;为静水压头,m; F为摩擦阻力.

2.2 污染物累计冲刷模型

在城市中,地表径流中的污染物主要来自空气中的污染物沉降累计,在降雨时被雨水冲刷,使得地表径流中存在一定量的污染物.一般对于地表污染物的增长过程,常分为线性和非线性两大类累积方式,本研究中选用非线性的指数函数累计式,通过冲刷所产生的污染物产量如式(4)所示.

式中:为被冲刷的地表污染因子的浓度,kg/m3;为径流率,m3/s;为子排水区域面积,km2; CONV为单位转化系数;R为冲刷系数;为在时间t时刻的子汇水区域单位面积径流率,mm/h;P为时刻剩余地表污染因子的量,kg/hm2.曼宁粗糙系数、冲刷系数等参数主要来自于经过实测验证的有关深圳地区城市地表径流和污染物冲刷输出研究的成果[32-36].

2.3 生活污水污染物估算模型

利用生活污水产量计算公式(5)进行估算:

d=´d´´365 (5)

式中:d为日生活污水产量,m3;为选取生活污水变化系数,取值1.2;为生活污水产生量系数[取值185L/(人×d)]或者污染物产生系数[COD产生系数取值为79g/(人×d)];为1.2章节中述及的2016年光明片区人口密度空间分布与各研究小区单元面积相乘得到的每个分析单元人口数.据此计算得到9个研究小区的生活污水年产量及COD年产量.

2.4 多情景方案雨污分流改造污染物削减效益、投入回本期与空间距离的相关分析

2.4.1 情景方案说明 现状(大截排):本研究片区所有分析单元现状是地下雨水和污水管网错乱布局,把雨水和生活污水混合收集排放到大箱涵送污水处理厂处理,在这种情景下污水处理厂不仅要对生活污水进行处理,而且还要对雨水进行处理,增加了污水处理厂的处理费用;另外,由于箱涵截留了雨水,存在局部区域生态需水难以满足的问题.

未来情景假设(雨污分流):(1)雨污分流改造已列入深圳市政府的中长期规划,假设目前混排的地下管网保留用于雨水管网(不需要重复投资建设),收集雨水就近排入附近茅洲河或其支流,不仅不产生新的投资,还节约了污水处理厂处理每个研究小区单元送过来的雨水量(Y)所产生的成本(COSTY),另外初期雨水一般污染物浓度高,城市雨水径流冲刷产生的污染物输入如超过该段河流水环境容量,则会产生雨季水质超标的问题,在这种可能的超标情况下,需要根据最小削减量设计低影响开发(LID)改造工程(即海绵城市工程);(2) 投资新建一套生活污水管网(包括连接各居住小区单元的支网以及汇集送污水处理厂的主管网)送污水处理厂处理,相比大截排污水处理厂处理的生活污水量以及成本没有变化,但是新增加了管网的投资,假设支管网的投资为COST支,主管网的投资为COST主,合计为COSTw;(3)原大箱涵放弃不再使用;(4)雨污分流一般有单独改造和联合改造的方式,如示意图3所示.

图3 各分析单元雨污分流改造距离分析示意

A、B、C 3个分析小区目前是雨污混流或者合流,3个分析小区与下游污水处理厂距离依次增加,要进行雨污分流改造和海绵城市改造;单独改造就是指单独对A、B、C进行改造;联合改造是指对A、B、C同时联合改造,即首先对距离污水处理厂较近的A、B进行改造后再对C进行改造;如果A、B没有进行雨污分流改造而直接对C进行单独雨污分流改造,很显然需要投资建造穿越A、B的主干排水管,C的改造成本很高;而如果对A、B、C同时联合改造,即首先对距离污水处理厂较近的A、B进行改造后再对C进行改造,C区通向污水处理厂的主干管网投资将会被A、B、C平摊,从而改造的回本期相较单独改造会有所缩短,但存在边际收益拐点效应.

2.4.2 回收周期和环境效益计算 进行雨污分离改造必然能减少污水处理厂的负担,使其稳定运行,并且降低运行成本.以污水处理厂减少的水量所对应的年运行成本减少量,核算雨污分流改造的成本抵消年限.其计算公式为:

式中:为成本回本周期;w为生活污水管网投资建设的成本;Y为改造后污水处理厂节约处理雨水的成本;E为环境效益(如减少污染物排放的价值、海绵城市设计减少内涝的经济损失以及增加生态需水的环境效益货币化价值).而单位投资污染物削减效益则是污染物削减量与雨污分流改造成本投入的比值.

3 结果与讨论

3.1 现状污染分析结果

表1 现状模拟结果

续表1

研究区生活源和面源污染情况模拟结果如表1所示.因为区域有2个污水处理厂,收集对应的区域范围污水,所以根据2个污水处理厂的服务范围划分为2个大区域:污控一区和污控二区,污控一区生活源COD总量为4266.15t,面源COD量为1094.75t;污控二区生活源COD总量为1775.47t,面源COD量为3033.28t.面源污染占了生活源的34.84%,若不经过海绵城市工程设计对面源污染加以削减处理,会对流域局部区域水环境产生污染影响.

3.2 改造情景分析

进行雨污分流改造时,分为两种情景:

以每投资千元的COD削减量为指数,分析各段在2种情景下的效益,如表2所示.

表2 不同情境改造模拟结果

效益:每花费千万元能削减的COD量(万t).

用表2中效率与距离进行线性拟合,结果显示线性相关度不高(单独改造时2=0.3858,联合改造2=0.1703).分析各研究区内生活污水产量、人口数、人口密度、研究区面积、管网长度、管网密度、单位人口管网长度、单位面积面源污染物量、径流量9个因素的影响.发现管网密度(GW)对效率和距离的拟合存在限定作用,且当GW= 0.0028时,存在分割现象,拟合结果如图4所示.

从拟合结果看,使用GW=0.0028进行分割后,线性拟合能得到较好的拟合曲线,2分别为0.9774、0.8039、0.8740、0.2669(联合改造情境下,当GW大于0.0028时,区域拟合结果较差,后文中将分析原因).单独改造情境下,当GW小于0.0028时,区域改造单位投入所削减的COD量随距离减少量要高于GW大于0.0028的区域分别为1.3681和0.4352[万t/(千万元×km)];联合改造情景下,GW的分割情况同上,削减量变化率分别为1.1124和0.11522 [万t/(千万元×km)].在管网密度大于0.0028的区域进行雨污改造,不论是单独改造还是联合改造,由于距离而产生的单位投入污染物削减量都要高于小于0.0028的区域.区域的管网密度是影响改造效率的关键因素.

3.3 雨污改造成本分析

进行雨污分离改造必然能减少污水处理厂的负担,使其稳定运行,并且降低运行成本.以污水处理厂减少的水量所对应的年运行成本减少量,核算雨污分流改造的成本抵消年限.结果如图5所示.从拟合结果看,两种情景下,最小的回收年份为新坡头楼村区域的联合改造情景,年份为27a;最大的回收年份为白沙西田区域的单独改造情景,年份为64a.在GW大于0.0028时,单独改造投资回收周期随着距离增加其增长率大于联合改造,分别为0.0026a/m(单独改造)和0.0005a/ m(联合改造);在GW小于0.0028时,单独改造投资回收周期随着距离增加率大于和联合改造,分别为0.9480和0.8737(a/m).联合改造后随距离增加的改造成本回收年份要比单独改造的短.

3.4 边际效应分析和污水处理厂服务最大范围确定

将前段已改造(联合改造)和前段未改造(单独改造)的单位投入做差,结合污染物削减量,得出联合改造后的效率增长率,分析其与该区域到污水处理厂的距离关系,拟合结果如图6所示.

从拟合结果看,前段距污水处理厂的距离与效率比增长率存在边界效应现象,二次拟合结果为:=-0.20842+5.7941-3.152,2=0.9507,计算得出在前段距离污水处理厂的距离为13.90km时存在边界效应点,在该范围内,联合改造所产生的效率增长率为正,即在处理等量污染物的前提下,联合改造节省的成本随距离增加而增加;超过这个距离后,联合改造所节省的成本和单独改造情景相比,差距缩小.在距离为27.25km时,两种情景改造的花费相当,超过27.25km后,单独改造要比联合改造节省成本,给出的启示是污水处理厂的服务范围不应该超过27.25km(以此距离为半径的圆面积2332.83km2).

图6 距离效应与效率比增长率关系

进行雨污分流改造后,面源污染物需要单独进行处理.此时先对照各段水系的污染物容量,超出其容量的则需进行低影响开发改造处理.当前海绵城市工程中LID设施有多孔路面、生物滞留网络、渗渠、雨桶以及下沉式绿地.由于城市内仅有部分区域可进行改造,本文将研究区域内可进行海绵城市工程的面积设置为总面积的60%.LID改造面积也是在总面积的60%基础上进行判定的.本文以鹅颈玉田区域为例,模拟了LID设施为生物滞留网络下不同面积比例的COD削减量曲线,如图7所示,随LID设施面积增加,污染物的削减量也随之增加.

各个小区中只有茅洲大凼、公明大凼和鹅颈玉田区3个小区的面源污染物直排量超出对应河段的环境容量,根据图7污染物削减率与LID改造面积比例关系,这几个小区对应需要进行LID改造的面积比例分别为85%、20%和30%(表3).

图7 污染物削减率与LID面积关系

表3 区域环境容量及需设置LID比例

4 结论

4.1 城市建成区的雨污分流改造投入很高,需要考虑经济可行性和成本效益比问题,雨污分流改造的成本效益比会受到改造区域距污水处理厂的距离、改造区管网密度及改造方式的影响,而且存在距离和改造效率比的边界效应现象. 本研究案例计算结果表明,污水处理厂的服务范围不应超过27.25km,即当改造小区单元与已有污水处理厂的距离超过27.25km时,新建一座污水处理厂比建设长距离雨污分流管网更划算.

4.2 海绵城市的建设中LID设置比例与污染物削减率之间存在指数关系.雨污分流改造使得各单元雨水就近排放入水体,在规划中需要比较特定排污单元城市面源污染直排量和水环境容量关系,如果排放量超过容量的,需要计算污染物削减率,并根据海绵城市的建设中LID设置比例与污染物削减率之间存在指数关系求算特定改造单元最小海绵城市改造空间面积比例.

4.3 对于本文研究案例,在只考虑污水处理厂节省的雨水处理成本下,各研究小区进行雨污分流改造的回本时间在27~64年间.

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From rainwater and sewage interception to separation system combined with low impact development reconstruction in urban built-up area: A water quality constrained scenario stimulation and programming.

WANG Shi1, CHEN Li-yuan1, SUN Xiang1*, CHEN Liang2, HUANG Zhang-rong3, YAO Huan-mei1

(1.College of Resources, Environment and Materials, Guangxi University, Nanning 530004, China；2.College of Mathematics and Information Science, Guangxi University, Nanning 530004, China；3.School of Computer, Electronics and Information, Guangxi University, Nanning 530004, China)., 2017,37(10)：3981~3990

In this study, SWMM model was coupled with scenario analysis approach to simulate urban rainfall-runoff and water quality under the dual constraints of water safety and quality at Guangming District of the Maozhou River Basin. The analysis results showed that there was an exponential relationship between the area of LID reformation and the pollutant reduction rate. In order to address the issue of the negative impacts of surface storm water run-off pollution on local river water quality, 30%, 85% and 20% of the total area were recommended to implement LID reconstruction at Ejing-yutian Unit, Maozhou-dadang Unit and Gongming-dadang Unit, respectively. Compared with building new sewage treatment plant, construction of sewage pipes to direct sewage water into existing sewage treatment plant had more economic benefits if the distance between the existing sewage treatment plant and the research area is less than 27.25km., and vice versa. In this study, the break-even time cost of rainwater and sewage separation reconstruction was between 27 and 64years. The proposed decision-making framework in this research has brought a new methodological perspective to treating waterlogging and black-odor in built-up area. It also can provide supplementary and useful information to the planning of water-environment management in Shenzhen and other similar areas.

rainwater and sewage separation system；low impact development；waterlogging；urban black-odors river；SWMM

X143

A

1000-6923(2017)10-3981-10

王 石(1992-)男,甘肃陇南人,广西大学硕士研究生,主要从事流域生态、流域水文等研究工作.

2017-02-13

2017年度教育部人文社会科学研究青年基金(17YJCZH153);广西大学科研基金(xgz150300)

* 责任作者, 副教授, sunxiangphd@gxu.edu.cn