银川市某高密度城区合流制溢流污染特性研究

2022-12-18银雅伦侯精明李东来栾广学李欣怡

水资源与水工程学报 2022年6期

银雅伦，侯精明，杨露，李东来，栾广学，李欣怡，樊超，屈蕴

(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)

1 研究背景

随着我国城市化的快速发展，城市下垫面发生了变化，越来越多不透水道路和建筑代替了原本以植被为主的地面、农田、水域等，导致城市内涝频发，从而引发了合流制溢流等城市水环境问题，严重影响了城市水体质量。虽然我国在城市水环境治理方面已进行了大量工作[1-2]，目前城市点源污染已经得到了较好的控制，但由于地理、历史、经济等因素的制约，部分城市管网排水系统落后于城市发展20年左右[3-4]，较多城市目前仍采用合流制管网系统承担生活污水及雨水的收集、输送、排放等任务，在雨季极易发生溢流，造成受纳水体出现黑臭现象[5-6]。掌握合流制溢流污染特性，对溢流污染及黑臭水体治理方案的规划实施具有重要作用[7-9]。

目前国内很多专家学者在合流制溢流方面做了大量研究，边兆生等[10]及詹志威等[11]分别以长沙市小西门排渍泵站服务片区和武汉市巡司河片区为例，探究了研究区域雨季溢流污染情况并针对性地提出了治理方案；王婷婷等[12]以镇江市运粮河为例，探讨了合流制溢流控制的指标和标准；王君等[13]通过对美国纽约控制合流制溢流污染的发展过程进行分析，提出了我国开展合流制溢流污染控制方面可借鉴的方法；周杨军等[14]对合流制排水系统自身存在的问题进行了分析，提出关于合流制排水系统提质增效的意见；海永龙等[15]以北运河沙河水库区域为例，采用条件回归树方法分析了影响合流制管网溢流污染的主要降雨因素；周美成等[16]通过采集检验苏南某市老城区排水系统溢流口的溢流出水，探究了该市不同降雨强度下的合流制管网溢流污染特性；李捷等[17]通过分析广州城区降雨的初期冲刷效应，对广州市上西关涌调蓄池的环境效能进行了评估，以期为广州市合流制溢流污染的控制、研究等提供借鉴。

不同区域的溢流污染特性各不相同，因地制宜地对合流制溢流污染进行研究，了解其溢流特性，可为溢流污染防治方案的制订及水环境工程措施的建设提供重要依据。故本研究以银川市第一污水处理厂片区为例，通过构建雨洪管理模型(storm water management model, SWMM)，模拟分析第一污水处理厂厂前溢流排口在设计重现期和典型年长历时降雨条件下合流制管网系统的溢流污染特性，以期为银川市第一污水处理厂片区黑臭水体治理及管网整治提供数据支撑。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

银川市是西北地区重要的中心城市，地处温带大陆性气候带，四季分明，昼夜温差大，雨雪稀少，蒸发强烈，气候干燥。银川市城区以污水厂服务范围区域划分为六大排水系统，其中第一污水处理厂排水系统位于兴庆区，主要以合流制管网为主，存在一个溢流排口，位于第一污水处理厂前，服务面积为20.46 km2，该区域为高密度城区，不透水面积比例较高，其主要排水沟道为城市第四排水沟，城市第四排水沟总长度为7.2 km，主要接纳第一污水处理厂尾水负荷及雨季厂前溢流负荷，城市第四排水沟原本水质较差，目前已出现部分黑臭现象并最终汇入银新干沟。研究区域管网布置如图1所示。

图1 研究区域合流制管网布置图

2.2 数据来源

2.2.1 降雨数据

(1)设计重现期降雨。本文选取0.5、1、2、3、5、10、20、30、50 a共9个重现期降雨进行模拟分析，银川市暴雨强度公式如下：

(1)

式中：q为设计暴雨强度，mm/h；p为暴雨重现期，a；t为暴雨历时，min。各重现期120 min的设计降雨雨型如图2所示。

图2 银川市各重现期120 min设计降雨雨型

(2)典型年长历时降雨。银川市降雨较少，且降雨是引起城市合流制溢流污染的重要因素之一，故模拟降雨数据的合理选取可提高研究区域溢流污染特性研究的可信度。经统计分析银川市气象局1990-2020年共31 a的日均降雨数据得到多年平均降雨量为199.54 mm，其中，1991年降雨量为194.60 mm，与银川市城区多年平均降雨量最为接近，故将1991年选作典型年，对全年降雨情况下的合流制溢流排口的溢流情况进行模拟分析。1991年银川市城区日降雨量分布如表1所示。

由于降雨数据为日降雨总量，为研究日降雨对城区合流制管网溢流量及污染物溢流情况的影响，需要获取更为精确的降雨数据。雨型能反映降雨过程中雨量随时间分配的特征，利用同频率法得到银川市24 h长历时设计降雨雨型，再将日降雨量数据分配至每1 h，得到更为精确的日降雨过程。根据同频率法得到的银川市24 h长历时设计降雨雨型分配如表2所示。

表1 典型年1991年银川市城区日降雨量分布

表2 银川市24 h长历时设计降雨雨型分配

2.2.2 污染物数据

(1)天然雨水污染物初始浓度。本次考虑TSS、COD、TP和TN共4种常规污染物作为研究对象[18-20]。天然雨水中的污染物浓度通常综合考虑SWMM模型用户手册及相关文献并由实测资料进行取值。由于银川市常年降雨较少，无法获得实测降雨条件下的污染物浓度，因此，本文参考SWMM模型用户手册及相关文献[21-23]，同时参照邻近地区的参数取值，得到天然雨水中TSS、 COD、TP、TN的初始浓度分别为50、10、0.9、6.6 mg/L。

(2)基础生活污水流量及污染物浓度。在合流制排水系统中，基础生活污水及旱季管道沉积污染物是导致溢流污染物浓度较大的主要原因，因此基础生活污水在SWMM水质模型建立中不可忽略。本文根据银川市第一污水处理厂2019-2020年日进污量和日进污水质指标数据，统计出旱季(无雨日)天数共658 d，此时的进污情况不受降雨的影响，更接近生活污水的真实情况。根据旱季的日进污数据统计出研究区域污水处理厂年均进污量与各污染物浓度值。将污水处理厂的年进污量与该片区汇入合流制管网的子汇水面积之和相比，得到旱季单位面积基础生活污水流量[24]。经计算得出旱季单位面积进污流量为0.33 L/s，TSS、COD、TP和TN的水质进水平均浓度分别为275.09、425.52、6.39和25.52 mg/L。

2.3 研究方法

采用SWMM水质模型对研究区域合流制管网厂前溢流情况进行模拟。SWMM模型是由美国环境保护署主持开发的城市雨洪管理模型，被广泛应用于城市合流制管网的研究中。该模型主要包括地表产流、地表汇流、管网汇流和水质模拟4个方面。其中，地表产流和地表汇流主要是依靠划分子汇水分区、建立节点与管线之间的联系来模拟产汇流过程；管网汇流是根据求解圣维南方程来模拟水流在管道中的流动；水质模拟是通过建立累积冲刷模型来模拟污染物在地表的累积及在降雨条件下的冲刷过程。

根据研究区域的卫星影像图划分子汇水区，并根据银川市管网布置图将第一污水处理厂片区管网概化为5 990个节点及3 953根主管道，总管道长度为134.35 km。管网概化结果如图3所示。子汇水区及管网概化涉及的参数依照实际情况和SWMM模型用户手册进行取值。

SWMM模型在水质模拟方面提供了4种污染物累积模型[25-27]，即线性累积、幂函数累积、指数累积和饱和累积。根据国内外研究经验，本文选取饱和函数累积模型模拟研究区域地面污染物的累积情况，需要确定的参数有最大累积量和半饱和累积时间两种。地表污染物的冲刷过程采用指数冲刷函数模型进行模拟，需要输入的参数有冲刷指数和冲刷系数。根据相关参考文献[28]～[30]确定这些参数的取值，各参数取值见表3所示。根据研究区域的土地利用情况，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。

图3 研究区域合流制管网概化图

表3 SWMM模型污染物参数取值表

2.4 模型验证

由于无实测污水处理厂进水流量过程线，无法对SWMM模型参数的选取进行验证，但是水质以水量为载体，若能精准模拟水在管道内流动的水动力过程，则也能说明水质模拟的准确性。因此本次研究通过对比实际与模拟积涝点情况来验证管网水动力参数的选取是否合理。为更加准确地描述地表积涝情况，使其不受地表外围客水影响，且充分考虑地表水流与地下管道水流的交换问题，在进行模型验证时，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，以此验证管网水动力参数选取的准确性[24]。积涝点选取上海路与北塔巷交叉口，积水面积和积水深度的模拟结果及其与实际值的对比如表4和图4所示。

由表4可见，上海路与北塔巷交叉口积水面积和积水深度的模拟值与实测值的相对误差分别为3.5%和5.2%，表明在已选取的参数条件下模型模拟结果与实测结果相比虽有一定的误差，但相对误差均在6%以内，管网模型参数选取合理。

表4 上海路与北塔巷交叉口积涝状况模拟值与实测值对比

图4 上海路与北塔巷交叉口区域积涝状况模拟结果

3 结果与分析

分别对短历时重现期设计降雨和典型年长历时降雨条件下的银川市第一污水处理厂片区溢流排口溢流情况进行模拟分析。

3.1 短历时设计降雨模拟结果与分析

降雨重现期分别为0.5、1、2、3、5、10、20、30和50 a时，溢流水量和溢流污染物负荷量及其在不同重现期下的变化规律如图5所示。

图5 不同降雨重现期下溢流水量及污染物负荷量变化趋势

由图5可见，重现期为1年一遇时开始发生溢流，溢流水量及溢流污染物负荷量均随着重现期的增加而增大，其中重现期为1年一遇情况下的溢流水量和TSS、COD、TP、TN溢流负荷量分别为0.314×104、0.412、0.576、0.155和0.051 t，50年一遇情况下的溢流水量和TSS、COD、TP、TN溢流负荷量达到了8.408×104、5.114、3.824、0.252和0.599 t。主要由于小重现期情况下，污水处理厂容量未达到饱和状态，故可容纳处理所有或大部分合流管道的污水，不需要关闭厂前阀门，溢流排口溢流水量及污染物负荷量相对较小。随着设计降雨重现期的增加，降雨总量增大，地表水排入合流管道后进入污水处理厂，由于水量较大，污水处理厂在降雨结束之前即达到饱和状态，此时必须关闭厂前阀门，厂前水头增大，合流管道污水通过厂前溢流排口溢流，随后进入受纳水体，从而也造成了城市水体的严重污染。

3.2 典型年溢流模拟结果与分析

典型年1991年39场次(表1)长历时降雨条件下的合流制溢流模拟结果如图6所示，根据图6统计分析第一污水处理厂片区溢流排口的溢流水量及污染物负荷量对长历时降雨条件的响应关系。

由图6可见，典型年39场次降雨条件下，共有7场次降雨发生溢流。当24 h降雨量小于9.4 mm时，研究区域无溢流发生；当降雨量达到9.4 mm时开始发生厂前溢流，溢流水量和TSS、COD、TP、TN溢流负荷量分别为0.056×104、0.051、0.070、0.001和0.005 t，主要是由于污水处理厂在当前降雨条件下达到容量饱和状态，需要通过厂前溢流排口排出从而缓解污水处理厂的压力，随着降雨量的增大，厂前溢流排口的溢流水量及污染物负荷量也随之增大；当降雨量为40.6 mm时(39场次中最大日降雨量)，溢流水量及TSS、COD、TP、TN溢流负荷量达到了26.017×104、17.054、13.959、0.366和1.933 t。与重现期降雨条件下的溢流规律相似，主要是由于污水处理厂在短时间内存储和处理污水的能力有限，故容量饱和后需要关闭进水阀门，将后续合流管道来水量通过溢流排口排至受纳水体。

典型年全年共产生溢流水量51.47×104t、TSS溢流负荷量41.209 t、COD溢流负荷量44.406 t、TP溢流负荷量0.951 t、TN溢流负荷量4.357 t，均排入受纳水体，即城市第四排水沟，从而对其水体水质造成了严重影响，在雨天会出现黑臭现象。

3.3 不同降雨条件下受纳水体水质分析

城市第四排水沟作为第一污水处理厂的受纳水体，在接收雨天溢流排口溢流负荷的同时，也承担着第一污水处理厂的尾水负荷。污水处理厂的尾水负荷一般满足国家规定的地表水质标准，对受纳水体具有补水效果，可辅助水体水质消除黑臭。雨天溢流污染物浓度较大，且具有短历时、高排量的特点。本文对水体水质变化情况的模拟计算采用二维稳态水质模型，对重现期降雨及典型年最大日降雨量降雨进行模拟计算分析。

二维稳态水质模型方程如下：

(2)

式中：C(x,y)为排污口污染物浓度，mg/L；x为计算点距排污口所在岸边的纵向距离，m；y为计算点距排污口所在岸边的横向距离，m；B为河道宽度，m；H为河道平均水深，m；u为河道水流流速，m/s；Ch为排污口上游污染物浓度，mg/L；Cp为排污口废水污染物浓度，mg/L；Qp为排污口废水排放量，m3/s；My为横向扩散系数，m2/s；K1为水质降解系数，d-1。

方程式(2)中的参数依照实际情况及相关文献进行取值[31-32]，模型各参数值如表5所示。

图6 典型年(1991年)溢流水量及溢流污染物负荷量对降雨量的响应关系

表5 二维稳态水质模型参数取值

由二维稳态水质模型模拟出受纳水体水质在发生溢流后3 d内的变化情况，结果见图7。由图7可以看出，降雨量越大，则河道水质越差。随着时间的推移，受纳水体的污染物浓度逐渐降低。其中在50年一遇条件下(图7(d))，合流制溢流TSS、COD、TP、TN断面浓度3 d内分别从128.023 mg/L削减至75.846 mg/L、从191.821 mg/L削减至113.642 mg/L、从3.121 mg/L削减至1.849 mg/L、从11.861 mg/L削减至7.027 mg/L；典型年单日最大降雨条件下(图7(e))，TSS、COD、TP、TN断面浓度3 d内分别从127.495 mg/L削减至75.533mg/L、从190.877 mg/L削减至113.083 mg/L、从3.105 mg/L削减至1.839 mg/L、从11.813 mg/L削减至6.998 mg/L。这是由于河道自身具有一定的净化能力，且污水处理厂的尾水对河道的补水也对其水体水质具有一定的稀释效果。但由于溢流污染较为严重，故降雨溢流发生3 d后，河道水体水质仍远超国家标定的底边Ⅴ类水质标准，水体具有出现黑臭现象的风险。

4 讨论

本文通过SWMM水质模型对银川市第一污水处理厂片区合流制管网厂前溢流情况进行模拟，并探究不同降雨条件下合流制管网所产生的溢流污染负荷在3 d内对受纳水体水质产生的影响。模拟结果表明，雨天，合流制管网的溢流量和溢流污染负荷量较大，且无论是短历时降雨还是长历时降雨条件下，溢流污染负荷都具有随着降雨量的增加而增大的特点，这与张湖川[33]对合流制管网溢流规律的研究结果一致。尽管研究区域年降雨天数及降雨量较少，但污水处理厂厂前溢流产生的污染浓度较大，具有短历时、高排量的特性，受纳水体接纳的污染负荷超过其自身的净化能力以及污水处理厂尾水对其水质的净化效果，水体污染严重，这与程鹏等[34]对深圳河湾流域溢流污染规律的研究结果相符。雨季，不仅合流制管网溢流会对城市水环境造成严重影响，而且由于污水处理厂处理污水的能力有限而导致的厂前溢流对城市水环境以及受纳水体的影响也同样不能忽略。

综上所述，雨天，银川市第一污水处理厂片区合流制管网溢流量及溢流污染负荷量对该片区受纳水体的影响较大，致使其有发生水体黑臭的风险，且溢流发生后，受纳水体在短期内无法达到国家标定的底标水质，因此应采取相应的措施，如建设CSO(combined sewer overflow)调蓄池、修建雨水花园、绿色屋顶、植草沟等绿色基础设施[11]，缓解合流制管网溢流对城市水环境造成的不良影响。