摘要：近年來，珠海市的黑臭水體治理取得了一定成效，然而城中村合流制溢流污染問題成為城市水環境進一步改善的難點，迫切需要對其控制策略進行深入研究。為此，采用管道實時水質水量監測和暴雨洪水管理模型（SWMM）模擬相結合的方法，提出了通過理論截流倍數判別，低影響開發（LID）源頭管控與截流-調蓄相結合的城中村合流制溢流污染控制策略，并精準確定相關設計參數，旨在為珠海市城中村合流制排水系統的改造和優化運行，以及黑臭水體治理提供理論支撐。
付朝暉，教授級高級工程師，主要研究方向為城市黑臭水體治理。
合流制溢流污染是導致珠海市城市水體黑臭的一個重要原因。目前，珠海市的合流制排水系統主要位于成建制的連片城中村。珠海市的農村60%以上以城中村的形式存在，且將與城市長期共存。加之，珠海市屬于典型的南方濱海城市，雨季暴雨強度大，降雨場次多，合流制溢流量大且持續時間長，雨季合流制溢流污染問題尤為突出。雖然部分城中村在前期進行了分流制改造的規劃設計，但由于施工難度大，且城中村的監管特性造成建成后難以維系完全分流制，故珠海市城中村分流制改造無法全面落地。因此，迫切需要對珠海市城中村合流制溢流污染控制策略展開研究。
筆者采用在線監測與SWMM相結合的方法，充分發揮實時監測數據的定量反演作用和對模型的率定驗證功能，評估不同工程措施下珠海市典型城中村的合流制溢流污染負荷，以合流制排水系統年溢流污染負荷不高于分流制排水系統年雨水徑流污染負荷作為溢流污染控制的最低標準，以就地化工程措施控制合流制溢流污染為原則，精準確定珠海市城中村合流制溢流污染控制策略的理論截流倍數、各種實際場景下的LID措施和截流-調蓄的相關設計參數，并以此為理論支撐，提出了城中村合流制排水系統的改造、優化運行和黑臭水體治理的具體措施。
1研究方法
1.1 代表性區域的選取
目前，珠海市共有城中村108 個，主要集中在香洲區和斗門區，大多城中村為成建制且密集型分布。界涌村位于香洲區前山河流域上游的前山拱北105國道排洪渠流域北端，合流制排水系統服務面積約為0.23km2，是典型的成建制城中村，土地利用以混凝土道路、綠地和密集住宅為主，拆建難度大，合流制排水體系可能長期存在；而且其合流制排水系統從前山河流域分流制污水主干管起端接入，雨季溢流污染嚴重，導致受納水體（105國道排洪渠）黑臭嚴重。為此，選取界涌村合流制排水系統為典型代表進行研究。該村原有合流制排水系統的匯水區域邊界、合流制干管、市政分流制污水主干管、溢流口和溢流受納水體的位置見圖1。
圖1 界涌村原有的合流制排水系統
根據資料收集和現場踏勘，界涌村合流制干管（DN500）埋設于界涌村排洪渠底，該干管末端接入珠海市105國道分流制市政污水主干管，進入前山河流域排水系統。界涌村內各合流制支管接入干管前均設有溢流井，雨季合流制溢流污水直接排入界涌村排洪渠，并最終匯入溢流受納水體105國道排洪渠。
1.2 監測方法
本研究前期對界涌村合流制排水系統的流量及液位進行了一年的實時在線監測，并對水質進行了一年的人工采樣檢測，分別獲取了合流制系統旱流流量和水質的逐時變化曲線，并作為基于SWMM的界涌村現狀合流制模型的節點旱流輸入。
為了獲取更精確的逐分鐘降雨數據，用于分析合流制溢流污染規律，本研究同步對界涌村2020年4月—2021年3月的降雨進行了實時在線監測。統計數據顯示，在一年的監測期內，該村的年總降雨量為1 822.7mm，與珠海市九州港近15年的年均降雨量（1 704.3±214.5）mm相比，具有一定的代表性，亦可作為SWMM模型的年降雨數據輸入。
為了對SWMM模型中透水區與不透水區的洼蓄量和曼寧糙率系數，入滲模型、污染物累積模型和污染物沖刷模型的相關參數進行準確率定與驗證，避免合流制旱流污水的短時水質水量的波動性和不可預測性對此帶來的干擾，提高率定精度，本研究選取界涌村一處已進行過分流制改造的地塊進行SWMM模型的率定與驗證，并對三場降雨條件下，該區域分流制雨水管道排口處的水質和水量進行了實時監測。
1.3 SWMM模型的建立、率定及驗證
根據界涌村原有的合流制排水系統摸排圖、規劃的及部分已實施的分流制雨水管道系統設計圖，以及區域用地性質圖、區域高精度地形圖，分別建立基于SWMM的原有合流制排水系統和規劃中的完全分流制排水系統水質水量動態模型（簡稱：合流制模型和分流制模型），如圖2所示。
圖2 基于SWMM的界涌村原有合流制模型和規劃分流制模型
本研究利用Morris法對模型參數進行了敏感性分析和率定，采用兩場實際降雨事件（降雨量分別為51.5、10.5mm，重現期P分別為0.7、0.2a）率定區域雨水管排口處的水量及水質實測數據，對模型的參數進行了逐一率定。此外，選用另外一場實際降雨事件（降雨量為27.5mm，P=0.3a）的實測流量和水質數據，對率定后的模型進行了驗證。
2結果與討論
2.1 合流制理論截流倍數的取值
考慮到城中村合流制溢流污染控制工程的實施難度，本研究僅以合流制排水系統年溢流污染負荷不高于對應分流制排水系統年雨水徑流污染負荷作為城中村溢流污染控制的最低標準（以下簡稱：合流制溢流污染最低控制標準），確定城中村合流制理論截流倍數n0（即不考慮下游處理系統的能力）。采用該理論截流倍數作為珠海市城中村合流制系統是否需要進行溢流污染控制的參考標準，當城中村合流制系統實際的截流倍數低于該理論截流倍數時，則必須要考慮采取源頭控制或過程調蓄等就地化的溢流污染控制工程措施。
首先將2020年4月—2021年3月的逐分鐘降雨數據輸入分流制模型，模擬結果顯示，研究區域年雨水徑流污染負荷如下：SS負荷為21867.0kg/a，COD負荷為4423.7kg/a，TN負荷為885.9kg/a，NH3-N負荷為648.2kg/a，TP負荷為120.9kg/a。
對于合流制系統，其截流倍數決定了溢流污染總量。因此，本研究在合流制干管末端不同過流能力條件下（即不同理論截流倍數n0條件下），將2020年4月—2021年3月的實測分鐘降雨數據輸入合流制模型中，模擬計算年溢流次數和年溢流污染負荷，如表1所示。值得注意的是，當n0=0.2～4.8時，合流制系統的年溢流SS污染負荷均低于對應的分流制系統的年雨水徑流SS污染負荷，這可能緣于合流制系統對高SS的初期雨水的有效收納。
表1 合流制系統不同截流倍數下的溢流情況
通過非線性擬合發現，截流倍數n0與各項污染物的年溢流污染負荷均滿足二次函數關系，如圖3所示。因此，可通過這些函數關系計算出不同n0對應的各項污染物年溢流污染負荷。由圖3可知，當合流制系統的COD、TN、NH3-N、TP年溢流污染負荷分別等于分流制系統年雨水徑流污染負荷時，n0分別為4.4、1.1、1.6和0.3。故按最不利原則，當界涌村合流制系統的n0≥4.4時，才能確保達到合流制溢流污染最低控制標準，即城中村合流制理論截流倍數為4.4，參考《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）中的n0推薦值2～5，該取值在推薦范圍內。但根據界涌村合流制干管末端的流量監測數據，雨季該合流制系統受下游市政主干管壅水的影響，實際截流倍數約為1.2，低于設計值2.0，且遠小于4.4。為就地控制合流制溢流污染，不將溢流轉嫁至系統下游，應當考慮采用LID源頭管控和截流-調蓄相結合的措施對原合流制系統進行改造。
圖3 截流倍數n0與各項污染物年溢流污染負荷的關系
2.2 LID控制策略
雨水徑流的源頭減量和凈化是削減合流制系統雨天溢流污染的重要措施，故本研究提出通過海綿措施削減雨水徑流，減輕降雨時合流制排水系統的壓力，以有效控制溢流污染。研究借助合流制模型計算得到2020年4月—2021年3月界涌村的年徑流總量控制率僅為38%，遠未達到《珠海市海綿城市規劃設計標準與導則（試行）》（修訂版）中提出的居住用地年徑流總量控制率（改建、擴建項目）需達到60%的要求。因此，根據界涌村以居住用地為主、建筑物密度大、屋面和道路硬化、徑流系數偏大的特點，本研究設置了植草溝、雨水花園及透水瀝青路面三種可行的非入戶LID措施（具體布置見圖4），將年徑流總量控制率控制在60%。
圖4 界涌村LID設施布置
將2020年4月—2021年3月的降雨數據輸入加載了LID措施的合流制模型中進行計算。當n0分別為2.0、1.2和0.2時，采用LID措施后合流制溢流污染的削減情況見表2。采用LID措施后，年徑流總量控制率達到了60%，年溢流水量和污染負荷都有明顯的削減，年溢流水量削減率均達到了60%左右，年溢流次數削減了21%～33%。當截流倍數為0.2時，各污染物的年溢流總量削減率在45%～55%之間，當截流倍數為1.2和2.0時，各污染物的年溢流總量削減率在55%～60%之間。因此，采用LID措施后，即使合流制系統雨季排水嚴重受阻，截流倍數低至0.2，仍能滿足合流制溢流污染控制最低標準。
表2 采用LID措施后合流制溢流污染的削減情況
2.3 調蓄池控制策略
除采取源頭控制的LID措施以外，修建調蓄池也是合流制系統控制溢流污染最常用的措施之一。調蓄設施可以用于削減峰值流量、控制地表徑流污染，并且當雨水水質較差時，調蓄池能對雨水徑流進行高效收集和分質截流。借助合流制模型模擬計算發現：當截流倍數n0>1.6時，除COD外，其余污染物的年溢流污染負荷均低于對應的分流制系統雨水徑流污染負荷。因此，調蓄池的理論容積只需滿足合流制年溢流COD負荷≤分流制年雨水徑流COD負荷。本研究進一步借助合流制模型計算出不同截流倍數和不同調蓄池理論容積下的年溢流COD負荷。通過非線性擬合發現，調蓄池理論容積與年溢流COD負荷之間呈顯著指數函數關系（R2>0.999），如圖5所示。通過該函數關系，可以準確計算出不同截流倍數條件下調蓄池的理論容積，如表3所示。根據《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）中推薦的合流制溢流調蓄池調蓄量的計算方法，可以根據調蓄池容積計算調蓄池建成后的截流倍數。
圖5 合流制年溢流COD負荷與理論調蓄容積的關系
表3 不同截流倍數下調蓄池的理論容積
調蓄池的最大排空周期與相鄰兩場降雨的間隔時間有關。對珠海市2020年5月—9月（雨季）112場降雨的相鄰間隔時間進行累積頻率分析，如圖6所示。可知，雨季珠海市相鄰兩場降雨的平均間隔時間為33h，50%和70%累計頻率對應的間隔時間分別為14h和24h。
圖6 2020年5月—9月相鄰兩場降雨的間隔時間累積頻率
綜上，從設計的角度進一步考察了調蓄池最大排空周期在12～48 h之間變化時對調蓄池容積的影響，結果如表4所示。可知，在上述區間范圍內，調蓄池容積的變化系數為1.3，可作為選擇安全系數時的參考。雖然前山河流域污水處理系統旱季處理能力的冗余量與調蓄池的運行密切相關，但鑒于整個排水系統的上下游各子系統調蓄池的復雜性，難以量化其對局部單一調蓄池運行的影響。故對調蓄池的實際運行而言，可依據上游泵站站前液位或污水廠廠前液位的實時反饋來控制。
表4 調蓄池的最大排空周期對其理論容積計算的影響(n0=2.0)
3結論與建議
① 以合流制系統年溢流污染負荷等于分流制系統年雨水徑流污染負荷作為溢流污染控制的最低標準，從污染負荷角度分析，珠海市城中村合流制系統的實際截流倍數不應低于4.4，當低于此值時，則應采用溢流污染控制的工程措施。
② 根據溢流污染最低控制標準，在城中村合流制干管降雨時排水嚴重受阻的情況下，采用LID措施進行合流制溢流污染控制，需將年徑流總量控制在60%以上。
③ 根據溢流污染最低控制標準，調蓄徑流深度與合流制系統實際截流倍數滿足二次函數關系。故不同實際截流倍數下，設計調蓄徑流深度可按該函數關系進行取值，并可按規范考慮1.1～1.5的安全系數以計算調蓄池容積。
④ 為了提高整個城市污水系統的雨季處理能力的可操作性，以及降低上下游子系統與之匹配運行的控制難度，對匯入主干管的各子系統（如城中村合流制排水系統）應進行科學合理地限流，分散控制溢流污染，避免降雨時下游子流域混合污水無限制、無序地涌入排水主干管，占據上游子系統正常的排水下行通道，導致上游子系統雨季溢流污染加重。
本文的完整版刊登在《中國給水排水》2022年第3期，作者及單位如下：
珠海市城中村合流制排水系統的溢流污染控制策略
付朝暉1，趙雄2，陳詩浩2,3，齊利華1，姚娟娟2，張智2，肖倩1
（1.珠海市規劃設計研究院，廣東 珠海 519001；2.重慶大學 環境與生態學院，重慶 400045；3.重慶市市政設計研究院，重慶 400020）
該文標準著錄格式：
付朝暉,趙雄,陳詩浩,等.珠海市城中村合流制排水系統的溢流污染控制策略[J].中國給水排水,2022,38(3):105-111.
FU Zhaohui,ZHAO Xiong,CHEN Shihao,et al.Strategy for combined sewer overflow pollution control in urban villages of Zhuhai City[J].China Water & Wastewater,2022,38(3):105-111(in Chinese).
編輯：劉貴春
制作：文 凱
審核：李德強