唐 洋 博，李 瑋，吳 一 帆，李 翀

(中國長江三峽集團有限公司 長江生態(tài)環(huán)境工程研究中心，北京 100038)

0 引 言

隨著中國社會經濟快速發(fā)展，城市化進程日益深化，人口集中化導致污水負荷激增，下墊面硬質化加劇雨水產流，城市老舊的排水系統(tǒng)已經不堪重負。管網系統(tǒng)的缺陷使得旱天沉積物淤積、雨天污染物溢流，導致城市建成區(qū)的內河內湖水環(huán)境問題日益突出。因此，運用工程措施對老舊排水系統(tǒng)進行全面升級和改造已經迫在眉睫。然而，單一的工程措施往往難以達到系統(tǒng)治理的效果。從系統(tǒng)整體出發(fā)，規(guī)劃符合水環(huán)境治理目標的工程體系，才能實現(xiàn)系統(tǒng)治水的目的，而工程體系目標評測是其中的關鍵[1-2]。

在規(guī)劃階段，目標評測模型可以指導工程措施選擇、工程體系構建及環(huán)境效益分析，從而幫助城市排水系統(tǒng)管理者設定合理清晰的治理目標，為建立工程投入與社會、經濟、環(huán)境效益產出關系打好基礎[3]。傳統(tǒng)的工程措施目標評測分析主要基于各類水動力水質模型相關環(huán)境指標的預測結果，現(xiàn)有針對城市排水系統(tǒng)的模型(如SWMM，InfoWorks和MIKE)需要豐富、系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)庫才能評估工程項目的環(huán)境效益，資金和人力成本高、周期長，不適用于規(guī)劃階段。

系統(tǒng)動力學(SD模型)由Jay Forrester開發(fā)[4]，可模擬復雜系統(tǒng)的組織結構、運算目標要素之間的交互反饋行為，模擬物質遷移轉化路徑[5]。SD模型是重現(xiàn)城市排水系統(tǒng)物理結構的合適工具，能夠模擬徑流和污染物在各種涉水設施和內河內湖間的遷移和反饋機制。與傳統(tǒng)水動力水質模型不同，SD模型屬于數(shù)據(jù)驅動的模型，具有高效的評估能力[6-7]。SD模型更新關鍵因素的變化十分便利(如工程項目參數(shù)、人口、污染物去除效率、時間步長等)，有助于快速輔助決策[8]。因此，本研究基于SD模型構建了城市排水系統(tǒng)目標評測模型，對各類排水系統(tǒng)工程措施進行環(huán)境效益評測分析，以岳陽東風湖流域排水系統(tǒng)為例，探討了符合水環(huán)境治理目標的工程體系。

1 研究區(qū)域概況

1.1 東風湖流域排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

東風湖位于岳陽西北部，臨近洞庭湖與長江的交匯處。東風湖流域覆蓋范圍北至建設北路和沿湖大道，南至延壽路、良田山路以及天圖路，東至吉家湖路，西至新岳西路，共計17.73 km2，人口23萬人，湖面面積2.54 km2，庫容約為670萬m3。東風湖從南往北被分為上上湖、上湖、中湖及下湖，上湖、中湖水質為劣Ⅴ類，下湖部分區(qū)域為劣Ⅴ類，主要污染指標為化學需氧量等。目前東風湖4個區(qū)域基本被隔絕，水體幾乎沒有流動性(流速約為0.003 m/s)，水源補給主要依靠降雨、地下水及環(huán)湖周邊城市排水。東風湖在全國黑臭水體普查中被列為黑臭水體，嚴重影響了城市水環(huán)境質量和社會經濟發(fā)展[9]。

東風湖流域在水環(huán)境治理工程前約有排水管網56 km，其中合流制管網超過90%，管網密度僅為3.2 km/km2。主要排水通道包含楓橋湖合流排水涵、楊樹塘-土橋地段合流排水涵和青年堤合流排水涵等主干線路。東風湖南側的良田山片區(qū)存在大面積的管網空白區(qū)。馬壕一期污水處理廠處理能力為5萬t/d，平均進水量為3.6萬t/d，COD平均進廠濃度為210 mg/L，污水處理廠出水標準為一級A。總體來看，東風湖流域排水系統(tǒng)基礎設施相對薄弱，需要系統(tǒng)治理來解決東風湖黑臭問題以及水質穩(wěn)定達到Ⅳ類地表水的目標。

1.2 東風湖流域黑臭問題

引起東風湖流域黑臭的原因包括污水直排散排、溢流污染和徑流污染3個方面[9]。就污水直排散排而言，老城區(qū)內污水收集率不高，良田山片區(qū)存在管網空白區(qū)，污水直排散排現(xiàn)象嚴重。東風湖流域管網雨污合流制占比超過90%，由于老城區(qū)管網系統(tǒng)截流倍數(shù)較低，降雨量大時會有大量合流制溢流污水進入東風湖水體。東風湖屬于城市水體，周邊農業(yè)面源較少，僅存在分散的居民種植菜地和養(yǎng)殖畜禽[9]，本研究中徑流污染主要考慮城市面源污染?？傮w來說，東風湖水體黑臭問題突出，需要系統(tǒng)治理措施來全面控制污水直排散排、溢流污染、徑流污染，使得東風湖水體長期穩(wěn)定在Ⅳ類地表水的水平。本研究主要考慮的治理措施包括排口整治、源頭治理、雨污分離、調蓄池、污水處理廠提標等。

2 目標評測模型構建

模型將東風湖流域排水系統(tǒng)分為5個子區(qū)(九華山片區(qū)、岳陽樓片區(qū)、火車站片區(qū)、良田山片區(qū)和高家組洞氮片區(qū))(見圖1)。東風湖流域排水系統(tǒng)主要以合流制系統(tǒng)為主，有極少部分區(qū)域為分流制排水系統(tǒng)，東風湖位于流域中心，馬壕污水處理廠位于東風湖南側。用于目標評測的工程措施包括：排口整治、源頭治理、雨污分離、調蓄池、污水處理廠提標等，不同措施之間的資金投入情況見表1。通常排口整治的費用較低，源頭治理和雨污分流的整體工程費用較高，調蓄池和污水廠提標的費用主要集中在特定的區(qū)域。模型主要關注指標包括合流制溢流量和東風湖水體中COD濃度變化。

圖1 研究區(qū)域示意Fig.1 Sketch of the study area

表1 預估水環(huán)境治理資金投入Tab.1 Proposed investment for aquatic environment improvement 億元

目標評測模型可分為3類子模型：分流制系統(tǒng)子模型、合流制系統(tǒng)子模型和湖泊子模型。其中九華山、岳陽樓、火車站部分區(qū)域屬于分流制子模型，模型設置以上區(qū)域污水系統(tǒng)的輸出條件成為下游馬壕合流制系統(tǒng)的輸入條件；此外，良田山、高家組洞氮片區(qū)屬于相對獨立的合流制系統(tǒng)。整個東風湖模型接收了上述子模型的所有輸出條件。降水數(shù)據(jù)為2018年觀測數(shù)據(jù)，模型涉及的城市徑流、污水處理廠、東風湖基本情況等參數(shù)匯總見表2。模型以日為計算時間步長，模型架構具體闡述見下文。

表2 模型參數(shù)匯總Tab.2 Parameters in the target accessibility model

2.1 分流制系統(tǒng)子模型

分流制系統(tǒng)子模型(見圖2，以九華山片區(qū)為例)涉及雨污分流排水系統(tǒng)的運行情況。一方面考慮降雨及地面產匯流過程形成的雨水及雨水徑流污染負荷[13]，另一方面考慮生活污水水量及污染物負荷[14]。降雨產流計算公式如下：

圖2 九華山分流制系統(tǒng)子模型Fig.2 Sub-model of JHS separated sewer system

Q=1000CIA

(1)

(2)

式中：Q為徑流量，m3/d；C為綜合徑流系數(shù)；I為降雨強度，mm/d；A為集雨面積，km2；n為下墊面?zhèn)€數(shù)，i為其中第i個下墊面。

徑流系數(shù)由用地類型和面積綜合決定，其中屋頂、混凝土等不透水面徑流系數(shù)一般為0.85～0.95，碎石路面為0.55～0.65，干磚路面為0.35～0.40，土路為0.25～0.35，綠地為0.1～0.2[15-16]。

雨污分流比例按照分流制區(qū)域和合流制區(qū)域面積比確定，直接入湖的雨水為雨污分流比例與徑流量的乘積。其余雨水與生活污水一同進入合流制管道。排口整治措施將決定雨水排口的污染物去除率。雨水徑流的污染物濃度取自文獻[10]，文獻采用降雨事件平均濃度，CODCr為52 mg/L。源頭治理措施(海綿設施)對雨水徑流有一定的蓄水及污染物去除功效。生活污水產量主要由人口和人均產污量決定，人均產污量的取值由地域決定，一般取值在342～425 L/(人·d)[17]，日內用水習慣及波動未考慮。進入管道的污水量為污水收集率與生活污水量的乘積，收集率按照馬壕污水處理廠平均進廠COD濃度與水量的乘積以及人口對應的COD污染總量確定。分流制子系統(tǒng)的污水量成為下游合流制系統(tǒng)的輸入條件。未收集的污水將通過散排方式進入東風湖，衰減系數(shù)根據(jù)距離東風湖的遠近取值范圍在0.5～0.7之間。雨水管網和污水管網都具備一定的調蓄能力，在本研究中根據(jù)管網系統(tǒng)情況設定為片區(qū)收納污水量的30%～50%。

2.2 合流制系統(tǒng)子模型

合流制系統(tǒng)子模型(見圖3，以馬壕合流制子系統(tǒng)為例)主要考慮九華山、岳陽樓、火車站片區(qū)的雨污來水。污水處理廠處理量、調蓄池及管網調蓄量對雨水徑流量產生反饋作用，調蓄及污水處理廠容量不足時，合流制管網內部污水會通過溢流口直接溢流到東風湖水體，水質指標和水量密切相關同屬于一個反饋機制。以馬壕合流制子系統(tǒng)為例，與溢流量相關的計算邏輯如下：當實際調蓄量(含管網、調蓄池)Vt&r大于馬壕合流制來水流量Vmh時，則溢流量Vo等于0，否則Vo=Vmh-Vt&r；實際調蓄量Vt&r為理論調蓄量Vt減去馬壕合流制系統(tǒng)存水Ve；Ve為馬壕合流制系統(tǒng)中前一天無法處理的水量Vu；Vu為馬壕合流制來水流量Vmh減去溢流量Vo及馬壕污水處理廠設計處理量Vp，即Vu=Vmh-Vo-Vp；Vmh&r用于統(tǒng)計馬壕合流制實際水量，為Vmh，Vt&r兩者中較小的值。

圖3 馬壕合流制系統(tǒng)子模型Fig.3 Sub-model of MH combined sewer system

2.3 湖泊模型

湖泊模型主要包含水量模塊(見圖4)和水質模塊(見圖5以COD為例)兩類。水量模塊輸入條件主要包括各區(qū)域直排雨水、溢流水量、污水處理廠尾水、散排入湖水量、鐵山水庫補水、湖面降雨量、蒸發(fā)量、下滲量。因東風湖水體容量限制，一旦達到排澇容積東風湖電排站將持續(xù)排出多余水量，讓東風湖水位回到低點。水質模塊主要考慮COD濃度，污染負荷來自雨水、散排污水、溢流、污水廠尾水等，綜合降解系數(shù)也被考慮到模型中[10，18]。

圖4 東風湖水量模型Fig.4 Water quantity model of DF Lake

圖5 東風湖水質模型Fig.5 Water quality model of DF Lake

2.4 模型校驗

東風湖排水系統(tǒng)目標評測模型采用了SWMM模型來驗證青年堤調蓄池溢流頻次和溢流量。該模型計算的溢流頻次為26次，略高于SWMM模型的23次，總溢流量為180萬m3/a稍低于SWMM模擬的207萬m3/a?，F(xiàn)場監(jiān)測的水質數(shù)據(jù)(月平均)被用于校驗目標評測模型的水質預測模塊(見圖6)，模擬結果顯示雨季溢流污染問題較大。經計算，模型納什效率系數(shù)(NSE)為0.330，平均相對誤差(MRE)為0.034。模型納什效率系數(shù)相對較小，說明模型精度有一定的局限性，但考慮到模型運用場景是快速評測，不需要大量基礎數(shù)據(jù)支撐，且平均相對誤差較小，結果能夠較好地反映污染物月均濃度變化趨勢，總體來說模型結果實用性較強且相對可靠。由此可見目標評測模型可用于模擬城市排水系統(tǒng)水量水質情況。

圖6 目標評測模型與COD監(jiān)測結果對比Fig.6 Results comparison between target evaluation model and field monitoring

3 策略評價

結合東風湖流域的排水系統(tǒng)特征，確定了9種治理策略(見表3)。策略0代表排水系統(tǒng)初始狀態(tài)，未實施任何工程措施；策略1代表采取源頭控制措施，減小徑流量；策略2采用部分區(qū)域雨污分流改造措施，分質收集雨污水的同時，在一定程度上提升整個系統(tǒng)的截流倍數(shù)；策略3采用雨水排口治理措施，在排口處消除污染物負荷(以COD為例)；策略4建設調蓄池，提升系統(tǒng)調蓄能力；策略5提升污水處理廠排放標準至Ⅳ類地表水；策略6采取源頭治理+排口整治+雨污分流，即策略1+策略2+策略3；策略7采取源頭治理+排口治理+新建調蓄池，即策略1+策略2+策略4；策略8采取源頭治理+雨污分流+排口治理+調蓄池，即策略1+策略2+策略3+策略4；策略9綜合運用策略1～5。目標評測模型考慮主要指標為溢流量(見圖7)和東風湖水體COD濃度(見圖8)。

圖7 不同工程措施對溢流量的影響Fig.7 Combined sewer overflows under various engineering approaches

圖8 不同工程措施對對東風湖COD濃度的影響Fig.8 COD concentrations in DF Lake under various engineering approaches

表3 工程措施策略設計及成效Tab.3 Engineering approach and corresponding effects

策略1采用減少源頭徑流量以及源頭快速污染物處理的方法，使COD峰值濃度降低10%左右，溢流污水峰值明顯減少8萬t以上，從峰值的接近50萬t降至不足40萬t。策略1針對合流制溢流最大水量、合流制溢流總水量、COD負荷總量可分別減少20%，19%和4%?？梢?，策略1可良好控制溢流水量，但對COD負荷削減水平較低，而且東風湖流域城市發(fā)展程度較深，透水面積及源頭污染物削減設施難以廣泛應用。典型案例為山東營丘鎮(zhèn)區(qū)低影響開發(fā)設計，低影響開發(fā)措施對徑流總量、峰值流量和TSS排放負荷等方面的控制效果顯著[19]。

策略2中通過部分地區(qū)雨污分流的方式分質輸送雨水和污水，一定程度上提升了調蓄容積。雨污分流對減少COD負荷產生的影響較小。策略2中溢流總量減少了22%，但COD負荷總量的削減只達到2.6%，這是由于該工程方法只覆蓋了部分區(qū)域，后期污水還是會進入合流制管網系統(tǒng)，削減的溢流污染物濃度較低。雨污分流工程需要實現(xiàn)全面覆蓋才能更好地削減污染物水平。

策略3涉及雨水排口整治工程，中國運用雨水排口快速凈化技術相對廣泛且成熟。策略3對溢流量幾乎沒有貢獻作用，對于COD負荷總量的削減達到了2.5%，考慮到排口整治措施只是零星布設在雨水排口末端，對于污染物的去除作用和雨污分流工程相當，但工程成本只占雨污分流工程的1/10，這表明排口整治工程十分必要。

策略4是新建調蓄池，片區(qū)內建設3.5萬m3的調蓄空間能減少溢流水量23%，對COD負荷的削減也達到了4%。在同等投資水平下，策略4的溢流量和污染物削減作用略優(yōu)于策略1和策略2，但考慮到施工周期較長且對于選址要求較高，需要充分論證其可行性之后再運用，不能盲目新建調蓄池。典型案例為東莞市石馬河流域溢流調蓄池，針對控制區(qū)域初期面源污染，達到控制80%的污染負荷的目標[20]。

策略5是污水處理廠提標方法。策略5在理論上是給東風湖每天提供3萬～5萬m3的地表Ⅳ類水作為補水，擴大了東風湖的環(huán)境容量。該工程對溢流污水量減少沒有貢獻，COD總負荷值削減量約為8%。

策略6綜合運用策略1、策略2和策略3。策略6中合流制溢流總量削減40%，溢流次數(shù)明顯減少，COD負荷總量比策略0減少10%以上。這表明城市源頭治理配合管網系統(tǒng)提質增效的集成方法效果要比單一技術好。典型案例為茅洲河一級支流鵝頸水，治理后流域點源污染控制率90.0%、面源污染控制率62.8%、污染物總量削減率84.0%(均以COD計)[21]。

策略7綜合運用策略1、策略2和策略4。策略7在策略6的基礎上溢流量削減提高至51%，COD負荷總量與策略6接近，總體費用提升10%。典型案例為九江黑臭水體治理，加快污水收集處理的提質增效，統(tǒng)籌初期雨水的快速處理、合流制溢流污染控制[22]。

策略8綜合策略1～4。合流制溢流量削減65%，溢流次數(shù)明顯減少，COD負荷總量比策略0減少14.5%?？傮w投資增加至4.27億元，排口治理對污染物削減效率高。典型案例為合流制溢流污染控制策略，可以應對低頻次高溢流量的CSO事件，并削減40%溢流量[23]。

策略9綜合運用策略1～5。策略9中合流制溢流量削減65%，溢流次數(shù)明顯減少，COD負荷總量比策略0減少20%以上。這表明選擇綜合技術集成方法的效果較好，東風湖COD指標能長時間維持Ⅳ類地表水的水平，但相應工程成本也會增加。

4 結論與展望

針對城市復雜的水環(huán)境問題，需要通過系統(tǒng)策略以達成水環(huán)境治理目標。本文圍繞岳陽東風湖流域排水系統(tǒng)，通過SD模型建立降雨徑流、雨水污水收集運輸、合流制溢流、污水處理、受納水體及各項工程措施之間的反饋機制，形成了東風湖流域排水系統(tǒng)目標評測模型。模型納什效率系數(shù)(NSE)為0.330，平均相對誤差(MRE)為0.034。模型運用場景是快速評測，精度有一定局限性，但不需要大量基礎數(shù)據(jù)支撐，且平均相對誤差較小，結果能夠較好地反映污染物月均濃度變化趨勢，總體來說模型結果實用性較強且相對可靠。

東風湖流域排水系統(tǒng)設施陳舊，周邊生活污水直排散排、溢流污染和徑流污染問題嚴重，導致東風湖流域水體黑臭。本研究針對污染現(xiàn)狀，提出多種工程策略，通過定量分析合流制溢流量和東風湖水體COD濃度的方式以達到解決相應問題的目的。策略1：采用源頭治理的方法，使COD峰值濃度降低10%，單次溢流量峰值明顯減少8萬t以上；策略2：通過部分區(qū)域雨污分流的方式分質輸送雨水和污水，一定程度上提升了調蓄容積，但COD削減量不足3%，雨污分流需要覆蓋整個區(qū)域才能發(fā)揮最大；策略3：涉及雨水排口整治工程，工程造價相對較低，COD削減水平和策略2相近；策略4：新建3.5萬m3調蓄池，減少溢流水量23%，對COD負荷的削減也達到了4%；策略5：污水處理廠提標方法，COD削減量約為8%；策略6～9：為5種工程措施的排列組合，相關治理成效表面系統(tǒng)集成措施的效果要比單一控制措施顯著，但相應投資成本也會增加，策略9可以使東風湖COD指標能長時間維持在Ⅳ類地表水的水平。

目標評測模型現(xiàn)階段評價效果較好，但模型對關鍵參數(shù)變化較為敏感，需通過下一階段工作進行敏感度分析和參數(shù)調整，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實驗參數(shù)慮定以及基于機器學習的參數(shù)自調節(jié)等方法持續(xù)完善，提升關鍵變量取值的規(guī)范性和科學性。未來目標評測模型可引入成本效益的投入產出分析模塊，不斷迭代開發(fā)，為城市水環(huán)境治理頂層規(guī)劃提供技術支撐。