合流制溢流(CSO)污染削減率評(píng)估方法探討

2015-10-20 09:20:12仲崇軍李文濤

城市道橋與防洪 2015年8期

關(guān)鍵詞：張村調(diào)蓄溢流

仲崇軍，李文濤

(廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510060)

合流制溢流(CSO)污染削減率評(píng)估方法探討

仲崇軍，李文濤

(廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510060)

隨著污水治理技術(shù)的進(jìn)步，點(diǎn)源水污染在得到較好控制的同時(shí)，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(jìn)一步提升城市水環(huán)境質(zhì)量的主要障礙。鑒于溢流污染治理工程的特殊性，科學(xué)合理地確定工程效果評(píng)價(jià)方法至關(guān)重要。結(jié)合廣州市的相關(guān)研究成果，介紹溢流污染治理工程最主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)——溢流污染削減率的評(píng)估方法和思路，為其他城市開展相關(guān)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(zhì)

0 引言

隨著近年來廣州市加大治水力度，點(diǎn)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(jìn)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(qiáng)點(diǎn)源污染控制對(duì)城市水環(huán)境的改善已不具備更大潛力的城市［1］。

國內(nèi)上海［2］、武漢［3］、合肥［4］等城市已開展了溢流污染控制相關(guān)工作，廣州市也進(jìn)行了大量基礎(chǔ)研究和工程實(shí)踐。溢流污染削減率是評(píng)價(jià)溢流污染控制措施的重要指標(biāo)之一，本文即結(jié)合廣州實(shí)踐，探討雨季溢流(CSO)污染削減率的計(jì)算思路和方法，為其他城市開展相關(guān)工作提供參考。

1 溢流污染削減率計(jì)算方法

溢流污染削率即工程實(shí)施后的溢流污染物質(zhì)量除以工程實(shí)施前的溢流污染物質(zhì)量。計(jì)算溢流污染物質(zhì)量，一個(gè)合理的方法是通過溢流污水量乘以溢流污水水質(zhì)濃度計(jì)算。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)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(shè)施截流能力、地表特性(地形地貌、下滲、調(diào)蓄能力等)、排水體制、降雨水質(zhì)、地面污染情況、污水水質(zhì)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(zhì))具有很大隨機(jī)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(jié)合城市建設(shè)情況及降雨特征，提出一個(gè)具有代表性的典型溢流污水水質(zhì)和典型年降雨，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行溢流污染削減率計(jì)算及工程效果評(píng)價(jià)是一種可操作性較強(qiáng)的方法。

1.1 典型年降雨

對(duì)于一個(gè)特定的排水區(qū)域，地表特征及排水設(shè)施等參數(shù)均已確定，溢流污水量直接取決于降雨量。對(duì)于同一個(gè)城市，雖然單場(chǎng)降雨具有隨機(jī)性，但從長(zhǎng)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(nèi)降雨季節(jié)性明顯等。因此，可以通過分析歷年實(shí)測(cè)降雨資料，制定出一組降雨數(shù)據(jù)，滿足符合當(dāng)?shù)亟涤陮?shí)際情況、反映具體區(qū)域的降雨特性且包含當(dāng)?shù)卣鎸?shí)的場(chǎng)降雨過程，即典型年降雨。

1.2 典型溢流污水水質(zhì)

考慮溢流污染影響因子具有一定的區(qū)域特性，如對(duì)同一城市，城鎮(zhèn)區(qū)為主的2個(gè)區(qū)域，其地地表特性、面污染情況、污水水質(zhì)、管道沉積情況等具有一定的相似性，因此，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可以考慮將服務(wù)區(qū)域進(jìn)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(duì)于同一類型的區(qū)域，通過監(jiān)測(cè)某幾個(gè)典型流域的雨天溢流污水水質(zhì)，可以擬合出一組對(duì)應(yīng)典型降雨的溢流污水水質(zhì)數(shù)據(jù)，即典型溢流污水水質(zhì)。

2 典型降雨分析

2.1 廣州降雨特點(diǎn)分析

廣州屬于典型濕潤(rùn)亞熱帶季風(fēng)性氣候，夏季悶熱潮濕，冬季溫暖干爽。季風(fēng)季節(jié)從四月末到九月初，也稱“梅雨”季節(jié)，這段時(shí)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(gè)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(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)按月總降雨量進(jìn)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(gè)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(jì)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(zhì)

3.1 典型溢流水質(zhì)

為了計(jì)算排水系統(tǒng)溢流污染狀況，評(píng)估工程實(shí)施前后雨天溢流污染削減效能，廣州對(duì)中心城區(qū)4條河涌雨天溢流(CSO)水質(zhì)濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2013年7～9月和2014年3～4月，得到長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月共14場(chǎng)降雨過程溢流水質(zhì)的變化過程數(shù)據(jù)。對(duì)這些數(shù)據(jù)按降雨雨強(qiáng)進(jìn)行分類，如降雨強(qiáng)度小于20 mm/h的有LD20-130802(獵德涌2013年8月2日降雨20號(hào)排水口的水質(zhì)數(shù)據(jù))、LD14-130802、LD14-140406、LD02-130814、LD14-1308145組水質(zhì)數(shù)據(jù)，對(duì)這5組數(shù)據(jù)取平均值即得出降雨強(qiáng)度小于20 mm/h時(shí)的平均溢流水質(zhì)，即小雨強(qiáng)時(shí)的典型溢流水質(zhì)(隨著實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的積累，該典型溢流水質(zhì)代表性將進(jìn)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(qiáng)(＞40 mm/h)、中雨強(qiáng)(40～20 mm/h)、小雨強(qiáng)(＜20 mm/h)降雨過程排放口溢流(CSO)水質(zhì)濃度變化規(guī)律，并制作出對(duì)應(yīng)降雨強(qiáng)度的典型溢流污水水質(zhì)濃度曲線，如圖2～4所示。

圖2 小雨強(qiáng)降雨過程溢流水質(zhì)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(qiáng)降雨過程溢流水質(zhì)變化過程線(典型曲線II)

圖4 大雨強(qiáng)降雨過程溢流水質(zhì)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(yīng)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(yīng)COD濃度達(dá)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(zhì)初期效應(yīng)。第一個(gè)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(dá)到第二個(gè)峰值，大致在350 mg/L到450 mg/L，這是因?yàn)楣艿桌鄯e沉積物被合流污水完全沖出。結(jié)果呈現(xiàn)出大雨強(qiáng)降雨初期效應(yīng)較小雨強(qiáng)降雨更明顯的趨勢(shì)。

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(jìn)行模擬計(jì)算，由于實(shí)際降雨場(chǎng)次、降雨類型很多，而實(shí)測(cè)溢流水質(zhì)數(shù)據(jù)有限，故考慮先根據(jù)降雨強(qiáng)度大小劃分降雨類型(小、中、大雨強(qiáng))，再根據(jù)不同強(qiáng)度降雨選擇溢流污水水質(zhì)濃度變化曲線(I、II、III)，見圖5，對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2所示。

3.2.2 污染特性恢復(fù)假定

圖 5 典型年降雨強(qiáng)度類型劃分

表2 COD濃度變化曲線與降雨強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)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(zhì)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(zhì)效應(yīng)主要是地表沖刷和管道沉積物造成的，因此，在進(jìn)行典型年降雨模擬計(jì)算時(shí)，需明確污水水質(zhì)特性恢復(fù)時(shí)間，即降雨間隔多久后，再次降雨過程中污水水質(zhì)變化規(guī)律恢復(fù)到第一次降雨前水平。

根據(jù)水質(zhì)污染變化機(jī)理分析及國外相關(guān)研究成果，本次計(jì)算認(rèn)為降雨間隔24 h后，合流污水水質(zhì)恢復(fù)原變化規(guī)律，且在連續(xù)降雨過程中，不同雨強(qiáng)組合時(shí)，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(qiáng)曲線，接著大雨，用大雨強(qiáng)曲線；

(3)大雨在前，用大雨強(qiáng)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(qiáng)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(jì)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?xùn)|岸，黃石路南側(cè)?，F(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(shè)置連接石井河位置設(shè)置水利閘，河涌匯水面積約為1.54 km2，主涌長(zhǎng)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(nèi)地勢(shì)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(cè)的城中村(主要為小坪村和大埔村)及京廣鐵路兩側(cè)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(jì)算

4.2.1 單場(chǎng)降雨溢流污染計(jì)算

以典型年8月22號(hào)降雨(與前一場(chǎng)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(jì)算出調(diào)蓄設(shè)施(收集8 mm初雨)實(shí)施前后的溢流量，帶入對(duì)應(yīng)雨強(qiáng)的典型溢流污水水質(zhì)濃度曲線II后，即可求得該場(chǎng)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(hào)降雨時(shí)，現(xiàn)狀溢流水量為23 185.2 m3，溢流COD質(zhì)量為7.31 t；調(diào)蓄工程(調(diào)蓄規(guī)模8 mm，24 h排空)實(shí)施后，溢流水量減少為9 208.8 m3，溢流COD質(zhì)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(jì)算

同單場(chǎng)降雨計(jì)算一樣，借助InfoWorks排水模型軟件，可求出典型年每一場(chǎng)降雨的溢流量和溢流COD質(zhì)量，進(jìn)行求和后即可求出調(diào)蓄工程實(shí)施后典型年溢流污染削減率，見下表4。張村涌調(diào)蓄工程實(shí)施前后典型年全年溢流量過程線見圖7和圖8。

5 結(jié)語

本文基于廣州市實(shí)測(cè)降雨及溢流污染數(shù)據(jù)，提出了溢流污染削減率的計(jì)算思路和方法，其中的典型年降雨及典型溢流污水水質(zhì)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(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。隨著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不斷積累，典型溢流污水水質(zhì)數(shù)據(jù)分類還可以進(jìn)一步細(xì)化，溢流污染削減的評(píng)價(jià)也將更加客觀和準(zhǔn)確。