于 磊，黃瑞晶， 2，李 容， 2，周 星，張書函，邸蘇闖

(1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院防災(zāi)減災(zāi)所，北京 100048；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

截流式合流制是我國城市排水體制的重要組成部分[1]。在降雨條件下，當(dāng)進(jìn)入合流制管道的雨水過多，流量超過管道截流能力時(shí)，雨污混合水會(huì)發(fā)生溢流，稱為合流制溢流(CSO)。由于溢流水體未經(jīng)處理，生活污水、管道淤泥和地表徑流沖刷污染物等伴隨雨水進(jìn)入河道，引發(fā)了河道水體問題，破環(huán)了水環(huán)境生態(tài)平衡。隨著海綿城市及黑臭水體治理工作的推進(jìn)，CSO相關(guān)研究成為熱點(diǎn)[2-5]。目前國家層面尚未形成CSO污染控制的法規(guī)政策，僅在部分標(biāo)準(zhǔn)中對相關(guān)要求有所提及[6]。實(shí)踐中，從便于監(jiān)管角度考慮，溢流頻次、溢流體積控制率、污染物總量削減率是最為常用的控制指標(biāo)，但該類指標(biāo)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是從CSO自身控制效果出發(fā)，與受納水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)銜接程度不足[7-8]，實(shí)施控制措施后河道水質(zhì)的改善效果模糊。從溢流污染控制措施入手，發(fā)現(xiàn)“合改分”并非最優(yōu)解，大部分城市不具備改造條件，一些發(fā)達(dá)國家城市也同樣保留和沿用了合流制排水系統(tǒng)[9]。對于截流式合流制，實(shí)際截流能力直接影響排水管網(wǎng)運(yùn)行和污水廠污水處理效率，通過末端截流改造以提高截流倍數(shù)是減少污水溢流的重要手段，但截流倍數(shù)要與末端污水廠污水處理能力相匹配[10-11]。從過程控制的角度考慮，建設(shè)調(diào)蓄池以減少雨水進(jìn)入合流制排水管網(wǎng)，不僅能減輕管網(wǎng)和污水處理設(shè)施的運(yùn)行壓力，還能削減CSO污染，但該類設(shè)施受場地空間影響較大。

本文針對北運(yùn)河北京城市副中心存在的CSO問題，借助監(jiān)測和模型模擬等手段，量化了CSO現(xiàn)狀，以場次河道納污能力為約束條件，提出將超標(biāo)頻次作為控制指標(biāo)，比較了同樣控制標(biāo)準(zhǔn)下，以超標(biāo)頻次和溢流頻次作為控制指標(biāo)情景下調(diào)蓄規(guī)模的差異。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

北京城市副中心位于通州區(qū)，地處北京市東南部，總面積達(dá)155 km2，區(qū)域內(nèi)地勢平坦低洼，水系發(fā)達(dá)，北運(yùn)河河道將副中心分割為河?xùn)|和河西兩大片區(qū)。由于建設(shè)年代較早，副中心部分區(qū)域?yàn)楹狭髦婆潘w制，雖經(jīng)過截流改造，但因截流倍數(shù)僅為1，溢流事件時(shí)有發(fā)生，影響河道水質(zhì)[12]。選擇北運(yùn)河城區(qū)段為研究區(qū)，起點(diǎn)自北關(guān)閘，終點(diǎn)為通運(yùn)橋，全長約4.2 km，河道平均寬度約185 m，為相對封閉河道，無其他支流匯入。據(jù)調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)共有4處合流制排口，其中北運(yùn)河河?xùn)|2處，河西2處(圖1)。除2處雨水排口外，無其他外源輸入。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究采用的數(shù)據(jù)包括降雨數(shù)據(jù)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)、下墊面數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)、河道水質(zhì)及流量數(shù)據(jù)、排口水位及水質(zhì)數(shù)據(jù)。其中河道水質(zhì)數(shù)據(jù)為北運(yùn)河研究范圍內(nèi)入流斷面北關(guān)閘監(jiān)測數(shù)據(jù)。降雨數(shù)據(jù)來自氣象部門，時(shí)間間隔為5 min。排口水位數(shù)據(jù)來自于布設(shè)在排口1溢流堰前的水位計(jì)，水質(zhì)數(shù)據(jù)是同點(diǎn)位人工取樣，樣品送至實(shí)驗(yàn)室檢測，檢測指標(biāo)為化學(xué)需氧量(COD)。水位數(shù)據(jù)監(jiān)測分辨率為5 min，水質(zhì)取樣頻次為10 min/30 min，即溢流發(fā)生后前半小時(shí)每10 min取樣1次，之后每30 min取樣1次。各類數(shù)據(jù)見表1。

表1 研究數(shù)據(jù)匯總

1.3 模型構(gòu)建與參數(shù)率定

選用EPA SWMM 5.1軟件，構(gòu)建研究區(qū)數(shù)值模型，包含水量模型和水質(zhì)模型。首先，基于管網(wǎng)數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和路網(wǎng)數(shù)據(jù)，梳理300 mm以上管徑的排水管道及其檢查井進(jìn)行保留，概化包含截流井、截流堰、截流管等構(gòu)筑物的區(qū)域管網(wǎng)系統(tǒng)，并劃分排水分區(qū)；然后，基于ArcGIS軟件采用泰森多邊形法劃分子匯水區(qū)，并將其連接到臨近檢查井；最后，基于地形數(shù)據(jù)及土地利用數(shù)據(jù)，提取子匯水區(qū)面積、特征寬度、平均坡度、土地利用類型和不透水比例等參數(shù)，并在模型中賦值。其中，土地利用類型來源于2019年高分辨率遙感影像解譯結(jié)果，具體劃分為建筑用地、道路、綠地、未利用地和水域五大類，對應(yīng)不透水率設(shè)置為70%、80%、20%、40%和0，再通過加權(quán)計(jì)算得到各子匯水區(qū)的不透水率。水量模型中產(chǎn)流過程采用Horton下滲模型，地表匯流過程采用非線性水庫模型，管道水流傳輸采用動(dòng)力波法演算；水質(zhì)模型中城市地表污染物累積和徑流沖刷過程均采用指數(shù)函數(shù)模型模擬，根據(jù)不同土地利用類型設(shè)置水質(zhì)指標(biāo)(本文僅模擬COD)累積和沖刷參數(shù)，考慮街道對污染物的去除效果，添加街道清掃參數(shù)。研究區(qū)內(nèi)采用點(diǎn)降雨，不考慮降雨空間分布差異。模型初始參數(shù)依據(jù)研究區(qū)同類文獻(xiàn)[13]及使用手冊設(shè)置。

按照先水量后水質(zhì)的原則，選取2019年7月22日和7月28日兩場典型場次降雨進(jìn)行模型參數(shù)率定。其中水量和水質(zhì)模型分別采用水深、COD質(zhì)量濃度作為分析指標(biāo)。采用納什系數(shù)(NSE)和平均相對偏差(BIAS)作為水量模型模擬精度的評價(jià)指標(biāo)，采用BIAS作為水質(zhì)模型模擬精度的評價(jià)指標(biāo)。經(jīng)分析(如圖2所示)，水量模型NSE分別為0.81和0.91，BIAS分別為0.08、0.05；水質(zhì)模型BIAS分別為0.19和0.23，水量模型和水質(zhì)模型模擬精度較好，滿足研究需求。率定后模型的主要參數(shù)取值見表2。

圖2 模型率定結(jié)果Fig.2 Model calibration and verification results

表2 模型參數(shù)取值

1.4 河道納污能力計(jì)算方法

河道納污能力即河道水環(huán)境容量，表征河道在某一條件下允許排入的最大污染負(fù)荷[14]，包括差值容量和自凈容量。差值容量表征河道水質(zhì)管理目標(biāo)與現(xiàn)狀值的差異，自凈容量表征河道在某一時(shí)段內(nèi)的自我凈化能力。水質(zhì)評價(jià)方法包括單因子評價(jià)法、水質(zhì)綜合指數(shù)評價(jià)法、模糊綜合評價(jià)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[15-17]。根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，采用單因子評價(jià)法判定水質(zhì)類別。假定溢流污水進(jìn)入水體后污染物均勻混合，按照一維水質(zhì)S-P模型計(jì)算河道納污能力，計(jì)算公式如下：

WL=W1+W2

(1)

式中：WL為水環(huán)境容量，kg；W1為差值容量，kg；W2為自凈容量，kg；Q0為入流斷面流量，m3/s；Cg為管理目標(biāo)質(zhì)量濃度，mg/L；C0為入流斷面本底質(zhì)量濃度，mg/L；T為計(jì)算時(shí)間，本文為溢流時(shí)長，s；u為水流流速，m/s；A為斷面面積，m2；K為衰減系數(shù)，d-1；L為河段長度，m。

1.5 降雨場次與溢流場次劃分方法

目前對于降雨場次的劃分方法并未統(tǒng)一[18-19]，但降雨場次影響溢流場次，本文結(jié)合研究區(qū)正在開展的合流制管網(wǎng)調(diào)蓄工程調(diào)度規(guī)則(即雨后24 h內(nèi)將調(diào)蓄水量處理完畢)，將降雨場次劃分標(biāo)準(zhǔn)確定為24 h內(nèi)累積降水量小于2 mm，即最小降雨時(shí)間間隔24 h。對1場降雨過程內(nèi)的多次溢流事件記為1次溢流[20]。

2 分析與討論

2.1 現(xiàn)狀分析與評價(jià)

2019年汛期河道水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，研究區(qū)河道入流斷面COD質(zhì)量濃度平均值為27.82 mg/L，在汛期非降雨時(shí)段COD質(zhì)量濃度平均值在30.24 mg/L左右，略微超出地表水水質(zhì)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。從各個(gè)月份來看，7月和8月平均質(zhì)量濃度在30 mg/L以下，6月和9月平均質(zhì)量濃度大于30 mg/L。

采用2013—2017年連續(xù)5 a實(shí)測降雨數(shù)據(jù)開展模擬，以年為單位劃分溢流場次，統(tǒng)計(jì)各場次排口溢流頻次及溢流量，如表3所示。結(jié)果表明，研究區(qū)年平均降水量為683 mm，最大842 mm，最小574 mm；年降雨場次最高31場，最低19場，平均27場。各個(gè)排口溢流次數(shù)最多為11次，最低6次，年均溢流頻次在7～9之間。排口4溢流頻次最高，其次是排口3，排口2溢流頻次最低。相對而言，北運(yùn)河西岸排口溢流頻次(8.5次)要高于河?xùn)|(7.8次)。

表3 各排口溢流情況

通過對比分析可知，2017年降雨場次最少，但降水總量為706 mm，平均場次降水量37 mm，遠(yuǎn)大于其他年份?？紤]到場次降水量大的降雨會(huì)帶來更多的溢流污染負(fù)荷，故選擇2017年降雨作為最不利情景，開展后續(xù)CSO治理研究。

2.2 場次河道納污能力計(jì)算

以溢流期間河道水質(zhì)不惡化為管理目標(biāo)，即出流水質(zhì)濃度不高于入流，則W1=0，WL=W2。參考北運(yùn)河COD降解速率模擬研究成果[21]，考慮到溢流事件多發(fā)生于汛期，河道水流速度較大，最終確定COD衰減系數(shù)取0.1 d-1。采用北關(guān)閘閘下流量及水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，計(jì)算Q0及u，L采用各排口距出流斷面距離的平均值，為2.44 km?；谀Ｐ湍M結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各排口溢流量、溢流負(fù)荷和溢流時(shí)間，對溢流量及溢流負(fù)荷進(jìn)行匯總求和，以各排口中溢流時(shí)間最長的作為T，根據(jù)式(1)(2)計(jì)算確定不同場次河道納污能力，并計(jì)算超標(biāo)負(fù)荷，計(jì)算結(jié)果見表4，溢流量和溢流污染負(fù)荷相關(guān)關(guān)系曲線見圖3。

表4 場次溢流情況及納污能力計(jì)算結(jié)果

圖3 溢流量與溢流負(fù)荷之間相關(guān)關(guān)系Fig.3 Relationship between overflow volume and overflow pollution

由表4可知，2017年降雨19場，其中10場發(fā)生溢流事件，5場發(fā)生在8月，2場發(fā)生在7月，5月、6月和10月各發(fā)生一場。從水量分析，溢流量最大的為6月23日溢流事件，為60 686 m3，最小的是8月16日溢流事件，為1 096 m3，平均場次溢流量為20 743 m3。從溢流時(shí)長來看，最長溢流時(shí)間為17 h，最短為1 h，平均值為5.2 h。從溢流水量與水質(zhì)的關(guān)系來看，二者之間存在極強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系(圖3)。所有場次溢流污染負(fù)荷均超過納污能力，最大為8月2日溢流事件，超標(biāo)量為4 563 kg，最小為8月16日，超標(biāo)量為46 kg，平均超標(biāo)負(fù)荷1 903 kg。與8月2日溢流事件相比，6月23日的溢流量和溢流污染負(fù)荷大，但超標(biāo)負(fù)荷低，原因是6月23日溢流時(shí)長為17 h，遠(yuǎn)大于8月2日的5 h。由此可知，除場次溢流量和溢流污染負(fù)荷外，溢流時(shí)長是影響超標(biāo)負(fù)荷的重要因素?？刹捎孟鄳?yīng)措施，延長溢流時(shí)間，降低溢流強(qiáng)度，利用河道水體的自凈能力，增加溢流污染物在河段內(nèi)運(yùn)移過程中的自然降解量，以降低CSO治理工程的規(guī)模。

2.3 控制方案研究

類比溢流頻次的概念，提出將超標(biāo)頻次作為CSO控制指標(biāo)。超標(biāo)頻次是指所有發(fā)生的溢流事件中超出受納水體納污能力的次數(shù)，與溢流頻次、溢流體系控制率等常用指標(biāo)一樣，通常以年計(jì)。CSO控制的根本目的在于改善降雨期間河道水質(zhì)，減少其超標(biāo)的次數(shù)，但若要控制所有合流制排口不溢流或溢流事件發(fā)生時(shí)河道水質(zhì)全達(dá)標(biāo)是不經(jīng)濟(jì)也是不現(xiàn)實(shí)的，因此國內(nèi)外各地區(qū)CSO的治理都會(huì)確定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。需要明確的是，由于本文采用的計(jì)算方法基于研究區(qū)段內(nèi)河道納污能力，控制目標(biāo)為下游斷面水質(zhì)相較上游入流水質(zhì)不惡化，故溢流水質(zhì)達(dá)標(biāo)認(rèn)定為溢流事件發(fā)生時(shí)段內(nèi)研究區(qū)河道出口斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

在入河前建設(shè)調(diào)蓄設(shè)施實(shí)現(xiàn)CSO的控制是最為常用的工程措施[22]。根據(jù)調(diào)蓄池的位置不同工程措施分為：①在截流井之后建設(shè)調(diào)蓄池。降雨發(fā)生后，合流制污水首先經(jīng)截流設(shè)施截流，待超出截流能力后，將溢流污水收集至調(diào)蓄池進(jìn)行存蓄，雨后再抽排至污水廠進(jìn)行處理；②在截流設(shè)施之前建設(shè)調(diào)蓄設(shè)施，在降雨發(fā)生后先將管道內(nèi)的合流制污水收集至調(diào)蓄池存蓄，待調(diào)蓄池滿后再利用截流設(shè)施進(jìn)行截流，超出截流能力則發(fā)生溢流?？刂茦?biāo)準(zhǔn)越高，所需要的調(diào)蓄規(guī)模越大。按照場次溢流量由大到小進(jìn)行排序，若要實(shí)現(xiàn)溢流n次的控制標(biāo)準(zhǔn)，則排序第n+1次溢流事件對應(yīng)的溢流量即為所需調(diào)蓄規(guī)模。同理，以各場次溢流超標(biāo)負(fù)荷為約束條件，除以各場次溢流事件的平均質(zhì)量濃度得出的溢流量，由大到小進(jìn)行排序，若要實(shí)現(xiàn)超標(biāo)n次的控制標(biāo)準(zhǔn)，則排序n+1次溢流事件下超標(biāo)負(fù)荷對應(yīng)的溢流量即為調(diào)蓄規(guī)模，見圖4。

圖4 不同控制標(biāo)準(zhǔn)下對應(yīng)的調(diào)蓄規(guī)模Fig.4 Regulation and storage volumes of reservoir under different control standards

通過圖4可以獲取不同控制標(biāo)準(zhǔn)下所需的調(diào)蓄規(guī)模。隨著控制標(biāo)準(zhǔn)的降低(即頻次增加)，所需的調(diào)蓄規(guī)模呈非線性下降趨勢。頻次低于3時(shí)，調(diào)蓄規(guī)模都在4萬m3以上，而頻次放寬至3時(shí)，調(diào)蓄規(guī)模大幅降低至2萬 m3以下。一般認(rèn)為調(diào)蓄工程建設(shè)規(guī)模與投資成正比，隨著調(diào)蓄工程建設(shè)規(guī)模的增加，建設(shè)成本呈直線上升趨勢。除建設(shè)成本外，還需考慮運(yùn)行維護(hù)成本和新增污水處理費(fèi)用等[23-24]，因此從投入產(chǎn)出比來說，將控制標(biāo)準(zhǔn)定為3次最佳。該標(biāo)準(zhǔn)下，以溢流頻次和超標(biāo)頻次為控制指標(biāo)，所需的調(diào)蓄規(guī)模分別為18 116 m3和13 899 m3，前者比后者偏大30%，即4 217 m3。比較可知，當(dāng)頻次低于7次時(shí)，調(diào)蓄規(guī)模(即縱向上兩個(gè)點(diǎn)的距離)存在明顯的差異，這個(gè)差值來自于溢流事件發(fā)生時(shí)段內(nèi)河道的納污能力。

表5為不同控制標(biāo)準(zhǔn)下，兩類控制指標(biāo)的溢流體積控制率和污染負(fù)荷控制率。以3次作為控制標(biāo)準(zhǔn)，以溢流頻次為控制指標(biāo)的情況下，溢流體積控制率為52%，能夠滿足GB/T 51345—2018《海綿城市建設(shè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》提出的年溢流體積控制率不低于50%的要求，此時(shí)溢流污染負(fù)荷控制率能夠達(dá)到59%。而以超標(biāo)頻次作為控制指標(biāo)，年溢流體積控制率則低于標(biāo)準(zhǔn)要求，若要實(shí)現(xiàn)要求，超標(biāo)頻次應(yīng)定為2次，對應(yīng)年溢流體積控制率為84%，溢流污染負(fù)荷控制率達(dá)86%。與3次控制標(biāo)準(zhǔn)相比，控制率大幅上升。

表5 不同控制指標(biāo)所需調(diào)蓄規(guī)模及控制效果

綜上，與常規(guī)以溢流頻次作為控制指標(biāo)相比，以超標(biāo)頻次作為控制指標(biāo)，考慮了河道自凈能力，因此調(diào)蓄規(guī)模有所降低，降低的程度隨著控制標(biāo)準(zhǔn)的提高而增加。此外，溢流頻次是一種水量控制指標(biāo)，通常只能是通過建設(shè)調(diào)蓄設(shè)施來實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)；而超標(biāo)頻次不僅是一種水量控制指標(biāo)，也是一種水質(zhì)控制指標(biāo)，除了通過調(diào)蓄設(shè)施實(shí)現(xiàn)目標(biāo)之外，還可以通過建設(shè)水質(zhì)快速處理設(shè)施(如旋流分離器、沉淀池等，建設(shè)生態(tài)岸線和人工濕地也被證實(shí)是有效改善河道水質(zhì)的生態(tài)修復(fù)措施[25-26])直接削減入河污染負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)[23，27]，因此以超標(biāo)頻次作為控制指標(biāo)拓展了指標(biāo)的內(nèi)涵，更有利于工程措施的選擇。

以超標(biāo)頻次3次為控制目標(biāo)確定總調(diào)蓄規(guī)模后，需要將調(diào)蓄規(guī)模分配到每個(gè)排口上。按照公平分?jǐn)傇瓌t，以各排口溢流量在總溢流量中的貢獻(xiàn)率為比例系數(shù)，分解調(diào)蓄規(guī)模。最終排口2溢流占比最高(49.3%)，調(diào)蓄規(guī)模按同比例計(jì)算為8 929 m3，排口1、3、4調(diào)蓄規(guī)模分別為5 911 m3、402 m3和2 873 m3，4個(gè)排口的調(diào)蓄規(guī)模差異較大。從減少建設(shè)投資的角度考慮，可以按統(tǒng)籌原則，將排口3的調(diào)蓄規(guī)模分?jǐn)偟狡渌趴冢M(jìn)而減少調(diào)蓄設(shè)施建設(shè)數(shù)量，降低建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)成本，本文將其分配至排口4。最終兩類分配方案的結(jié)果見表6。

表6 各排口溢流量占比及調(diào)蓄規(guī)模

3 結(jié) 論

a.北運(yùn)河北京城市副中心研究區(qū)段COD本底質(zhì)量濃度平均值為27.82 mg/L，達(dá)到地表水水質(zhì)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，汛期無雨時(shí)略微超標(biāo)，6月和9月平均質(zhì)量濃度大于30 mg/L。2013—2017年平均年降雨場次27場，排口年均溢流頻次7～9次，排口4溢流頻次最高，排口2最低。2017年平均場次降水量最大，溢流場次平均污染負(fù)荷較高，作為最不利情景進(jìn)行分析。

b.2017年降雨19場，其中10場發(fā)生溢流，主要發(fā)生在8月，平均場次溢流量為20 743 m3，平均溢流時(shí)間為5.2 h，最大溢流場次發(fā)生于6月23日，溢流量達(dá)60 686 m3。溢流水量與溢流污染負(fù)荷正相關(guān)。所有場次溢流污染負(fù)荷均超過河道納污能力，最大超標(biāo)量為4 563 kg。除溢流量和溢流負(fù)荷外，溢流時(shí)長也是影響超標(biāo)負(fù)荷的因素。

c.從投入產(chǎn)出比分析，CSO控制頻次定為3最佳。該控制標(biāo)準(zhǔn)下，以溢流頻次和超標(biāo)頻次作為控制指標(biāo)，所需的調(diào)蓄容積分別為18 116 m3和13 899 m3，年溢流體積控制率分別為52%和44%，溢流污染負(fù)荷控制率分別為59%和51%。若要滿足《海綿城市建設(shè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中提出的CSO年溢流體積控制率不低于50%的控制標(biāo)準(zhǔn)，溢流頻次應(yīng)不超過3次，超標(biāo)頻次則應(yīng)不超過2次。

c.等比例分?jǐn)偪傉{(diào)蓄規(guī)模至各排口，各排口調(diào)蓄規(guī)模差異較大，最大為8 929 m3，最小為402 m3。可將最小的排口3的調(diào)蓄規(guī)模分?jǐn)傊疗渌趴?，以減少調(diào)蓄設(shè)施建設(shè)數(shù)量，降低建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)成本。

e.超標(biāo)頻次不僅是一種水量控制指標(biāo)，還是一種水質(zhì)控制指標(biāo)。與溢流頻次相比，以超標(biāo)頻次作為CSO控制指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)同樣控制標(biāo)準(zhǔn)所需的調(diào)蓄容積更小，可以采用的手段更為豐富。