秦淮河流域典型排涝泵站前池水质与降雨特征响应关系

徐 荣,邓雅静,李一平,潘泓哲,刘 军,柏 松,商鹤琴,周玉璇,郑婉婷

(1.江苏省南京环境监测中心,江苏 南京 210041; 2.河海大学环境学院,江苏 南京 210098)

江苏地区由于地势低平及圩区的大量修建,雨天涝水大多只能通过管网、内河收集并储存在末端排涝泵站前池,达到防洪水位后开泵强排入河,因而泵站前池水质对河道水质有直接影响。同时,在采用合流制或存在雨污混接的分流制排水系统的地区,由于雨水和污水不能完全分开,造成污染程度较高的雨污混合污水进入泵站前池,排入受纳水体,导致城市水体“下雨就黑”“下雨就超标”[1-2],尤其是氨氮、溶解氧等指标[3-4],给城市水体中水质考核断面稳定达标及汛期污染防治工作带来了巨大挑战[5-6]。因此,掌握排涝泵站前池水质与降雨特征的响应关系,对制定兼顾水安全与水环境的泵站排水管理方案具有重要意义。目前国内外针对不同降雨特征下汇水区降雨径流水质变化情况已有较多研究,包括不同前期干旱时间[7]、不同降雨历时[8-9]、不同降雨强度[10]、不同降水量[11]带来的降雨径流水质差异化影响。此外,降雨特征对合流制管网溢流污水水质影响的研究也较为广泛,降雨特征的选取主要集中在降水量[12]、降雨强度[12-13]、前期干旱时间[14]等。而对于泵站水质的研究则主要从泵站放江污染特征的角度进行探讨[15],不同类型城市排涝泵站前池水质与降雨特征的响应关系研究还存在空白,需要进一步深入研究。

在雨污混接分流制区域中,排涝泵站前池收集了汇水区范围内的雨水、降雨径流、混错接污水和部分管道沉积物[15],其中降雨径流携带的污染物量与径流冲刷能力、雨前污染物累积量有关。同时,在降雨径流的冲刷作用下,管道沉积物会重新悬浮,前期沉积富集的大量有机物、营养盐随雨水排入泵站前池[14,16]。因此,不同降雨特征[17-18]和泵站汇水区特性均会对前池水质产生影响,亟需精准剖析不同影响因素交织作用下泵站前池水质的响应关系。为此,本文选取南京市秦淮河沿线2种典型排涝泵站(A泵站、B泵站),探究不同降雨强度和前期干旱时间下泵站前池水质变化特征,同时采用回归树分析方法,探讨排涝泵站前池水质的主要降雨特征影响因素,以期为城市排涝泵站排水管理与雨天出流污染控制提供科学决策依据。

1 研究区域和数据

1.1 区域概况

南京市属北亚热带季风气候区,年均降水量为1106.5mm,汛期(5—9月)雨量占全年总降水量的65%左右。本文选取的排涝泵站A和B分别位于南京市江宁区外秦淮河、秦淮新河岸边,上下游河道旁分布有多个排涝泵站,并设置有3个水质考核断面,泵站位置、汇水范围及现场情况如图1所示,详细信息见表1。

表1 排涝泵站详细信息Table 1 Details of drainage pumping stations

A泵站2022年之前,汇水区范围内的合流污水均被截流至A污水厂进行处理,由于A污水厂长期处于超负荷、高水位运行状态,汇水区范围内的大量合流污水容易漫溢至泵站前池入流河道,降雨时雨水和污水一起汇入泵站前池,超过泵站警戒水位后排入外秦淮河,因此将其视为晴雨天均有大量生活污水汇入的排涝泵站。B泵站前池入流处与汇水区内的雨污合流箱涵连通,前池四周也接有多个雨水排口,晴天时入流污水均被截流至泵站旁边的一体化污水处理设施进行处理(处理能力0.8万t/d),处理后尾水可达到地表水Ⅳ类标准并排入泵站前池蓄积,当降水量较大,上游箱涵入流来水超过前池截流设施截流能力时,部分合流污水便会溢流进入泵站前池(超过泵站警戒水位后排放进入秦淮新河),因此将B泵站视为主要接收降雨径流,但雨量大时有少量生活污水溢流汇入的排涝泵站。研究区域河道水质考核断面在降雨过后常出现水质下滑或短时超标现象,沿线排涝泵站的雨天出流排放是重要原因之一。

1.2 数据来源

A泵站和B泵站前池自2021年7月中旬起布设了微型水质自动监测站,检测指标包括常规五参数(水温、pH值、溶解氧、电导率、浊度)、氨氮和高锰酸盐指数(CODMn),监测频次为4h一次。同时,在B泵站内安装了1台自动雨量监测设备,监测频次为5min一次,强降雨时加密监测,由此获取长序列的降雨数据。

2 研究方法

利用泵站前池高频水质数据和长序列降雨数据,选取7场典型降雨事件和与之对应的泵站前池水质数据,通过Origin 2021作图比较A泵站、B泵站前池水质与降雨强度和前期干旱时间的响应规律,选取的场次降雨特征信息见表2。选取3 h作为场次降雨的最小间隔,且场次累计降水量大于1 mm为一次降雨事件[19]。南京市汛期为5—9月,降水主要集中在6—8月[20],本文涉及的7场降雨事件包括了小雨、中雨、大雨和暴雨4种雨型,可认为这7场降雨具有代表性和科学性。

表2 2021年7场降雨事件的特征信息Table 2 Characteristics of seven rainfall events in 2021

采用RStudio软件中的rpart包构建降雨特征参数(次降水量、前期干旱时间、最大降雨强度和平均降雨强度)和泵站前池水质的回归树模型。回归树是一种常用的机器学习算法,它通过不断地选择最优划分特征和划分点,将数据集划分成多个子集,然后在每个子集上继续构建子树,最终形成一个完整的回归树模型。为了避免过拟合,通过交叉验证的方法进行后剪枝,从而获得误差最小的树模型。其中A泵站前池水质的回归树分析仅使用了2021年的水质及降雨数据,共有63个样本,B泵站前池水质的回归树分析使用了2021年和2022年的水质及降雨数据,其中氨氮质量浓度共有113个样本,CODMn质量浓度共有116个样本。

3 结果与分析

3.1 降雨事件后排涝泵站前池水质变化特征

图2为2021年7—8月A泵站、B泵站前池的氨氮质量浓度、CODMn质量浓度及24h降水量的监测数据。降雨后A泵站和B泵站前池氨氮质量浓度和CODMn质量浓度都有明显的波动。A泵站在24h降水量大于50mm时,前池的氨氮质量浓度和CODMn质量浓度降低,24h降水量小于50mm时,前池的污染物质量浓度升高;B泵站前池的水质变化情况几乎与A泵站相反,此外B泵站前池的污染物浓度远低于A泵站。由于类型不同,有大量生活污水直接汇入的A泵站和有截流设施的B泵站前池水质变化和降雨的响应关系也有所不同;对于同一个泵站来说,不同场次降雨的降雨强度、前期干旱时间等特征也影响泵站前池水质变化。

图2 2021年7—8月降雨事件和排涝泵站前池水质变化Fig.2 Rainfall events and change of water quality in the front pond of drainage pumping station during July-August 2021

3.2 排涝泵站前池水质与降雨强度的关系

由于降雨时产生的地面冲刷、管道冲刷作用以及稀释作用的影响,泵站前池水质在不同等级降雨强度下变化情况不同。针对A泵站和B泵站分别选取3场降雨进行降雨强度和泵站前池水质响应关系分析,A泵站选取的降雨事件序号为1、2、7,B泵站选取的降雨事件序号为5、2、4(按大、中、小雨强排序)。

由图3可知,A泵站大雨强下前池污染物质量浓度呈下降趋势,氨氮和CODMn质量浓度分别降低了8.6mg/L和2.1mg/L,降雨结束24h后氨氮和CODMn质量浓度逐渐上升;中雨强下泵站前池污染物质量浓度呈先升高后降低趋势,氨氮和CODMn质量浓度分别升高了4.9mg/L和4.2mg/L,水质峰值比降雨强度峰值滞后3h;小雨强下泵站前池水质呈平缓上升趋势,氨氮和CODMn质量浓度分别在达到15.6mg/L和9.0mg/L后基本稳定,水质峰值比降雨强度峰值滞后13h,泵站前池水质在大、中、小雨强下均为劣Ⅴ类。B泵站大雨强下前池污染物浓度急剧上升,氨氮和CODMn质量浓度分别升高了4.3mg/L和1.9mg/L,水质峰值比降雨强度峰值滞后4～20h,降雨结束12h后泵站前池污染物质量浓度逐渐降低并达到稳定;中雨强下泵站前池污染物质量浓度呈下降趋势,氨氮和CODMn质量浓度分别降低了3.3mg/L和2.0mg/L,降雨结束后水质达到稳定;小雨强下泵站前池污染物质量浓度有略微下降的现象,但总体变化不明显,水质保持在Ⅲ类和Ⅳ类。

图3 排涝泵站前池水质与降雨强度响应关系Fig.3 Relationship between water quality in the front pond of drainage pumping station and rainfall intensity

对比分析A泵站和B泵站,发现大雨强和中雨强条件下两泵站前池的水质变化呈现截然相反的现象。对于A泵站,大雨强虽然会将大量下垫面污染物和管道沉积物冲刷进泵站前池,但由于汇入泵站的水量在短时间内迅速增加,并且A泵站前池水质初始浓度较高,更容易受到雨水稀释作用的影响[13],从而导致泵站前池污染物质量浓度下降,之后由于生活污水的汇入污染物质量浓度又逐渐上升。而前期水质较好的B泵站则更容易受到大雨强下强烈的下垫面冲刷[8]、管道沉积物冲刷[21]和生活污水直接汇入的影响,进而导致泵站前池污染物浓度升高。中雨强条件下,A泵站降雨前期下垫面冲刷和管道冲刷作用占优,泵站前池污染物浓度增加;降雨后期,冲刷作用带来的污染物减少,泵站前池污染物质量浓度逐渐降低并达到稳定。而B泵站在中雨强下前池污染物质量浓度下降,是因为生活污水和部分初期雨水被截留处理,进入泵站前池的径流雨水中携带的下垫面和管道冲刷污染物减少,并且降雨对泵站前池内的污染物具有稀释作用。小雨强下,地表径流缓慢甚至不形成地表径流[17],管道沉积物的冲刷作用也不够显著[21],因此A泵站前池污染物质量浓度随着雨水和污水的汇入而逐渐上升并稳定,B泵站无污水汇入,泵站前池水质不会发生明显变化。

此外,已有研究表明合流制管网溢流污水的污染物波峰比降雨强度峰值滞后10～45min[13],然而降雨形成地表径流进入管网再汇入泵站前池需要一定的时间,因此A泵站前池水质峰值滞后于降雨强度峰值3～13h,相比于合流制管网末端排口滞后时间更长。

3.3 排涝泵站前池水质与前期干旱时间的关系

图4为不同前期干旱时间下,雨后一周内A泵站和B泵站前池污染物质量浓度的变化情况。3种前期干旱时间分别为连续降雨、前期干旱2d和前期干旱6d,对应的降雨事件序号为6、3、5。3场降雨事件的次降水量均在35～45mm之间,两排涝泵站均有生活污水溢流汇入,最大程度减少其他因素的干扰,只考虑前期干旱时间对泵站前池水质的影响。

图4 不同前期干旱时间下排涝泵站前池水质的变化Fig.4 Change of water quality in the front pond of drainage pumping station under different previous drought duration

由图4可知,A泵站作为晴雨天均有生活污水汇入的排涝泵站,泵站前池氨氮和CODMn质量浓度在雨后1周内总体呈升高趋势;B泵站由于汇入了超量的溢流生活污水,泵站前池氨氮和CODMn质量浓度在雨后1周内先上升后逐渐降低。连续降雨时A泵站和B泵站前池污染物质量浓度变化最为明显,这是因为A泵站在前期受到雨水的稀释作用,前池污染物质量浓度处于偏低状态,后期雨量渐小,生活污水的汇入使A泵站前池污染物质量浓度逐渐回升;而B泵站前池由于连续受到下垫面和管道冲刷效应影响,且超量的生活污水持续溢流进入泵站前池,从而导致B泵站前池污染物质量浓度在降雨前期持续上升,后期降水量逐渐减少,生活污水被截流处理、冲刷效应减弱,污染物质量浓度迅速降低。

前期干旱时间为6d时,雨后1周内A泵站和B泵站前池氨氮和CODMn质量浓度基本高于前期干旱时间为2d时的质量浓度,这是因为在生活污水汇入量一定时,前期干旱时间越长,下垫面污染物和管道沉积物累积程度越高,降雨时冲刷进入泵站前池的污染物量也随之增加。这与方燕等[22]关于不同降雨间歇期下雨污混接分流制区域河道水质的变化研究结论相同,连续降雨天气和长降雨间歇期导致雨后河水污染物质量浓度变化较大,泵站前池水质也呈现同样的变化特征。

总体来说,前期干旱时间可以用来表征雨前污染物的累积程度,前期干旱时间越长,污染物累积程度越高,并且主要体现在下垫面和管道沉积物的冲刷效应上,从而影响泵站前池水质。连续降雨天气下,降雨冲刷下垫面和径流冲刷管道沉积物的现象不间断导致泵站前池水质受影响程度累加,但冲刷效应在后期逐渐减弱,对泵站前池水质的影响也不再显著。

3.4 排涝泵站前池水质影响因素综合判别

3.4.1 A泵站前池水质影响因素剖分

如图5所示,回归树得出了2个A泵站前池氨氮质量浓度的主要影响因素,分别是平均降雨强度和次降水量,不同影响因素下泵站前池污染物质量浓度范围见表3。A泵站前池氨氮质量浓度主要受到平均降雨强度的影响,当平均降雨强度大于或等于30.345mm/h时,短时间内有大量雨水汇入,稀释占主导作用,平均降雨强度越大,泵站前池氨氮质量浓度越小。平均降雨强度小于30.345mm/h时,下垫面和管网的冲刷作用对泵站前池水质产生更多影响,且次降水量越大,泵站前池氨氮质量浓度越大。

表3 A泵站前池在不同影响因素下的污染物质量浓度Table 3 Pollutant concentration in the front pond of drainage pumping station A under different factors

图5 A泵站前池氨氮质量浓度的回归树分析(样本数n=63)Fig.5 Regression tree analysis of ammonia nitrogen concentration in the front pond of drainage pumping station A (n=63)

如图6所示,A泵站前池CODMn质量浓度的影响因素有4个,分别是最大降雨强度、平均降雨强度、前期干旱时间和次降水量,不同影响因素下泵站前池污染物质量浓度范围见表3。当最大降雨强度大于或等于6.77mm/h时,前期干旱时间是泵站前池CODMn质量浓度的主要影响因素,CODMn质量浓度均值范围为7.5～9.6mg/L,前期干旱时间小于2d时泵站前池CODMn质量浓度平均值更高,是因为短时间内频繁降水时的降水量较少,对生活污水的稀释作用较弱。

图6 A泵站前池CODMn质量浓度的回归树分析(n=63)Fig.6 Regression tree analysis of CODMn concentration in the front pond of drainage pumping station A (n=63)

3.4.2 B泵站前池水质影响因素剖分

和A泵站不同的是,次降水量、前期干旱时间、最大降雨强度和平均降雨强度是B泵站前池氨氮浓度的主要影响因素,不同影响因素下泵站前池污染物质量浓度范围见表4。如图7所示,在次降水量小于6.48mm条件下,前期干旱时间是B泵站前池氨氮质量浓度的主要影响因素,前期干旱时间小于1.5d时,泵站前池水质受上一场降雨的累加影响,氨氮质量浓度较高。当次降水量大于或等于6.48mm时,最大降雨强度为泵站前池氨氮质量浓度的首要影响因素,最大降雨强度大于或等于5.825mm/h时,随着平均降雨强度的增加,降雨的稀释作用占优,泵站前池氨氮质量浓度降低,平均值为0.9mg/L;最大降雨强度小于5.825mm/h时,降雨对下垫面和管道沉积物的冲刷作用最明显,氨氮质量浓度最高,平均值为4.5mg/L。

表4 B泵站前池在不同影响因素下的污染物质量浓度Table 4 Pollutant concentration in the front pond of drainage pumping station B under different factors

图7 B泵站前池氨氮质量浓度的回归树分析(n=113)Fig.7 Regression tree analysis of ammonia nitrogen concentration in the front pond of drainage pumping station B (n=113)

B泵站前池CODMn质量浓度的影响因素有3个,分别是平均降雨强度、前期干旱时间和次降水量,不同影响因素下泵站前池污染物质量浓度范围见表4。如图8所示,在平均降雨强度大于或等于0.48mm/h条件下,前期干旱时间是泵站前池CODMn质量浓度的主要影响因素,前期干旱时间小于17.5 d时,次降水量对CODMn的影响较小;前期干旱时间大于或等于17.5 d时,CODMn质量浓度均值为8.2mg/L,前期干旱时间越长,污染物累积程度越高,被冲刷进入泵站前池的污染物量也越多。

3.4.3 排涝泵站前池水质影响因素与出流污染控制方式探讨

在已有研究中,Perera等[11]研究认为前期干旱时间、平均降雨强度和降雨事件前的流量是影响合流制溢流污水最大CODMn质量浓度的3个主要因素。李哲等[17]发现次降水量是影响径流冲刷能力的主要因素,而降雨强度是相对次要因素。以上影响因素及其重要性程度与本研究所得结论较为一致,表明本研究中排涝泵站的前池收水与合流制排水系统末端出流具有一定相似性。

对比A泵站和B泵站前池氨氮和CODMn质量浓度的回归树分析结果,A泵站由于始终存在大量生活污水汇入,降雨强度和次降水量是泵站前池水质的主要影响因素,说明降雨导致的冲刷作用和稀释作用均对泵站前池水质波动有较为明显的影响。尽管在雨强较大时稀释作用会导致泵站前池污染物浓度的下降,但同时期汇入前池的污染负荷也会显著增加,排入受纳水体后仍然会对河道水质造成较大影响[23]。

B泵站前池水质的主要影响因素是次降水量、前期干旱时间和降雨强度,说明B泵站汇水范围内的下垫面及管道污染物累积程度对泵站前池水质也有影响,也表明对于B泵站这种以接收雨水径流为主的泵站,降雨冲刷作用对前池水质的影响大于稀释作用[24]。但当降水量大于泵站前池一体化处理设施的截流处理能力时,雨污混流的入流污水仍然是导致泵站前池污染物质量浓度上升的重要原因。

进一步分析泵站前池氨氮和CODMn质量浓度的影响因素,发现排涝泵站A和B前池CODMn质量浓度与降雨的响应规律相似,相比于氨氮质量浓度,CODMn质量浓度受降雨强度和前期干旱时间的影响更为明显。这是因为下垫面污染物中的COD主要赋存于颗粒物中并随径流迁移[25],同时Yu等[26]对合流制管道中的沉积物检测发现合流制排水系统的颗粒态COD负荷大于溶解态COD负荷,因此当降雨强度越大、前期干旱时间越长时,下垫面和管道沉积物中积累的颗粒物更易被冲刷进入泵站前池,颗粒物中赋存的COD量也更多。

现状城市排涝泵站的调度管理中,由于对泵站前池水质影响因素作用机制及影响因素了解的缺失,难以根据降雨条件预判并科学制定管理调控方案,降雨发生后,河道水质下滑超标现象仍然较为突出[27]。针对A泵站这类晴雨天均存在生活污水汇入的排涝泵站,首要任务是对入流污水进行有效截流、处理,并通过系统调蓄[28]、调峰填谷等措施降低汇水区内排水系统运行水位[29],提升排水系统韧性,避免晴天生活污水汇入并尽量减少小、中雨条件下混流雨污水的入流量[30]。针对B泵站这类以接收雨水径流为主、间断性存在生活污水汇入的泵站,应合理利用前池调蓄能力,在降雨来临前开泵预降水位,增大降雨期间的混流污水截流量。同时,在条件允许情况下,增大前池入流污水一体化设施的处理能力与应急调蓄能力,尽可能减少雨天污水溢流进入泵站前池并排放至受纳水体现象的发生[31]。

4 结 论

a.不同降雨强度下不同类型排涝泵站前池水质变化规律不同。晴雨天均有生活污水汇入的A泵站前池氨氮和CODMn质量浓度在大雨强下分别降低8.6mg/L和2.1mg/L,在中雨强下先升高后降低,在小雨强下先平缓上升后基本不变,泵站前池水质在大、中、小雨强下均为劣Ⅴ类;主要接收降雨径流但雨量大时有生活污水溢流汇入的B泵站前池氨氮和CODMn质量浓度在大雨强下先升高后逐渐降低,在中雨强下分别降低了3.3mg/L和2.0mg/L,在小雨强下变化不大,水质保持在Ⅲ类、Ⅳ类。

b.不同前期干旱时间下排涝泵站前池水质变化规律不同。连续降雨天气使雨后泵站前池氨氮和CODMn质量浓度波动变化较大,前期干旱时间越长,降雨发生后泵站前池水质越差。晴雨天均有生活污水汇入的泵站前池污染物质量浓度在雨后一周内总体呈升高趋势,主要接收降雨径流但雨量大时有生活污水溢流汇入的泵站前池污染物质量浓度在雨后一周内呈先上升后逐渐降低的趋势。

c.不同类型排涝泵站前池水质影响因素不同。晴雨天均有生活污水汇入的泵站前池水质主要受降雨强度和次降水量影响,主要接收降雨径流但雨量大时有生活污水溢流汇入的泵站前池水质主要受次降水量、前期干旱时间和降雨强度影响。

d.针对晴雨天均存在生活污水混入的排涝泵站,污水截流、降低管网系统运行水位是改善前池水质最首要的任务;针对以接收雨水径流为主、间断性存在生活污水汇入的排涝泵站,合理调蓄、预降水位、增大入流污水处理调蓄能力,是避免溢流现象发生、提升前池水质的重要措施。