2015年4月, 国务院印发《水污染防治行动计划》, 要求直辖市、省会城市、计划单列市建成区要于2017年底前基本消除黑臭水体;到2020年, 地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内^[1]。

2016年4月, 为了实现《水污染防治行动计划》考核目标, 海口市启动了辖区内鸭尾溪等32个水体水环境治理工程, 通过引用社会资本, 采用PPP模式进行建设, 并长效运营15年, 本公司承担了鸭尾溪、白沙河、海甸沟等11个水体治理的勘察设计工作。

鸭尾溪、白沙河、海甸沟均位于海甸岛, 鸭尾溪呈东西走向, 西接海甸沟, 底坡0.72‰, 河长约2.3km, 河宽30～100m, 集水面积约2.32km²;白沙河是鸭尾溪右岸支流, 河长约1km, 平均河宽约30m, 集水面积约0.73km², 属于断头河道;海甸沟河宽15～20 m, 底坡0.10‰, 长3.2 km, 集水面积3.21km², 东起人民大道与鸭尾溪相连, 西沿海甸五西路转南入海甸溪。

鸭尾溪、白沙河、海甸沟等水体均属于感潮河道, 受潮汐影响, 河口有挡潮闸, 挡潮闸一般常开, 仅在极高潮位或排涝时才关闭。根据海口站1974～2015年潮位资料统计, 多年平均潮位0.73m (85高程m, 下同) , 多年平均最高潮位为2.14m, 多年平均最低潮位为-0.68 m。海甸岛内自然水系见图1。

海口市属于滨海城市, 地势南高北低, 城区分成3个各自独立的排水区域, 分别是中心组团 (118.37km²) 、长流组团以及江东组团, 污水分别排入白沙门污水处理厂 (50万m³/d) 、长流污水处理厂和江东污水处理厂处理。

主城区的污废水经海甸泵站提升后排入海甸岛, 新埠岛内的污废水经新埠岛泵站提升后排入海甸岛, 污水处理厂尾水经深海排放管排入琼州海峡, 污水处理厂未设置超越管。海口市中心组团污水系统示意图见图2。

20世纪90年代, 在海甸岛开发建设过程中, 按雨污分流的排水体制, 沿市政道路建设了雨水管和污水管, 污水收集后排入位于海甸岛北部的污水处理厂集中处理。2010年以来, 为了进一步完善海甸岛污水管网, 海口市先后组织实施了《鸭尾溪～白沙河污水截流并网工程》《海甸岛白沙河水体整治 (一期) 河道明渠工程》《海甸沟污水截流工程》《海达路万恒路污水截流工程》。

经查阅相关资料, 鸭尾溪～白沙河～海甸沟沿岸有20处截流式截污工程, 其中鸭尾溪7处, 白沙河5处, 海甸沟8处, 均采用末端截流的方式, 在入河排污口末端设置槽式截流井或堰式截流井, 将旱季污水及小雨径流就近截入附近污水管网, 当降雨规模增大超过截流管过流能力时, 雨污水经截流井溢流管排入河道。截流井溢流口设置了拍门或鸭嘴阀等防倒灌设施, 但拍门及鸭嘴阀存在老化破损现象, 也有垃圾挂扯及海洋生物繁殖的现象, 防倒灌效果不佳。详见图3。

为了查明现状截污工程未能发挥应有的截污效果的原因, 2016年7月22日～8月15日夜间 (22:00～24:00) , 对海甸岛内河道沿岸的污水主干管、污水次干管、污水支管运行水位进行了观测。水位观测结果见表1。

根据《室外排水设计规范》 (GB 50014—2006, 2016年版) , 重力流污水管道最大充满度0.55～0.75。由表1可知, 海甸岛内市政污水管运行水位观测结果显示, 污水管网运行水位波动明显, 同期污水管水位变幅达1.75～1.90m, 污水管全部满管运行, 部分时段管网水位在管顶1.5 m以上, 污水管运行水位严重超高, 处于严重不正常状态。在观测的9d中, 有6d管网运行水位高于河道沿岸合流管底高程和河道水位, 导致污水溢流入河, 污水溢流概率为67%。

正常情况下, 污水管网水位应该是支管>次干管>主干管, 污水水流方向应该是支管→次干管→主干管→污水处理厂。由表1可知, 污水管网水位部分时段却呈现主干管<次干管<支管的情况, 存在污水逆流的现象, 随着污水管网水位升高, 水位差越明显。

过往截流并网工程采取常规的末端截污方式, 对合流管进行截污, 由于截流并网工程的实施, 污水管、合流管和河道水系贯通在一起, 在污水管网运行水位正常 (较低) 时, 合流管内的旱季污水可以顺利截流至污水系统;当污水管网运行水位高于合流管底高程及河道水位时, 因为水往低处流, 将诱发“主干管→次干管→支管→截流管→合流管→河道”的污水溢流入河事件, 导致大量污水溢流入河, 这也是水体虽然经历了多轮治理, 但河道水质并没有得到改善甚至越治越差的根本原因之一。

海口属于滨海城市, 地势较低, 地下水水位较高, 存在地下水及地表水倒灌问题, 地下水及地表水倒灌将导致污水浓度降低, 白沙门污水处理厂近年来实测进水水质见表2。由表2可知, 污水处理厂进水污染物浓度变幅较大, 最高值是最低值的3～4倍。项目开展过程中, 对污水管网内的盐度数据进行了监测, 主城区美舍河沿岸污水管内盐度约2.6‰, 海甸泵站出水管盐度约1.0‰, 市政污水盐度一般在0.2‰～0.6‰, 盐度数据也印证了主城区污水管网存在地表水倒灌问题, 地表水倒灌不仅导致污水浓度降低, 还导致“污水量”增加。

因为主城区污水系统地表水倒灌, 大量地表水倒灌排入污水系统, 导致海甸泵站前池水位超过设计高程, 泵站扬程降低, 泵站出水量增加, 而污水处理厂未设置超越管, 当污水量>污水处理能力时, 污水处理厂所在的海甸岛内污水管网运行水位将被憋高;当污水量<污水处理能力时, 污水管网运行水位将逐步降低。

城市黑臭水体整治遵循“截污-治水-生态恢复”的总体思路, 从源头控制污水向城市水体排放是黑臭水体整治最有效的工程措施, 也是其他技术措施的前提^[2]。为了提高黑臭水体控源截污效果, 相关专家学者进行了大量的研究, 分享了很多宝贵的经验^[3,4,5]。

本项目市政污水管网运行水位高位运行是系统性问题, 政府层面正在从全市层面统筹考虑污水处理能力扩容和雨污分流等措施, 相关措施落实需要较长的时间, 污水管网运行水位高位运行的情况在短期内难以得到有效解决。污水管网高水位运行是有别于相关专家学者遇到的新情况, 如何在污水管网高水位运行的客观条件下, 实现污水有效截污纳管, 是本项目控源截污面临的棘手问题。

为此, 本项目启动后, 花了大量的精力开展雨污水管网排查工作, 通过对片区雨污水管网进行反复摸查, 查明了排水系统拓扑关系、污水来源、管网运行水位、结构性缺陷、功能性缺陷等重要信息。在此基础上, 针对性地采取了4种控源截污方案, 有效解决了本项目控源截污难题。

根据管网排查成果, 海甸岛的排水体制基本为雨污分流区, 片区内雨污水管网较为完善, 但错接混接的现象较为突出。

部分排污口上游基本为雨污分流区域, 仅存在少量几个雨污水管错接混接形成的污染源, 导致污水经雨水管排入河道。针对此类排污口, 因为污水来源简单, 按雨污分流的原则, 实施污染源整改, 将错接混接的污水改接入污水管道, 将片区恢复为雨污分流排水区域, 杜绝污水溢流入河问题, 详见图4。

根据管网排查成果, 部分排污口集水范围涉及雨污合流的城中村, 或者上游污水来源复杂, 通过污染源整改实现雨污分流, 实施难度较大, 周期较长, 维持雨污合流排水体制不变。过往实施的截流并网工程, 普遍采用拍门或鸭嘴阀等防倒灌设施, 防止河水倒灌。因为拍门或鸭嘴阀等设施仅能基本解决河水倒灌的问题, 不能防止因污水管网水位高位运行而发生的污水溢流入河问题。

此类排污口, 实施雨污分流难度大, 为了实现有效截污, 将现状拍门或鸭嘴阀等防倒灌设施改造为双向止水的平板闸门 (见图5) , 日常关闭闸门, 雨天开启闸门泄洪, 防止路面积水, 保障区域水安全。平板闸门具备双向挡水功能, 即使污水管内水位高位运行, 也不会发生污水溢流的问题。平板闸门具有结构简单, 投资省的优点, 不过也存在后期维护管理工作量较大的缺点。本项目按PPP模式建设, 企业需长效运行15年, 虽然平板闸门管理工作量略大, 但企业有人力、物力和动力把闸门用好管好, 确保河道水质长效稳定达标。

防倒灌设施改造可以避免旱季污水溢流入河, 但合流管内也将攒存数量较多的污水, 雨季开闸泄洪过程中, 大量雨污水排入河道, 对河道水环境影响较大, 雨天返黑现象较为严重, 而且平板闸门后期维护管理工作量也较大。在条件合适的片区, 可以考虑在次干管接入干管位置, “熔断”次干管与主干管的重力联系, 杜绝污水主干管水位高位运行对片区污水管网运行水位的影响, 并建设污水提升泵站, 将片区内的污水提升后排入市政污水主干管, 主动降低泵站服务范围内的污水管网水位, 将泵站服务范围内污水管网运行水位恢复到正常水平, 实现现况截流并网工程的预期截污效果, 防止旱季污水溢流入河, 并减少雨季入河污染物量, 减轻雨天返黑现象, 见图6。

针对泵站主动降水位方案, 可能会让人误以为地下水被抽排进入污水管网, 增加“污水量”, 其实泵站主动降水位的方案只是将原本水位高位运行的污水管网恢复到正常水平, 一般污水管网设计过程中, 均考虑了地下水的渗入问题, 运行水位恢复到正常水平并不会额外增加地下水入渗量。相反, 通过泵站主动降低污水管网水位, 使服务范围内的污水管网水位恢复正常, 为发现并修复污水管道的功能性缺陷和结构性缺陷创造了条件。

当泵站服务范围涉及的雨污合流排污口数量越多时, 价值越大。同时, 考虑到黑臭水体一般位于土地开发利用强度较大的城市区域, 可采用自动化程度较高的地埋式一体化泵站, 减少占地, 降低泵站对周边环境的不利影响。

前述污染源整改、防倒灌设施改造、泵站主动降水位等方案, 只能防止旱季污水不入河, 并未增加污水处理能力, 无助于缓解市政污水管网运行水位高位运行的现象, 甚至会因为污水溢流入河的通道被“熔断”, 导致污水管网运行水位有一定程度的升高。

在用地条件允许的排污口, 也可以在实施“熔断”方案切断市政污水溢流入河通道的基础上, 自建截污管道及污水处理站, 对收集的污水进行集中处理, 增加污水处理能力, 减少排入市政污水管网的污水量, 缓解市政污水管网水位高位运行压力。不过自建污水处理站需占用土地资源, 又因为此类污水处理站一般缺乏规划依据, 选址应慎重, 尽量远离居民区, 并采取有效措施, 妥善处理污水处理过程中产生的异味、噪声, 避免对周边居民生产生活的影响, 否则也可能会因为选址不当或污水处理过程的不利环境影响, 引发舆情风险。

根据排污口特性及土地资源情况, 通过采取前述4种控源截污方案, 有效解决了本项目截污工程面临的难题, 实现了有效截污的目标, 旱季基本无污水直排入河。2017年10月, 控源截污工程建成并投入使用, 在辅以内源治理、活水^[6]和生态修复等其他措施后, 河道水环境质量有了根本性的改善, 除工程试运行调试期及污水处理厂设备检修期间, 因为污水入河导致不达标外, 其余时间河道水质达到《地表水环境质量标准》 (GB 3838—2002) Ⅲ～Ⅴ类标准, 透明度超过120cm (或清澈见底) , “臭水沟”蝶变“美丽河”, 河道水质变化趋势详见表3 (数据摘自海口市生态环境保护局网站) 。

2018年11月8日, 鸭尾溪水环境综合治理工程因为治理思路科学, 治理效果显著, 被生态环境部官方微信公众号点赞, 并向全国进行推介。2019年1月16日, 中央电视台焦点访谈栏目对鸭尾溪的治水工作进行了专题报道。

黑臭在水里, 根源在岸上, 关键在排口, 核心在管网^[2]。控源截污是治理黑臭水体的核心措施, 只有实现有效控源截污, 才能确保治理效果长期稳定。通过扎实的管网排查工作, 查明排水系统拓扑关系、污水来源、管网运行水位、结构性缺陷、功能性缺陷等重要信息, 掌握雨污水管网的现状底数, 有助于制定针对性的控源截污方案, 确保控源截污方案合理可靠。控源截污方案不合理, 将可能适得其反, 导致入河污水量越截越多, 河道水质越治越差, 直接影响黑臭水体的治理效果。