合流制排水系统溢流污染来源解析

随着我国城市化建设的快速发展，雨污分流制排水系统被广泛应用，但由于历史原因以及受各种条件的限制，合流制排水系统仍大量存在。合流制排水系统旱期输送生活污水，雨季作为降雨径流的排出通道，容易出现水量输送超标现象，导致溢流污水排放到受纳水体产生溢流污染。相关学者对深圳、上海等地的研究表明，合流制溢流（CSO）成为城市雨季受纳水体水质恶化的主要原因之一。

在开展溢流污染研究过程中，通常会面临截流设施相关信息不清楚，管道沉积情况难以量化的问题，而基于模型模拟的方法需要设定管道沉积初始状态，这就造成已有数值模型对场次降雨水质模拟的模拟精度较差，影响了污染来源解析结果的科学性。为此，本研究选择北京中心城区典型合流制排水分区，构建了一套监测与模型相结合的方法，量化分析了溢流污染来源及占比，旨在为溢流污染治理方案制定提供依据，也可为同类城市溢流污染治理提供借鉴。

研究区为雨污合流制排水体制，干管尺寸为300~1050 mm，截流方式为末端堰式截流，堰高60 cm，截流管管径为400 mm，设计截流倍数为1.0。现场调查发现管道运行状态较好，不存在破损情况，但非降雨时旱期干管水位较高，最高可达0.5 m，管内流速较低，容易发生污染物沉积。

2.1 监测方案

按照“地表-管道-排口”的径流流向设置监测点。其中地表监测点选择在某小区北侧出口道路的某个雨水箅子，其汇水区内除道路径流外，无其他污染源，可以代表道路下垫面产污特征；管道监测点选择在整个排水分区中部，距离排口40 m；排口监测点选择在溢流堰之后。同时在排水口监测点处布设雨量计（图1所示）。

2.2 污染物解析方法

根据系统污染物进-出平衡公式（公式1），对研究区降雨期间不同污染物来源进行定量分析：

MPT=MPW+MPR+MPS(1)

式中, MPT——排水出口的总污染负荷，kg;MPW——生活污水中的污染负荷，kg;MPR——地表径流污染负荷量，kg;MPS——管道沉积物污染负荷，kg。

在合流制排水体制中，MPT分为两部分：一部分为溢流口溢流的污染负荷(MPT1)，另一部分为截流管截流的污染负荷(MPT2)。由于管道连通性，本研究认为两部分水质浓度一致，其三种不同来源污染负荷比例也相同。

根据物料守恒，引出新的污染物平衡公式（公式2），量化分析溢流污染来源及占比：

MPT1=MPW1+MPR1+MPS1(2)

式中, MPT1——溢流口溢流的污染负荷，kg;MPW1——溢流量中生活污水的污染负荷，kg;MPR1——溢流量中地表径流的污染负荷，kg;MPS1——溢流量中管道沉积物的污染负荷，kg。

2.3 排水数值模型

本研究使用MIKE URBAN城市水模拟软件构建城市管网模型。该软件由丹麦水力研究所（Danish hydraulic institute，DHI）开发，整合了ESRI的ArcGIS、排水管网系统CS和给水管网WD形成了一套城市水模拟系统，广泛应用于城市排水与防洪、分流制管网的入渗/渗流、合流制管网的溢流、受水影响、在线模型、管流监控等方面，是水利行业内最专业的管网建模软件之一。本研究主要基于该建模系统中MOUSE模型的RR（Rainfall Runoff）模块和HD（Hydrodynamic）模块构建数值模型，实现降雨时地表产汇流和管网水动力模拟。

3.1 模型构建与参数率定

3.1.1模型构建

基于排水管网数据构建管网拓扑关系，对局部数据缺失、管网连接关系错误、孤立管线、节点高程异常和管线逆坡等问题，使用拓扑修复工具或手动修改等方式进行修正。最终模型共有节点62个，包含检查井60个，排水口2个（将截流管下游概化为排口），排水管道61段，总长1255.5 m。

基于泰森多边形法划分排水分区，为每个检查井分配子汇水区，连接排水管道节点以实现地表与管网的水量交互，共划分60个排水单元。产汇流模型选用时间-面积水文学模型。集水区不透水率根据区内不同用地类型面积占比以及其不透水率加权计算获取，道路、建筑和绿地不透水率按照北京地方标准《DB11T 969—2016城镇雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》赋值：道路85%、建筑90%、绿地15%。

模型中生活污水以点污水负荷形式进行添加，以管道旱流监测数据流量变化计算污水排放时变化系数（图3），最终形成模型污水边界条件。

3.1.2 模型参数设定

在水文水动力模型中，需要设置的主要参数有平均地表流速、管道曼宁系数、检查井局部水头损失等。其中，平均地表流速取0.3 m/s; 管道材料为光滑的钢筋混凝土，根据模型推荐，管道曼宁系数取85，水头初损采用模型默认值，设置为6 mm，水文衰减系数为0.9。

在水质模型中，需要创建污染物组分并设置扩散系数和衰减系数。本研究选择COD这一指标开展后续研究。模型中，不考虑管道中COD衰减，扩散系数取2.0 m2 /s。基于8月1日（中雨）和9月11日（大雨）两场降雨合计16个监测样本的道路地表径流监测数据，对道路污染负荷进行赋值，即中雨和大雨量级下，道路径流COD平均浓度分别为134 mg/L和266 mg/L。对于建筑和绿地两类地表类型，引用已有研究进行赋值。根据张书函等研究发现，不同降雨量级下建筑屋面径流中COD平均浓度变化不大，故两类降雨条件下COD均取平均浓度52 mg/L；绿地地表径流COD平均浓度中雨为89.31 mg/L，大雨为134.15 mg/L。

3.1.3 模型率定

采用纳什效率系数(NSE) 、平均绝对误差(MAE) 和相对偏差（BIAS）三项指标评价模型精度。采用6月11日、6月29日两场降雨进行模型率定，根据国家标准《降水量等级》（GB/T 28592-近代），两场降雨量级分别为中雨和大雨,场次降雨量分别为10.5 mm、49.5 mm，最大雨强分别为2.09和6.5 mm/5min。采用管道水深作为分析指标。率定结果表明，NSE分别为0.87、0.86；BIAS分别为7.65％、-15.85％；MAE分别为0.01、0.03。NSE均在0.85以上，MAE均不超过0.2，BIAS误差在±20%范围内（如表1和图4所示），表明模型参数设置比较合理，模型模拟结果可信，能够满足后续分析要求。

3.2 场次溢流污染特征分析

基于监测数据，绘制两个降雨场次的降雨量、溢流流量和溢流水质的关系曲线。

6月11日降雨总降雨量为10.5 mm，降雨历时2.25 h，最大5 min雨强为2.09 mm/5min，平均雨强为0.39 mm/5min，溢流量为264.49 m3，在降雨开始后65 min达到流量峰值，为29.8 m3/5min；溢流水质COD浓度最高为679 mg/L，在降雨发生后35 min达到峰值，提前于流量峰值30 min。6月29日降雨总降雨量为49.5 mm，降雨历时7 h，最大5 min雨强为6.5 mm/5min，平均雨强为0.59 mm/5min，溢流量为2500.13 m3，在降雨开始后80 min达到流量峰值，为245.3 m3/5min；溢流水质COD浓度最高为817 mg/L，在降雨发生后150 min达到峰值，落后于流量峰值70 min。对比分析可知，两场降雨溢流量及峰值流量差异较大，6月29日降雨流量峰值是6月11日的8.2倍，溢流量为9.4倍；但水质浓度峰值两者相差不大，6月29日降雨COD浓度峰值仅是6月11日的1.2倍。此外，两场降雨下溢流水量和水质变化特征并不一致，前者溢流水质浓度峰值早于流量峰值出现，而后者相反。

以上分析表明，溢流水量和水质受降雨影响差异较大，不存在统一规律。

3.3 溢流污染负荷定量解析

基于前文所述的研究方法，计算两场降雨污染物溢流污染负荷。由计算结果可知，中雨时地表径流对COD的贡献率为27.4％，生活污水对COD的贡献率为29.2％，管道沉积物对COD的贡献率为43.4％；大雨时地表径流对COD的贡献率为27.5％，生活污水对COD的贡献率为18.6％，管道沉积物对COD的贡献率为53.9％。随着降雨量级增加，地表径流和管道沉积物的污染负荷增加，相对而言管道沉积物污染负荷增加量更大，在本次研究中管道沉积物污染贡献率最高达53.9%。

由于研究区域、监测时间、监测方法、降雨等方面差异，不同学者相关研究成果也存在差异。但是有一个结论是一致的，即管道沉积物是合流制排水系统溢流污染的主要来源。

（1）两场降雨量级分别为中雨和大雨，溢流流量分别为264.49 m3和2500.13 m3，流量峰值分别为298 m3/5min和245.3 m3/5min，溢流水质浓度峰值分别为679 mg/L和817 mg/L。相对而言，溢流浓度峰值差异小于流量峰值。且两场降雨情况下，流量峰值与浓度峰值变化规律不一致，中雨情况下，流量峰值晚于浓度峰值，而大雨时正相反。

（2）两场降雨管道沉积物、地表径流和生活污水对COD的贡献率分别为43.4％～53.9％、27.4％～27.5％和18.6％～29.2％。随着降雨量级增加，地表径流和管道沉积物的污染负荷增加，相对而言管道沉积物污染负荷增加量更大。综合来看，管道沉积物是合流制溢流污染的主要来源。

本研究只分析了两个降雨场次，后续可以继续积累监测数据，完善研究结果。此外，北京市正在制度化推进“清管行动”，每年汛期之前对城乡雨水排水系统进行清掏，对保障河道水环境起到重要作用。建议下一步可将“清管行动”的范围拓展至合流制排水系统中，强化对合流制管网的清掏工作。