调蓄池综合环境效益评估指标体系构建与应用

黄雅丽 朱一松# 徐 浩 侯志强 商放泽 史运通 刘炳义 方 敏

(1.武汉大学水利水电学院,湖北 武汉 430072;2.中电建生态环境集团有限公司,广东 深圳 518102;3.中国电建市政建设集团有限公司,天津 300384)

自2015年我国出台《水污染防治行动计划》(简称“水十条”)后,以深圳市为代表的国内各大城市纷纷开展水环境治理。随着市政管网和污水处理厂建设逐步完善,城市点源污染对河流、湖泊等天然水体的水质影响日益得到控制,因而降雨初期径流冲刷形成的径流污染[1]和雨污合流导致的溢流污染[2]逐渐成为影响水质的主要因素。目前,城市排水系统通常采用调蓄池来暂存降雨径流和雨污溢流,待降雨过后污水处理厂空闲时再进行处理,有效解决了雨污水量高峰时的处理问题[3-5],对城市的雨污水环境质量改善、防洪排涝安全提升[6-7]都发挥了重要作用。

但是,由于我国对调蓄池的研究、建设与运用起步较晚,目前实践经验还不足,因此常常出现调蓄池容量设计不合理、雨污水截流效率不高等问题。要想及时发现与解决调蓄池设计、运行中的问题,提高运行效能,客观、准确地对其评估必不可少。近年来,有学者对调蓄池的评估方法进行了探索[8-10],但仍存在指标数据难以获取、缺乏具体应用验证等问题,也没能统筹考虑调蓄池与排水管网、污水处理厂以及周边环境的关系。深圳市是“水十条”后的“治水先驱”,近年规划建设了一批调蓄池,管网和污水处理厂同步建设完善,尤其是龙岗区丁山河流域的调蓄池收水范围涵盖工业区、居住区、商业区等不同功能区类型,监测数据采集完备,是调蓄池建设中的典型。

因此,本研究综合考虑调蓄池在面源污染控制、防洪排涝控制、城市水环境安全提升等方面的作用,构建了一套考虑整个城市排水系统的调蓄池综合环境效益评估指标体系,并用于已建成运行的深圳市龙岗区丁山河流域调蓄池,为调蓄池设计和运行提供评估工具。

1 评估指标体系构建

1.1 构建原则

(1) 全面性。全面性是指能够全面反映调蓄池所在的排水系统运行效益。在构建调蓄池综合环境效益评估的指标体系时,需考虑调蓄池的多方面作用,使指标体系尽可能涵盖调蓄池发挥面源污染控制、防洪排涝控制、城市水环境安全提升等多方面的作用,并对指标体系进行分类、分层,同时要避免指标冗杂[11]。

(2) 真实性。真实性是指指标应科学、真实、有效,与调蓄池实际运行密切相关。如针对调蓄池面源污染控制的评估,应选择能真实反映污染控制效果的污染物负荷削减量作为指标;针对防洪排涝控制的评估,应选择可直接反映调蓄池运行过程中防洪排涝能力的径流削减量、溢流削减量等作为指标。

(3) 可行性。为使评估体系能够广泛应用,评估指标应简便可行,尽可能少受地域差异限制,所以宜取易于监测、计算的可直接表征的指标,以使得指标体系的口径统一。

(4) 动态性。调蓄池运行过程中可能发生工况改变、设备磨损老化、污染强度变化等问题,若变化较大,则原有的指标体系可能不再适用。因此,应设置灵活的指标体系结构,以便于后期对指标结构和内容进行新增、删除、修改等动态操作。

1.2 指标体系内容

考虑到调蓄池的面源污染控制、防洪排涝控制、城市水环境安全提升等多方面的作用,结合1.1节的构建原则,在实际评估工作中可从污染减排指标、排涝能力指标、截流能力指标、利用效率指标和综合感官指标5大方面构建指标体系。

本研究在文献[8]、[9]、[10]、[12]构建指标体系的基础上进行指标完善和扩充。在污染减排指标方面,本研究将污染负荷削减量细化为溢流污染负荷削减量和入河污染负荷削减量,增加调蓄池对污水处理厂进水水量和污染负荷的削减评估。在排涝能力指标方面,关注到了受纳水体的径流量差异,新增了与调蓄池紧密关联的排水管网满管及其内部节点冒溢状态方面的指标。在截流能力指标方面,将截流效率细化为截流水量、截流倍数和污染物截流比3个具体指标。在利用效率指标方面,主要是沿用了进水水力负荷、容积利用效率、年调蓄总水量、年调蓄污染物总量等指标。综合感官指标是本研究新增的指标方面,用以评估调蓄池运行对周边环境的影响。所选指标均较易获取、计算简便。

综上所述,本研究构建的体系包含5大类20个指标,具体如表1所示。

表1 调蓄池综合环境效益评估指标体系Table 1 The comprehensive environmental benefit assessment index system for detention tank

1.3 核心指标及其权重

为提高评估效率、减少评估成本,在考虑数据可得性的基础上,评估对象应因地制宜地选用适当的指标作为核心指标,对指定工况下的面源污染控制、防洪排涝控制、城市水环境安全等方面进行针对性地评价。

同时,为对核心指标的重要程度进行量化,需要对所选核心指标赋予权重。合理赋权对评估结果有较大影响,常用的指标赋权方法有专家调查法、变异参数法、TOPSIS法、层次分析法等。

2 评估指标体系应用

深圳市龙岗区丁山河流域的调蓄池收水范围涵盖不同功能区类型,而且水质、水量等监测设备齐全。本研究利用调蓄池设计资料和现场调研资料作为指标数据来源,筛选核心指标并赋予权重,采用模拟计算功能强、适用性广、在世界各地被广泛应用的暴雨管理模型(SWMM)[13-16]对丁山河流域调蓄池进行综合环境效益评估。

2.1 核心指标筛选及权重赋予

通过对丁山河流域调蓄池设计资料和现场调研资料的收集,确定入河污染负荷削减量、入河径流削减量、截流水量、容积利用效率4个指标为核心指标。

采用专家调查法与层次分析法相结合对核心指标赋权。首先依据该调蓄池历史运行记录评估调蓄池并对各核心指标初步赋权,然后邀请专家商讨权重并提出优化建议,从而获得各核心指标的最终权重。为使各指标能够互相比较,入河污染负荷削减量、入河径流削减量转化成为无量纲的削减百分比,考虑到截流水量削减百分比与容积利用效率有共线性,因此舍弃截流水量这个指标。综上所述,所得核心指标为入河污染负荷削减量、入河径流削减量、容积利用效率的权重分别为0.4、0.4、0.2。

2.2 应用效果

根据深圳市多年降雨量统计,设计小、中、大3种降雨量,分别为10.07、25.01、50.61 mm,同时根据2021年2月10日典型降雨过程实测降雨量为37.90 mm,模拟了3种设计降雨量和1种实测降雨量下的应用效果。由于深圳市降雨雨型以前部单峰为主[17],符合芝加哥雨型,故采用芝加哥雨型模拟降雨过程。

2.2.1 入河污染负荷削减量评估

在不同降雨量工况下,计算丁山河流域有调蓄池、无调蓄池时的COD入河污染负荷削减量并计算削减百分比,结果见表2。可见,入河污染负荷削减量可以直观评估调蓄池在设计的小、中、大3种降雨量和1种实测降雨量工况下对入河污染负荷的削减效果。

表2 COD入河污染负荷削减量评估Table 2 Reduction assessment of COD pollution load into rivers

2.2.2 入河径流削减量评估

在不同降雨量工况下,计算丁山河流域有调蓄池、无调蓄池时的入河径流削减量并计算削减百分比,结果见表3。同样可见,入河径流削减量也可评估调蓄池设计的小、中、大3种降雨量和1种实测降雨量工况下对入河径流削减的效果。

表3 入河径流削减量评估Table 3 Reduction assessment of runoff into rivers

2.2.3 容积利用效率评估

据现场调研得知,调蓄池容积为25 600 m3。在10.07 mm设计降雨量工况下,调蓄池最大截流水量为10 603 m3,即容积利用效率为41.42%;其他3种降雨量工况下,调蓄池最大截流水量均为25 600 m3,即容积利用效率达到100.00%。因此,容积利用效率也可以评估调蓄池在各种降雨量工况下最大程度地利用自身蓄纳功能发挥水量、水质的综合调蓄作用。

2.2.4 综合评估

根据各核心指标的权重计算无量纲的入河污染负荷削减百分比、入河径流削减百分比和容积利用效率在不同降雨量工况下的综合评估值,结果见表4。综合评估值越高,表明调蓄池在污染控制、洪峰削减及发挥容积空间利用以缓解污水处理厂收水压力等方面表现出越积极的效用,说明蓄水池的综合效益越好。本研究所建立的调蓄池综合环境效益评估指标体系,能够将调蓄池削峰、减污效能进行简单直观地量化,实证研究结果比较符合客观,为调蓄池的评估及优化提供了可借鉴手段。

表4 核心指标综合评估Table 4 Comprehensive assessment of core indexes

3 结论与展望

建立调蓄池以截取降雨初期径流并输送至污水处理厂,是近年来现行有效的污染负荷控制方法,然而此法尚缺乏科学、高效的评估指标体系来对调蓄池污染削减、防洪减排等进行综合效益评估。本研究将调蓄池污染减排指标、排涝能力指标、截流能力指标、利用效率指标、综合感官指标等方面纳入考虑,建立了一套综合环境效益评估指标体系,并用于深圳市龙岗区丁山河流域调蓄池,基于设计数据与实测数据进行应用评估,指标可灵活选取,结果能综合反映调蓄池建设对于流域污染削减、水量调蓄等的作用,为全面分析调蓄池的建设运行成效提供了有效的评估工具。

不过,当前关于调蓄池综合环境效益评估的理论研究与实际应用仍处于探索阶段,所构建的指标体系也仍有待实践检验和完善。