從“大截排”到清源和低影響開發——基于水質目標約束的情景模擬與規劃

王 石,陳麗媛,孫 翔*,陳 良,黃章镕,姚煥玫

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從“大截排”到清源和低影響開發——基于水質目標約束的情景模擬與規劃

王 石1,陳麗媛1,孫 翔1*,陳 良2,黃章镕3,姚煥玫1

(1.廣西大學資源環境與材料學院,廣西南寧530004；2.廣西大學數學與信息科學學院,廣西南寧 530004；3.廣西大學計算機與電子信息學院,廣西南寧 530004)

運用SWMM模型,以深圳市茅洲河流域光明片區為例,以管網密度、距離及環境容量為約束條件,提出雨污分流改造和海綿城市改造的情景方案和決策判定依據.研究結果表明:海綿城市的建設中低影響開發面積改造比例與污染物削減率之間存在指數關系,9個雨污分流改造的研究小區中有鵝頸玉田、茅洲大凼和公明大凼區域需要匹配海綿城市改造,改造面積比例建議分別為30%、85%和20%.當某一研究小區與已建污水處理廠的距離小于27.25km時,投資建設污水管網與已建污水處理廠處理比新建污水處理廠更具有經濟可行性,超過這個距離,新建一座污水處理廠比建設長距離污水管網更劃算.對于本文研究案例,在只考慮污水處理廠節省的雨水處理成本下,各研究小區進行雨污分流改造的回本時間為27~64a.本研究提出的決策判定思路和依據能為城市建成區消除內澇和內河黑臭提供新的方法學視角,能為深圳市以及其他同類地區水環境整治規劃提供決策信息參考.

雨污分流；低影響開發；城市內澇；城市黑臭河道；SWMM

城市建成區河流黑臭與內澇災害是制約當前中國大部分城市現代化進程的關鍵問題,如何防治內澇并同時改進城區內河水質是目前水科學、水環境領域研究的熱點和難點問題.深圳是中國改革開放的前沿陣地,城市化水平高,城市化進程快,水系發達,城市化過程內澇和河流黑臭所帶來的水環境風險隱患問題十分突出[1],為消除隱患問題,深圳市政府實施了大截排工程方略,通過箱涵收集城市建成區混排的雨水和生活污水送下游污水處理廠處理,但是大截排工程實施后雨污混合的廢水給污水處理廠造成了很大的沖擊,來水量波動幅度大,暴雨時污水處理廠不堪重負,少雨時污水處理廠則來水不足造成污水處理廠設施的閑置與規模浪費,最重要的是一般雨水只有前15min的初期雨水污染較大,建大規模污水處理廠應對雨水處理實際并不劃算,另外由于上游雨水收集送下游處理導致上游生態補水嚴重不足影響了區域水生態平衡.為應對大截排的問題,不少專家學者提出清源(雨污分流)改造,但改造的經濟成本和社會成本很大,而且初期雨水就地排放如不加以控制會造成局部區域水環境惡化.到底應該在什么片區實施雨污分流改造,空間上應該如何布局,雨污分流與雨污合流該如何取舍,海綿城市又該如何搭配,是一個需要博弈的難點現實問題,這需要一個量化的數學框架來尋求解決,但是目前仍未在思路與模型上達成共識.

SWMM是由美國環保署開發的城市暴雨管理模型.可用于城市降雨產流、地表匯流、管道匯流、各類蓄水設施模擬、地表污染物的累計沖刷模擬等[2-9].通過對比分析TRRL、UCURM和SWMM模型對桑坦德市降雨水質的預測結果,顯示3種模型模擬結果相似,模型預測結果的可信度較高[10],同時集合了神經網絡模型對SWMM的運行參數的靈敏度做了分析研究[11].除此之外,該模型還曾結合地理信息系統和傳感網絡等手段升級為多平臺集成,得到了實時排水模型系統[12].SWMM模型在國內的應用也十分廣泛,從模擬天津市地表徑流產生過程來表明該模型在構建城市排水管網模型方面有很好的適用性[13].在詳細參考了深圳實際規劃案例后,該模型也被考慮進實際使用的選擇中[14].以上SWMM模型的拓展與應用為本研究的開展奠定了很好的方法基礎.

本研究旨在為雨污混排與箱涵截排的老城區進行雨污分流、海綿城市聯合改造提供系統和量化的判定分析思路,提出待改造集水分析單元主干管網離污水處理廠的空間距離與改造回本時間之間的函數關系,對比各分析單元的單獨改造和多種聯合改造情景下的回本時間差異,給出根據預設回本周期目標限制下最合理的空間改造布局方案.在確定雨污分流改造單元后,為緩解雨水就地排放可能對環境的不利影響,本研究提出通過海綿城市改造來削減城市面源污染,研究分析海綿城市不同面積比例改造與污染物削減率的量化關系,并提出根據水環境容量計算污染物削減量和進一步反推海綿城市改造面積比例的決策思路,以期為城市建成區水環境治理和水安全保障提供支撐依據.

1 研究區與數據來源

1.1 研究區概況

深圳屬于亞熱帶海洋性氣候,暴雨發生頻率高、影響面廣、危害大.平均每年降雨量1966.6mm,降雨日數144d,暴雨日數9d,大暴雨日數2.2d.近年來,每逢下雨,深圳就會出現“小雨小淹、大雨大淹”,以及關外逢暴雨必有大內澇的狀況,內澇已經成為制約深圳城市發展不可回避的問題.

茅洲河位于深圳市西北角,屬寶安區境內,與東莞市交界,主要包括寶安區的石巖鎮、光明街道、公明鎮、松崗鎮、沙井鎮與東莞市長安鎮,控制流域面積為344.23km2,其中,深圳境內流域面積266.85km2,東莞境內面積77.38km2.由于城市化水平高,人口密度大,排水基礎設施不完善,該區域面臨著城區河流黑臭與內澇雙重問題.研究區為茅洲河流域在光明片區的范圍,總面積146.14km2,片區由1條干流及13條一級支流、17宗水庫組成(圖1).

研究區域目前采取的水安全治理工程主要包括防洪、排澇、排水3部分,現有的防洪體系主要遵循“以泄為主,以蓄為輔”的原則,其中干流段大部分已完成河道綜合整治,部分支流已經進行過整治,但整治岸生態性較差,澇片主要采用“高水高排、低水抽排”的治理原則,通過排水管涵、渠道收集雨水,通過閘、涵封閉澇片,澇水通過泵站外排,海綿城市設計不足.研究區目前排水管道較為復雜,老城區的地下雨水管網和污水管網亂接現象嚴重,未形成完整的排污體系.研究區實際使用的污水處理廠包括光明(處理A區污水)和燕川(處理B區污水)2個污水處理廠,片區內地下管網復雜,分流及混流設施均存在,并且在茅洲河干流兩側設有截留箱涵,污水和雨水均通過箱涵接入2處污水處理廠.

圖1 研究區域概況

1.2 數據來源

研究使用的高程數據為http://srtm.csi.cgiar. org網站的90m分辨率DEM數據;土地利用數據來自深圳市2016年5月1日Landsat 8遙感數據解譯,解譯使用基于專家知識的決策樹方法;管網數據根據《深圳市城市總體規劃2010- 2020》道路管網分布圖矢量化得到;光明片區2016年常住人口數據來源于《深圳市統計年鑒》[15],2016年光明片區人口密度空間數據則根據2010年光明片區人口密度空間分布數據(2010年第六次人口普查統計數據進行空間網格化得到)、2016遙感數據解譯得到的商居用地空間數據、光明片區2016年常住人口數據進行近似調整估算修正得到.

圖2 研究小區和集水分析單元劃分

1公明大凼集水區;2樓村木墩集水區;3茅洲大凼集水區;4木墩東坑集水區集水區;5鵝頸玉田集水區;6東坑鵝頸集水區;7新坡頭樓村集水區;8大凼玉田集水區;9白沙西田集水區;10大集水區

本研究將整個研究區域按照河流水系分割成10塊研究小區(其中標注為10序號的研究小區主要是林地生態系統,無人口居住,不作為分析對象,只分析9塊研究小區,分別為白沙西田集水區、茅洲大凼集水區、新坡頭樓村集水區、樓村木墩集水區、公明大凼集水區、木墩東坑集水區、東坑鵝頸集水區、大凼玉田集水區、鵝頸玉田集水區),進一步細分出235塊子集水分析單元,如圖2所示.

2 研究方法

2.1 地表徑流模型

本研究首先構建徑流模擬模型,模型運行參數參考相關研究文獻[2-4,16-31],以深圳市特征年降雨為降雨時間序列,進行模擬,得出在特征年降雨下研究區面源污染量.該模型將地面分為3種類型:洼蓄透水面積1(m2)、洼蓄不透水面積2(m2)、無洼蓄不透水面積3(m2)3部分區域.雨水降落在地表后,在1區產生下滲,在2區產生積水,在3區直接產生徑流.在子匯水區域的總徑流量R計算見式(1).子匯水區產流后,通過地表匯流,流入管道或者該區域的出水口.地面匯流量(m3/min)的計算公式見式(2).

通過管網匯流的雨水,在管道中也有相應的匯流過程,管網匯流量(m3/s)的計算公式見式(3).

式中:為降雨量,mm;為蒸發量,mm;為洼蓄量,mm;0為潛在洼蓄量;1為匯水子區域寬度;為曼寧粗糙系數;y為匯水子區域的洼蓄量,mm;為匯水子區域坡度,m/m;為地表徑流的平均水深,m; i為凈雨量,mm/min.為管道平均流速,m/min;為過水斷面面積,m2;為重力加速度,取9.8m/s;為靜水壓頭,m; F為摩擦阻力.

2.2 污染物累計沖刷模型

在城市中,地表徑流中的污染物主要來自空氣中的污染物沉降累計,在降雨時被雨水沖刷,使得地表徑流中存在一定量的污染物.一般對于地表污染物的增長過程,常分為線性和非線性兩大類累積方式,本研究中選用非線性的指數函數累計式,通過沖刷所產生的污染物產量如式(4)所示.

式中:為被沖刷的地表污染因子的濃度,kg/m3;為徑流率,m3/s;為子排水區域面積,km2; CONV為單位轉化系數;R為沖刷系數;為在時間t時刻的子匯水區域單位面積徑流率,mm/h;P為時刻剩余地表污染因子的量,kg/hm2.曼寧粗糙系數、沖刷系數等參數主要來自于經過實測驗證的有關深圳地區城市地表徑流和污染物沖刷輸出研究的成果[32-36].

2.3 生活污水污染物估算模型

利用生活污水產量計算公式(5)進行估算:

d=′d′′365 (5)

式中:d為日生活污水產量,m3;為選取生活污水變化系數,取值1.2;為生活污水產生量系數[取值185L/(人×d)]或者污染物產生系數[COD產生系數取值為79g/(人×d)];為1.2章節中述及的2016年光明片區人口密度空間分布與各研究小區單元面積相乘得到的每個分析單元人口數.據此計算得到9個研究小區的生活污水年產量及COD年產量.

2.4 多情景方案雨污分流改造污染物削減效益、投入回本期與空間距離的相關分析

2.4.1 情景方案說明 現狀(大截排):本研究片區所有分析單元現狀是地下雨水和污水管網錯亂布局,把雨水和生活污水混合收集排放到大箱涵送污水處理廠處理,在這種情景下污水處理廠不僅要對生活污水進行處理,而且還要對雨水進行處理,增加了污水處理廠的處理費用;另外,由于箱涵截留了雨水,存在局部區域生態需水難以滿足的問題.

未來情景假設(雨污分流):(1)雨污分流改造已列入深圳市政府的中長期規劃,假設目前混排的地下管網保留用于雨水管網(不需要重復投資建設),收集雨水就近排入附近茅洲河或其支流,不僅不產生新的投資,還節約了污水處理廠處理每個研究小區單元送過來的雨水量(Y)所產生的成本(COSTY),另外初期雨水一般污染物濃度高,城市雨水徑流沖刷產生的污染物輸入如超過該段河流水環境容量,則會產生雨季水質超標的問題,在這種可能的超標情況下,需要根據最小削減量設計低影響開發(LID)改造工程(即海綿城市工程);(2) 投資新建一套生活污水管網(包括連接各居住小區單元的支網以及匯集送污水處理廠的主管網)送污水處理廠處理,相比大截排污水處理廠處理的生活污水量以及成本沒有變化,但是新增加了管網的投資,假設支管網的投資為COST支,主管網的投資為COST主,合計為COSTw;(3)原大箱涵放棄不再使用;(4)雨污分流一般有單獨改造和聯合改造的方式,如示意圖3所示.

圖3 各分析單元雨污分流改造距離分析示意

A、B、C 3個分析小區目前是雨污混流或者合流,3個分析小區與下游污水處理廠距離依次增加,要進行雨污分流改造和海綿城市改造;單獨改造就是指單獨對A、B、C進行改造;聯合改造是指對A、B、C同時聯合改造,即首先對距離污水處理廠較近的A、B進行改造后再對C進行改造;如果A、B沒有進行雨污分流改造而直接對C進行單獨雨污分流改造,很顯然需要投資建造穿越A、B的主干排水管,C的改造成本很高;而如果對A、B、C同時聯合改造,即首先對距離污水處理廠較近的A、B進行改造后再對C進行改造,C區通向污水處理廠的主干管網投資將會被A、B、C平攤,從而改造的回本期相較單獨改造會有所縮短,但存在邊際收益拐點效應.

2.4.2 回收周期和環境效益計算 進行雨污分離改造必然能減少污水處理廠的負擔,使其穩定運行,并且降低運行成本.以污水處理廠減少的水量所對應的年運行成本減少量,核算雨污分流改造的成本抵消年限.其計算公式為:

式中:為成本回本周期;w為生活污水管網投資建設的成本;Y為改造后污水處理廠節約處理雨水的成本;E為環境效益(如減少污染物排放的價值、海綿城市設計減少內澇的經濟損失以及增加生態需水的環境效益貨幣化價值).而單位投資污染物削減效益則是污染物削減量與雨污分流改造成本投入的比值.

3 結果與討論

3.1 現狀污染分析結果

表1 現狀模擬結果

續表1

研究區生活源和面源污染情況模擬結果如表1所示.因為區域有2個污水處理廠,收集對應的區域范圍污水,所以根據2個污水處理廠的服務范圍劃分為2個大區域:污控一區和污控二區,污控一區生活源COD總量為4266.15t,面源COD量為1094.75t;污控二區生活源COD總量為1775.47t,面源COD量為3033.28t.面源污染占了生活源的34.84%,若不經過海綿城市工程設計對面源污染加以削減處理,會對流域局部區域水環境產生污染影響.

3.2 改造情景分析

進行雨污分流改造時,分為兩種情景:

以每投資千元的COD削減量為指數,分析各段在2種情景下的效益,如表2所示.

表2 不同情境改造模擬結果

效益:每花費千萬元能削減的COD量(萬t).

用表2中效率與距離進行線性擬合,結果顯示線性相關度不高(單獨改造時2=0.3858,聯合改造2=0.1703).分析各研究區內生活污水產量、人口數、人口密度、研究區面積、管網長度、管網密度、單位人口管網長度、單位面積面源污染物量、徑流量9個因素的影響.發現管網密度(GW)對效率和距離的擬合存在限定作用,且當GW= 0.0028時,存在分割現象,擬合結果如圖4所示.

從擬合結果看,使用GW=0.0028進行分割后,線性擬合能得到較好的擬合曲線,2分別為0.9774、0.8039、0.8740、0.2669(聯合改造情境下,當GW大于0.0028時,區域擬合結果較差,后文中將分析原因).單獨改造情境下,當GW小于0.0028時,區域改造單位投入所削減的COD量隨距離減少量要高于GW大于0.0028的區域分別為1.3681和0.4352[萬t/(千萬元×km)];聯合改造情景下,GW的分割情況同上,削減量變化率分別為1.1124和0.11522 [萬t/(千萬元×km)].在管網密度大于0.0028的區域進行雨污改造,不論是單獨改造還是聯合改造,由于距離而產生的單位投入污染物削減量都要高于小于0.0028的區域.區域的管網密度是影響改造效率的關鍵因素.

3.3 雨污改造成本分析

進行雨污分離改造必然能減少污水處理廠的負擔,使其穩定運行,并且降低運行成本.以污水處理廠減少的水量所對應的年運行成本減少量,核算雨污分流改造的成本抵消年限.結果如圖5所示.從擬合結果看,兩種情景下,最小的回收年份為新坡頭樓村區域的聯合改造情景,年份為27a;最大的回收年份為白沙西田區域的單獨改造情景,年份為64a.在GW大于0.0028時,單獨改造投資回收周期隨著距離增加其增長率大于聯合改造,分別為0.0026a/m(單獨改造)和0.0005a/ m(聯合改造);在GW小于0.0028時,單獨改造投資回收周期隨著距離增加率大于和聯合改造,分別為0.9480和0.8737(a/m).聯合改造后隨距離增加的改造成本回收年份要比單獨改造的短.

3.4 邊際效應分析和污水處理廠服務最大范圍確定

將前段已改造(聯合改造)和前段未改造(單獨改造)的單位投入做差,結合污染物削減量,得出聯合改造后的效率增長率,分析其與該區域到污水處理廠的距離關系,擬合結果如圖6所示.

從擬合結果看,前段距污水處理廠的距離與效率比增長率存在邊界效應現象,二次擬合結果為:=-0.20842+5.7941-3.152,2=0.9507,計算得出在前段距離污水處理廠的距離為13.90km時存在邊界效應點,在該范圍內,聯合改造所產生的效率增長率為正,即在處理等量污染物的前提下,聯合改造節省的成本隨距離增加而增加;超過這個距離后,聯合改造所節省的成本和單獨改造情景相比,差距縮小.在距離為27.25km時,兩種情景改造的花費相當,超過27.25km后,單獨改造要比聯合改造節省成本,給出的啟示是污水處理廠的服務范圍不應該超過27.25km(以此距離為半徑的圓面積2332.83km2).

圖6 距離效應與效率比增長率關系

進行雨污分流改造后,面源污染物需要單獨進行處理.此時先對照各段水系的污染物容量,超出其容量的則需進行低影響開發改造處理.當前海綿城市工程中LID設施有多孔路面、生物滯留網絡、滲渠、雨桶以及下沉式綠地.由于城市內僅有部分區域可進行改造,本文將研究區域內可進行海綿城市工程的面積設置為總面積的60%.LID改造面積也是在總面積的60%基礎上進行判定的.本文以鵝頸玉田區域為例,模擬了LID設施為生物滯留網絡下不同面積比例的COD削減量曲線,如圖7所示,隨LID設施面積增加,污染物的削減量也隨之增加.

各個小區中只有茅洲大凼、公明大凼和鵝頸玉田區3個小區的面源污染物直排量超出對應河段的環境容量,根據圖7污染物削減率與LID改造面積比例關系,這幾個小區對應需要進行LID改造的面積比例分別為85%、20%和30%(表3).

圖7 污染物削減率與LID面積關系

表3 區域環境容量及需設置LID比例

4 結論

4.1 城市建成區的雨污分流改造投入很高,需要考慮經濟可行性和成本效益比問題,雨污分流改造的成本效益比會受到改造區域距污水處理廠的距離、改造區管網密度及改造方式的影響,而且存在距離和改造效率比的邊界效應現象. 本研究案例計算結果表明,污水處理廠的服務范圍不應超過27.25km,即當改造小區單元與已有污水處理廠的距離超過27.25km時,新建一座污水處理廠比建設長距離雨污分流管網更劃算.

4.2 海綿城市的建設中LID設置比例與污染物削減率之間存在指數關系.雨污分流改造使得各單元雨水就近排放入水體,在規劃中需要比較特定排污單元城市面源污染直排量和水環境容量關系,如果排放量超過容量的,需要計算污染物削減率,并根據海綿城市的建設中LID設置比例與污染物削減率之間存在指數關系求算特定改造單元最小海綿城市改造空間面積比例.

4.3 對于本文研究案例,在只考慮污水處理廠節省的雨水處理成本下,各研究小區進行雨污分流改造的回本時間在27~64年間.

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From rainwater and sewage interception to separation system combined with low impact development reconstruction in urban built-up area: A water quality constrained scenario stimulation and programming.

WANG Shi1, CHEN Li-yuan1, SUN Xiang1*, CHEN Liang2, HUANG Zhang-rong3, YAO Huan-mei1

(1.College of Resources, Environment and Materials, Guangxi University, Nanning 530004, China；2.College of Mathematics and Information Science, Guangxi University, Nanning 530004, China；3.School of Computer, Electronics and Information, Guangxi University, Nanning 530004, China)., 2017,37(10)：3981~3990

In this study, SWMM model was coupled with scenario analysis approach to simulate urban rainfall-runoff and water quality under the dual constraints of water safety and quality at Guangming District of the Maozhou River Basin. The analysis results showed that there was an exponential relationship between the area of LID reformation and the pollutant reduction rate. In order to address the issue of the negative impacts of surface storm water run-off pollution on local river water quality, 30%, 85% and 20% of the total area were recommended to implement LID reconstruction at Ejing-yutian Unit, Maozhou-dadang Unit and Gongming-dadang Unit, respectively. Compared with building new sewage treatment plant, construction of sewage pipes to direct sewage water into existing sewage treatment plant had more economic benefits if the distance between the existing sewage treatment plant and the research area is less than 27.25km., and vice versa. In this study, the break-even time cost of rainwater and sewage separation reconstruction was between 27 and 64years. The proposed decision-making framework in this research has brought a new methodological perspective to treating waterlogging and black-odor in built-up area. It also can provide supplementary and useful information to the planning of water-environment management in Shenzhen and other similar areas.

rainwater and sewage separation system；low impact development；waterlogging；urban black-odors river；SWMM

X143

A

1000-6923(2017)10-3981-10

王 石(1992-)男,甘肅隴南人,廣西大學碩士研究生,主要從事流域生態、流域水文等研究工作.

2017-02-13

2017年度教育部人文社會科學研究青年基金(17YJCZH153);廣西大學科研基金(xgz150300)

* 責任作者, 副教授, sunxiangphd@gxu.edu.cn