分流制系統泵站放江污染特征研究

劉 磊

（上海市城市排水有限公司，上海市 200233）

0 引言

上海市中心城區雨水以強排為主，中心城區多為合流制區域或存在混接的分流制區域。其中分流制系統雨天泵站短時集中放江裹挾的大量混接污水、初期雨水及管道沉積物排入河道造成雨后黑臭，泵站放江污染已成為上海市水體污染的主要原因之一。在未探明溢流污染物出流規律和溢流污染來源的情況下，盲目采取控制措施并不能有效削減溢流污染，為了解決上海市泵站放江污染問題，需要對上海市中心城區泵站放江污染特征開展研究。

國外自上世紀70 年代對排水系統溢流污染的特征及規律便開展研究。1996—2001 年，針對巴黎歷史文化中心的Marais 排水系統（面積0.41 km2），研究尺度相對較小的合流制排水系統溢流污染效應[1]。Bertrand 等[2]對法國QASTOR 數據庫中的6 個分流制和6 個合流制排水系統的197 場降雨事件進行分析，表明在分流制排水系統中50%的降雨事件，38%的初期污水中含50%的污染物，74%的初期污水中含80%的污染物；在合流制排水系統中50%的降雨事件，47%的初期污水中含50%的污染物，79%的初期污水中含80%的污染物，存在微弱的初期效應。

國內對排水系統雨天出流污染規律的研究從上世紀80 年代開始。劉翠云、車伍等[3]2003—2004 年對北京市合流管道的溢流口和雨水干管的雨污水進行監測發現，合流制溢流的COD、SS、TN、TP 的事件平均濃度的均值基本上處于分流制雨水濃度的低值或中值范圍內。李賀[4]重點研究了上海中心城區某合流制排水區域JXB 系統雨天污染物溢流的出流過程和污染物的事件平均濃度（EMC），并探討了溢流污染物的初期效應。孫從軍[5]通過對上海市中心城區典型分流制系統汛期降雨放江水質水量分析表明，溢流排放污染物的事件平均濃度（EMC）在不同雨型情況下表現不同，溶解性污染物隨降雨量的增大而降低，而包含懸浮物的污染指標呈先升后降的變化趨勢；在同等降雨條件下，前鋒雨使得泵站溢流排放污染負荷遠大于后峰雨；受雨型與預抽空的影響，不論小雨、中雨、大雨，SS 初期效應均不顯著，而溶解態污染物初期效應顯著，不受降雨雨量與雨型的影響。

目前國內外學者雖然已經對排水系統溢流污染開展大量的研究工作，但是由于地域降雨特征、排水管道管理狀況、地面衛生狀況等不同，溢流污染特征以及污染物來源會呈現出不同的特點。本研究通過對上海市中心城區分流制排水系統的溢流污染特征進行調研分析，建立排水系統溢流污染排放數據庫和溢流污染排放來源解析方法，揭示市政泵站雨天排放特征及其影響機制，用以支撐制定上海市分流制排水系統泵站雨天放江污染控制策略。

1 研究區域

本研究選擇上海市中心城區外環高速、西虬江、桃浦河及滬寧鐵路所圍成的相對獨立的排水分區作為研究對象。

該排水分區有4 個子排水系統，分別為真邊西系統、真江東系統、真光系統及真如系統。其服務面積及末端泵站相關信息見表1。

表1 子排水系統相關信息

上述4 個子排水系統均為分流制排水系統，但因管道混接等原因，為截流旱天污水，上述排水系統末端排澇泵站均設置了截流泵，將截流污水排入西干線，最終排入污水處理廠處理。雨天末端排澇泵站將雨水排入西虬江或桃浦河，但因雨天泵站放江雨水中有大量生活污水、初期雨水及管道沉積物，造成上述水體嚴重污染，上海市于2016 年將上述水體納入黑臭水體治理范圍。

2 材料與方法

2.1 取樣點確定

為研究上海市中心城區泵站放江污染特征，本研究降雨期間在上述子排水系統末端泵站進行采樣監測，以分析其放江污染特征。采樣點設置于上述泵站的泵站前池。

2.2 采樣方法

水質監測時間段：雨天溢流排放事件發生后，在0～60 min 內每隔10 min 取1 個樣，在60～180 min內每隔20 min 取一個樣，在180 min 后每隔30 min取一個樣；直到溢流排放事件結束。采樣點為泵站前池，均采用自動采樣儀（ISCO 6712）采集雨天出流過程樣。

雨量測量方法：4 個排水系統的采樣點附近均安裝有自動雨量計，每隔1 min 采集一次降雨數據，降雨量精確到0.1 mm。

2.3 監測項目

對每個采集的樣品，監測分析化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、懸浮固體（SS）等3 項指標。

2.4 放江規律統計方法

2.4.1 放江事件平均濃度計算公式

由于排水系統雨天排放水量隨降雨過程動態開啟雨水泵而發生變化，采用事件平均濃度（Event mean concentration,EMC）分析排水系統雨天溢流污染的總體特征，計算公式如下：

式中：n 為整個溢流排放事件的采樣次數；Ci為第i次采樣濃度，mg/L；Qi為第i 次采樣徑流流量，L/s；Δt 為采樣時間間隔，s。

2.4.2 放江污染負荷計算方法

污染負荷為排水系統雨天排放污染物的總質量，是事件平均濃度與放江總水量的乘積，計算公式如下：

式中：CEMC為事件平均濃度，mg/L；Q 為放江總水量，m3。

2.5 初期效應分析方法

本研究采用M（v）曲線法來定量判斷初期效應。用橫坐標表示累積排放體積占總體積的分數，縱坐標表示累積排放污染物質量占總排放量的分數，就可以得到M（v）曲線，如圖1 所示。

圖1 M（v）曲線示意圖

式中：t 為時間；m（t）為t 時刻出流污染物累積質量；M 為出流污染物總量；v（t）為t 時刻出流累積體積；V為出流總體積。

根據得到的M（v）曲線，可以比較方便的判定初期效應的存在。M（v）曲線可以近似地用一個冪函數來表示：

式中：b 為初期效應參數，反映M（v）曲線與角平分線之間的距離。b=1 為角平分線，b 值越小，初期效應越強，根據b 值的不同將M（v）曲線圖分為6 個區域以描述初期效應的程，見表2。

表2 初期效應評價標準

3 結果與討論

各排水系統雨天溢流污染特征，在小雨、中雨和大雨之間存在差異。因此，分別對小雨、中雨、大雨條件下的排水系統雨天溢流污染初期效應展開研究，分析排水系統溢流污染的特征。

3.1 雨天放江水質與旱天水質對比分析

2019—2020 年間，分別對四個排水系統旱天、小雨放江、中雨放江及大雨放江污水濃度進行了監測，如圖2 各圖所示，分析可見：

圖2 旱天及雨天泵站污水濃度監測

（1）四個系統雨天放江的COD、NH3-N 事件平均濃度均明顯高于地表水環境質量標準V 類水濃度限制，造成雨天河道水質變差。

（2）定邊系統小雨放江時的事件平均濃度與旱天出流濃度較為接近，真西系統小雨和中雨放江時的事件平均濃度與旱天出流濃度較為接近，表明上述兩個系統在小雨、中雨時放江與旱天管道中蓄存的污水有關。

（3）定邊系統在中雨、大雨時，其他3 個系統在大雨時，放江COD、SS 明顯高于旱天出流水質濃度，與旱天時沉積在管道中的顆粒態污染物在雨天沖刷排放有關。

3.2 不同排水放江CEMC 對比分析

對4 個排水系統在小雨、中雨、大雨情形下的放江事件平均濃度進行統計，并進行對比分析，可得出：

（1）四個排水系統小雨情形下的放江NH3-N 濃度相對最高，中雨情形次之，大雨情形下的放江NH3-N 濃度相對最低，與降雨量大時的稀釋效應有關。

（2）四個排水系統總體上大雨情形下的放江COD、SS 濃度相對最高，中雨情形次之，小雨情形相對最低。這表明雖然降雨對污染物濃度具有稀釋作用，但是雨水泵開啟臺數增加了管道中淤積污染物沖刷效應；沖刷效應強于稀釋效應導致了大雨情形下放江化學需氧量、懸浮物濃度的增加。

（3）真西系統的放江水質濃度相對最低，真光和真江東系統的放江濃度總體上較為接近且高于其它排水系統，尤其是大雨時真光和真江東系統的放江濃度明顯高于其它兩個排水系統，表明不同排水系統之間放江特征存在差異。

3.3 雨天泵站放江初期效應分析

分別對四個排水系統在大雨、中雨、小雨情形下的放江初期效應參數進行計算，三種工況下初期效應參數范圍介于0.440～2.113，可見：

（1）總體上所有四個排水系統在小雨、中雨、大雨情形下均表現為微弱的正、負初期效應現象（0.862＜b≤1.159），或者說沒有明顯的初期效應現象，與以下原因有關：

a.四個排水系統雨水管網均存在污水混接現象，旱天時管道中流速較低導致污水中的顆粒態污染物在管道中大量沉積。雨天降雨放江時管道中的污染物受水力沖刷作用再懸浮；沉積物由管道中不同位置達到雨水泵站，形成持續的沖刷效應。

b.混接污水旱天蓄積在雨水管道中，雨天時隨著泵站放江管道中蓄存的污水排出，降低了初期效應現象。

c.研究區域的服務區域面積在2.38～3.54 km2之間，不同地點降雨初期形成的地表徑流達到雨水管網末端排放口的時間不同，導致降雨初期效應不明顯。

（2）大雨情形下部分降雨場次存在中等程度的正、負初期效應現象；但均無強烈的正、負初期效應出現。定邊系統大雨情形下COD 初期效應參數的最小值為0.454，最大值為2.113；真江東系統大雨情形下COD、SS 初期效應參數最小值分別為0.565、0.44；真西系統大雨情形下COD、SS 初期效應參數最小值分別為0.561、0.595。

4 個排水系統中等初期效應均主要表現為COD、SS 兩項指標，且主要表現為中等正初期效應現象。究其原因，大雨時雨水泵站開啟臺數多導致泵站放江初期管道中沉積物沖刷劇烈，因此到了降雨后期沉積物沖刷效應減弱。這就降低了降雨中后期的污染物濃度，并在部分降雨場次表現出中等程度的正初期效應現象。

4 結論

總體上，定邊、真光、真江東和真西四個排水系統在小雨、中雨、大雨時的雨水管網放江COD 濃度分別超出地表水V 類水濃度限值2.1 倍、3.8 倍和5.9 倍；NH3-N 濃度分別超出地表水V 類水濃度限值2.1 倍、3.8 倍和5.9 倍。排水系統雨天放江對河道水質造成了嚴重影響，是導致雨天河道水質反復變差的成因。

大雨時的放江COD 濃度相對最高、NH3-N 濃度相對最低，前者與管道中旱天沉積污染物在雨天的沖刷排放有關；后者與降雨徑流對NH3-N 的稀釋有關。大雨乃至中雨時，雨水泵開啟臺數增加了管道中淤積污染物沖刷效應；沖刷效應強于稀釋效應導致了大雨、中雨情形下放江COD、SS 濃度的增加。

與雨水管網旱天截流水質平均濃度相比，小雨時的放江濃度與其基本接近，表明雨水管網旱天水位較高、管蓄容量大，雨天時管蓄污水隨著泵站開啟進入河道。

通過對雨天泵站放江過程中累計污染物量與累計水量的M（v）曲線分析表明，總體上4 個泵站在小雨、中雨、大雨情形下均表現為微弱的正、負初期效應現象，所有監測的降雨場次均未出現明顯的正、負初期效應現象。泵站放江過程中污染負荷量和水質濃度隨時間變化不明顯，上述現象與放江時管蓄污水的排放以及管道沉積污染物的沖刷排放兩者效應的共同作用有關，小雨時以前者為主，大雨時以后者為主，中雨時則與兩種作用均有關系。