合流制溢流(CSO)污染削减率评估方法探讨

仲崇军，李文涛

(广州市市政工程设计研究院，广东广州 510060)

合流制溢流(CSO)污染削减率评估方法探讨

仲崇军，李文涛

(广州市市政工程设计研究院，广东广州 510060)

随着污水治理技术的进步，点源水污染在得到较好控制的同时，面源水污染的问题越来越突出，特别是合流制地区的雨季溢流污染问题，已成为进一步提升城市水环境质量的主要障碍。鉴于溢流污染治理工程的特殊性，科学合理地确定工程效果评价方法至关重要。结合广州市的相关研究成果，介绍溢流污染治理工程最主要的评价指标——溢流污染削减率的评估方法和思路，为其他城市开展相关工作提供参考。

合流制溢流; 溢流污染削减率; 典型年降雨; 典型溢流污水水质

0 引言

随着近年来广州市加大治水力度，点源水污染的排放已得到较好控制，但面源水污染的问题越来越突出，合流制地区雨季溢流(CSO)污染，已成为进一步提升城市水体环境的主要障碍。溢流污染控制是我国一些城市迫切需要解决的重大问题，尤其是靠加强点源污染控制对城市水环境的改善已不具备更大潜力的城市［1］。

国内上海［2］、武汉［3］、合肥［4］等城市已开展了溢流污染控制相关工作，广州市也进行了大量基础研究和工程实践。溢流污染削减率是评价溢流污染控制措施的重要指标之一，本文即结合广州实践，探讨雨季溢流(CSO)污染削减率的计算思路和方法，为其他城市开展相关工作提供参考。

1 溢流污染削减率计算方法

溢流污染削率即工程实施后的溢流污染物质量除以工程实施前的溢流污染物质量。计算溢流污染物质量，一个合理的方法是通过溢流污水量乘以溢流污水水质浓度计算。根据国内外相关研究成果，影响雨天溢流污染的主要影响因子包括降雨特征、排水设施截流能力、地表特性(地形地貌、下渗、调蓄能力等)、排水体制、降雨水质、地面污染情况、污水水质以及管道沉积情况等。可以看出，溢流污染(包括溢流水量及水质)具有很大随机性，同一地区，不同降雨，溢流污染不同；不同地区，相同降雨，溢流污染亦不同。因此，结合城市建设情况及降雨特征，提出一个具有代表性的典型溢流污水水质和典型年降雨，以此为基础进行溢流污染削减率计算及工程效果评价是一种可操作性较强的方法。

1.1 典型年降雨

对于一个特定的排水区域，地表特征及排水设施等参数均已确定，溢流污水量直接取决于降雨量。对于同一个城市，虽然单场降雨具有随机性，但从长系列数据分析，降雨也有一定的规律性，如年降雨总量差别较小、年内降雨季节性明显等。因此，可以通过分析历年实测降雨资料，制定出一组降雨数据，满足符合当地降雨实际情况、反映具体区域的降雨特性且包含当地真实的场降雨过程，即典型年降雨。

1.2 典型溢流污水水质

考虑溢流污染影响因子具有一定的区域特性，如对同一城市，城镇区为主的2个区域，其地地表特性、面污染情况、污水水质、管道沉积情况等具有一定的相似性，因此，为简化计算，可以考虑将服务区域进行分类，如城镇区为主、城镇区和农田区各半、农田为主等，对于同一类型的区域，通过监测某几个典型流域的雨天溢流污水水质，可以拟合出一组对应典型降雨的溢流污水水质数据，即典型溢流污水水质。

2 典型降雨分析

2.1 广州降雨特点分析

广州属于典型湿润亚热带季风性气候，夏季闷热潮湿，冬季温暖干爽。季风季节从四月末到九月初，也称“梅雨”季节，这段时间的平均温度为31℃，月平均降雨为230 mm。根据广州市2004年 3月30日至2012年12月1日共9年原始降雨数据分析，广州平均年总降雨量为1 619 mm，降雨量最大的月份主要集中在五月和六月，五月总降雨量为323 mm，六月362 mm，这两月约占全年降雨量的42.4%。最大降雨月6月总降雨量是最小降雨月12月总降雨量的17.3倍。五月和六月同样是降雨事件发生次数最多的两个月份，五月发生降雨的平均次数为11.4次，六月发生降雨的平均次数为15.3次。

2.2 典型年降雨

根据广州市中心城区9年(2004年～2012年)的实测降雨数据按月总降雨量进行排列，找出月平均总降雨量。将降雨典型月从9年中找出然后重新组合，组成一个人工虚拟的典型降雨年(下表显示制作过程)。经排序组合选取，典型降雨年总降雨量1 708 mm(下表灰色区域数值为典型降雨月)。如1月份9年统计平均降雨为28 mm，选取最接近该值的2007年1月份降雨数据作为典型年降雨的1月份降雨数据，同理依次选取其他月份降雨组数，组成典型年全年降雨，如图1所示典型年降雨过程线。

图1 典型年降雨过程线

3 典型溢流污水水质

3.1 典型溢流水质

为了计算排水系统溢流污染状况，评估工程实施前后雨天溢流污染削减效能，广州对中心城区4条河涌雨天溢流(CSO)水质浓度进行了监测，监测时间为2013年7～9月和2014年3～4月，得到长达5个月共14场降雨过程溢流水质的变化过程数据。对这些数据按降雨雨强进行分类，如降雨强度小于20 mm/h的有LD20-130802(猎德涌2013年8月2日降雨20号排水口的水质数据)、LD14-130802、LD14-140406、LD02-130814、LD14-1308145组水质数据，对这5组数据取平均值即得出降雨强度小于20 mm/h时的平均溢流水质，即小雨强时的典型溢流水质(随着实测数据的积累，该典型溢流水质代表性将进一步提高)。

采用同样的方法，可以得到以城镇区为主的地区在大雨强(＞40 mm/h)、中雨强(40～20 mm/h)、小雨强(＜20 mm/h)降雨过程排放口溢流(CSO)水质浓度变化规律，并制作出对应降雨强度的典型溢流污水水质浓度曲线，如图2～4所示。

图2 小雨强降雨过程溢流水质变化过程线(典型曲线I)

表1 典型降雨年选取过程表(单位：mm)

图3 中雨强降雨过程溢流水质变化过程线(典型曲线II)

图4 大雨强降雨过程溢流水质变化过程线(典型曲线III)

从上图可以看出，城镇区为主区域排放口很明显在每次溢流开始，COD浓度在200 mg/l到400 mg/l之间。初期冲刷效应刚开始COD浓度相较于旱天流量浓度升高，在溢流发生0%到10%之间，可以明显观察到由于降雨初期冲刷效应COD浓度达到第一次峰值，大致在400到600 mg/L之间，这是由于本地污水、地表冲刷、管道沉积物三方面污染物混合后产生的溢流水质初期效应。第一个峰值COD浓度大约为旱季流量浓度的1.6至2.4倍。在溢流发生10%到30%之间，合流COD浓度达到第二个峰值，大致在350 mg/L到450 mg/L，这是因为管底累积沉积物被合流污水完全冲出。结果呈现出大雨强降雨初期效应较小雨强降雨更明显的趋势。

3.2 污染特性选择

3.2.1 COD浓度变化曲线的选用

利用典型年降雨进行模拟计算，由于实际降雨场次、降雨类型很多，而实测溢流水质数据有限，故考虑先根据降雨强度大小划分降雨类型(小、中、大雨强)，再根据不同强度降雨选择溢流污水水质浓度变化曲线(I、II、III)，见图5，对应关系见表2所示。

3.2.2 污染特性恢复假定

图 5 典型年降雨强度类型划分

表2 COD浓度变化曲线与降雨强度对应关系

以上所用COD浓度变化曲线是降雨期及降雨影响期溢流水质变化规律，可见污染主要来自地表冲刷污染物、管道沉积污染物、原污水中污染物，其中降雨初期水质效应主要是地表冲刷和管道沉积物造成的，因此，在进行典型年降雨模拟计算时，需明确污水水质特性恢复时间，即降雨间隔多久后，再次降雨过程中污水水质变化规律恢复到第一次降雨前水平。

根据水质污染变化机理分析及国外相关研究成果，本次计算认为降雨间隔24 h后，合流污水水质恢复原变化规律，且在连续降雨过程中，不同雨强组合时，污染特性采用如下原则：

(1)连续小雨，变化规律在前，后面不变；

(2)小雨在前，用小雨强曲线，接着大雨，用大雨强曲线；

(3)大雨在前，用大雨强曲线，小雨在后，无变化规律；

(4)连续大雨，前降雨用大雨强曲线，后降雨无变化规律。

4 张村涌雨季溢流污染削减率计算

4.1 张村涌排水系统概况

张村涌位于广州市白云区中部，石井河东岸，黄石路南侧。现状河涌自东向西，横跨京广铁路和石槎路，最后汇入石井河，涌口设置连接石井河位置设置水利闸，河涌汇水面积约为1.54 km2，主涌长约为1.5 km，河涌宽度约为9～24 m，支涌宽度约为2～11m。张村涌汇水范围内地势较为平坦，地面高程约为6.0～8.3 m，新建市政道路及局部村路位置较高约为7.8～8.3 m。现状张村涌沿线主要污染源为京广铁路西侧的城中村(主要为小坪村和大埔村)及京广铁路两侧的工业厂房，人口密集。

图6 张村涌流域排水系统模型图

4.2 溢流污染削减率计算

4.2.1 单场降雨溢流污染计算

以典型年8月22号降雨(与前一场降雨间隔24 h，2 h降雨量23.5 mm)为例，借助InfoWorks排水模型软件，可以计算出调蓄设施(收集8 mm初雨)实施前后的溢流量，带入对应雨强的典型溢流污水水质浓度曲线II后，即可求得该场降雨的溢流污染削减率。如下表3所示，张村涌在典型年8月22号降雨时，现状溢流水量为23 185.2 m3，溢流COD质量为7.31 t；调蓄工程(调蓄规模8 mm，24 h排空)实施后，溢流水量减少为9 208.8 m3，溢流COD质量为1.86 t，溢流污水体积削减率为60.3%，溢流污染削减率为74.5%。

4.2.2 年溢流污染削减率计算

同单场降雨计算一样，借助InfoWorks排水模型软件，可求出典型年每一场降雨的溢流量和溢流COD质量，进行求和后即可求出调蓄工程实施后典型年溢流污染削减率，见下表4。张村涌调蓄工程实施前后典型年全年溢流量过程线见图7和图8。

5 结语

本文基于广州市实测降雨及溢流污染数据，提出了溢流污染削减率的计算思路和方法，其中的典型年降雨及典型溢流污水水质数据，为广州地区类似区域开展面源污染治理的规划与设计提供了基础数据支撑。随着基础数据的不断积累，典型溢流污水水质数据分类还可以进一步细化，溢流污染削减的评价也将更加客观和准确。

表3 8.22降雨过程溢流流量及COD质量(现状及调蓄8 mm后)

表4 张村涌流域典型溢流污染削减率统计表

图7 张村涌现状全年溢流过程线图

图8 张村涌调蓄规模8 mm,24 h排空全年溢流过程线图

［1］ 车伍，唐磊.中国城市合流制改造及溢流污染控制策略研究［J］.给水排水,2012,38(3)∶1～5.

［2］ 程江.苏州河储存式雨水调蓄池水环境质量改善效应分析［J］.中国给水排水,2014,30(1)∶104～108.

［3］陈雄志, 康丹.武汉市东沙湖地区合流制溢流污染控制方法探讨［J］.中国给水排水,2010,26(18)∶55～58.

［4］ 张显忠.合肥市老城区初期雨水污染现状与调蓄策略［J］.中国给水排水,2012,28(22)∶38～42.

TU992.1

B

1009-7716(2015)08-0094-04

2015-03-27

仲崇军(1985-)，男，江苏连云港人，硕士，工程师，主要从事市政工程设计规划工作。