“灰綠”協(xié)同措施對銀川市合流制溢流污染的影響

侯精明，欒廣學(xué)，王 添，楊 露，銀雅倫，李欣怡，喬夢曦

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048；2.中規(guī)院(北京)規(guī)劃設(shè)計有限公司，北京 100044)

合流制溢流(combined sewer overflow, CSO)污染是城市水體發(fā)生黑臭的一個重要因素，城市溢流污染控制是當(dāng)前改善環(huán)境的關(guān)鍵舉措[1-5]。隨著我國經(jīng)濟(jì)、科技快速發(fā)展，城市建設(shè)面積及城區(qū)硬化路面比例不斷增加[6-7]，中國城市污水管網(wǎng)建設(shè)滯后城市發(fā)展20余年，特別是合流系統(tǒng)高密度城區(qū)排水系統(tǒng)導(dǎo)致路面積水、城市被淹、污水溢流、水體黑臭等問題[8-9]。合流污水遠(yuǎn)距離輸送過程中，將近50%的污染物沉積在管道底部，雨天排水“零存整取”，河道受到?jīng)_擊性污染，導(dǎo)致城市水體晴天不黑臭，但雨天黑臭嚴(yán)重的狀況[10-11]。在中國南方地區(qū)，合流制系統(tǒng)雨天排水時，COD質(zhì)量濃度最高值達(dá)1 200 mg/L，均值也高達(dá)540 mg/L左右[8]。目前解決CSO污染的方法主要有海綿化改造、增設(shè)調(diào)蓄池、雨污管網(wǎng)混錯接改造等[5,12-13]。國內(nèi)很多專家學(xué)者已經(jīng)對我國CSO污染問題做了大量研究，如黃俊等[14]對CSO污染控制策略優(yōu)化進(jìn)行了研究分析，認(rèn)為不同的降雨特征需要不同的控制策略；孟瑩瑩等[15]研究了“灰綠”措施組合對城市溢流污染的削減效果，認(rèn)為“灰綠”措施組合對CSO污染控制效果較好；李俊奇等[16]研究并提出了以受納水體水質(zhì)指標(biāo)為導(dǎo)向的CSO污染的控制指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)制定；楊新德等[17]基于SWMM模型從海綿城市建設(shè)、雨污分流改造等角度對溢流污染的削減情況進(jìn)行了評估，認(rèn)為雨污分流與源頭低影響開發(fā)可有效減少面源及溢流污染。

高密度城區(qū)綠色排水設(shè)施的基建費用低，生態(tài)環(huán)境效益好，因此本文基于SWMM模型，通過“灰綠”措施結(jié)合、近遠(yuǎn)期結(jié)合，統(tǒng)籌排水分區(qū)內(nèi)源頭、過程、末端關(guān)系，分析“灰綠”協(xié)同治理措施對銀川市一污片區(qū)CSO污染的影響，以期為該區(qū)域溢流污染治理提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

選取銀川市興慶區(qū)某一污片區(qū)為研究區(qū)域，該區(qū)域管網(wǎng)系統(tǒng)以合流制為主，區(qū)域內(nèi)污水均匯至第一污水處理廠。第一污水處理廠位于上海路以北、城市四排溝以東，主要承擔(dān)銀川市興慶區(qū)大部分生活污水及廢水的處理任務(wù)，服務(wù)面積20.46 km2，原設(shè)計處理能力為5 萬 m3/d，擴(kuò)建后日設(shè)計處理規(guī)模達(dá)到10 萬 m3/d。該區(qū)域主要為高密度城區(qū)，不透水面積高達(dá)70%以上，出水通過城市四排溝、銀新干溝排入黃河。根據(jù)銀川市城區(qū)1990—2020年的日均降雨資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，銀川市城區(qū)多年平均降水量為199.54 mm3/d。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1降雨數(shù)據(jù)

a.短歷時設(shè)計降雨。短歷時設(shè)計降雨過程采用芝加哥暴雨強度公式進(jìn)行模擬，降雨歷時為2 h，步長5 min，雨峰系數(shù)為0.4。暴雨強度公式為

(1)

式中：q為設(shè)計暴雨強度，mm/min；p為重現(xiàn)期，a；t為暴雨歷時，min。選取重現(xiàn)期分別為1 a、5 a、10 a進(jìn)行模擬，降雨歷時為2 h的設(shè)計降雨過程見圖1。

圖1 不同重現(xiàn)期的設(shè)計降雨過程

b．長歷時設(shè)計降雨。長歷時設(shè)計降雨的降雨過程根據(jù)實測數(shù)據(jù)獲得，降雨歷時為24 h。1991年年降水量為194.6 mm3/d，最接近銀川市城區(qū)多年平均降水量，因此選擇1991年降雨數(shù)據(jù)作為典型年降雨數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 典型年日降水量情況

由于典型年降雨數(shù)據(jù)為日均降雨數(shù)據(jù)，在計算城區(qū)合流制管網(wǎng)溢流量及污染物溢流情況時，需采用更為精確的降雨數(shù)據(jù)，因此利用銀川市24 h歷時設(shè)計降雨雨型分配比(表2)，將日均降雨數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為每小時降雨數(shù)據(jù)。從典型年日降水量中選取1991-04-10作為典型小雨，降水量為6.5 mm；1991-08-26作為典型中雨，降水量為18.9 mm；1991-08-27作為典型大雨，降水量為40.6 mm。

表2 24 h歷時設(shè)計降雨雨型分配比

1.2.2管網(wǎng)數(shù)據(jù)

根據(jù)銀川市管委會提供的管網(wǎng)資料、實際地形及其本底特征構(gòu)建SWMM模型。模型共有261個子匯水分區(qū)，5 990個節(jié)點，3 953段雨水管網(wǎng)，總管長134 350.529 7 m。模型概化圖如圖2所示。

圖2 研究區(qū)概化結(jié)果

1.2.3旱季污水流量和污染物濃度

2 研究方法

選用SWMM模型對CSO污染進(jìn)行模擬研究。SWMM模型提供了線性、指數(shù)、冪函數(shù)和飽和函數(shù)4種污染物累積模型[20-22]，根據(jù)國內(nèi)外研究經(jīng)驗，飽和函數(shù)累積模型能夠很好地模擬地表污染物的累積過程[23-25]，因此本文選取飽和函數(shù)累積模型模擬研究區(qū)地面污染物的累積情況，選取指數(shù)函數(shù)模型模擬地表污染物的沖刷過程。據(jù)研究區(qū)的土地利用情況，將子匯水區(qū)分為房屋、綠地、道路和其他4種地面類型分別進(jìn)行模擬[26]。飽和函數(shù)累積模型需要確定最大累積量和半飽和累積時間2個參數(shù)，指數(shù)函數(shù)模型要輸入沖刷系數(shù)和沖刷指數(shù)2個參數(shù)。根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)[15,17,23]確定參數(shù)的取值，結(jié)果見表3。

水質(zhì)以水量為載體，若水在管道內(nèi)的水動力過程能精準(zhǔn)模擬，則同樣能說明水質(zhì)模擬的準(zhǔn)確性。水量模擬的準(zhǔn)確性可通過出口流量過程線和內(nèi)澇積水點進(jìn)行驗證，由于該片區(qū)無其他排水口，均排至第一污水處理廠，而研究期內(nèi)沒有污水處理廠實測進(jìn)水流量過程線，故本研究管網(wǎng)水動力參數(shù)通過二維地表積水點對比進(jìn)行率定。為防止研究區(qū)地表外圍客流影響，對管網(wǎng)模型進(jìn)行更精確的模擬，將銀川市全區(qū)域管網(wǎng)模型與二維地表水動力模型進(jìn)行耦合，在實測降雨條件下對實測積水點和模擬積水點的積水面積和積水深度進(jìn)行比較，以驗證管網(wǎng)水動力參數(shù)的準(zhǔn)確性。實測積水點如圖3所示，積水點模擬值與實測值對比如表4所示。由表4可見，模型模擬結(jié)果與實測結(jié)果吻合度較高，相對誤差均在6%以內(nèi)，表明耦合模型可靠，能夠較好模擬地表及管網(wǎng)的水動力過程。

表3 模型污染物參數(shù)取值

圖3 實測積水點

表4 模擬值與實測值對比

3 “灰綠”協(xié)同措施

單一溢流削減措施不適用于高密度城區(qū)[27]，故針對第一污水處理廠旱天進(jìn)水量基本飽和、雨天大量雨污混合水外溢的問題，采取“灰綠”協(xié)同措施削減溢流。主要灰色設(shè)施有CSO調(diào)蓄池和雨污管道混錯接改造，綠色措施主要為對上游綠化帶進(jìn)行海綿化改造，“灰綠”協(xié)同措施為2種灰色措施和1種綠色措施組合使用。

3.1 CSO調(diào)蓄池

近期在城市四排暗渠段溢流口附近設(shè)置體積為4萬t的CSO調(diào)蓄池，減少溢流污水排至城市四排溝。經(jīng)計算需增加8萬 m3灰色調(diào)蓄設(shè)施，一期在原城市四排溝暗渠位置，擴(kuò)大斷面，布置4萬m3削峰調(diào)蓄池；二期在海寶公園東側(cè)入口停車場下，布置4萬 m3削峰調(diào)蓄池，本文僅考慮一期工程。

3.2 雨污管道混錯接改造

城市四排溝上游排水分區(qū)基本上是合流制排水分區(qū)，僅雙莊巷兩側(cè)新建區(qū)域為雨污分流，但分流管網(wǎng)在下游全部接入合流制管網(wǎng)。遠(yuǎn)期優(yōu)化排水體制，通過城市四排溝上游混錯接改造，將上游混流制片區(qū)改為完全分流制排水體制，減少雨水進(jìn)入污水管網(wǎng)，減少合流制溢流水量和頻次。雨污分流改造示意圖如圖4所示。

圖4 雨污分流改造示意圖(單位：mm)

3.3 綠化帶海綿化改造

遠(yuǎn)期通過對上游綠化帶進(jìn)行海綿化改造，削減雨水徑流進(jìn)入污水管網(wǎng)，從而減少CSO污染。綠化帶海綿化改造統(tǒng)計如表5所示。

表5 興慶區(qū)綠化帶海綿化改造統(tǒng)計

4 結(jié)果與分析

對CSO調(diào)蓄池、雨污管道混錯接改造、綠化帶海綿化改造3種單一措施及“灰綠”措施組合共4種方案對銀川市第一污水處理廠片區(qū)溢流污染影響進(jìn)行模擬分析，本研究不考慮除第一污水處理廠前溢流外的其他節(jié)點溢流。

4.1 短歷時設(shè)計降雨模擬結(jié)果

4.2 長歷時設(shè)計降雨模擬結(jié)果

小雨、中雨、大雨條件下現(xiàn)狀及4種方案下溢流負(fù)荷及其削減率如表7所示。由表7可見，現(xiàn)狀、添加CSO調(diào)蓄池、雨污管道混錯接改造、綠化帶海綿化改造與“灰綠”措施結(jié)合5種方案下，溢流水量及污染物負(fù)荷均隨著降水量的增加而增加，其中大雨條件下，調(diào)蓄設(shè)施充分發(fā)揮其功能，溢流水量仍分別達(dá)到25.49萬 m3、21.43萬 m3、23.39萬 m3、23.90萬 m3和18.24萬 m3；CSO污染主要是生活污水與雨水混合后再對管道內(nèi)的沉積物進(jìn)一步?jīng)_刷導(dǎo)致溢流污染物濃度較大，從而造成溢流污染物負(fù)荷嚴(yán)重超標(biāo)，其中現(xiàn)狀及4種方案下TSS溢流負(fù)荷分別達(dá)到9.37 t、7.68 t、8.66 t、8.95 t和6.38 t。由表7可見，在添加CSO調(diào)蓄池、雨污管道混錯接改造、綠化帶海綿化改造與“灰綠”措施結(jié)合4種方案下，小雨、中雨和大雨溢流水量及污染物負(fù)荷削減量變化幅度不大，其中大雨條件下溢流水量削減量分別為4.06 萬m3、2.10 萬m3、1.59 萬m3和7.25 萬m3，TSS溢流負(fù)荷削減量分別為1.69 t、0.71 t、0. 43 t和2.99 t；但隨著降水量的增加溢流水量與溢流污染物負(fù)荷的削減率均逐漸減小，其中大雨條件下4種方案溢流水量削減率分別為16%、8%、6%和28%，TSS溢流負(fù)荷削減率分別為18%、8%、5%和32%。可見“灰綠”協(xié)同措施對長歷時降雨條件下溢流水量及溢流污染物負(fù)荷的削減效果較為明顯，在中雨條件下溢流水量及TSS溢流負(fù)荷削減率分別達(dá)到57%與74%。

表6 短歷時設(shè)計降雨條件下溢流負(fù)荷及削減率

表7 長歷時設(shè)計降雨條件下的溢流負(fù)荷及削減率

5 結(jié) 論