“灰绿”协同措施对银川市合流制溢流污染的影响

2022-05-31侯精明栾广学银雅伦李欣怡乔梦曦

水资源保护 2022年3期

侯精明，栾广学，王添，杨露，银雅伦，李欣怡，乔梦曦

(1.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安 710048；2.中规院(北京)规划设计有限公司，北京 100044)

合流制溢流(combined sewer overflow, CSO)污染是城市水体发生黑臭的一个重要因素，城市溢流污染控制是当前改善环境的关键举措[1-5]。随着我国经济、科技快速发展，城市建设面积及城区硬化路面比例不断增加[6-7]，中国城市污水管网建设滞后城市发展20余年，特别是合流系统高密度城区排水系统导致路面积水、城市被淹、污水溢流、水体黑臭等问题[8-9]。合流污水远距离输送过程中，将近50%的污染物沉积在管道底部，雨天排水“零存整取”，河道受到冲击性污染，导致城市水体晴天不黑臭，但雨天黑臭严重的状况[10-11]。在中国南方地区，合流制系统雨天排水时，COD质量浓度最高值达1 200 mg/L，均值也高达540 mg/L左右[8]。目前解决CSO污染的方法主要有海绵化改造、增设调蓄池、雨污管网混错接改造等[5,12-13]。国内很多专家学者已经对我国CSO污染问题做了大量研究，如黄俊等[14]对CSO污染控制策略优化进行了研究分析，认为不同的降雨特征需要不同的控制策略；孟莹莹等[15]研究了“灰绿”措施组合对城市溢流污染的削减效果，认为“灰绿”措施组合对CSO污染控制效果较好；李俊奇等[16]研究并提出了以受纳水体水质指标为导向的CSO污染的控制指标与标准制定；杨新德等[17]基于SWMM模型从海绵城市建设、雨污分流改造等角度对溢流污染的削减情况进行了评估，认为雨污分流与源头低影响开发可有效减少面源及溢流污染。

高密度城区绿色排水设施的基建费用低，生态环境效益好，因此本文基于SWMM模型，通过“灰绿”措施结合、近远期结合，统筹排水分区内源头、过程、末端关系，分析“灰绿”协同治理措施对银川市一污片区CSO污染的影响，以期为该区域溢流污染治理提供参考依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

选取银川市兴庆区某一污片区为研究区域，该区域管网系统以合流制为主，区域内污水均汇至第一污水处理厂。第一污水处理厂位于上海路以北、城市四排沟以东，主要承担银川市兴庆区大部分生活污水及废水的处理任务，服务面积20.46 km2，原设计处理能力为5 万 m3/d，扩建后日设计处理规模达到10 万 m3/d。该区域主要为高密度城区，不透水面积高达70%以上，出水通过城市四排沟、银新干沟排入黄河。根据银川市城区1990—2020年的日均降雨资料进行统计分析，银川市城区多年平均降水量为199.54 mm3/d。

1.2 数据来源

1.2.1降雨数据

a.短历时设计降雨。短历时设计降雨过程采用芝加哥暴雨强度公式进行模拟，降雨历时为2 h，步长5 min，雨峰系数为0.4。暴雨强度公式为

(1)

式中：q为设计暴雨强度，mm/min；p为重现期，a；t为暴雨历时，min。选取重现期分别为1 a、5 a、10 a进行模拟，降雨历时为2 h的设计降雨过程见图1。

图1 不同重现期的设计降雨过程

b．长历时设计降雨。长历时设计降雨的降雨过程根据实测数据获得，降雨历时为24 h。1991年年降水量为194.6 mm3/d，最接近银川市城区多年平均降水量，因此选择1991年降雨数据作为典型年降雨数据，如表1所示。

表1 典型年日降水量情况

由于典型年降雨数据为日均降雨数据，在计算城区合流制管网溢流量及污染物溢流情况时，需采用更为精确的降雨数据，因此利用银川市24 h历时设计降雨雨型分配比(表2)，将日均降雨数据转化为每小时降雨数据。从典型年日降水量中选取1991-04-10作为典型小雨，降水量为6.5 mm；1991-08-26作为典型中雨，降水量为18.9 mm；1991-08-27作为典型大雨，降水量为40.6 mm。

表2 24 h历时设计降雨雨型分配比

1.2.2管网数据

根据银川市管委会提供的管网资料、实际地形及其本底特征构建SWMM模型。模型共有261个子汇水分区，5 990个节点，3 953段雨水管网，总管长134 350.529 7 m。模型概化图如图2所示。

图2 研究区概化结果

1.2.3旱季污水流量和污染物浓度

2 研究方法

选用SWMM模型对CSO污染进行模拟研究。SWMM模型提供了线性、指数、幂函数和饱和函数4种污染物累积模型[20-22]，根据国内外研究经验，饱和函数累积模型能够很好地模拟地表污染物的累积过程[23-25]，因此本文选取饱和函数累积模型模拟研究区地面污染物的累积情况，选取指数函数模型模拟地表污染物的冲刷过程。据研究区的土地利用情况，将子汇水区分为房屋、绿地、道路和其他4种地面类型分别进行模拟[26]。饱和函数累积模型需要确定最大累积量和半饱和累积时间2个参数，指数函数模型要输入冲刷系数和冲刷指数2个参数。根据相关参考文献[15,17,23]确定参数的取值，结果见表3。

水质以水量为载体，若水在管道内的水动力过程能精准模拟，则同样能说明水质模拟的准确性。水量模拟的准确性可通过出口流量过程线和内涝积水点进行验证，由于该片区无其他排水口，均排至第一污水处理厂，而研究期内没有污水处理厂实测进水流量过程线，故本研究管网水动力参数通过二维地表积水点对比进行率定。为防止研究区地表外围客流影响，对管网模型进行更精确的模拟，将银川市全区域管网模型与二维地表水动力模型进行耦合，在实测降雨条件下对实测积水点和模拟积水点的积水面积和积水深度进行比较，以验证管网水动力参数的准确性。实测积水点如图3所示，积水点模拟值与实测值对比如表4所示。由表4可见，模型模拟结果与实测结果吻合度较高，相对误差均在6%以内，表明耦合模型可靠，能够较好模拟地表及管网的水动力过程。

表3 模型污染物参数取值

图3 实测积水点

表4 模拟值与实测值对比

3 “灰绿”协同措施

单一溢流削减措施不适用于高密度城区[27]，故针对第一污水处理厂旱天进水量基本饱和、雨天大量雨污混合水外溢的问题，采取“灰绿”协同措施削减溢流。主要灰色设施有CSO调蓄池和雨污管道混错接改造，绿色措施主要为对上游绿化带进行海绵化改造，“灰绿”协同措施为2种灰色措施和1种绿色措施组合使用。

3.1 CSO调蓄池

近期在城市四排暗渠段溢流口附近设置体积为4万t的CSO调蓄池，减少溢流污水排至城市四排沟。经计算需增加8万 m3灰色调蓄设施，一期在原城市四排沟暗渠位置，扩大断面，布置4万m3削峰调蓄池；二期在海宝公园东侧入口停车场下，布置4万 m3削峰调蓄池，本文仅考虑一期工程。

3.2 雨污管道混错接改造

城市四排沟上游排水分区基本上是合流制排水分区，仅双庄巷两侧新建区域为雨污分流，但分流管网在下游全部接入合流制管网。远期优化排水体制，通过城市四排沟上游混错接改造，将上游混流制片区改为完全分流制排水体制，减少雨水进入污水管网，减少合流制溢流水量和频次。雨污分流改造示意图如图4所示。

图4 雨污分流改造示意图(单位：mm)

3.3 绿化带海绵化改造

远期通过对上游绿化带进行海绵化改造，削减雨水径流进入污水管网，从而减少CSO污染。绿化带海绵化改造统计如表5所示。

表5 兴庆区绿化带海绵化改造统计

4 结果与分析

对CSO调蓄池、雨污管道混错接改造、绿化带海绵化改造3种单一措施及“灰绿”措施组合共4种方案对银川市第一污水处理厂片区溢流污染影响进行模拟分析，本研究不考虑除第一污水处理厂前溢流外的其他节点溢流。

4.1 短历时设计降雨模拟结果

4.2 长历时设计降雨模拟结果

小雨、中雨、大雨条件下现状及4种方案下溢流负荷及其削减率如表7所示。由表7可见，现状、添加CSO调蓄池、雨污管道混错接改造、绿化带海绵化改造与“灰绿”措施结合5种方案下，溢流水量及污染物负荷均随着降水量的增加而增加，其中大雨条件下，调蓄设施充分发挥其功能，溢流水量仍分别达到25.49万 m3、21.43万 m3、23.39万 m3、23.90万 m3和18.24万 m3；CSO污染主要是生活污水与雨水混合后再对管道内的沉积物进一步冲刷导致溢流污染物浓度较大，从而造成溢流污染物负荷严重超标，其中现状及4种方案下TSS溢流负荷分别达到9.37 t、7.68 t、8.66 t、8.95 t和6.38 t。由表7可见，在添加CSO调蓄池、雨污管道混错接改造、绿化带海绵化改造与“灰绿”措施结合4种方案下，小雨、中雨和大雨溢流水量及污染物负荷削减量变化幅度不大，其中大雨条件下溢流水量削减量分别为4.06 万m3、2.10 万m3、1.59 万m3和7.25 万m3，TSS溢流负荷削减量分别为1.69 t、0.71 t、0. 43 t和2.99 t；但随着降水量的增加溢流水量与溢流污染物负荷的削减率均逐渐减小，其中大雨条件下4种方案溢流水量削减率分别为16%、8%、6%和28%，TSS溢流负荷削减率分别为18%、8%、5%和32%。可见“灰绿”协同措施对长历时降雨条件下溢流水量及溢流污染物负荷的削减效果较为明显，在中雨条件下溢流水量及TSS溢流负荷削减率分别达到57%与74%。