合流制溢流(CSO)污染削減率評估方法探討

仲崇軍，李文濤

(廣州市市政工程設計研究院，廣東廣州 510060)

合流制溢流(CSO)污染削減率評估方法探討

仲崇軍，李文濤

(廣州市市政工程設計研究院，廣東廣州 510060)

隨著污水治理技術的進步，點源水污染在得到較好控制的同時，面源水污染的問題越來越突出，特別是合流制地區(qū)的雨季溢流污染問題，已成為進一步提升城市水環(huán)境質量的主要障礙。鑒于溢流污染治理工程的特殊性，科學合理地確定工程效果評價方法至關重要。結合廣州市的相關研究成果，介紹溢流污染治理工程最主要的評價指標——溢流污染削減率的評估方法和思路，為其他城市開展相關工作提供參考。

合流制溢流; 溢流污染削減率; 典型年降雨; 典型溢流污水水質

0 引言

隨著近年來廣州市加大治水力度，點源水污染的排放已得到較好控制，但面源水污染的問題越來越突出，合流制地區(qū)雨季溢流(CSO)污染，已成為進一步提升城市水體環(huán)境的主要障礙。溢流污染控制是我國一些城市迫切需要解決的重大問題，尤其是靠加強點源污染控制對城市水環(huán)境的改善已不具備更大潛力的城市［1］。

國內上海［2］、武漢［3］、合肥［4］等城市已開展了溢流污染控制相關工作，廣州市也進行了大量基礎研究和工程實踐。溢流污染削減率是評價溢流污染控制措施的重要指標之一，本文即結合廣州實踐，探討雨季溢流(CSO)污染削減率的計算思路和方法，為其他城市開展相關工作提供參考。

1 溢流污染削減率計算方法

溢流污染削率即工程實施后的溢流污染物質量除以工程實施前的溢流污染物質量。計算溢流污染物質量，一個合理的方法是通過溢流污水量乘以溢流污水水質濃度計算。根據(jù)國內外相關研究成果，影響雨天溢流污染的主要影響因子包括降雨特征、排水設施截流能力、地表特性(地形地貌、下滲、調蓄能力等)、排水體制、降雨水質、地面污染情況、污水水質以及管道沉積情況等?？梢钥闯觯缌魑廴?包括溢流水量及水質)具有很大隨機性，同一地區(qū)，不同降雨，溢流污染不同；不同地區(qū)，相同降雨，溢流污染亦不同。因此，結合城市建設情況及降雨特征，提出一個具有代表性的典型溢流污水水質和典型年降雨，以此為基礎進行溢流污染削減率計算及工程效果評價是一種可操作性較強的方法。

1.1 典型年降雨

對于一個特定的排水區(qū)域，地表特征及排水設施等參數(shù)均已確定，溢流污水量直接取決于降雨量。對于同一個城市，雖然單場降雨具有隨機性，但從長系列數(shù)據(jù)分析，降雨也有一定的規(guī)律性，如年降雨總量差別較小、年內降雨季節(jié)性明顯等。因此，可以通過分析歷年實測降雨資料，制定出一組降雨數(shù)據(jù)，滿足符合當?shù)亟涤陮嶋H情況、反映具體區(qū)域的降雨特性且包含當?shù)卣鎸嵉膱鼋涤赀^程，即典型年降雨。

1.2 典型溢流污水水質

考慮溢流污染影響因子具有一定的區(qū)域特性，如對同一城市，城鎮(zhèn)區(qū)為主的2個區(qū)域，其地地表特性、面污染情況、污水水質、管道沉積情況等具有一定的相似性，因此，為簡化計算，可以考慮將服務區(qū)域進行分類，如城鎮(zhèn)區(qū)為主、城鎮(zhèn)區(qū)和農(nóng)田區(qū)各半、農(nóng)田為主等，對于同一類型的區(qū)域，通過監(jiān)測某幾個典型流域的雨天溢流污水水質，可以擬合出一組對應典型降雨的溢流污水水質數(shù)據(jù)，即典型溢流污水水質。

2 典型降雨分析

2.1 廣州降雨特點分析

廣州屬于典型濕潤亞熱帶季風性氣候，夏季悶熱潮濕，冬季溫暖干爽。季風季節(jié)從四月末到九月初，也稱“梅雨”季節(jié)，這段時間的平均溫度為31℃，月平均降雨為230 mm。根據(jù)廣州市2004年 3月30日至2012年12月1日共9年原始降雨數(shù)據(jù)分析，廣州平均年總降雨量為1 619 mm，降雨量最大的月份主要集中在五月和六月，五月總降雨量為323 mm，六月362 mm，這兩月約占全年降雨量的42.4%。最大降雨月6月總降雨量是最小降雨月12月總降雨量的17.3倍。五月和六月同樣是降雨事件發(fā)生次數(shù)最多的兩個月份，五月發(fā)生降雨的平均次數(shù)為11.4次，六月發(fā)生降雨的平均次數(shù)為15.3次。

2.2 典型年降雨

根據(jù)廣州市中心城區(qū)9年(2004年～2012年)的實測降雨數(shù)據(jù)按月總降雨量進行排列，找出月平均總降雨量。將降雨典型月從9年中找出然后重新組合，組成一個人工虛擬的典型降雨年(下表顯示制作過程)。經(jīng)排序組合選取，典型降雨年總降雨量1 708 mm(下表灰色區(qū)域數(shù)值為典型降雨月)。如1月份9年統(tǒng)計平均降雨為28 mm，選取最接近該值的2007年1月份降雨數(shù)據(jù)作為典型年降雨的1月份降雨數(shù)據(jù)，同理依次選取其他月份降雨組數(shù)，組成典型年全年降雨，如圖1所示典型年降雨過程線。

圖1 典型年降雨過程線

3 典型溢流污水水質

3.1 典型溢流水質

為了計算排水系統(tǒng)溢流污染狀況，評估工程實施前后雨天溢流污染削減效能，廣州對中心城區(qū)4條河涌雨天溢流(CSO)水質濃度進行了監(jiān)測，監(jiān)測時間為2013年7～9月和2014年3～4月，得到長達5個月共14場降雨過程溢流水質的變化過程數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)按降雨雨強進行分類，如降雨強度小于20 mm/h的有LD20-130802(獵德涌2013年8月2日降雨20號排水口的水質數(shù)據(jù))、LD14-130802、LD14-140406、LD02-130814、LD14-1308145組水質數(shù)據(jù)，對這5組數(shù)據(jù)取平均值即得出降雨強度小于20 mm/h時的平均溢流水質，即小雨強時的典型溢流水質(隨著實測數(shù)據(jù)的積累，該典型溢流水質代表性將進一步提高)。

采用同樣的方法，可以得到以城鎮(zhèn)區(qū)為主的地區(qū)在大雨強(＞40 mm/h)、中雨強(40～20 mm/h)、小雨強(＜20 mm/h)降雨過程排放口溢流(CSO)水質濃度變化規(guī)律，并制作出對應降雨強度的典型溢流污水水質濃度曲線，如圖2～4所示。

圖2 小雨強降雨過程溢流水質變化過程線(典型曲線I)

表1 典型降雨年選取過程表(單位：mm)

圖3 中雨強降雨過程溢流水質變化過程線(典型曲線II)

圖4 大雨強降雨過程溢流水質變化過程線(典型曲線III)

從上圖可以看出，城鎮(zhèn)區(qū)為主區(qū)域排放口很明顯在每次溢流開始，COD濃度在200 mg/l到400 mg/l之間。初期沖刷效應剛開始COD濃度相較于旱天流量濃度升高，在溢流發(fā)生0%到10%之間，可以明顯觀察到由于降雨初期沖刷效應COD濃度達到第一次峰值，大致在400到600 mg/L之間，這是由于本地污水、地表沖刷、管道沉積物三方面污染物混合后產(chǎn)生的溢流水質初期效應。第一個峰值COD濃度大約為旱季流量濃度的1.6至2.4倍。在溢流發(fā)生10%到30%之間，合流COD濃度達到第二個峰值，大致在350 mg/L到450 mg/L，這是因為管底累積沉積物被合流污水完全沖出。結果呈現(xiàn)出大雨強降雨初期效應較小雨強降雨更明顯的趨勢。

3.2 污染特性選擇

3.2.1 COD濃度變化曲線的選用

利用典型年降雨進行模擬計算，由于實際降雨場次、降雨類型很多，而實測溢流水質數(shù)據(jù)有限，故考慮先根據(jù)降雨強度大小劃分降雨類型(小、中、大雨強)，再根據(jù)不同強度降雨選擇溢流污水水質濃度變化曲線(I、II、III)，見圖5，對應關系見表2所示。

3.2.2 污染特性恢復假定

圖 5 典型年降雨強度類型劃分

表2 COD濃度變化曲線與降雨強度對應關系

以上所用COD濃度變化曲線是降雨期及降雨影響期溢流水質變化規(guī)律，可見污染主要來自地表沖刷污染物、管道沉積污染物、原污水中污染物，其中降雨初期水質效應主要是地表沖刷和管道沉積物造成的，因此，在進行典型年降雨模擬計算時，需明確污水水質特性恢復時間，即降雨間隔多久后，再次降雨過程中污水水質變化規(guī)律恢復到第一次降雨前水平。

根據(jù)水質污染變化機理分析及國外相關研究成果，本次計算認為降雨間隔24 h后，合流污水水質恢復原變化規(guī)律，且在連續(xù)降雨過程中，不同雨強組合時，污染特性采用如下原則：

(1)連續(xù)小雨，變化規(guī)律在前，后面不變；

(2)小雨在前，用小雨強曲線，接著大雨，用大雨強曲線；

(3)大雨在前，用大雨強曲線，小雨在后，無變化規(guī)律；

(4)連續(xù)大雨，前降雨用大雨強曲線，后降雨無變化規(guī)律。

4 張村涌雨季溢流污染削減率計算

4.1 張村涌排水系統(tǒng)概況

張村涌位于廣州市白云區(qū)中部，石井河東岸，黃石路南側。現(xiàn)狀河涌自東向西，橫跨京廣鐵路和石槎路，最后匯入石井河，涌口設置連接石井河位置設置水利閘，河涌匯水面積約為1.54 km2，主涌長約為1.5 km，河涌寬度約為9～24 m，支涌寬度約為2～11m。張村涌匯水范圍內地勢較為平坦，地面高程約為6.0～8.3 m，新建市政道路及局部村路位置較高約為7.8～8.3 m?，F(xiàn)狀張村涌沿線主要污染源為京廣鐵路西側的城中村(主要為小坪村和大埔村)及京廣鐵路兩側的工業(yè)廠房，人口密集。

圖6 張村涌流域排水系統(tǒng)模型圖

4.2 溢流污染削減率計算

4.2.1 單場降雨溢流污染計算

以典型年8月22號降雨(與前一場降雨間隔24 h，2 h降雨量23.5 mm)為例，借助InfoWorks排水模型軟件，可以計算出調蓄設施(收集8 mm初雨)實施前后的溢流量，帶入對應雨強的典型溢流污水水質濃度曲線II后，即可求得該場降雨的溢流污染削減率。如下表3所示，張村涌在典型年8月22號降雨時，現(xiàn)狀溢流水量為23 185.2 m3，溢流COD質量為7.31 t；調蓄工程(調蓄規(guī)模8 mm，24 h排空)實施后，溢流水量減少為9 208.8 m3，溢流COD質量為1.86 t，溢流污水體積削減率為60.3%，溢流污染削減率為74.5%。

4.2.2 年溢流污染削減率計算

同單場降雨計算一樣，借助InfoWorks排水模型軟件，可求出典型年每一場降雨的溢流量和溢流COD質量，進行求和后即可求出調蓄工程實施后典型年溢流污染削減率，見下表4。張村涌調蓄工程實施前后典型年全年溢流量過程線見圖7和圖8。

5 結語

本文基于廣州市實測降雨及溢流污染數(shù)據(jù)，提出了溢流污染削減率的計算思路和方法，其中的典型年降雨及典型溢流污水水質數(shù)據(jù)，為廣州地區(qū)類似區(qū)域開展面源污染治理的規(guī)劃與設計提供了基礎數(shù)據(jù)支撐。隨著基礎數(shù)據(jù)的不斷積累，典型溢流污水水質數(shù)據(jù)分類還可以進一步細化，溢流污染削減的評價也將更加客觀和準確。

表3 8.22降雨過程溢流流量及COD質量(現(xiàn)狀及調蓄8 mm后)

表4 張村涌流域典型溢流污染削減率統(tǒng)計表

圖7 張村涌現(xiàn)狀全年溢流過程線圖

圖8 張村涌調蓄規(guī)模8 mm,24 h排空全年溢流過程線圖

［1］ 車伍，唐磊.中國城市合流制改造及溢流污染控制策略研究［J］.給水排水,2012,38(3)∶1～5.

［2］ 程江.蘇州河儲存式雨水調蓄池水環(huán)境質量改善效應分析［J］.中國給水排水,2014,30(1)∶104～108.

［3］陳雄志, 康丹.武漢市東沙湖地區(qū)合流制溢流污染控制方法探討［J］.中國給水排水,2010,26(18)∶55～58.

［4］ 張顯忠.合肥市老城區(qū)初期雨水污染現(xiàn)狀與調蓄策略［J］.中國給水排水,2012,28(22)∶38～42.

TU992.1

B

1009-7716(2015)08-0094-04

2015-03-27

仲崇軍(1985-)，男，江蘇連云港人，碩士，工程師，主要從事市政工程設計規(guī)劃工作。