防汛泵站放江污染削减对策探索

顾一鸣，马 艳

(1. 上海城投水务〈集团〉有限公司，上海 200002；2. 上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司，上海 200082)

近年来，我国出台《水污染防治行动计划》《关于推进海绵城市建设的指导意见》《城市黑臭水体整治工作指南》等一系列文件，加强了对河道溢流污染的重视，“问题在水里，根源在岸上，核心在管网，关键在排口”已成为各方共识。点源、面源、内源、外源污染物输入是上海河道污染的成因[1-2]。防汛泵站承担着城市防汛安全保障和城市正常运行的重要职责，但在放江过程中，大量下水道还原性污染物、有机营养物、重金属、致病微生物也一同排放入河[3]。本文对上海市城区防汛泵站放江污染关键问题现状开展分析，梳理自国家“水十条”颁布以来，在技术改造、管理优化、精准调度、规划实施、法规政策相关层面，从源头到终端防汛泵站排口放江污染削减主要对策，梳理定量评价指标，并对上海市XJ河沿线分流制地区防汛泵站的放江特征、对策与改善效果开展讨论。

1 关键问题与治理对策

1.1 排水管网源头分流

上海市中心城区，排水系统水位偏高是较普遍现象，有些防汛泵站常水位甚至可达3 m(绝对标高)，还有些地区降雨时污水系统水量和水位也会显著提升。排水系统水位偏高主要有以下3个原因。(1)分流制地区雨污混接。这其中既有大量生活污水接入雨水管，也有雨水错接入污水管的情况，较为突出的是居民阳台的洗衣机水、街边餐饮水、洗车水等污水进入雨水管道；还有部分企事业单位、居住小区因历史原因存在的内部管网合流问题，外接市政管网后导致混接。(2)管网渗漏。地下水渗入量的大小与建设年代、管材、接口、土壤入渗率、地下水位等密切相关。王梦江等[4]曾对上海市内的典型管段、封闭小区和合流一期工程的地下水渗入进行调查分析，合流一期工程范围内平均渗入量为27%，苏州河以北平均为23%，苏州河以南平均为31%。(3)河水倒灌。河水通过入河排口、破损的倒虹管、高潮位倒灌等方式进入雨水系统或污水管网也时有发生。排水系统长期高水位会产生4个不利现象：一是不利于控制泵站旱天放江，造成混接地区的居民小区排水困难和路面污水冒溢；二是不利于提升管网通沟污泥清捞效率，通沟污泥含水率高；三是增大雨天的污水输送总量，提高水量变化系数，同时降低污水浓度，不利于平稳输送和末端污水处理；四是挤占雨水管网存蓄水空间，遭遇暴雨时影响防汛安全。

排水系统水位偏高的主因是外水侵入，治理关键是聚焦管网，源头治理，让雨水、污水各行其道，减少外水侵入。

上海市水务部门治理措施如下。一是启动大规模雨污分流排查和改造工作。专项编制了《上海市分流制地区雨污混接调查技术导则》，规范排查统计方法，截至2017年，共查出混接点1.29万个，郊区多于中心城区。混接点包括市政项目、住宅小区、企事业单位、沿街商户和其他(露天洗车、餐饮排档)，其中，企事业单位和沿街商户占71%。针对大规模的混接点改造，计划2019年完成全部企事业单位、沿街商户的混接整治，截至2020年底基本完成上海市雨污混接整治工作，按“一点一措施”开展改造工作。二是通过大规模的入河排污(水)口调查和“一河一策”编制，对河道内的每一个排口逐一进行登记，上门调查排口管理单位掌握排放特征，对污水直排口或可能存在河水倒灌的排口进行封堵或改造。三是加强老旧雨污水管网的巡检排查，结合道路改造工程加快老旧管网的更新，应用内衬法、固化法、涂层法等非开挖修复技术对老旧管道、检查井等设施进行修复。推广应用新型接口的管材，一体化预制型排水井等，减少因管网渗漏造成的地下水侵入。四是通过立法建立长效机制。2019年12月19日新修订通过的《上海市排水与污水处理条例》进一步明确：(1)市、区水务部门应当加强源头减排，加强雨污分流等排水知识的宣传；(2)在雨水、污水分流地区，雨水管道和污水管道不得相互混接。

1.2 加强管泥清捞和垃圾拦截

排水泵站的污染物均来源于管网，这其中既有管道沉积的污泥，也有通过路面雨水口或其他渠道进入管网的垃圾。管网垃圾导致入河漂浮垃圾和污染物增多，使水体黑臭影响感观。此外，垃圾和管道沉积物增加易淤塞小口径管道，甚至损坏水泵设备，造成设备停运隐患。主要表现在：(1)高水位地区管道的沉积污泥较稀薄，不易捞取，通沟污泥含水率高，运输和处理困难。(2)马路雨水篦子拦截功能不佳或损坏，路面垃圾易进入雨水管道。(3)泵站雨水格栅间距一般为6～10 cm，难以对小型轻质漂浮垃圾、浮泥浮渣进行拦截。

在通沟污泥清捞和处置方面有以下措施。(1)提升排水行业考核标准，在疏通率定额基础上进一步提高管道疏通频率。同时，管内积泥深度由原标准低于管径高度的20%为合格提高到10%。(2)加大对雨污水调蓄池、泵站集水井的垃圾、淤泥沉砂的清捞频次，要求防汛泵站每年汛前和汛中各清捞1次，水环境敏感区域进一步提高频次。(3)改进清捞方式，针对高水位地区排水管道，部分采用两头封堵、中间抽水后沉淀清捞或启用联合疏通车处理，禁止“一冲了之”的情况。(4)规范处理处置，严禁对通沟污泥随意倾倒和堆放，加快通沟污泥处理能力建设，规划新建9座标准化泥、水、渣分离的通沟污泥站，宝山地区还建成了日处理量为133 t的通沟污泥热脱附处理示范项目，未建处理站的地区通过购买服务规范处理处置。

在垃圾漂浮物拦截方面有以下措施。(1)推广道路雨水口垃圾拦截装置，并列入排水行业年度考核，尽量减少地表径流携带的垃圾进入管道。(2)在防汛泵站推广集水井水面垃圾清捞装置和排口漂浮物拦截装置技术改造。集水井水面垃圾清捞装置利用水的表面张力与水泵抽吸，形成漏斗区域，将集水井区域漂浮垃圾吸入收集筒并通过机械提升自动倾倒，大幅改善清捞效率。(3)推广泵站排口漂浮物拦截装置。该装置可把放江后进入河道的漂浮垃圾、浮泥等集中在排口区域防止扩散，与河道保洁部门建立信息互通，放江结束后尽快清捞。

1.3 完善泵站截污和试泵运行设施

防汛泵站设施不完善导致旱天放江主要有2种情况：(1)建设年代较早的防汛泵站，没有配套建设截流设施，或截流能力偏小，截流出路不畅，当服务地区旱天水位偏高时，容易出现旱流放江;(2)部分泵站因缺少试泵回笼设施，在按规定试泵期间出现旱天放江。

相关运行管理单位开展对中心城区部分防汛泵站的截污设施与回笼水设施的改造工作。一是对有条件的泵站开展截流小泵换大泵或增加截流装置的措施，并完善截流外排管网翻排新建。二是受场地限制无法增设回笼水设施的泵站，通过改造加装变频试泵设备，在低转速下试泵并保证泵站存水不外流。三是对于无法实施截流改造且有旱流放江的防汛泵站，对其排水系统梳理后实施停运或迁建。四是对泵站进、出水闸门、拍门等进行全面自查，对未安装出水闸门或存在操作机构不灵、关闭不严密的出水闸门、拍门逐步开展更新改造。五是在部分区域探索试点就地一体化水处理装置，最大日处理能力为5 000 m3，对旱天混接水中的污染物削减有一定效果。

1.4 运行调度思路转变与升级

在水环境整治工作开展之前，防汛泵站的运行调度总体思路是“水安全优先，兼顾水环境”，具体体现在：(1)保证高水位地区不发生道路积水和排水类投诉，实施旱流放江降低水位;(2)设施检修期间的检修放江、服务范围内的配合放江、暴雨前的预降水位放江执行标准相对宽松;(3)对泵站排口环境面貌和放江水质监测无具体要求。

在治理对策中体现“两水平衡、精准调度”的工作理念。根据“旱天不放江、雨天多截流”的总体要求，泵站运行管理单位运行思路转变为“水环境保护”与“水安全保障”相融合的运行调度策略：在非汛期或小到中雨阶段，以保障“水环境”优先，兼顾防汛安全；在汛期暴雨、台风阶段以保障“水安全”优先，兼顾“水环境”。在具体操作中，一是全面实施了“运行水位摸底”，查找历史数据库确定每个排水系统的最佳运行水位，编制成“一站一策”的运行方案。二是严格规范检修放江、配合放江、预降水位放江等工作流程，根据运行平台统一调度指挥，严控不合理的泵机操作，雨后必须关闭出水闸门，遇应急情况放江及时汇报排水主管部门和环保部门备案。三是密切关注天气预报和雷达云图变化，并判断可能出现的雨量、雨型、过程时段。泵站运行单位由泵站值班员按水位自行开泵调整为上级统一集中调度，不同时段差异化控制精准施策。四是充分运行使用调蓄设施，增加使用频率，提升降雨期间的调蓄总量，部分参与旱天干线平稳输送调峰填谷。五是完善信息平台开发，在原有基础上扩展接入500余个上游易积水点和管网水位，为合理开泵提供重要依据。六是实施对每场降雨的放江水质检测，规范采样标准和间隔时间，人工采样监测和在线监测相结合，同时接受政府主管部门监管。七是在排口安装视频监控或拍摄雨后河道图片，及时传入调度中心供调阅。此外，水利管理部门针对不同区域也制定专项引水方案，在暴雨台风等灾害性天气影响过后，积极开展河道引清调水，有条件的实施两潮引排水，关闸时可利用水利泵站实施动力引排水。

1.5 畅通出路提升截流运行效果

2015年—2019年，随着污水收集系统不断完善，小型污水厂功能调整和泵站截流设施改造扩容，上海市中心城区日均污水输送总量已由510万m3/d提升至570万m3/d，降雨期间其最大日输送量可达800万m3/d以上，雨天和旱天污水量最大变化系数接近1.5，部分末端污水厂还存在旱天处理能力不足的情况。环保部门对污水处理厂的尾水达标监管为瞬时量达标，因此，在降雨阶段，控制好污水厂上游干线截流总量和进水峰值至关重要。与此同时，末端峰值限流会影响部分上游防汛泵站截流设施能力的发挥。还有些截流设施，因下游污水输送能力不足、截流管口径偏小、无调蓄设施等造成截流运行受限。

若要全面发挥截流设施最大功效，必须完善和升级与其相匹配的下游污水输配、初雨调蓄和终端处理能力,主要对策如下。一是扩建初雨调蓄设施。2014年至今，中心城区已新增建成投运新大连、大定海、新宛平3座合流初雨调蓄池，还新建成泰和、虹桥、石洞口3座干线污水调蓄池；目前，正在开展结合天山、桃浦、曲阳等 6 座污水处理厂功能调整为调蓄池，带动周边 24 个排水系统初期雨水调蓄及系统提标工程。容量为50万m3的竹园调蓄池以及大武川、肇嘉浜、桃浦智慧城等分散调蓄设施也已在加紧建设。二是开展终端处理设施扩容建设与规划。2017年和2019年相继建成投运虹桥、泰和2座污水处理厂，新增日处理能力60万m3，竹园片区四期120万m3/d的污水处理设施也已启动建设程序。三是在《上海市污水处理系统及污泥处理处置规划(2017—2035年)》中，要求建设城镇污水处理厂出水水质执行不低于一级A排放标准，区域污水处理厂应满足1.5倍日均污水量稳定达标的要求。初雨截流控污按合流制11 mm、分流制地区5 mm进行规划，全市强排系统初期雨水截流量约为300万m3。

1.6 “海绵城市”助力削减径流

海绵城市建设遵循生态优先原则，将自然途径与人工措施相结合，在确保防涝安全的前提下，最大限度实现雨水在城市区域的渗透、调蓄和净化，改善城市下垫面不透水面积，削减初期径流污染，促进雨水资源的利用和生态环境保护。根据上海市海绵建设总体目标，到2020年，基本形成生态保护和低影响开发雨水技术与设施体系。试点区域年径流总量控制率不低于80%，新建和改建地区年径流污染控制率分别不低于80%和75%。在绿地系统建设、建筑与小区、道路与广场建设中广泛推进海绵建设理念，确保建成区绿地率不低于34%，新建和改建项目透水铺装率分别不低于50%和30%，支持鼓励绿色屋顶改造，使雨水调蓄设施与绿地、水体的建设相结合。在改造策略中：一是结合城市升级，在地区整体更新改造或地块更新改造过程中施行海绵理念建设；二是结合灰色基础设施工程，带动已建成区域的绿色基础设施完善更新。

2 定量评价指标

防汛泵站排口放江污染削减关键是解决两个问题：减少泵站放江水量和改善泵站放江水质。针对上海地区现状，9个定量指标可用于综合评价放江改善效果：泵站旱天水位、放江水质质量浓度、截流量、初雨截流能力、旱天放江量、降雨放江阈值、降雨放江次数、年径流总量控制率和年径流污染控制率，分别对应6条治理对策(表1)。

表1 放江污染削减定量评价指标Tab.1 Quantitative Evaluation Index of Discharge Pollution Reduction

定量指标对比评价应在固定范围和时段内，对比工程性措施或非工程性措施实施后的效果。针对泵站降雨放江的2个指标，即降雨放江阈值和降雨放江次数，建议在小到中雨期间或非汛期等雨强较小的雨型下统计分析。当遇到较强降雨如汛期中大到暴雨，因运行调度策略不同不建议采用。

3 案例分析

3.1 放江量削减案例

XJ河位于上海市中心城区西部，总长度为11.37 km，河道平均面宽为20 m。河道沿线有10个分流制市管防汛泵站，服务范围为17.92 km2，综合径流系数为0.6。2015年运行资料显示，在10座泵站中，5座泵站未配备截流设施，1座泵站存在试车放江。

本案例雨量采用沿河区域2个特征站点平均雨量。选取2015年非汛期小到中雨期间特征日的XJ河沿线泵站截流量和放江量进行统计(图1)。日累计雨量按升序进行排列，泵站平均截流量为1.44万m3/d，当降雨量达到2.7 mm时有泵站出现放江。在降雨放江日中，最少时有1座泵站放江，最多时有6座泵站放江。此外，1座泵站因试泵回笼设施不完善，2015年—2016年试车放江年均约8万m3。在治理对策中，泵站运行管理单位新增完善了泵站的截流设施、截流输送管和回笼管设施，并对下游污水接纳能力进行了评估复核。新增14个管网水位监测点水位接入信息平台，并结合泵站水位开展精准调度，根据天气预报和实时雨量图，在非汛期和汛期的不同雨型或雨量下，实施差异化水位控制放江策略，在保证排水安全的同时，最大限度控制泵站放江次数和放江总量。

图1 2015年(小到中雨期间)XJ河沿线泵站放江特征Fig.1 Discharge Characteristics along XJ River in 2015 (Light and Moderate Rain)

选取2019年非汛期小到中雨期间特征日的XJ河沿线泵站截流量和放江量进行统计(图2)。日累计雨量按升序进行排列，泵站平均截流量为3.75万m3/d，当降雨量达到15 mm时有泵站出现放江，且只有2座泵站有降雨放江。泵站平均截流总量较之前提升160%，降雨放江阈值提升到13 mm，过程平均雨强为1.5 mm/h。在此类雨型降雨阶段，防汛泵站进行高水位控制，10座泵站前池水位分别抬升0.3～1.1 m。计算降雨径流理论总量，分析样本日降雨量在13～15 mm时，估算径流总量扣除日截流量和放江量后，城市下垫面和管网存蓄量为10.5万m3，计算2015年2.7 mm放江时该数值为0.9万m3，同比提升9.6万m3。

图2 2019年(小到中雨期间)XJ河沿线泵站放江特征Fig.2 Discharge Characteristics along XJ River in 2019 (Light and Moderate Rain)

汇总2015年XJ河沿岸非汛期降雨日共46次，其中，放江45次，放江总量为261万m3。按优化运行后可达到的降雨量13 mm设定降雨放江阈值，小于13 mm的29个降雨日按实际放江量扣除，可削减88万m3；大于13 mm的17个降雨日按日雨量估算径流总量，取城市下垫面和管网存蓄量(10.5万m3)与日截流量(3.75万m3)合计值，计算按2019年优化运行下的理论放江量，估算可削减70万m3(图3)。通过优化运行，2015年非汛期的降雨中理论能削减放江量合计158万m3，削减60%，放江次数下降63%，取得明显成效。

图3 优化运行后放江削减估算量Fig.3 Discharge Reduction Estimate after Optimization

在汛期中，防汛泵站调度以保障“水安全”优先，兼顾“水环境”。对比非汛期和汛期不同雨量和雨型下泵站运行水位，2019年2月13日站点降雨量为14 mm，过程雨强为1.55 mm/h，在运行监测中，泵站水位由1.84 m抬升至2.73 m，未进行泵站放江，服务区域无冒溢报告。2019年8月18日，站点降雨量为43 mm，过程雨强为37 mm/h，泵站水位抬升至2.11 m后启动泵站放江，确保地区防汛安全。

3.2 小结

(1)防汛泵站通过截流设施和回笼水设施改造，消除因设施短板造成的放江，并在深入分析确保防汛安全的基础上，根据天气预报和历史分析经验，对不同时段、不同雨型下防汛泵站放江水位进行差异化控制，最大限度挖掘城市下垫面和管网存蓄能力，延长截流设备运行时间，能有效控制削减放江总量。

(2)XJ河沿线排水系统依然存在常水位偏高现象，暴雨后停泵约2 h，水位从停泵水位回升常态，若继续开泵则判定旱天放江。因此，关键要解决源头减量。一是要减少地下水、河水、混接污水等进入雨水管网。二是要推进海绵城市建设，进一步扩展城市下垫面存蓄能力，削减径流的产生。三是进一步提升地区调蓄工程、截流外排和终端处理能力，确保排水出路通畅并最终得到处理。四是考虑地表雨水漫流下渗等因素，研究较大降雨雨停后一定时段内的高水位放江可参照降雨放江判定，尽可能排空管道存水。

4 结论与展望

本文对上海市城区防汛泵站排口放江污染的关键问题和治理对策进行研究，总结综述管网源头分流、管泥清捞与垃圾清捞拦截、完善截污和试泵设施、运行思路转变升级、畅通截流出路和海绵城市建设6项对策，并梳理了9个定量指标用于评价泵站放江改善效果。分析上海XJ河沿线分流制地区防汛泵站运行案例，通过泵站改造和优化调度方案，并充分利用城市下垫面和管网存蓄水能力，放江量削减效果显著。

防汛泵站排口放江污染问题的改善，从理念转变升级到合理统筹规划，既要在雨污分流、清污分流、源头减排、设施升级、技术创新等工程性措施上下功夫，也要在部门联动、强化监管、精细管理、提升养护等方面非工程性措施上出力气，“灰-绿-蓝-管”方式相结合，城市运行中的精细管理相配套，系统性、整体性、长期性、持续性地治理排水泵站放江污染难题。

后续对泵站放江污染削减开展的工作中，一方面应进一步聚焦强化上游管网系统治理力度，拒绝外水和污水进入雨水管道，降水位、捞管泥、重维修，提升初雨截流效果[5]，是长期奋斗的目标；另一方面可以学习国外的溢流削减治理经验，制定混合溢流雨污水的就地快速处理、污水厂雨季超负荷处理的政策和标准，转变治理思路，在大流量时段允许污染物总量削减运行策略，进一步发挥截流设施最大能力和污染物减排总量。