基于河网纳污能力的初期雨水治理截流标准

时珍宝，陈长太

(1.上海市水务规划设计研究院，上海 200233；2.上海碧波水务设计研发中心，上海 200233)

城市水环境污染根据排放方式可分为点源污染和面源污染两类。上海中心城区点源污染治理率已达95%，雨天通过市政泵站放江产生的初期雨水污染已成为河道水环境治理的痼疾之一。市政泵站放江污染是整个城市排水系统不同历史时期遗留下来的问题在排口处的集中反映，对其重视程度与社会的发展阶段密切相关。管网雨天出流污染主要组成为初期地表径流污染、管道沉积物污染和雨污混接导致的溢流污染，与点源污染相比，面源污染具有随机性、广泛性、时空分布不均的特性，治理起来也更加艰巨，需要从正本清源和水陆统筹两个层面进行综合治理。本文主要从市政泵站的截流量优化角度进行探讨。

1 国内外初期雨水治理现状

根据美国环保局(EPA)2000年环境报告，美国境内点源污染基本解决，但河道水质仍然不能达到联邦政府或各州水质标准，究其原因主要是面源污染。据统计，美国尚有40%的河流、51%的湖泊、53%河口[2]和78%的五大湖地区仍受富营养化影响，不能达到联邦政府或各州水质标准。日本针对合流制排水系统雨天溢流污染治理(CSO控制)进行了大量的工程实践，提出了“治理后的合流制排水系统对水环境的污染负荷等同分流制”的总体目标[3]。日本对合流制排水系统初期溢流污染的控制，其指标主要为非汛期BOD削减率达到95%，汛期BOD削减率达到65%，对应的初期雨水调蓄标准折合为9.5～16 mm的降雨量[3]。德国对分流制排水系统地表径流污染的控制，治理标准为1.8～6 mm的降雨量。国内初期雨水治理尚处于起步阶段，对于经济发展较快的大中城市相关需求也越来越明显。

上海在初期雨水治理领域已有部分工程措施探索，沿苏州河建设了4座合流制排水系统溢流污染调蓄池，在蕴藻浜附近修建了带有快速就地处理设施的调蓄设施，在世博会地区建设了4座分流制排水系统初期地表径流污染调蓄池。然而，迄今为止对市区雨天溢流污染控制的合理标准，仍缺乏研究。

2 上海市初期雨水污染负荷

根据上海市环境科学研究院的研究成果[4]，“十一五”期间，上海城镇地表径流面源污染CODCr负荷为24.26万t/a，而同期上海城镇点源污染CODCr负荷约为22.5万t/a，可见面源已超过点源成为上海水环境污染的最主要因素。根据测算，上海市中心城区合流制与分流制排水系统放江的初期雨水分别携带约2.24万t/a和4.97万t/a CODCr进入内河和黄浦江，合计7.21万t/a。

3 上海全市及中心城区纳污能力

3.1 全市河网纳污能力模型构建

课题组以上海市水务规划设计研究院河网水量水质模型为基础，采用一维和零维水量水质耦合模型模拟计算水流的运动、水质以及纳污能力变化规律，即对计算概化河网，采用一维水量水质模型进行数值模拟；对未列入计算河网的调蓄支河采用零维水量水质模型进行数值模拟。黄浦江水系概化河段4 072条段，节点3 188个，水闸(泵站)控制建筑物447座[5]。

根据水(环境)功能区划，将河网的水质控制标准作为已知条件，基于感潮河网水量水质模型，应用水环境承载能力的理论和方法，建立感潮河网水环境纳污能力模型，力求各河段的水质浓度始终等于相应的水质标准值，反推河网能承受污染物的最大允许排放量。

3.2 设计水文水质边界条件

采用保证率90%以上的最枯月水文过程作为设计水文过程。根据长系列水文资料，经频率分析得到1967年7月为太湖流域95%来水保证率的典型枯水期。因此，利用太湖流域河网水量模型模拟计算出的黄浦江、苏州河上游的同期水文变化过程，作为水环境纳污能力计算的设计水文上边界条件。采用下边界长江口、杭州湾沿线实测潮位站的同期实测潮位变化过程，作为水环境纳污能力计算的设计水文下边界条件。

采用市水务局、市环保局和太湖流域管理局的实测水质数据的平均值作为水环境纳污能力计算的设计水质上边界条件。理想水质边界条件是省际边界上游来水水质均达到水功能区划的水质标准取值。河道主要污染物的降解系数分别为KCOD=0.04 d-1。

3.3 纳污能力计算结果

在理想水质边界条件下，即省际边界上游来水水质均达到水功能区划的水质标准时，全市河网水系的CODCr纳污能力总量为30.75万t/a。中心城区理想边界下的水环境容量为5.58万t/d，不考虑黄浦江水环境容量的利用，则中心城可利用的水环境容量为3.56万t/d。

4 上海市中心城区初期雨水治理截流标准

初期雨水截流调蓄成本是相当高的，这就需要根据排水系统溢流污染特性和降雨特征分析，在调蓄量与污染削减效率之间寻求合理区间，既能满足水环境功能区划要求，又能将治理成本控制在一定限度之内，提升工程建设的经济可行性。初期雨水治理截流标准制定技术路线如图1所示。

图1 初期雨水治理截流标准制定技术路线Fig.1 Technical Route Establishment for Initial Rainwater Treatment and Interception Standards

4.1 截流雨量与污染物削减效率分析

对于合流制排水系统，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两个关键。为了准确把握上海市中心城区各种雨量的分布特征，找到合适的降雨截流量区间，实现“小雨完全截流、中到大雨合理截流”的目的，课题组根据中心城区徐家汇气象站近30年的降雨历史数据，编程统计了年总降雨场次、年总降雨量、雨量≤Xmm降雨场次、≤Xmm降雨初期截留总雨量等参数；根据年总降雨场次、≤Xmm降雨场次统计溢流污染场次削减效率；根据年总降雨量、≤Xmm降雨初期截留总雨量统计水量污染削减效率，X为初期雨水截流量，可取5～30。据此制作了溢流频次削减—雨水截流量效率曲线和溢流污水量削减—雨水截流量效率曲线，如图2、图3所示。

由图2～图3可知，截流量在10～15 mm是溢流场次削减效率和雨量削减效率的高效区，即截留10～15 mm初期雨水，截流调蓄设施具有较好的环境-经济效益比。

4.2 与河网纳污能力相匹配的初期雨水治理截流标准

课题综合分析了上海合流制排水系统和分流制排水系统长历时雨天放江的污染物浓度数据，参考欧美日等发达国家社会经济发展规律，以及初期雨水治理的目标与标准，合流制系统的溢流污染(CSO)控制是重点，推荐上海市中心城区合流制排水系统截流量标准为11 mm；分流制系统随着社会文明的进步，混接污水将大幅降低，地表冲刷污染的初期效应将明显提升，因此，分流制排水系统以截流初期效应比较明显的初期地表径流为主，推荐截流量标准为5 mm。

经过点源与面源污染治理，最后进入地表水体的污染物有以下几类：一是未被完全收集处理的点源污水；二是就地污水处理厂尾水排放；三是降雨中后期地表径流污染。上海市中心城区点源治理率按95%考虑，根据上述初期雨水治理推荐标准，不包含排入黄浦江的排水系统，上海市中心城区地表径流污染物入河负荷为2.14万t/a，剩余入河点源污染负荷为0.72万t/a，中心城区分散污水处理厂尾水排放污染物负荷为0.55万t/a，合计入河污染物负荷为3.41万t/a，小于对应区域内的河道纳污能力3.56万t/a。在上游来水满足水功能区的情况下，课题推荐的初期雨水治理标准能够满足上海市中心城区水环境容量的要求，如图4所示。

图4 上海市中心城区面源污染削减与水环境容量分析图Fig.4 Analysis Diagram of Non-Point Source Pollution Reduction and Water Environment Capacity in Downtown Shanghai

在上述治理标准下，以CODCr计，上海市中心城区初期雨水污染物削减量可达3.90万t/a，截流后的地表径流入河污染物量为2.14万t/a，剩余点源和污水厂尾水排放污染负荷为1.4万t/a，黄浦江区域污染负荷为1.17万t/a，则上海市中心城区总面源污染负荷为8.61万t/a，如图5所示。

图5 上海市中心城区COD污染物负荷组成分析 (单位：万t/a)Fig.5 Composition Analysis of COD Pollutant Load in Downtown Shanghai (Unit:10 000 t/a)

5 结语

上海市点源污染治理已达95%以上，河道也已消除黑臭。要进一步达到水功能区划的目标，除源头需减少污染物排放外，通过末端调蓄处理是减少合流制溢流污染(CSO)和分流制初期地表径流污染的重要途径。本文对标上海市水环境功能区划的目标，结合污染源数据，利用平原河网水动力水质模型计算了上海市中心城的纳污能力。通过对35年年降雨量进行分段统计分析，并对中心城区各类入河污染物进行测算，推荐上海市中心城区合流制排水系统初期雨水截流标准为11 mm，分流制排水系统初期雨水截流标准为5 mm。该截流标准从社会发展的预期出发，兼顾了水功能区划和投资效益的双重要求，为上海市初期雨水调蓄设施规模的确定提供依据。