中心城區泵站旱天放江特征及削減潛力分析

葉建鋒，張 玉

(1. 東華大學環境科學與工程學院，上海 201620;2. 上海市環境科學研究院，上海 200233)

上海開展了多年的水環境保護工作，中心城區點源污染目前已經得到了有效控制，點源控制率已達85%以上［1］，但部分河道水質仍未得到持續明顯的改善，尤其每逢降雨前后，河道沿線市政、雨水泵站附近河段仍時常出現黑臭現象［2］。究其原因主要是城區面源污染特別是泵站放江污染因素，已凸顯為影響上海中心城區河流水質穩定和持續改善的主要問題［3，4］。

目前上海中心城區基本形成了以污水外排系統和雨水強排系統為主的排水設施體系，共規劃排水系統361 個，截止到2009 年底，已建排水系統250 個［1］。合流制排水系統溢流污水會污染河道水體，分流制排水系統亦沒能實現預期污染控制效果，主要是由于雨水徑流污染［5-7］和雨污水管道混接嚴重［8-10］兩方面原因引起的，造成泵站雨天、旱天放江污染，其中雨污混接導致大量污染物沉積雨水管道底部亦加劇了初期雨水放江污染濃度，對河道水體造成嚴重污染。

由于城市防洪排澇需要，泵站在雨天不得不將納管雨水排入河道，這就導致泵站雨天放江污染從量上控制相對較難。與雨天放江相比，雖然旱天放江水量和污染物量所占比例都相對較小(2012 年上海市中心城區旱天放江水量占12.27%，各污染物量占3.20% ～17.67%)［11］，但旱天放江產生的臭味易招居民環保投訴、嚴重影響受納河道的水質景觀。因此，秉著先易后難的原則，管理部門提出先控制中心城區本不應該大量存在的旱天放江現象。本研究在摸清中心城區泵站旱天放江水量、水質特征的基礎上，分析旱天放江原因，提出旱天放江削減技術路線，并匡算其削減潛力，從而為有效控制上海市中心城區泵站旱天放江污染提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 中心城區泵站概況

本研究所涉泵站為上海市城市排水有限公司下轄的所有防汛泵站，共計170 座，其中合流泵站86座，雨水泵站84 座，主要分布在中心城區的黃浦、靜安、徐匯、長寧、普陀、楊浦、虹口、閘北、寶山、閔行和嘉定等11 個行政區，泵站地區數量分布及位置具體如圖1 所示(數字表示該行政區域內合流泵站-雨水泵站數量)。170 座防汛泵站的總排水能力為1 773.98 m3/s，雨水排入45 條河道，其中33 條河道的水質控制指標為中國《地表水環境質量》(GB3838—2002)中的Ⅴ類，河道水質控制指標為Ⅲ、Ⅳ類的各有6 條［12］。

圖1 研究所涉泵站Fig.1 Pumping Stations Studied in Research

中心城區泵站旱天放江主要來源于合流泵站和雨水泵站，放江類型包括旱流放江、試車放江、雨前預抽空放江、檢修放江和施工配合放江。其中，旱流放江是指晴天時泵站達到開泵水位，開啟雨水泵將管網中的水排入河道;試車放江是指雨水泵站以15 d為周期，雨水泵必須運行一次以保障其正常運行而造成的放江;預抽空放江是為了保障區域排水安全，在遭遇暴雨天氣前，預先對排水管道進行抽空而造成的放江;施工配合放江是指在市政施工、管道維護等需要降低排水系統水位時，采用雨水泵把排水系統水位降低而產生的放江;檢修放江是指泵站內設施需要維修維護時，將泵站集水池內的水位降低而產生的放江。

1.2 泵站旱天放江樣本采集分析

雨水泵站旱天放江污染物濃度根據2008 年9月～2009 年1 月間采集研究區域內2 個雨水泵站旱流放江7 次水樣的監測結果進行分析;合流泵站旱天放江污染物濃度根據2008 年8 月～2009 年5月間采集2 個泵站旱流放江10 次水樣的監測結果進行分析。泵站旱天放江15 min 采樣一次。

泵站放江過程的污染特性采用事件平均濃度(event mean concentration，EMC)分析，EMC 是以流量為權求的一次泵站放江事件排放水體的平均濃度，其表達式如下［13］。

其中EMC—事件平均濃度，mg/L;

M—泵站放江全過程某一污染物總質量，mg;

V—泵站放江水量，L;

C(t)—隨泵站放江過程而變化的某污染物濃度，mg/L;

Q(t)—隨泵站放江過程而變化的排放水量，L。

1.3 分析項目及方法

SS 采用103 ～105 ℃烘干法測定;COD 采用重鉻酸鉀法測定;BOD 采用稀釋接種法測定;氨氮采用鈉氏試劑分光光度法;總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定;總磷采用鉬酸銨分光光度法測定。

2 結果與討論

2.1 泵站旱天放江特征

2.1.1 水量特征

2008 年～2012 年上海市中心城區170 座泵站旱天放江量為1 928.88 萬～5 053.74 萬m3，總體逐年呈減量趨勢(如圖2(a))，2012 年旱天放江量較2008 年下降50.9%。五年間旱天放江降幅與(旱流放江+配合放江)降幅呈顯著相關性(R2=0.975，n=5)，可見大旱流放江量泵站的關停、泵站截流工程改造和加強施工配合放江管理等措施可顯著減少泵站旱天放江量。另外，2008 ～2012 年泵站旱天放江量以旱流放江所占比例最大，為66.61% ～82.50%，因此減少旱流放江量仍是旱天放江減排的重點。根據不同類型泵站旱天放江量分析(如圖2(b))，合流泵站、雨水泵站2012 年旱天放江量較2008 年分別下降約2 218.40 萬m3和352.91 萬m3，降幅分別為78.2%和15.9%，雨水泵站和合流泵站旱天放江量的比例亦由0.78(2008 年)增至3.0(2012年)，可見合流泵站近年來旱天放江量控制效果顯著，而雨水泵站將是下一步旱天放江控制的重點。

圖2 上海市中心城區泵站旱天放江水量Fig.2 Volume of Discharged Water from Pumping Stations under Dry Weather Conditions in Central Shanghai

2.1.2 水質特征

上海中心城區雨水泵站旱天放江除NH3-N、TN濃度低于當地生活污水外，SS、COD、BOD5和TP 的EMC 均與當地生活污水相近(如圖3(a)，各柱狀底端為EMC 最小值，頂端為最大值，中間為EMC 均值，下同)，這主要是由于污水混接至雨水管所致，這也是目前國內諸多城市地區雨水排水系統存在的最大問題;合流泵站旱天放江的SS、COD、BOD5、NH3-N、TN 和TP的EMC 均值分別為96.40、231.10、134.20、31.40、50.24和6.77 mg/L，與當地生活污水水質相近(如圖3(b))。

圖3 上海市中心城區泵站旱天放江污染物濃度Fig.3 Contaminant Concentrations of Discharge to River in Dry Weather in Central Shanghai

2.2 泵站旱天放江削減潛力分析

2.2.1 旱天放江原因分析

泵站旱天放江原因主要分三類［13］:(1)偶然性因素造成的放江，即偶發因素;(2)由于泵站所在系統的限制所造成放江，即系統因素;(3)由于泵站自身設施缺乏或不完善而造成的放江，即設施因素。旱流放江和試車放江由上述三種因素引起，而雨前預抽空放江、檢修放江和配合放江三種旱天放江類型僅為偶然因素導致。2012 年中心城區泵站旱流放江、試車放江、雨前預抽空放江、檢修放江和配合放江相應放江水量分別為1 839.56 萬、143.90 萬、251.65 萬、158.44萬和88.88 萬m3。旱天放江具體原因如表1 所示。

表1 泵站旱天放江原因分析Tab.1 Analysis of Discharge to River in Dry Weather from Pumping Stations

續 表

2.2.2 旱天放江削減技術路線

泵站旱天放江削減必須從整個排水系統的角度，綜合考慮污水收集管網、泵站設施建設和污水出路三個因素，由此提出泵站旱天放江削減技術路線如圖4 所示。由圖4 可知泵站旱天放江削減主要針對旱流放江和試車放江，由偶然因素造成的預抽空放江、配合放江和檢修放江雖然可以通過降低管道、泵前集水池水位等措施降低各自放江量，但仍具有很大的不確定性。

圖4 泵站旱天放江削減技術路線圖Fig.4 Technology Route Chart of Reducing Discharge to River in Dry Weather from Pumping Stations

2.2.3 旱天放江削減潛力分析

針對系統和設施因素造成的泵站旱天放江問題，可采取工程性和管理性措施削減其放江量;偶然因素引發的預抽空放江、配合放江和檢修放江不考慮其削減量。利用2012 年泵站放江數據，對市管170 座泵站旱流放江和試車放江的削減潛力做一分析，如表2 所示。其中雨污混接改造由于工作量大，必須分批實施，削減潛力按照放江量的70%估算;泵站空間不夠，改造和建設需要征地的，由于征地比較困難，削減效果按照60%估算。

經過估算，有削減潛力的涉及泵站82 座，其中應用非工程措施(盡快啟用截流設施、回籠水設施，報廢，系統工程建設后可改善等)的泵站39 座，應用工程措施的泵站43 座。非工程性措施估計能削減旱天放江量908.21 萬m3，工程措施預計能削減旱天放江867.95 萬m3，兩者占2012 年旱天放江總量的71.55%。

表2 中心城區泵站旱天放江對策措施Tab.2 Countermeasures of Discharge to River in Dry Weather from Pumping Stations in Central Urban Area

3 結論

(1)上海市中心城區泵站旱天放江量近年顯著下降，旱流放江仍占旱天放江量的66.61% ～82.50%，因此，減少旱流放江量仍是旱天放江減排的重點;雨水泵站和合流泵站旱天放江量間的比例亦由0.78 增至3.0，可見雨水泵站將是下一步旱天放江控制的重點;泵站旱天放江污染物濃度與當地生活污水水質相近。

(2)泵站旱流放江和試車放江由偶發因素、系統因素和設施因素引起，而雨前預抽空放江、檢修放江和配合放江三種旱天放江類型僅為偶然因素導致，具有很大的不確定性。因此采用工程性和管理性削減措施，主要針對旱流放江和試車放江。

(3)經過估算，有削減潛力的涉及泵站82 座，其中應用非工程措施估計能削減旱天放江量908.21萬m3，工程措施預計能削減旱天放江867.95 萬m3，兩者占2012 年旱天放江總量的71.55%。

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