上海地區(qū)中心城區(qū)雨水泵站放江污染物總量計(jì)算方法的探討

李 松

(上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201700)

1 背景介紹

上海市多年的水環(huán)境保護(hù)工作雖然取得了階段性成果，但區(qū)內(nèi)部分河道水質(zhì)仍未得到持續(xù)明顯的改善，尤其每逢降雨前后，河道沿線雨水泵站附近河段時常出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。究其原因主要是城區(qū)面源污染，特別是泵站放江污染，已凸顯為影響上海中心城區(qū)河流水質(zhì)穩(wěn)定和持續(xù)改善的主要問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年全市泵站放江量約4.89億m3，中心城區(qū)約70%的河道水質(zhì)受到泵站放江的影響，而90%泵站放江影響主要是雨天放江所引起。

近年來，作為雨水徑流的重要載體之一，合流制管道雨天溢流的污染日益嚴(yán)重，大量的污染物隨之排放到城市內(nèi)河、內(nèi)湖等受納水體中，給城市的水生生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染和破壞。與此同時，分流制雨水管道和泵站在雨天也向城市河網(wǎng)水系排放了大量的污染物。在此背景下，如果能夠相對準(zhǔn)確地確定城市泵站放江污染總量以及主要污染排放口，不僅有助于制定合理的城市總體污染控制目標(biāo)，而且有助于對主要排污口優(yōu)先進(jìn)行有針對性的管理控制，從而推動和促進(jìn)城市整體污染減排任務(wù)的有效完成。

上海市水務(wù)部門經(jīng)過多年的工作，積累了較多的泵站監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。當(dāng)前面臨著對數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析的困難，難以更好地滿足輔助決策的需要。目前針對泵站放江污染物總量的計(jì)算方法較少，本文參考雨水徑流污染或非點(diǎn)源污染負(fù)荷的計(jì)算方法，依據(jù)泵站現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)及相關(guān)文件，提出泵站污染物排放總量計(jì)算方法，使相關(guān)部門精確地掌握泵站排放總量，為泵站放江管理提供數(shù)據(jù)參考。

2 泵站放江水質(zhì)采樣及化驗(yàn)方法

目前上海市僅部分泵站安裝了自動監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測點(diǎn)位于泵站集水井內(nèi)，由自動采樣儀或人工采集水樣，自排江開始至結(jié)束，每隔30min采樣一次，關(guān)閉雨水泵時停止采樣。在旱天時，泵站每月采集一次，每30min采樣一次，共采樣3次。

針對泵站監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀情況和存在問題，根據(jù)本市入河排污(水)口監(jiān)督管理的工作方案及上海市防汛泵站污染物放江監(jiān)管辦法實(shí)施細(xì)則(暫行)等相關(guān)要求，市相關(guān)單位為規(guī)范泵站水質(zhì)采樣及化驗(yàn)工作，印發(fā)了關(guān)于泵站放江水質(zhì)采樣及化驗(yàn)工作的通知的文件，并對檢測指標(biāo)、采樣頻次提出了如下要求：

a.各泵站的放江水質(zhì)采樣及化驗(yàn)工作原則上在每場降雨時進(jìn)行。雨天采樣時間間隔為開始放江時，放江后10min、20min、40min、60min、120min、180min和放江結(jié)束時，每次采集8個樣品，樣品性質(zhì)為瞬時樣品；若當(dāng)月內(nèi)無降雨放江，采樣及化驗(yàn)工作應(yīng)于當(dāng)月最后一天進(jìn)行，旱天采樣時間間隔為開始采樣，采樣后30min、60min，每次采集3個樣品，樣品性質(zhì)為瞬時樣品。

b.水質(zhì)檢測指標(biāo)應(yīng)包含化學(xué)需氧量、懸浮物、氨氮、總磷和pH值等。

按上述要求獲得數(shù)據(jù)后，應(yīng)相關(guān)要求，須核算泵站放江污染物總量，在此背景下，提出泵站放江污染物總量計(jì)算方法。

3 國內(nèi)外常用計(jì)算方法介紹

泵站放江污染物主要來源于雨水徑流過程所攜帶的污染物，目前國內(nèi)外直接針對泵站放江污染負(fù)荷的研究較少，而針對城市雨水徑流污染或非點(diǎn)源污染負(fù)荷的研究相對較多，主要采用的方法可分為三大類：?根據(jù)同步監(jiān)測的水質(zhì)水量進(jìn)行計(jì)算的濃度法(以平均濃度法為主)；?基于污染物產(chǎn)生過程包括累積、沖刷和排放機(jī)理建立的模型計(jì)算法；?根據(jù)污染物傳輸規(guī)律總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法。

根據(jù)平均濃度法，一年中第i場降雨全流程中所排放的污染物總量可根據(jù)下式求得：

(1)

式中Ti——第i場降雨的降雨歷時，s；

Ct,i——第i場降雨t時刻的污染物濃度，mg/L；

Qt,i——第i場降雨t時刻的雨水徑流流量，m3/s；

T——徑流時刻，s。

而年污染物總量，即一年內(nèi)所有產(chǎn)生徑流的降雨的污染總量求和為

(2)

式中 (EMC)i——第i場降雨的污染物事件平均濃度，mg/L；

Vi——第i場降雨的雨水徑流體積，m3；

n——1年中所有產(chǎn)生徑流的降雨場次數(shù)。

平均濃度法需要每場降雨的徑流量和EMC值，在無每場降雨資料的情形下，在計(jì)算中常利用多場降雨的徑流平均濃度來替代全年所有降雨的徑流平均濃度，該平均濃度與年雨水徑流總量的乘積即為全年的污染物總量。與此同時，因城市不同下墊面功能的差異，其在水質(zhì)和水量上均存在差異，故在計(jì)算過程中，須根據(jù)城市下墊面的分類，分別計(jì)算相應(yīng)多場降雨的徑流平均濃度，將其加權(quán)求和獲得城市的雨水徑流污染物總量。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和研究的不斷深入，近年來模型方法也逐步得到推廣應(yīng)用。例如，葉婉露等[5]根據(jù)項(xiàng)目區(qū)域，搭建了管道模型、下墊面產(chǎn)后匯流與管網(wǎng)耦合模型，計(jì)算了合流制區(qū)域末端排水口污染負(fù)荷。潘國慶[6]也通過軟件模擬計(jì)算了我國部分省會和直轄市年徑流污染負(fù)荷排放量。然而，采用模型進(jìn)行模擬計(jì)算往往需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時由于變量很多，對于數(shù)據(jù)的精度要求也相對較高，必須進(jìn)行復(fù)雜細(xì)致的率定，這些要求限制了模型在城市雨水徑流污染總量計(jì)算中的廣泛應(yīng)用。

對于經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，主要有計(jì)Schueler計(jì)算方法和Heaney計(jì)算方法等。前者是根據(jù)美國NURP(國家城市徑流污染研究計(jì)劃)在華盛頓地區(qū)獲得的數(shù)據(jù)提出的一種方法，用式(3)計(jì)算，后者則將合流制和分流制排水系統(tǒng)分開計(jì)算。

Lt=[CFφAPC]×0.01

(3)

式中Lt——t時段內(nèi)雨水徑流排放的污染負(fù)荷,kg；

CF——代表一年產(chǎn)生雨水徑流的降雨在總降雨場次中的比例系數(shù)；

φ——平均徑流系數(shù)；

A——徑流區(qū)總面積,hm2；

P——年降雨量,mm；

C——污染物徑流量的加權(quán)平均濃度,mg/L；

0.01——單位換算系數(shù)。

相對而言，Schueler計(jì)算方法的應(yīng)用較多一些。其中張丹利[7]用其對九寨溝各湖泊子集水區(qū)內(nèi)的公路和棧道的污染負(fù)荷進(jìn)行了系列研究，而張善發(fā)等[8]則利用該方法對上海市地表徑流污染負(fù)荷進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出了一些有價(jià)值的成果。

綜合以上城市雨水徑流計(jì)算方法來看，平均濃度法較為簡便和直觀，該法僅考慮污染物輸出，不受污染物遷移過程的影響，應(yīng)用較廣泛。

4 泵站放江污染物總量計(jì)算方法介紹

根據(jù)以上介紹，借鑒雨水徑流污染負(fù)荷的相關(guān)計(jì)算方法評估泵站放江污染物總量。

影響泵站放江污染物濃度的因素較多，如泵站服務(wù)范圍、工業(yè)企業(yè)排放污染物濃度及地表徑流、管道沉積物、水力條件、混接污水的性質(zhì)等，不確定因素較多，難以通過模型和經(jīng)驗(yàn)方法準(zhǔn)確計(jì)算污染物負(fù)荷。目前，上海市雨水泵站設(shè)有自動監(jiān)測系統(tǒng)及采樣裝置，可實(shí)時監(jiān)測污染物濃度、放江流量及放江時間，就平均濃度法、模型計(jì)算法、經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法三種計(jì)算方式來說，平均濃度法更適用于泵站放江污染物總量的計(jì)算，根據(jù)泵站放江過程將具體計(jì)算方法介紹如下。

4.1 算術(shù)均值法

在由降雨導(dǎo)致的泵站放江過程中，放江污染物濃度有一定幅度的變化，所以常用平均濃度來表征污染物濃度，按下式計(jì)算：

(4)

Ci——隨放江時間而變化的某污染物濃度，mg/L；

n——從放江開始至放江結(jié)束的測樣次數(shù)。

一場降雨放江全過程的某污染物總量M總可按下式計(jì)算：

(5)

式中M總—— 一場降雨放江全過程的某污染物總量，t；

Q總—— 一場降雨放江全過程徑流總量，m3。

4.2 分時求和法

泵站放江水質(zhì)采樣及化驗(yàn)相關(guān)文件中指出泵站取樣位置建議為泵站集水井，檢測項(xiàng)目包含化學(xué)需氧量、懸浮物、氨氮和總磷等指標(biāo)，采取自動取樣與人工檢測相結(jié)合的方式，雨天采樣時間間隔為開始放江時，放江后10min、20min、40min、60min、120min、180min和放江結(jié)束時，每次采集8個樣品。同時自動監(jiān)測該時間間隔段內(nèi)的放江量，再加權(quán)獲得一場降雨放江全過程的某污染物總量，按下式計(jì)算：

(6)

式中M——放江全過程的某污染物總量，t；

Ci——隨放江時間而變化的某污染物濃度，mg/L；

Qi——隨放江時間而變化的徑流流量，m3(根據(jù)各臺水泵的銘牌流量自動監(jiān)測各時段排江過程的總流量，即總流量為所有開啟的水泵的流量之和)；

N——樣本總數(shù)。

4.3 計(jì)算方法的對比

由于目前上海市市政雨水泵站未能全部實(shí)施在線監(jiān)測，部分雨水泵站無與取樣間隔相對應(yīng)的監(jiān)測流量及水質(zhì)，故前期建議采用算術(shù)均值法，可適用于全市使用。待后期排水泵站在線監(jiān)測系統(tǒng)完善應(yīng)用于全市后，可采用分時求和法計(jì)算，以更準(zhǔn)確地計(jì)算放江污染物總量。兩種計(jì)算方法優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 放江污染物總量兩種計(jì)算方法的對比

4.4 計(jì)算案例介紹

以康健泵站兩場降雨數(shù)據(jù)為例來對兩種計(jì)算方法進(jìn)行介紹。康健泵站兩場降雨放江水質(zhì)數(shù)據(jù)及放江量見表2。

表2 康健泵站兩場降雨的污染物濃度及放江量

以2018年6月20日降雨放江過程中COD、SS放江總量計(jì)算方法為例進(jìn)行介紹。

4.4.1 算術(shù)均值法

COD平均濃度=(85+95+116+128+99+49+37+40)/8=81.13mg/L

SS平均濃度=(192+174+202+226+184+95+67+71)/8=151.38mg/L

則COD、SS從放江開始至放江結(jié)束的總量為

根據(jù)以上相同公式計(jì)算可得出氨氮總、TP總放江全過程的總量分別為0.65t、0.08t。

4.4.2 分時求和法

116×2160+128×4320+99×4320+49×12960

+37×12960+40×6480)×10-6=2.81t

202×2160+226×4320+184×4320+95×12960

+67×12960+71×6480)×10-6=5.14t

根據(jù)以上相同公式計(jì)算可得出氨氮總、TP總放江全過程的總量分別為2.81t、5.14t、0.84t、0.06t。

同樣可計(jì)算出另一場降雨污染物總量，結(jié)果見表3。

表3 康健泵站兩場降雨過程中泵站放江污染物總量

4.4.3 兩種計(jì)算方法結(jié)果對比

從表3可以看出，第一場雨兩種計(jì)算方法污染物放江總量相差較大，其中COD及SS放江總量差值較大，另一場雨則相對相差較小。這說明當(dāng)放江過程中污染物濃度相差較大時，兩種計(jì)算結(jié)果的差值較大，同理，當(dāng)放江過程中污染物濃度相差較小時，兩種計(jì)算結(jié)果的差值較小。故待后期排水泵站在線監(jiān)測系統(tǒng)完善應(yīng)用于全市后，建議使用分時求和法計(jì)算，以更準(zhǔn)確地計(jì)算放江污染物總量。

5 總 結(jié)

本文在泵站現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，借鑒雨水徑流污染物負(fù)荷計(jì)算方法，提出了泵站放江污染物總量的計(jì)算方法。兩種計(jì)算方法分別為算術(shù)均值法和分時求和法。其中分時求合法需要有放江間隔時段內(nèi)的放江流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)，目前上海市雨水泵站僅部分泵站有自動監(jiān)測系統(tǒng)，故建議根據(jù)泵站現(xiàn)狀條件，對有條件的泵站采用分時求和法計(jì)算放江污染物總量，對無條件泵站采用算術(shù)均值法計(jì)算放江污染物總量；遠(yuǎn)期考慮均采用分時求和法計(jì)算放江污染物總量，以更準(zhǔn)確地計(jì)算放江污染物總量。