基于河網納污能力的初期雨水治理截流標準

時珍寶，陳長太

(1.上海市水務規劃設計研究院，上海 200233；2.上海碧波水務設計研發中心，上海 200233)

城市水環境污染根據排放方式可分為點源污染和面源污染兩類。上海中心城區點源污染治理率已達95%，雨天通過市政泵站放江產生的初期雨水污染已成為河道水環境治理的痼疾之一。市政泵站放江污染是整個城市排水系統不同歷史時期遺留下來的問題在排口處的集中反映，對其重視程度與社會的發展階段密切相關。管網雨天出流污染主要組成為初期地表徑流污染、管道沉積物污染和雨污混接導致的溢流污染，與點源污染相比，面源污染具有隨機性、廣泛性、時空分布不均的特性，治理起來也更加艱巨，需要從正本清源和水陸統籌兩個層面進行綜合治理。本文主要從市政泵站的截流量優化角度進行探討。

1 國內外初期雨水治理現狀

根據美國環保局(EPA)2000年環境報告，美國境內點源污染基本解決，但河道水質仍然不能達到聯邦政府或各州水質標準，究其原因主要是面源污染。據統計，美國尚有40%的河流、51%的湖泊、53%河口[2]和78%的五大湖地區仍受富營養化影響，不能達到聯邦政府或各州水質標準。日本針對合流制排水系統雨天溢流污染治理(CSO控制)進行了大量的工程實踐，提出了“治理后的合流制排水系統對水環境的污染負荷等同分流制”的總體目標[3]。日本對合流制排水系統初期溢流污染的控制，其指標主要為非汛期BOD削減率達到95%，汛期BOD削減率達到65%，對應的初期雨水調蓄標準折合為9.5～16 mm的降雨量[3]。德國對分流制排水系統地表徑流污染的控制，治理標準為1.8～6 mm的降雨量。國內初期雨水治理尚處于起步階段，對于經濟發展較快的大中城市相關需求也越來越明顯。

上海在初期雨水治理領域已有部分工程措施探索，沿蘇州河建設了4座合流制排水系統溢流污染調蓄池，在蘊藻浜附近修建了帶有快速就地處理設施的調蓄設施，在世博會地區建設了4座分流制排水系統初期地表徑流污染調蓄池。然而，迄今為止對市區雨天溢流污染控制的合理標準，仍缺乏研究。

2 上海市初期雨水污染負荷

根據上海市環境科學研究院的研究成果[4]，“十一五”期間，上海城鎮地表徑流面源污染CODCr負荷為24.26萬t/a，而同期上海城鎮點源污染CODCr負荷約為22.5萬t/a，可見面源已超過點源成為上海水環境污染的最主要因素。根據測算，上海市中心城區合流制與分流制排水系統放江的初期雨水分別攜帶約2.24萬t/a和4.97萬t/a CODCr進入內河和黃浦江，合計7.21萬t/a。

3 上海全市及中心城區納污能力

3.1 全市河網納污能力模型構建

課題組以上海市水務規劃設計研究院河網水量水質模型為基礎，采用一維和零維水量水質耦合模型模擬計算水流的運動、水質以及納污能力變化規律，即對計算概化河網，采用一維水量水質模型進行數值模擬；對未列入計算河網的調蓄支河采用零維水量水質模型進行數值模擬。黃浦江水系概化河段4 072條段，節點3 188個，水閘(泵站)控制建筑物447座[5]。

根據水(環境)功能區劃，將河網的水質控制標準作為已知條件，基于感潮河網水量水質模型，應用水環境承載能力的理論和方法，建立感潮河網水環境納污能力模型，力求各河段的水質濃度始終等于相應的水質標準值，反推河網能承受污染物的最大允許排放量。

3.2 設計水文水質邊界條件

采用保證率90%以上的最枯月水文過程作為設計水文過程。根據長系列水文資料，經頻率分析得到1967年7月為太湖流域95%來水保證率的典型枯水期。因此，利用太湖流域河網水量模型模擬計算出的黃浦江、蘇州河上游的同期水文變化過程，作為水環境納污能力計算的設計水文上邊界條件。采用下邊界長江口、杭州灣沿線實測潮位站的同期實測潮位變化過程，作為水環境納污能力計算的設計水文下邊界條件。

采用市水務局、市環保局和太湖流域管理局的實測水質數據的平均值作為水環境納污能力計算的設計水質上邊界條件。理想水質邊界條件是省際邊界上游來水水質均達到水功能區劃的水質標準取值。河道主要污染物的降解系數分別為KCOD=0.04 d-1。

3.3 納污能力計算結果

在理想水質邊界條件下，即省際邊界上游來水水質均達到水功能區劃的水質標準時，全市河網水系的CODCr納污能力總量為30.75萬t/a。中心城區理想邊界下的水環境容量為5.58萬t/d，不考慮黃浦江水環境容量的利用，則中心城可利用的水環境容量為3.56萬t/d。

4 上海市中心城區初期雨水治理截流標準

初期雨水截流調蓄成本是相當高的，這就需要根據排水系統溢流污染特性和降雨特征分析，在調蓄量與污染削減效率之間尋求合理區間，既能滿足水環境功能區劃要求，又能將治理成本控制在一定限度之內，提升工程建設的經濟可行性。初期雨水治理截流標準制定技術路線如圖1所示。

圖1 初期雨水治理截流標準制定技術路線Fig.1 Technical Route Establishment for Initial Rainwater Treatment and Interception Standards

4.1 截流雨量與污染物削減效率分析

對于合流制排水系統，小雨被完全截流的程度，以及中到大雨初期降雨被截流比例是城市初期雨水治理效益分析的兩個關鍵。為了準確把握上海市中心城區各種雨量的分布特征，找到合適的降雨截流量區間，實現“小雨完全截流、中到大雨合理截流”的目的，課題組根據中心城區徐家匯氣象站近30年的降雨歷史數據，編程統計了年總降雨場次、年總降雨量、雨量≤Xmm降雨場次、≤Xmm降雨初期截留總雨量等參數；根據年總降雨場次、≤Xmm降雨場次統計溢流污染場次削減效率；根據年總降雨量、≤Xmm降雨初期截留總雨量統計水量污染削減效率，X為初期雨水截流量，可取5～30。據此制作了溢流頻次削減—雨水截流量效率曲線和溢流污水量削減—雨水截流量效率曲線，如圖2、圖3所示。

由圖2～圖3可知，截流量在10～15 mm是溢流場次削減效率和雨量削減效率的高效區，即截留10～15 mm初期雨水，截流調蓄設施具有較好的環境-經濟效益比。

4.2 與河網納污能力相匹配的初期雨水治理截流標準

課題綜合分析了上海合流制排水系統和分流制排水系統長歷時雨天放江的污染物濃度數據，參考歐美日等發達國家社會經濟發展規律，以及初期雨水治理的目標與標準，合流制系統的溢流污染(CSO)控制是重點，推薦上海市中心城區合流制排水系統截流量標準為11 mm；分流制系統隨著社會文明的進步，混接污水將大幅降低，地表沖刷污染的初期效應將明顯提升，因此，分流制排水系統以截流初期效應比較明顯的初期地表徑流為主，推薦截流量標準為5 mm。

經過點源與面源污染治理，最后進入地表水體的污染物有以下幾類：一是未被完全收集處理的點源污水；二是就地污水處理廠尾水排放；三是降雨中后期地表徑流污染。上海市中心城區點源治理率按95%考慮，根據上述初期雨水治理推薦標準，不包含排入黃浦江的排水系統，上海市中心城區地表徑流污染物入河負荷為2.14萬t/a，剩余入河點源污染負荷為0.72萬t/a，中心城區分散污水處理廠尾水排放污染物負荷為0.55萬t/a，合計入河污染物負荷為3.41萬t/a，小于對應區域內的河道納污能力3.56萬t/a。在上游來水滿足水功能區的情況下，課題推薦的初期雨水治理標準能夠滿足上海市中心城區水環境容量的要求，如圖4所示。

圖4 上海市中心城區面源污染削減與水環境容量分析圖Fig.4 Analysis Diagram of Non-Point Source Pollution Reduction and Water Environment Capacity in Downtown Shanghai

在上述治理標準下，以CODCr計，上海市中心城區初期雨水污染物削減量可達3.90萬t/a，截流后的地表徑流入河污染物量為2.14萬t/a，剩余點源和污水廠尾水排放污染負荷為1.4萬t/a，黃浦江區域污染負荷為1.17萬t/a，則上海市中心城區總面源污染負荷為8.61萬t/a，如圖5所示。

圖5 上海市中心城區COD污染物負荷組成分析 (單位：萬t/a)Fig.5 Composition Analysis of COD Pollutant Load in Downtown Shanghai (Unit:10 000 t/a)

5 結語

上海市點源污染治理已達95%以上，河道也已消除黑臭。要進一步達到水功能區劃的目標，除源頭需減少污染物排放外，通過末端調蓄處理是減少合流制溢流污染(CSO)和分流制初期地表徑流污染的重要途徑。本文對標上海市水環境功能區劃的目標，結合污染源數據，利用平原河網水動力水質模型計算了上海市中心城的納污能力。通過對35年年降雨量進行分段統計分析，并對中心城區各類入河污染物進行測算，推薦上海市中心城區合流制排水系統初期雨水截流標準為11 mm，分流制排水系統初期雨水截流標準為5 mm。該截流標準從社會發展的預期出發，兼顧了水功能區劃和投資效益的雙重要求，為上海市初期雨水調蓄設施規模的確定提供依據。