基于溢流频次的合流制溢流污染控制优化策略研究*

黄 俊 王 莉 高丽红 喻泽斌

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530003；2.华蓝设计(集团)有限公司，广西 南宁 530011；3.钦州市科技局，广西 钦州 535099)

近年来，合流制溢流(CSO)污染已成为我国部分城市消除黑臭水体，提升城市整体水环境的主要障碍。目前，CSO溢流频次和溢流量是世界上最为常用的合流制溢流污染控制指标[1]，但由于我国对CSO污染研究起步较晚，缺乏CSO溢流量、溢流频次以及溢流水质等基础监测数据，致使CSO污染控制目标难以确定。

DANIEL等[2]研究发现，影响CSO溢流量和溢流频次的主要因素包括区域降雨、源头地块用地特征以及排水管网体系等。因此，忽视地域特征参数对CSO的影响，参考国外技术标准实施的CSO控制措施往往会导致CSO污染控制效果不佳，主要表现为CSO年溢流量、溢流频次或年污染量削减率偏低。例如，2006年初上海市参考德国废水协会《合流污水箱涵暴雨削减装置指针》(ATV A128)建立的国内合流制区域的首座调蓄池——成都路调蓄池，设计年溢流污染物削减率为80%，实际削减率仅为14.6%[3]43，程江[3]42在对成都路调蓄池进行项目后评估中提出该调蓄池污染削减能力未达到预期设计目标的原因是德国与上海的降雨特征存在着较大的差异，德国属于平均型降雨，而上海地区属于脉冲型降雨。

鉴于我国各城市降雨、用地特征以及排水管网体系等各项参数与国外存在着显著差异，本研究通过分析城市CSO溢流量、溢流频次与溢流污染的主要特征，结合我国合流制区域源头地块和排水管网体系现状，提出基于降雨特征的CSO控制策略，为我国CSO污染控制提供参考。

1 CSO主要特征

1.1 CSO溢流量、溢流频次与溢流污染之间的关系

经过几十年的CSO污染治理后，美国CSO年溢流量控制率达到了80%[4]，并在年溢流控制量和年溢流频次关系研究方面也积累了宝贵的经验。纽约市对合流制区域CSO事件的研究发现[5]23，在69场CSO事件中，小雨(0～12.7 mm)引起43场CSO事件，溢流量占比仅为5%；暴雨(50.8～79.7 mm)引起4场CSO事件，溢流量占比为40%；中雨(12.7～25.4 mm)引起13场CSO事件，溢流量占比为16%；大雨(25.4～50.8 mm)引起9场CSO事件，溢流量占比为39%。

目前，纽约市CSO年溢流量控制率为80%，由小雨引起的CSO事件和中雨、大雨引起的CSO事件的溢流量之和占比约为60%，需全部控制，这是因为该部分溢流的污染物浓度更高，对城市受纳水体可能会造成更为严重的污染[5]22。刘达等[6]对广州市合流制区域某个大型排口的溢流水质监测分析也发现，溢流污染浓度高值区主要集中在降雨量为5～12 mm区间。

此外，由暴雨引起溢流事件的溢流量占比为40%，其中20%的溢流量可允许直接排入水体，由此说明，高溢流量事件中可控制前50%的溢流量。同时，李文涛等[7]3在对广州市某个合流制区域研究发现，当降雨强度大于40 mm/h时(暴雨)，CSO出现两个COD峰值，分别在溢流量的0～10%和10%～30%，浓度分别为旱天污水浓度的1.6～2.4倍和1～2倍，由暴雨引起的溢流事件污染主要集中在前40%的溢流量中。

1.2 CSO溢流量与溢流频次的主要影响因素

CSO产生的主要原因是城市管网排水系统无法承载雨天产生的城市雨水径流。城市排水系统的排水能力越强，溢流量会越小，溢流频次也会更低，而城市雨水径流量越大，溢流量会越大，溢流频次也会更高。合流制管网排水系统设计与地块生活污水、降雨强度以及径流系数间关系见式(1)。

(1)

式中：A为过水断面面积，m2；n为粗糙系数；x为过水断面上水流所湿润的边界长度，m；I为水力坡降；L为设计暴雨强度，L/(s·hm2)；Ψ为径流系数；F为汇水面积，hm2；qd为居民生活污水定额，L/(d·人)；P为人口密度，人/hm2；Kz为总变化系数。

由式(1)可知，城市排水管网的过水断面、粗糙系数及水力坡降是影响管网排水能力的主要影响因素，暴雨强度、径流系数是影响雨水径流量的主要因素。

1.3 CSO污染的主要来源及特征

CSO污染主要来自于径流雨水、管道沉积物以及生活污水[8]，溢流瞬时污染物浓度变化范围极大(具体见表1)。

表1 部分地区CSO水质污染情况Table 1 Water pollution of CSO in some areas

对于初期雨水径流的污染，汪慧贞等[17]研究认为，当一场雨降雨量少于10 mm时，最初2 mm降雨形成的径流中包含了此场降雨径流70%以上的COD；当降雨量大于15 mm时，最初2 mm降雨形成的径流中包含了30%～40%的COD。因此，有效地控制初期雨水的污染能在一定程度上控制城市CSO污染。

管道沉积物污染主要来源于雨水和污水中的SS。其中，雨水中的SS通过雨水冲刷道路及屋面形成径流而进入管道；污水中的SS主要包括人体粪便中的小粒径残渣、厨卫垃圾中的大粒径残渣以及有机颗粒等。管道中沉积物沉积的临界浓度(Cv,mg/L)、最小浓度(Cmin,mg/L)以及最大浓度(Cmax, mg/L)[18]分别见式(2)至式(4)。

(2)

Cmin=ηminρsρm(ρs-ρ)-1UJ/w

(3)

(4)

式中:f为沉积物的活动性参数；q为单位流量，m3/(s·m)，q=Q/B，其中Q为管道总流量，m3/s，B为水面宽度，m；Sc为坡度参数，Sc=S0/(S-1)，其中S0为管道底坡，S为沉积物的相对密度；v为水的黏滞系数；λsb为沉积床摩擦力，N；w0为沉积物的沉降速度，m/s；d为沉积物颗粒粒径，μm；Dh为水力深度，m，Dh=A/B；y0为水深，m；ηmin、ηmax为经过校准的效率系数；ρs为沉积物的密度，kg/m3；ρm为混合液的质量浓度，kg/m3；ρ为水的密度，kg/m3；U为平均流速，m/s；J为坡度；w为沉积物启动速度，m/s。

当Cv>Cmax时，水流中的颗粒物会沿水流方向逐渐沉积，水流中颗粒物浓度会逐渐降低，直至Cv=Cmax；当Cv

2 中国城市合流制区域主要特征

2.1 源头地块径流系数大、初期雨水径流污染严重

我国合流制区域多位于城市旧城区，用地特征是地块开发强度高，人口密集，绿地面积少，一般为城市传统的商贸区和居住区。张睿[20]对天津市的典型老旧城区调查发现，建筑主要为低层和多层，绿地率为16.2%～35.4%，地面透水率仅为13.6%～36.5%。

城市路面和屋面是产生雨水径流污染的两种典型下垫面。据相关研究显示，我国城市路面初期雨水COD的均值在102～400 mg/L，SS在394～600 mg/L，COD瞬时最高质量浓度可达到1 740 mg/L，SS瞬时最高质量浓度可达到2 350 mg/L[21-22]；屋面初期雨水COD均值在32.88～232.88 mg/L，SS在59.20～452.88 mg/L[23-25]。

2.2 管网系统管道破损、沉积严重

据报道显示，市政污水处理厂的进水COD平均值仅为267 mg/L，南方地区的一些污水处理厂COD甚至低于100 mg/L，欧洲污水处理厂的进水COD一般在400～1 000 mg/L[26]，而在德国即使是合流制排水系统占比高达80%的巴登州污水处理厂进水COD也有459 mg/L[27]，由此说明我国管网的破损和外水入渗问题非常严重。沈盼[28]调查发现南昌市中心城区5座污水处理厂的进水中约有20%的水量来自于地下水的渗入或地表水的流入。此外，王燕[29]调查发现巢湖市中心城区某管道15天内每日的平均外水入渗量为808.56 m3/km，美国城市的管道外水入渗量每日平均为3.7～111 m3/km，日本80%以上的管道每日入渗量小于60 m3/km，而文献[27]报道德国每日管道外水入渗量仅为13.4 m3/km。

此外，相关研究表明，雨天CSO中的污染有23%～80%来源于管道沉积物和初期雨水径流[30-31]。目前，我国的城市排水管网，尤其是老城区管网，均出现了不同程度的淤积和堵塞[32]，北京市[33]二环内某区域90%以上的合流制管道、广州市[34]21新河浦涌南岸74%的合流制管道以及天津市[35]某中心城区内76%的合流制管道均存在着沉积现象，其中，广州市[34]24新河浦涌南岸沉积物厚度与管径比例小于20%的占57.45%，20%～50%的占14.89%，大于50%的占2.13%，在严重影响管网过流能力的同时，也增加了CSO的污染风险。

2.3 城市合流制区域的管网截流倍数低

管网的截流倍数是截流式合流制排水管网设计的一项重要参数，取值为通过截流干管截流的的污水量与旱流流量之比，因此，截流倍数的选取对CSO的水质水量有着重要的影响。一般来说，截流倍数越大，对CSO的截流效率越高。目前，国外的截流倍数取值多为2～5，我国规范中的取值为1～5，但考虑到工程成本和下游污水处理厂的污水处理能力，现实中多采用取值范围下限。吴春笃等[36]的调研显示，我国合流制管网的截流倍数大多取1，取1～2的城市占92%，仅有一些水环境要求比较高的地区，如旅游城市选择的截流倍数相对较大。

3 基于城市降雨特征的CSO控制策略

3.1 基于城市降雨特征的CSO分类

城市合流制区域的CSO一般可分为3种特征事件：一是高频次低溢流量CSO事件、中频次中溢流量CSO事件以及低频次高溢流量CSO事件。目前研究表明，高频次的低溢流量CSO事件和低频次的高溢流量CSO事件主要与降雨量有着密切的关系，而中频次中溢流量CSO事件不仅与城市降雨量和降雨强度有关，同时也与源头地块特征以及管网系统排水能力相关[37]551。

因此，对于城市CSO的控制，应结合不同地区的源头地块特征和管网排水系统现状，基于当地的降雨特征，对各类CSO事件采取不同的控制策略。

3.2 高频次低溢流量CSO事件

高频次低溢流量CSO事件主要由低强度低降雨量的降雨事件引起，一般来说，低强度低降雨量事件可占据城市全年降雨事件的46%～70%[38]。虽然此类降雨事件发生概率大，但由于降雨量少和降雨强度低，不会对管网的沉积污染物造成冲刷，因此，此类CSO事件可通过低影响开发(LID)措施进行控制。

ROLDIN等[39]研究发现在哥本哈根3 km2合流制区域内8%的不透水地面上布置渗透性LID措施后，该合流制区域的CSO溢流量减少了24%。AUTIXIER等[40]在研究雨水花园对CSO的控制时发现，在某个合流制区域内20%的场地上实施雨水花园后，15 mm以下的降雨所引起的CSO事件，CSO溢流量减少了6%～18%，CSO峰值减少了7%～21%。密尔沃基市[41]在对绿色基础设施实践的评估中，证实了LID设施对CSO年均溢流量的12%～38%有着显著的控制潜力。

因此，对于合流制区域的高频次低溢流量事件，可在合流制区域源头地块内采取以LID措施为主的控制策略。

3.3 中频次中溢流量CSO事件

中频次中溢流量CSO事件由中雨或大雨事件引起，此类事件的降雨引起溢流量较高，合流管中雨水冲刷速度较大，管底沉积物会在一定程度上被冲刷，溢流污染主要来自于管底沉积物、初期雨水以及生活污水。对于此类CSO事件的控制，需结合排水管网系统优化情况，基于单位时间内的降雨强度(i雨， mm/h)进行分类考虑：一是降雨持续时间长，i雨小于等于当初管网设计的降雨强度(i设， mm/h)；二是降雨持续时间短，i雨大于i设。

(1) 当i雨≤i设，降雨引起的雨水洪峰流量不会超过管网的最大过流能力，因而不会造成溢流，但由于现阶段我国合流制区域管道沉积和渗漏严重，其最大过流能力已远低于当初设计标准，因此，通过管道冲洗清淤、修复和增大管道截流倍数等排水系统优化措施可大大提升管网的最大过流能力，在控制管网溢流的同时还可减少CSO污染。目前，NAGAIWA等[42]研究表明对管道的清洗可以削减22%的溢流污染量。

(2) 当i雨>i设，高强度单位时间降雨会迅速引起雨水洪峰流量，超过管网的最大过流能力进而造成溢流[37]546。GAROFALO等[43]研究表明针对24 h降雨量为18.91 mm的中雨(降雨强度0.78 mm/h)和54 mm(降雨强度2.25 mm/h)的大雨，通过实时控制系统措施对CSO的控制率可分别达到99%和36%。由此可知，对于较高强度的大雨，仅有管网的优化措施仍然不可完全控制管网的CSO，需结合空间调蓄措施实施进一步控制。

对于CSO空间调蓄措施的设计，我国现常用规模设计依据为《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)中的径流污染控制式，其中调蓄池建成后能达到的截流倍数是关键性参数。目前，规范给出的截流倍数确定依据是由要求的污染负荷目标削减率、当地截流倍数和截流量占降雨量比例之间的关系求得，但由于我国目前多地的合流制排口溢流水量、水质和溢流频次监测数据欠缺，导致截流倍数难以确定，无法有效计算合理的调蓄容积。此外，管网外水入渗严重的南方地区，应在加强管网清污分流的基础上，再实施空间调蓄设施的建设，否则将会导致调蓄池进水浓度过低，污染物负荷削减率过低。

因此，对于中雨或大雨事件引起的中频次中溢流量CSO事件，应基于当地中雨和大雨降雨特征，结合当地的管网沉积和外水入渗情况，采取不同的控制策略。i雨≤i设的CSO事件以“LID+管网系统优化”控制策略为主；i雨>i设的CSO事件以“LID+管网系统优化+空间调蓄”控制策略为主，而且对于空间调蓄的设计应基于排口监测数据进行截流倍数核算，面积超过2 km2的汇水分区范围最好通过模型实施调蓄池的设计。

3.4 低频次高溢流量CSO事件

低频次高溢流量CSO事件由暴雨引起，对于此类事件，由于降雨量大，超过截流干管截流倍数的合流污水仍会通过排口溢流进入水体，并伴随着明显的初期冲刷效应。李文涛等[7]3对广州市中心城区的雨天CSO开展监测分析发现，当降雨强度大于40 mm/h时，CSO污染物主要集中在前40%的溢流量中，污染物浓度为旱天污水浓度的1.0～2.4倍。此外，李贺等[44]对上海市某合流制区域的雨天CSO水质进行研究发现，在一场降雨强度超过25 mm/h的暴雨事件中，合流制区域CSO前42%左右的溢流量COD为150～250 mg/L，后期的溢流量COD在59～150 mg/L。因此，对于低频次高溢流量CSO事件宜控制前40%的溢流量。

一般来说，CSO过程中控制的污水会在降雨后送往下游污水处理厂进行处理，但由于我国部分城市污水处理厂处理能力有限，若将收集的前40%溢流污水全部送往污水处理厂，会对污水处理厂造成较大的处理负担，而文献[27]报道的德国的污水处理厂设计规模为旱季污水量的2倍，这为雨季高峰CSO溢流量的处理提供了有利条件。鉴于我国污水处理厂对雨季CSO的应对能力有限，在该类CSO事件控制中，可增加一定的末端处理措施，目前国际上采用的主要末端处理措施有旋流分离、砂滤分离、格栅分离、吸附、混凝、絮凝以及病原体消毒等[45]。

因此，对于暴雨引起的低频次高溢流量CSO事件，宜控制前40%的溢流量，可采取“LID+管网系统优化+空间调蓄+末端处理”控制策略。

4 结 语

CSO的污染控制是一个复杂的系统工程。目前，我国的合流制区域呈现出源头地块径流系数高、初期雨水径流污染严重、管网系统外水入渗、沉积现象严重以及截流倍数相对较低等情况。此外，我国幅员辽阔，各地降雨特征差异明显。因此，对于不同城市CSO的污染控制，应在基于当地降雨特征的情况下，结合区域的源头地块特征、排水管网系统特征以及下游污水处理厂处理能力，对不同类型降雨引起的CSO事件采取不同的控制策略。

(1) 高频次低溢流量CSO事件以源头分散的LID控制策略为主。

(2) 中频次中溢流量CSO事件应基于当地的中雨和大雨的降雨特征，i雨≤i设的中频次中溢流量CSO事件以“LID+管网系统优化”控制策略为主；i雨>i设的中频次中溢流量CSO事件以“LID+管网系统优化+空间调蓄”控制策略为主。

(3) 低频次高溢流量CSO事件以“LID+管网系统优化+空间调蓄+末端处理”控制策略为主，且该类型事件宜控制前40%的溢流量。