分流制系統(tǒng)泵站放江污染特征研究

劉 磊

（上海市城市排水有限公司，上海市 200233）

0 引言

上海市中心城區(qū)雨水以強排為主，中心城區(qū)多為合流制區(qū)域或存在混接的分流制區(qū)域。其中分流制系統(tǒng)雨天泵站短時集中放江裹挾的大量混接污水、初期雨水及管道沉積物排入河道造成雨后黑臭，泵站放江污染已成為上海市水體污染的主要原因之一。在未探明溢流污染物出流規(guī)律和溢流污染來源的情況下，盲目采取控制措施并不能有效削減溢流污染，為了解決上海市泵站放江污染問題，需要對上海市中心城區(qū)泵站放江污染特征開展研究。

國外自上世紀70 年代對排水系統(tǒng)溢流污染的特征及規(guī)律便開展研究。1996—2001 年，針對巴黎歷史文化中心的Marais 排水系統(tǒng)（面積0.41 km2），研究尺度相對較小的合流制排水系統(tǒng)溢流污染效應(yīng)[1]。Bertrand 等[2]對法國QASTOR 數(shù)據(jù)庫中的6 個分流制和6 個合流制排水系統(tǒng)的197 場降雨事件進行分析，表明在分流制排水系統(tǒng)中50%的降雨事件，38%的初期污水中含50%的污染物，74%的初期污水中含80%的污染物；在合流制排水系統(tǒng)中50%的降雨事件，47%的初期污水中含50%的污染物，79%的初期污水中含80%的污染物，存在微弱的初期效應(yīng)。

國內(nèi)對排水系統(tǒng)雨天出流污染規(guī)律的研究從上世紀80 年代開始。劉翠云、車伍等[3]2003—2004 年對北京市合流管道的溢流口和雨水干管的雨污水進行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，合流制溢流的COD、SS、TN、TP 的事件平均濃度的均值基本上處于分流制雨水濃度的低值或中值范圍內(nèi)。李賀[4]重點研究了上海中心城區(qū)某合流制排水區(qū)域JXB 系統(tǒng)雨天污染物溢流的出流過程和污染物的事件平均濃度（EMC），并探討了溢流污染物的初期效應(yīng)。孫從軍[5]通過對上海市中心城區(qū)典型分流制系統(tǒng)汛期降雨放江水質(zhì)水量分析表明，溢流排放污染物的事件平均濃度（EMC）在不同雨型情況下表現(xiàn)不同，溶解性污染物隨降雨量的增大而降低，而包含懸浮物的污染指標呈先升后降的變化趨勢；在同等降雨條件下，前鋒雨使得泵站溢流排放污染負荷遠大于后峰雨；受雨型與預(yù)抽空的影響，不論小雨、中雨、大雨，SS 初期效應(yīng)均不顯著，而溶解態(tài)污染物初期效應(yīng)顯著，不受降雨雨量與雨型的影響。

目前國內(nèi)外學(xué)者雖然已經(jīng)對排水系統(tǒng)溢流污染開展大量的研究工作，但是由于地域降雨特征、排水管道管理狀況、地面衛(wèi)生狀況等不同，溢流污染特征以及污染物來源會呈現(xiàn)出不同的特點。本研究通過對上海市中心城區(qū)分流制排水系統(tǒng)的溢流污染特征進行調(diào)研分析，建立排水系統(tǒng)溢流污染排放數(shù)據(jù)庫和溢流污染排放來源解析方法，揭示市政泵站雨天排放特征及其影響機制，用以支撐制定上海市分流制排水系統(tǒng)泵站雨天放江污染控制策略。

1 研究區(qū)域

本研究選擇上海市中心城區(qū)外環(huán)高速、西虬江、桃浦河及滬寧鐵路所圍成的相對獨立的排水分區(qū)作為研究對象。

該排水分區(qū)有4 個子排水系統(tǒng)，分別為真邊西系統(tǒng)、真江東系統(tǒng)、真光系統(tǒng)及真如系統(tǒng)。其服務(wù)面積及末端泵站相關(guān)信息見表1。

表1 子排水系統(tǒng)相關(guān)信息

上述4 個子排水系統(tǒng)均為分流制排水系統(tǒng)，但因管道混接等原因，為截流旱天污水，上述排水系統(tǒng)末端排澇泵站均設(shè)置了截流泵，將截流污水排入西干線，最終排入污水處理廠處理。雨天末端排澇泵站將雨水排入西虬江或桃浦河，但因雨天泵站放江雨水中有大量生活污水、初期雨水及管道沉積物，造成上述水體嚴重污染，上海市于2016 年將上述水體納入黑臭水體治理范圍。

2 材料與方法

2.1 取樣點確定

為研究上海市中心城區(qū)泵站放江污染特征，本研究降雨期間在上述子排水系統(tǒng)末端泵站進行采樣監(jiān)測，以分析其放江污染特征。采樣點設(shè)置于上述泵站的泵站前池。

2.2 采樣方法

水質(zhì)監(jiān)測時間段：雨天溢流排放事件發(fā)生后，在0～60 min 內(nèi)每隔10 min 取1 個樣，在60～180 min內(nèi)每隔20 min 取一個樣，在180 min 后每隔30 min取一個樣；直到溢流排放事件結(jié)束。采樣點為泵站前池，均采用自動采樣儀（ISCO 6712）采集雨天出流過程樣。

雨量測量方法：4 個排水系統(tǒng)的采樣點附近均安裝有自動雨量計，每隔1 min 采集一次降雨數(shù)據(jù)，降雨量精確到0.1 mm。

2.3 監(jiān)測項目

對每個采集的樣品，監(jiān)測分析化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、懸浮固體（SS）等3 項指標。

2.4 放江規(guī)律統(tǒng)計方法

2.4.1 放江事件平均濃度計算公式

由于排水系統(tǒng)雨天排放水量隨降雨過程動態(tài)開啟雨水泵而發(fā)生變化，采用事件平均濃度（Event mean concentration,EMC）分析排水系統(tǒng)雨天溢流污染的總體特征，計算公式如下：

式中：n 為整個溢流排放事件的采樣次數(shù)；Ci為第i次采樣濃度，mg/L；Qi為第i 次采樣徑流流量，L/s；Δt 為采樣時間間隔，s。

2.4.2 放江污染負荷計算方法

污染負荷為排水系統(tǒng)雨天排放污染物的總質(zhì)量，是事件平均濃度與放江總水量的乘積，計算公式如下：

式中：CEMC為事件平均濃度，mg/L；Q 為放江總水量，m3。

2.5 初期效應(yīng)分析方法

本研究采用M（v）曲線法來定量判斷初期效應(yīng)。用橫坐標表示累積排放體積占總體積的分數(shù)，縱坐標表示累積排放污染物質(zhì)量占總排放量的分數(shù)，就可以得到M（v）曲線，如圖1 所示。

圖1 M（v）曲線示意圖

式中：t 為時間；m（t）為t 時刻出流污染物累積質(zhì)量；M 為出流污染物總量；v（t）為t 時刻出流累積體積；V為出流總體積。

根據(jù)得到的M（v）曲線，可以比較方便的判定初期效應(yīng)的存在。M（v）曲線可以近似地用一個冪函數(shù)來表示：

式中：b 為初期效應(yīng)參數(shù)，反映M（v）曲線與角平分線之間的距離。b=1 為角平分線，b 值越小，初期效應(yīng)越強，根據(jù)b 值的不同將M（v）曲線圖分為6 個區(qū)域以描述初期效應(yīng)的程，見表2。

表2 初期效應(yīng)評價標準

3 結(jié)果與討論

各排水系統(tǒng)雨天溢流污染特征，在小雨、中雨和大雨之間存在差異。因此，分別對小雨、中雨、大雨條件下的排水系統(tǒng)雨天溢流污染初期效應(yīng)展開研究，分析排水系統(tǒng)溢流污染的特征。

3.1 雨天放江水質(zhì)與旱天水質(zhì)對比分析

2019—2020 年間，分別對四個排水系統(tǒng)旱天、小雨放江、中雨放江及大雨放江污水濃度進行了監(jiān)測，如圖2 各圖所示，分析可見：

圖2 旱天及雨天泵站污水濃度監(jiān)測

（1）四個系統(tǒng)雨天放江的COD、NH3-N 事件平均濃度均明顯高于地表水環(huán)境質(zhì)量標準V 類水濃度限制，造成雨天河道水質(zhì)變差。

（2）定邊系統(tǒng)小雨放江時的事件平均濃度與旱天出流濃度較為接近，真西系統(tǒng)小雨和中雨放江時的事件平均濃度與旱天出流濃度較為接近，表明上述兩個系統(tǒng)在小雨、中雨時放江與旱天管道中蓄存的污水有關(guān)。

（3）定邊系統(tǒng)在中雨、大雨時，其他3 個系統(tǒng)在大雨時，放江COD、SS 明顯高于旱天出流水質(zhì)濃度，與旱天時沉積在管道中的顆粒態(tài)污染物在雨天沖刷排放有關(guān)。

3.2 不同排水放江CEMC 對比分析

對4 個排水系統(tǒng)在小雨、中雨、大雨情形下的放江事件平均濃度進行統(tǒng)計，并進行對比分析，可得出：

（1）四個排水系統(tǒng)小雨情形下的放江NH3-N 濃度相對最高，中雨情形次之，大雨情形下的放江NH3-N 濃度相對最低，與降雨量大時的稀釋效應(yīng)有關(guān)。

（2）四個排水系統(tǒng)總體上大雨情形下的放江COD、SS 濃度相對最高，中雨情形次之，小雨情形相對最低。這表明雖然降雨對污染物濃度具有稀釋作用，但是雨水泵開啟臺數(shù)增加了管道中淤積污染物沖刷效應(yīng)；沖刷效應(yīng)強于稀釋效應(yīng)導(dǎo)致了大雨情形下放江化學(xué)需氧量、懸浮物濃度的增加。

（3）真西系統(tǒng)的放江水質(zhì)濃度相對最低，真光和真江東系統(tǒng)的放江濃度總體上較為接近且高于其它排水系統(tǒng)，尤其是大雨時真光和真江東系統(tǒng)的放江濃度明顯高于其它兩個排水系統(tǒng)，表明不同排水系統(tǒng)之間放江特征存在差異。

3.3 雨天泵站放江初期效應(yīng)分析

分別對四個排水系統(tǒng)在大雨、中雨、小雨情形下的放江初期效應(yīng)參數(shù)進行計算，三種工況下初期效應(yīng)參數(shù)范圍介于0.440～2.113，可見：

（1）總體上所有四個排水系統(tǒng)在小雨、中雨、大雨情形下均表現(xiàn)為微弱的正、負初期效應(yīng)現(xiàn)象（0.862＜b≤1.159），或者說沒有明顯的初期效應(yīng)現(xiàn)象，與以下原因有關(guān)：

a.四個排水系統(tǒng)雨水管網(wǎng)均存在污水混接現(xiàn)象，旱天時管道中流速較低導(dǎo)致污水中的顆粒態(tài)污染物在管道中大量沉積。雨天降雨放江時管道中的污染物受水力沖刷作用再懸浮；沉積物由管道中不同位置達到雨水泵站，形成持續(xù)的沖刷效應(yīng)。

b.混接污水旱天蓄積在雨水管道中，雨天時隨著泵站放江管道中蓄存的污水排出，降低了初期效應(yīng)現(xiàn)象。

c.研究區(qū)域的服務(wù)區(qū)域面積在2.38～3.54 km2之間，不同地點降雨初期形成的地表徑流達到雨水管網(wǎng)末端排放口的時間不同，導(dǎo)致降雨初期效應(yīng)不明顯。

（2）大雨情形下部分降雨場次存在中等程度的正、負初期效應(yīng)現(xiàn)象；但均無強烈的正、負初期效應(yīng)出現(xiàn)。定邊系統(tǒng)大雨情形下COD 初期效應(yīng)參數(shù)的最小值為0.454，最大值為2.113；真江東系統(tǒng)大雨情形下COD、SS 初期效應(yīng)參數(shù)最小值分別為0.565、0.44；真西系統(tǒng)大雨情形下COD、SS 初期效應(yīng)參數(shù)最小值分別為0.561、0.595。

4 個排水系統(tǒng)中等初期效應(yīng)均主要表現(xiàn)為COD、SS 兩項指標，且主要表現(xiàn)為中等正初期效應(yīng)現(xiàn)象。究其原因，大雨時雨水泵站開啟臺數(shù)多導(dǎo)致泵站放江初期管道中沉積物沖刷劇烈，因此到了降雨后期沉積物沖刷效應(yīng)減弱。這就降低了降雨中后期的污染物濃度，并在部分降雨場次表現(xiàn)出中等程度的正初期效應(yīng)現(xiàn)象。

4 結(jié)論

總體上，定邊、真光、真江東和真西四個排水系統(tǒng)在小雨、中雨、大雨時的雨水管網(wǎng)放江COD 濃度分別超出地表水V 類水濃度限值2.1 倍、3.8 倍和5.9 倍；NH3-N 濃度分別超出地表水V 類水濃度限值2.1 倍、3.8 倍和5.9 倍。排水系統(tǒng)雨天放江對河道水質(zhì)造成了嚴重影響，是導(dǎo)致雨天河道水質(zhì)反復(fù)變差的成因。

大雨時的放江COD 濃度相對最高、NH3-N 濃度相對最低，前者與管道中旱天沉積污染物在雨天的沖刷排放有關(guān)；后者與降雨徑流對NH3-N 的稀釋有關(guān)。大雨乃至中雨時，雨水泵開啟臺數(shù)增加了管道中淤積污染物沖刷效應(yīng)；沖刷效應(yīng)強于稀釋效應(yīng)導(dǎo)致了大雨、中雨情形下放江COD、SS 濃度的增加。

與雨水管網(wǎng)旱天截流水質(zhì)平均濃度相比，小雨時的放江濃度與其基本接近，表明雨水管網(wǎng)旱天水位較高、管蓄容量大，雨天時管蓄污水隨著泵站開啟進入河道。

通過對雨天泵站放江過程中累計污染物量與累計水量的M（v）曲線分析表明，總體上4 個泵站在小雨、中雨、大雨情形下均表現(xiàn)為微弱的正、負初期效應(yīng)現(xiàn)象，所有監(jiān)測的降雨場次均未出現(xiàn)明顯的正、負初期效應(yīng)現(xiàn)象。泵站放江過程中污染負荷量和水質(zhì)濃度隨時間變化不明顯，上述現(xiàn)象與放江時管蓄污水的排放以及管道沉積污染物的沖刷排放兩者效應(yīng)的共同作用有關(guān)，小雨時以前者為主，大雨時以后者為主，中雨時則與兩種作用均有關(guān)系。