合流制排水区水体污染过程影响因素分析和估算方法

作者：廖晖隋军王志红刘成林于杨聂锦旭

单位：广东工业大学土木与交通工程学院广东首汇蓝天工程科技有限公司广州市创景市政工程设计有限公司

摘要：通过建立简化的合流制排水区水体污染物估算方法, 从具体数据上分析不同因素对水体污染物浓度的影响。通过依次变化研究区域内合流制排水管网收集处理率、污水处理厂污染物去除率、截流倍数、海绵城市设施关键参数等因素, 研究受纳水体污染物浓度的变化。经计算, 在90%的管网收集处理率的情况下, 雨季时水体污染物浓度 (89.19 g/m3) 比旱季时污染物浓度 (45.59 g/m3) 高出将近1倍;在增加海绵城市设施后, 在给定参数条件下, 当径流控制率提高到80%时, 受纳水体污染物浓度可以降低到22.22 g/m3。可以通过该估算方法对某一汇水区受纳水体污染情况进行评估, 或是对相似水体污染治理工程具有一定指导作用。

关键词：合流制排水管网受纳水体污染径流污染海绵城市设施

作者简介：*王志红:510006广东省广州市番禺区广州大学城外环西路100号广东工业大学东区电话:18684648015E-mail:422943619@qq.com;

0 引言

　　中国在过去几十年粗放型发展中, 水资源遭受严重污染, 水体逐渐丧失纳污自净能力, 水中污染物的累积成为重大环境安全隐患。在生态文明建设受到高度重视的大背景下, 水污染的治理虽得以快速推进, 但主要以修建城镇污水处理厂来治污, 效果并不尽如人意。

　　根据《2016年城乡统计年鉴》显示, 截至2015年底, 我国投入运营的城镇污水处理厂 (不包括一些工厂按国家要求自行建造的污水处理厂) 超过了5 000座, 处理能力超过2亿m³/d, 污水处理率超过85% (城市93.4%、县城87.4%) 。

　　然而有研究指出, 城镇污水处理厂的建设尽管有助于缓解湖泊富营养化问题, 但藻类暴发的情况仍时有发生, 意味着富营养化问题并没有得到完全解决, 水质也还没有达到清洁状态^[1]。此外, 几乎人口集中的城市、乡镇都已经建了污水处理厂, 再通过扩建或新建污水处理厂来进一步控制水污染的空间已非常有限。

　　另一方面, 美国环保局把城市地表径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源^[2]。在一些国外学者^[3,4]对面源污染的研究中可以发现, 对降雨所造成的面源污染进行适当处理后, 可以有效降低城市供水压力和排水管网负荷, 有利于保持水土, 控制水体污染, 预防水体富营养化, 改善生态环境。

　　在这样的背景下, 黑臭水体治理和海绵城市建设成为近年来重要的控制环境污染技术途径。正确评估和计算水体污染来源及各来源对水体污染的影响程度, 则是重要的技术依据。

　　基于此, 本文以庆阳市海绵示范城市建设为切入点, 通过污染溯源和污染负荷分析, 建立简化的污染程度估算方法, 从而对水体污染过程和污染结果进行深入分析, 最终用于指导前端规划设计。

1 合流制排水系统与水体环境质量关系

1.1 受纳水体质量影响因素

　　图1表示的是合流制排水系统对河流水库水体质量产生影响的因素, 主要有:①点源污染, 包括生活污水、工业废水;②降雨面源污染, 包括大气、下垫面、管道、溢流;③内源污染。

　　 图1 合流制排水系统示意

　　 Fig.1 Schematic diagram of combined drainage system

1.2 合流制排水系统雨天污染影响因素

　　合流制排水系统雨天污染主要是地表面源冲刷污染, 生活污水、工业废水污染物, 管道沉积物污染, 污水处理厂尾水等, 降雨过程中随雨水径流一并溢流进入河涌, 污染水体。雨天污染的主要影响因子如表1所示。

　　 表1 合流制排水系统雨天污染影响因素

　　 Tab.1 Factors affecting rainy days pollution in combined drainage system

项目	影响因素
降雨水质	空气中的污染物 (水质) , 排水系统大小、形状 (水量)
地面污染	用地属性及社会活动 (水质) , 管网结构、防渗能力 (水量)
原生活污水、工业废水	人口密度、工业 (水质)
管道沉积	管道水力特性及地面污染影响
排水体制	合流制、分流制、管网混接错接
降雨特征	降雨雨型、降雨强度、降雨间隔时间等
设施能力	截流能力、调蓄能力、处理能力、排放能力
地面特征	地形地貌、下渗能力、截流能力、植被、调蓄能力
气温气象	蒸发量、降雨季节
运行管理	运行水位、调度策略、管道疏通

2 受纳水体污染物简化估算方法

　　根据图1合流制排水系统示意情况, 假定在一个汇水区内, 存在生活污水、工业废水、降雨径流污水、上游来水及其他区域引水等不同类型的污水排入同一个受纳水体, 根据这些污水量和该汇水区内污水处理设施 (排水管网、截流管道、污水处理厂、海绵城市设施等) 的相关参数, 对受纳水体污染物浓度进行估算, 来判断不同因素对水体污染的影响。

2.1 各类流量定义

(1) 生活污水排放量Q₁ (m³/h) :

　　研究区域内居民日常生活中排出的废水。

(2) 径流量Q₂ (m³/h) :

　　一场降雨期间, 研究区域内雨水在各种下垫面产生的径流流量。

(3) 工业企业废水流量Q₃ (m³/h) :

　　研究区域内工业生产过程中产生的废水 (模型中简化成集中排放) 。

(4) 上游来水流量Q₄ (m³/h) :

　　研究区域内受纳水体上游所来流量。

(5) 流域外引水流量Q₅ (m³/h) :

　　其他流域进入研究区域内受纳水体的流量。

(6) 水体基流流量Q₀ (m³/h) :

　　由上游来水流量和流域外引水组成的流量。计算见式 (1) :

　　 $Q_{0} = Q_{4} + Q_{5} (1)$

(7) 截流流量Q_J:

　　研究区域内截流管所截留的流量。计算见式 (2) :

　　 $Q_{J} = α m (n + 1) (Q_{1} + Q_{3}) (2)$

　　式中 α——汇水区内管网收集处理率, %;

　　 m ——漫流附加系数;

　　 n ——截流倍数。

　　当Q₂<n (Q₁+Q₃) 时, 管道不发生溢流;当Q₂>n (Q₁+Q₃) 时, 管道发生溢流 (m=1时, 地面无漫流;m>1时, 地面产生漫流) 。

2.2 各类污染物负荷及浓度定义

(1) 生活污水污染物负荷W₁ (kg/h) :

　　研究区域内, 单位时间排放的生活污水中所含某种污染物的量。计算见式 (3) :

　　 $W_{1} = Q_{1} C_{1} (3)$

　　式中 C₁——生活污水污染物浓度, kg/m³。

(2) 径流污染物负荷W₂ (kg/h) :

　　一场降雨期间, 在研究区域内, 单位时间所产生的径流量中所含某种污染物的量。计算见式 (4) :

　　 $W_{2} = Q_{2} C_{2} (4)$

　　式中 C₂——场均降雨面源 (管道冲刷) 污染物浓度, kg/m³。

(3) 工业企业废水污染物负荷W₃ (kg/h) :

　　研究区域内, 单位时间排放的工业企业废水中所含某种污染物的量。计算见式 (5) :

　　 $W_{3} = Q_{3} C_{3} (5)$

　　式中 C₃——工业企业废水污染物浓度, kg/m³。

(4) 上游来水污染物负荷W₄ (kg/h) :

　　研究区域内, 单位时间受纳水体上游所来流量所含某种污染物的量。计算见式 (6) :

　　 $W_{4} = Q_{4} C_{4} (6)$

　　式中 C₄——上游来水污染物浓度, kg/m³。

(5) 流域外引水污染物负荷W₅ (kg/h) :

　　研究区域内, 单位时间流域外引水流量所含某种污染物的量。计算见式 (7) :

　　 $W_{5} = Q_{5} C_{5} (7)$

　　式中 C₅——流域外引水污染物浓度, kg/m³。

(6) 合流制溢流污染物负荷W₆ (kg/h) :

　　研究区域内, 单位时间合流制排水管网溢流流量所含某种污染物的量。计算见式 (8) :

　　 $W_{6} = [α (Q_{1} + Q_{2} + Q_{3}) - Q_{J}] C_{C S Ο} (8)$

　　式中 C_CSO——合流制溢流污染物浓度, kg/m³。

(7) 合流制溢流污染物浓度C_CSO (kg/m³) :

　　研究区域内, 单位时间合流制排水管网溢流流量所含污染物的浓度。计算见式 (9) :

　　 $C_{C S Ο} = \frac{W_{1} + W_{2} + W_{3}}{Q_{1} + Q_{2} + Q_{3}} (9)$

(8) 一场降雨期间受纳水体接纳的污染物负荷W (kg/h) :

　　降雨期间, 研究区域内受纳水体接纳的污染物负荷近似等于合流制排水管网未收集部分污染物负荷、管网收集至污水处理厂处理后排放部分污染物负荷及溢流部分污染物负荷之和。计算见式 (10) , 式 (10) 合并同类项得到式 (11) :

　　 $\begin{array}{l} W = (1 - α) (W_{1} + W_{2} + W_{3}) + W_{4} + W_{5} + \\ (1 - μ) α (W_{1} + W_{2} + W_{3}) + W_{6} (10) \\ W = (1 - μ α) (W_{1} + W_{2} + W_{3}) + W_{4} + W_{5} + W_{6} (11) \end{array}$

2.3 旱季水体接纳污染物浓度

　　旱季时, 由于没有径流量和溢流量, W₂、W₆、Q₂均为零, 按有无基流流量两种情况进行讨论。

2.3.1 水体无基流流量

　　水体无基流流量, 即W₄、W₅、Q₄、Q₅均为零, 则水体接纳污染物浓度C为:

　　 $C = \frac{(1 - μ α) (W_{1} + W_{3})}{Q_{1} + Q_{3}} (12)$

2.3.2 水体有基流流量

　　水体有基流流量, 即W₄、W₅、Q₄、Q₅存在, 则水体接纳污染物浓度C为:

　　 $C = \frac{(1 - μ α) (W_{1} + W_{3}) + W_{4} + W_{5}}{Q_{1} + Q_{3} + Q_{4} + Q_{5}} (13)$

2.4 雨季水体接纳污染物浓度

　　一场降雨期间, 存在径流量和溢流量, 即W₂、W₆、Q₂存在, 按有无基流流量两种情况进行讨论。

2.4.1 水体无基流流量

　　水体无基流流量, 即W₄、W₅、Q₄、Q₅均为零, 则水体接纳污染物浓度C为:

　　 $C = \frac{(1 - μ α) (W_{1} + W_{2} + W_{3}) + W_{6}}{Q_{1} + Q_{2} + Q_{3}} (14)$

2.4.2 水体有基流流量

　　水体有基流流量, 即W₄、W₅、Q₄、Q₅存在, 则水体接纳污染物浓度C为:

　　 $C = \frac{(1 - μ α) (W_{1} + W_{2} + W_{3}) + W_{4} + W_{5} + W_{6}}{Q_{1} + Q_{2} + Q_{3} + Q_{4} + Q_{5}} (15)$

2.5 各类流量比定义

　　为了简化模型计算, 引入流量比的概念, 即其他各类流量与生活污水量的比。

(1) 径流量与生活污水之比:

　　 $Μ_{2 - 1} = Q_{2} / Q_{1} (16)$

(2) 工业企业废水与生活污水之比:

　　 $Μ_{3 - 1} = Q_{3} / Q_{1} (17)$

(3) 上游来水流量与生活污水之比:

　　 $Μ_{4 - 1} = Q_{4} / Q_{1} (18)$

(4) 流域外引水流量与生活污水之比:

　　 $Μ_{5 - 1} = Q_{5} / Q_{1} (19)$

(5) 截流流量与生活污水之比:

　　 $Μ_{J - 1} = Q_{J} / Q_{1} (20)$

2.6 海绵城市设施相关参数定义

　　为了考察海绵城市设施的相关性能, 故引入海绵城市设施污染物去除率X, 海绵城市设施占比 (海绵城市设施面积/汇水区面积) β, 海绵城市设施径流控制率γ。

2.7 公式小结

　　将以上各流量比及海绵城市设施参数代入各流量公式、污染物负荷及浓度公式进行简化, 简化结果如下:

　　 (1) 生活污水流量Q₁;

　　 (2) 径流量Q₂:

　　 $Q_{2} = (1 - γ β) Μ_{2 - 1} Q_{1} (21)$

　　 (3) 工业企业废水流量Q₃:

　　 $Q_{3} = Μ_{3 - 1} Q_{1} (22)$

　　 (4) 上游来水流量Q₄:

　　 $Q_{4} = Μ_{4 - 1} Q_{1} (23)$

　　 (5) 流域外引水流量Q₅:

　　 $Q_{5} = Μ_{5 - 1} Q_{1} (24)$

　　 (6) 截流流量Q_J:

　　 $Q_{J} = Μ_{J - 1} Q_{1} (25)$

　　 (7) 截流倍数n:

　　 $n = Μ_{J - 1} / α m (1 + Μ_{3 - 1}) - 1 (26)$

　　 (8) 生活污水污染物负荷W₁:

　　 $W_{1} = Q_{1} C_{1} (27)$

　　 (9) 径流污染物负荷W₂:

　　 $W_{2} = [(1 - x) (1 - γ) β + (1 - β)] Μ_{2 - 1} Q_{1} C_{2} (28)$

　　 (10) 工业企业废水污染物负荷W₃:

　　 $W_{3} = Μ_{3 - 1} Q_{1} C_{3} (29)$

　　 (11) 上游来水污染物负荷W₄:

　　 $W_{4} = Μ_{4 - 1} Q_{1} C_{4} (30)$

　　 (12) 流域外引水污染物负荷W₅;

　　 $W_{5} = Μ_{5 - 1} Q_{1} C_{5} (31)$

　　 (13) 合流制溢流污染物负荷W₆:

　　 $\begin{array}{l} W_{6} = [α (1 + (1 - γ) β Μ_{2 - 1} + \\ (1 - β) Μ_{2 - 1} + Μ_{3 - 1}) - Μ_{J - 1}] C_{C S Ο} (32) \end{array}$

　　 (14) 合流制溢流污染物浓度C_cso:

　　 $\begin{array}{l} C_{c s o} = [c_{1} + (1 - x) (1 - γ) β Μ_{2 - 1} c_{2} + \\ (1 - β) Μ_{2 - 1} C_{2} + Μ_{3 - 1} c_{3}] / [1 + \\ (1 - γ β) Μ_{2 - 1} + Μ_{3 - 1}] (33) \end{array}$

　　 (15) 旱季水体无基流时受纳水体接纳的污染物浓度C:

　　 $C = (1 - μ α) (C_{1} + Μ_{3 - 1} C_{3}) / (1 + Μ_{3 - 1}) (34)$

　　 (16) 旱季水体有基流时受纳水体接纳的污染物浓度C:

　　 $\begin{array}{l} C = [(1 - μ α) (C_{1} + Μ_{1 - 3} C_{3}) + Μ_{4 - 1} C_{4} + \\ Μ_{5 - 1} C_{5}] / [(1 + Μ_{3 - 1}) (Μ_{4 - 1} + Μ_{5 - 1} + 1)] (35) \end{array}$

　　 (17) 雨季水体无基流时受纳水体接纳的污染物浓度C:

　　 $\begin{array}{l} C = {(1 - μ α) {(C_{1} + [(1 - x) (1 - γ) β + \\ (1 - β)] Μ_{2 - 1} C_{2} C_{3})} + [α (1 + (1 - γ β) Μ_{2 - 1} + \\ (1 - β) Μ_{2 - 1} + Μ_{3 - 1}) - Μ_{J - 1}] C_{C S Ο}} / [1 + \\ (1 - γ β) Μ_{2 - 1} + Μ_{3 - 1}] (36) \end{array}$

　　 (18) 雨季水体有基流时受纳水体接纳的污染物浓度C:

　　 $\begin{array}{l} C = {(1 - μ α) {(C_{1} + [(1 - x) (1 - γ) β + \\ (1 - β)] Μ_{2 - 1} C_{2} C_{3})} + Μ_{4 - 1} C_{4} + Μ_{5 - 1} C_{5} + \\ [α (1 + (1 - γ β) Μ_{2 - 1} + (1 - β) Μ_{2 - 1} + Μ_{3 - 1}) - \\ Μ_{J - 1}] C_{C S Ο}} / [1 + (1 - γ β) Μ_{2 - 1} + Μ_{3 - 1} + Μ_{4 - 1} + Μ_{5 - 1}] (37) \end{array}$

2.8 计算流程

　　合流制排水管网受纳水体污染计算流程如图2所示。

　　 图2 合流制排水管网受纳水体污染计算流程

　　 Fig.2 Calculation process of water pollution in combined drainage network (dry season and raing season)

3 水体污染过程影响因素分析

　　通过对管网收集处理率、污水处理厂污染物去除率、截流倍数、平均降雨强度、海绵城市设施相关参数等因素变化来分析它们对水体污染影响。

3.1 管网收集处理率α与水体污染物浓度C变化关系

　　为了确定合流制管网收集处理率的模拟范围, 查找相关文献^[5,6,7,8]可知国内外部分城市管网收集处理率如下:德国科隆90%, 日本东京80%, 美国纽约49%, 中国太原64%。

　　综上所述, 在模拟条件上, 管网收集处理率的选择范围定为50%～90%。

　　其他参数选择:μ=85%, n=0 (雨季时n=1) , m=1, C₁=350 g/m³, C₂=0 g/m³ (雨季时C₂=80 g/m³) , C₃=400 g/m³, C₄=20 g/m³, C₅=20 g/m³, M_2-1=0 (雨季时M_2-1=7) , M_3-1=0.3, M_4-1=1, M_5-1=1, γ=0, β=0, X=0。计算结果如图3所示。

　　 图3 管网收集处理率α与水体污染物浓度C变化关系

　　 Fig.3 Relationship between (the sewage pipeline network collection rete) α and (the concentration of pollutant in water ) C

　　由图3可知, 在旱季时, 管网中仅存在生活污水及工业废水, 合流制排水管网收集处理率从50%增加到90%时, 水体污染物浓度由94.02 g/m³降低到了45.59 g/m³, 污染物浓度降低了51.5%;而在雨季时, 水体污染物浓度由95.72 g/m³降低到了89.19 g/m³, 污染物浓度降低了6.8%。综上所述, 雨季时, 在管网收集处理率相同的情况下, 水体污染物浓度比旱季时更高, 且大幅度提高管网收集处理率对水体污染物浓度削减效果比旱季时的削减效果差得多, 说明单单提高管网收集处理率不能有效削减雨季时受纳水体的污染。

3.2 污水处理厂污染物去除率μ与水体污染物浓度C变化关系

　　根据《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》中的城市分区, 查找每个分区中某个污水处理厂污染物 (以COD为代表) 去除率, 整理如下:-区 (北京) 87.99%, 二区 (广州) 91.25%, 三区 (武汉) 84.4%, 四区 (重庆) 73.53%, 五区 (西安) 92.86^{[9,10,11,12,13]}。

　　综上所述, 在模拟条件上, 污水处理厂污染物去除率的选择范围定为50%～90%。

　　其他参数选择:α=90%, n=0 (雨季时n=1) , m=1, C₁=350 g/m³, C₂=0 g/m³ (雨季时C₂=80g/m³) , C₃=400 g/m³, C₄=20 g/m³, C₅=20 g/m³, M_2-1=0 (雨季时M_2-1=7) , M_3-1=0.3, M_4-1=1, M_5-1=1, γ=0, β=0, X=0。计算结果见图4。

　　 图4 污水处理厂污染物去除率μ与水体污染物浓度C变化关系

　　 Fig.4 Relationship between (thd pollutant removal rate of sewage treatment plant) μ and (the concentration of pollutant in water) C

　　由图4可知, 在旱季时, 管网中仅存在生活污水及工业废水, 污水处理厂污染物去除率从70%增加到90%时, 水体污染物浓度由64.82 g/m³降低到了39.18 g/m³, 污染物浓度降低了39.56%;而在雨季时, 水体污染物浓度由102.69 g/m³降低到了84.69 g/m³, 污染物浓度降低了17.5%。综上所述, 雨季时, 在污水处理厂污染物去除率相同的情况下, 水体污染物浓度比旱季时更高, 且提高污水处理厂污染物去除率对水体污染物浓度削减效果比旱季时的削减效果更差, 说明单单提高污水处理厂污染物去除率不能减轻受纳水体的污染。

3.3 雨季时截流倍数n与水体污染物浓度C变化关系

　　参数选择:α=90%, μ=85%, M=1, C₁=350 g/m³, C₂=80 g/m³, C₃=400 g/m³, C₄=20 g/m³, C₅=20 g/m³, M_2-1=7, M_3-1=0.3, M_4-1=1, M_5-1=1, γ=0, β=0, X=0。计算结果见图5。

　　 图5 雨季时, 截流倍数n与水体污染物浓度C变化关系

　　 Fig.5 Relationship between (the interception factor ) n and (the concentration of pollutant in water) C during rainy season

　　由图5可知, 截流倍数从1倍提升到5倍时, 水体污染物浓度由89.19 g/m³降低到了32.81 g/m³, 污染物浓度降低了63.21%。说明在当前计算区域内, 采用《室外排水设计规范》 (GB 50014—2006, 2016年版) 中所规定的截流倍数推荐值, 能够有效削减受纳水体污染物浓度。

3.4 雨季时 (径流/生活污水) M_2-1与水体污染物浓度C变化关系

　　参数选择:α=90%, μ=85%, n=1, m=1, C₁=350 g/m³, C₂=80 g/m³, C₃=400 g/m³, C₄=20 g/m³, C₅=20 g/m³, M_3-1=0.3, M_4-1=1, M_5-1=1, γ=0, β=0, X=0。计算结果见图6。

　　 图6 雨季时, 径流/生活污水M_2-1与水体污染物浓度C变化关系

　　 Fig.6 Relationship between (the ratio of runoff to domestic sewage) M_2-1and (the concentration of in water) C in rainy season

　　由图6可知, 在径流量是生活污水量的5倍增加到25倍时 (即平均降雨强度较小时) , 受纳水体污染物浓度由84.86 g/m³升高到92.66 g/m³;当M_2-1从25增加到200时 (即平均降雨强度较大时) , 受纳水体污染物浓度由92.66 g/m³降低到91.24 g/m³。这是由于存在下垫面初期冲刷的原因, 受纳水体污染物浓度平均降雨强度较小时, 下垫面附着的污染物被冲刷起来;平均降雨强度较大时, 受纳水体污染物浓度将被稀释一定程度, 且最终趋于稳定, 该稳定值与市政污水浓度均值有关。

3.5 雨季时海绵城市设施径流控制率γ与水体污染物浓度C的关系

　　参数选择:α=90%, μ=90%, n=2, m=1, C₁=350 g/m³, C₂=80 g/m³, C₃=400 g/m³, C₄=20 g/m³, C₅=20 g/m³, M_2-1=7, M_3-1=0.3, M_4-1=1, M_5-1=1, X=0.7, β=0.8。计算结果见图7。

　　 图7 雨季时, 径流控制率γ与水体污染物浓度C的关系

　　 Fig.7 Relationship between (the runoff control rate of sponge city facilities) γ and (the concentration of pollutant in water) C during rainy season

　　由图7可知, 当径流控制率从40%增加到80%时, 受纳水体污染物浓度由45.11 g/m³降低到22.22 g/m³, 污染物浓度降低了50.74%;其中, 在径流控制率由40%增加到60%时, 受纳水体污染物浓度降低了14.92%;而在径流控制率由60%增加到80%时, 受纳水体污染物浓度降低了42.11%;说明较大的径流控制率对受纳水体污染物浓度的削减效果更好。

3.6 雨季时海绵城市设施污染物去除率X与水体污染物浓度C的关系

　　参数选择:α=90%, μ=90%, n=2, m=1, C₁=350 g/m³, C₂=80 g/m³, C₃=400 g/m³, C₄=20 g/m³, C₅=20 g/m³, M_2-1=7, M_3-1=0.3, M_4-1=1, M_5-1=1, γ=0.7, β=0.8。计算结果见图8。

　　 图8 雨季时, 海绵设施污染物去除率X与水体污染物浓度C的关系

　　 Fig.8 Relationship between (the pollutant removal rate of sponge city facilities) X and (the concentration of pollutant in water) C during rainy season

　　由图8可知, 海绵城市设施污染物去除率从40%增加到90%时, 受纳水体污染物浓度从34.91 g/m³降低到了30.21 g/m³, 污染物浓度降低了13.46%。说明仅大幅度增加海绵城市设施污染物去除率 (即提升海绵城市设施处理工艺) 时, 对水体污染物浓度削减效果不明显。

3.7 雨季时 (海绵城市设施/汇水面积) β与水体污染物浓度C的关系

　　 图9 雨季时, 海绵城市设施/汇水面积β与水体污染物浓度C的关系

　　 Fig.9 Relationship between (proportion of sponge city facilities) β and (the concentration of pollutant in water) C during rainy season

　　由图9可知, 海绵城市设施占比β从20%增加到80%时, 水体污染物浓度由58.69 g/m³降低到了32.09 g/m³, 污染物浓度降低了45.32%。说明海绵城市设施面积控制率对水体污染物浓度的削减效果影响较为明显。

4 结论

　　 (1) 雨季时, 在管网收集处理率相同的情况下, 水体污染物浓度比旱季时更高, 且大幅度提高管网收集处理率对水体污染物浓度削减效果比旱季时的削减效果差得多 (雨季时的削减率6.8%, 旱季时的削减率为51.5%) 。所以单单提高管网收集处理率仅对于旱季时的水体污染具有较好的削减效果。在管网收集处理率达到85%时, 雨季受纳水体污染物浓度 (89.19 g/m³) 是旱季时 (45.59 g/m³) 浓度的1倍左右;同样的, 在污水处理厂污染物去除率达到85%时, 雨季受纳水体污染物浓度 (84.69 g/m³) 是旱季时 (39.18 g/m³) 浓度的1倍左右, 说明单单提高管网收集处理率和污水处理厂污染物去除率是不足以减缓受纳水体污染程度的, 且通过改善处理工艺来进一步提高污染物去除率的成本是非常昂贵的、不经济的。

　　 (2) 在没有海绵城市设施的情况下, 通过增大截流倍数可以削减一定量的水体污染物浓度, 在本文所设定的条件下, 截流倍数从1倍提升到5倍时, 水体污染物浓度由89.19 g/m³降低到了32.81 g/m³, 削减了63.21%。

　　 (3) 在管网收集处理率为90%、污水处理厂污染物去除率为90%、截流倍数为2时, 建设海绵城市设施能够大幅度削减水体污染物浓度, 即使在径流控制率仅为60%时, 受纳水体污染物浓度 (38.38 g/m³) 比没有建设海绵城市设施时的水体污染物浓度更低;当径流控制率提高到80%时, 受纳水体污染物削减效果较好。

　　 (4) 通过该水体污染物简化估算方法, 可以快速估算研究区域内受纳水体受污染程度及污染来源;也可参照本文估算结果, 对相似参数的实际工程进行简单的评估并起到一定的指导作用。

参考文献参考文献
[1] Tong Y, Zhang W, Wang X, et al. Decline in Chinese lake phosphorus concentration accompanied by shift in sources since 2006[J]. Nature Geoscience, 2017, 10 (7) :12-2017.

[2] EPA U. EPA.National water quality inventory[R].USEPA, 1995.

[3] Sansalone J J, Cristina C M. First flush concepts for suspended and dissolved solids in small impervious watersheds[J]. Journal of Environmental Engineering, 2004, 130 (11) :1301-1314.

[4] Larsen T, Broch K, Andersen M R. First flush effects in an urban catchment area in aalborg[J]. Water Science & Technology, 1998, 37 (1) :251-257.

[5] 唐建国, 曹飞, 全洪福, 等. 德国排水管道状况介绍[J]. 给水排水, 2003, 29 (5) :4-9.

[6] 晓白. 日本排水系统“胃口”大[J]. 工业设计, 2011, (7) :80-81.

[7] 王强, 王军, 刘达克, 等. 北京市旧城区合流制排水系统改造策略研究[C].中国城市规划年会, 2012.

[8] 杨雪, 车伍, 李俊奇, 等.国内外对合流制管道溢流污染的控制与管理[J].中国给水排水, 2008, 24 (16) :7-11.

[9] 何翔.深度处理技术用于北京某污水处理厂升级改造[J].中国给水排水, 2018, 34 (8) :80-84.

[10] 伍运佶. MBR工艺在京溪污水厂处理的运行及应用研究[D]. 广州:华南理工大学, 2014.

[11] 邹丹, 柯国庆.D型滤池在武汉龙王嘴污水处理厂深度处理中的应用[J].城市建设理论研究 (电子版) , 2015, 5 (19) :1989-1990.

[12] 陈杰云, 杨国馨, 余薇薇, 等. 重庆市某镇级污水处理厂升级改造及效果分析[J]. 市政技术, 2017, 35 (3) :136-138.

[13] 张雨, 王先宝, 孙红芳, 等. 西安市某污水处理厂倒置A2/O工艺改造研究[J]. 中国给水排水, 2016, 32 (7) :117-120.

Analysis and estimation method of influencing factors of water pollution process in combined drainage area

Liao Hui Sui Jun Wang Zhihong Liu Chenglin Yu Yang Nie Jinxu

(School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology Guangzhou Shouhuilantian Engineering Technology Co., Ltd. Guangzhou Chuangjing Municipal Engineering Design Co., Ltd.)

Abstract: By establishing a simplified method for estimating water pollutants in the combined drainage area, the influence of different factors on the concentration of water pollutants is analyzed from specific data. The change of pollutant concentration in the receiving water body was studied by sequentially changing the collection and treatment rate of the combined drainage pipe network in the study area, the pollutant removal rate of the sewage treatment plant, the interception multiple, and the key parameters of the sponge city facility. It is calculated that in the case of 90% pipe network collection and treatment rate, the concentration of water pollutants in the rainy season (89.19 g/m3) is nearly double that of the dry season (45.59 g/m3) ; After the facility, under the given parameters, when the runoff control rate is increased to 80%, the pollutant concentration of the receiving water body can be reduced to 22.22 g/m3. This estimation method can be used to evaluate the pollution of a receiving water body in a catchment area, or to guide the similar water pollution control project.

Keywords: Combined sewer network; Receiving water pollution; Runoff pollution; Sponge city facility;

1113 0 0