1.1 研究區(qū)域概況

項目研究區(qū)域位于北方某大型城市中心城區(qū)東北部，河道干流全長約21.6km，流域面積約158.4km²。是我國北方典型的缺水流域，河道以再生水補(bǔ)給為主要水源。流域范圍內(nèi)共有4條主要河道，其中BH為主要河道，LMH、BXH以及TCG為其主要支流。研究區(qū)域范圍內(nèi)，雨污水管網(wǎng)及污水處理設(shè)施較為完善，總污水處理能力達(dá)50萬m³/d，旱季日均水量負(fù)荷約95%，出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到北京市地標(biāo)《水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11890-2012)一級B標(biāo)準(zhǔn)，主要污水設(shè)施處理能力及其處理工藝詳見表1。

表1 主要處理設(shè)施信息

注:數(shù)據(jù)為2019年全年出水各項指標(biāo)月均值范圍值。

1.2 監(jiān)測點設(shè)置原則

根據(jù)研究目標(biāo)，分別選擇研究區(qū)域內(nèi)主要河道斷面、典型入河排河口以及排水管網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點開展連續(xù)水質(zhì)監(jiān)測。具體監(jiān)測點位的選取原則及數(shù)量如下：①河道斷面：主要河道監(jiān)測斷面，共4處；②排河口：典型的雨水口、截流口、合流口、明渠及污水干線溢流口，共16處；③排水管網(wǎng)：不同功能分區(qū)、管線上中下游的代表性雨水口及檢查井，共12處;④雨量監(jiān)測：流域上、中、下游均勻布置，共15處。

1.3 采樣方法及頻率

參照中國環(huán)境監(jiān)測總站《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》（HJ 494-2009）。河道斷面取樣：每進(jìn)行1 h取樣一次，自降雨開始連續(xù)取樣5 d。雨水徑流及典型排河口取樣：降雨后30 min內(nèi)每5 min取樣一次，30 min至60 min內(nèi)每10 min取樣一次，60 min后每30 min取樣一次。

1.4 水質(zhì)檢測方法

監(jiān)測指標(biāo)：COD、SS、NH3-N、TP、TN；檢測方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》。

2.1 降雨期間河道水質(zhì)變化特點

2.1.1 旱季各河段水質(zhì)分布情況

流域范圍內(nèi)4條主要河道水源為B廠、J廠及G廠3座水廠的再生水補(bǔ)水。三座水廠出水均能達(dá)到北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB11890-2012)一級B標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)測期間主要出水水質(zhì)指標(biāo)波動范圍見表2。

表2 不同類型入河排河口特點

對非降雨期間河道主要斷面進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。結(jié)果顯示，旱季該流域范圍主要河道斷面的COD、NH3-N、TP等主要水質(zhì)指標(biāo)均能達(dá)到地表Ⅴ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，部分河段甚至能達(dá)到地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，沒有明顯的旱季污染情況。流域主要河道水質(zhì)分布如圖1所示。

圖1 流域主要河道水質(zhì)分布

2.1.2 降雨期間河道水質(zhì)變化特點

以2019年7月22日至8月15日主汛期連續(xù)降雨為例，連續(xù)監(jiān)測主要河道斷面水質(zhì)變化情況，并結(jié)合污水處理廠的極限處理能力和溢流狀態(tài)進(jìn)行分析。監(jiān)測結(jié)果如圖2所示，降雨開始后在整體雨量較小的情況下，各水廠污水干線均未出現(xiàn)溢流，河道斷面主要水質(zhì)指標(biāo)波動較小，且大部分時間處于地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)以下，對河道水質(zhì)影響相對較小。

圖2 降雨期間河道水質(zhì)變化情況

當(dāng)流域范圍內(nèi)出現(xiàn)較大降雨時，水廠上游干線出現(xiàn)溢流，河道斷面各項水質(zhì)指標(biāo)均明顯升高，且河道斷面水質(zhì)超標(biāo)時間段和溢流時間基本一致，說明污水系統(tǒng)的超量混合污水的溢流是造成汛期河道水質(zhì)惡化的主要原因之一。此外，監(jiān)測結(jié)果還顯示降雨結(jié)束后COD、TP等指標(biāo)恢復(fù)至降雨前平均水平需要6~12h，NH3-N等指標(biāo)相對恢復(fù)較慢，一般需要48~60h才可恢復(fù)至降雨前平均水平，與降雨期間入河污染物特征及其水力輸移擴(kuò)散規(guī)律有關(guān)。

2.2 汛期主要入河污染物來源

2.2.1 不同類型排河口水質(zhì)特點

為掌握汛期污染物入河途徑，選取降雨期間典型入河排河口開展連續(xù)監(jiān)測。由于降雨期間各污水處理廠出水水質(zhì)相對穩(wěn)定，故不考慮降雨期間水廠出水對河道水質(zhì)的影響。根據(jù)研究區(qū)域排水系統(tǒng)特點，選取的典型排河口見表2。

通過對不同類型排河口出水水質(zhì)進(jìn)行比較分析，如圖3所示。

圖3 不同類型排河口出水水質(zhì)對比

分析結(jié)果顯示，雨污混流排河口各項污染物濃度均高于分流排河口。由于大量的污水混合超量的雨水后污水干線產(chǎn)生溢流，溢流口出水中的NH3-N和TP等污染物濃度相對要高于其他類型排河口；合流排河口和截流口由于都是雨污混排狀態(tài)，在超過截流倍數(shù)以后混合污水開始溢流，因此各項污染物濃度均高于雨水排放口，但是由于合流制管線內(nèi)本底污水量相對較大且合流管道內(nèi)的沉積物相對較多，合流排河口各項污染物濃度均比截流口高，溢流初期時段的COD及TP濃度甚至高于廠前安全溢流口；分流制雨水排放口和明渠入河口各項污染物濃度均相對較低，由于明渠內(nèi)的草皮、植物具有一定的攔截凈化作用，且周邊地塊多為未開發(fā)地塊，地表沉積物相對較少，因此雨水管道排放口SS等污染物均值要高于明渠入河口。

2.2.2 典型排河口水質(zhì)隨時間變化規(guī)律

對典型排河口出水水質(zhì)隨時間變化規(guī)律進(jìn)行分析，如圖4所示。結(jié)果表明，各類排河口出水水質(zhì)隨降雨歷時變化具有不同特點，其中合流排河口和分流截流口較為相似，隨著降雨的持續(xù)截流設(shè)施出現(xiàn)溢流后，各項入河污染物濃度指標(biāo)均出現(xiàn)明顯升高，隨著降雨的沖刷及稀釋作用，攜帶的污水和沉積物比例逐漸降低，各項污染物濃度也隨之回落。同時，雨水排河口由于雨水徑流在管道輸送過程中不斷沖刷排水管道內(nèi)的沉積物，COD、TP和SS等主要污染物濃度逐漸升高，降雨中后期各項指標(biāo)開始逐漸降低；而明渠排河口出水水質(zhì)指標(biāo)基本平穩(wěn)的處于相對較低的水平，明渠內(nèi)雨水徑流攜帶的污染物較少。

圖4 典型排河口出水水質(zhì)隨時間變化規(guī)律

2.3 雨水徑流水質(zhì)特征及其變化規(guī)律

2.3.1 雨水徑流主要污染物特征

對292組不同區(qū)域道路雨水徑流污染物水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖5所示。結(jié)果表明，道路雨水徑流中各污染物的平均值分別為：COD平均濃度為225mg/L，NH3-N平均濃度為2.85mg/L，TP平均濃度為1.28mg/L，均高于地表Ⅴ類水相關(guān)控制指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖5 雨水徑流污染物統(tǒng)計

經(jīng)與國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)比較，與其他學(xué)者監(jiān)測結(jié)果基本一致，此外，統(tǒng)計結(jié)果表明：約85%的雨水徑流COD值高于地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)限值40mg/L；約65%的徑流TP值高于地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)限值0.4mg/L；約49%的徑流NH3-N值高于地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)限值2.0mg/L。因此，COD和TP是雨水徑流中影響汛期河道水質(zhì)的主要污染物，NH3-N是次要污染物。

2.3.2 雨水徑流主要污染物相關(guān)性分析

對雨水徑流中各污染物濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果如圖6所示，結(jié)果顯示：COD和SS之間（r=0.68）、TP和SS之間（r=0.74）以及COD和TP之間（r=0.84）均具有強(qiáng)相關(guān)性；NH3-N與COD及TP之間也有一定相關(guān)性，但NH3-N與SS之間相關(guān)性相對較弱（r=0.239）。分析其原因為雨水徑流污染物中的COD、TP主要是道路及地表沉積顆粒物攜帶的污染物為主，而NH3-N等跟大氣和地表溶解態(tài)污染物密切相關(guān)。

圖6 徑流污染物濃度相關(guān)性分析

2.3.3 雨水徑流污染物隨時間變化規(guī)律

對年度7場降雨的徑流污染物中COD、NH3-N及SS等主要污染物特征進(jìn)行分析。

每場降雨的雨量、雨強(qiáng)以及前期晴天數(shù)等具體信息如表3所示，7場降雨分別涵蓋了小、中、大各級別的降雨場次，因此可以認(rèn)為在不同降雨條件下的取樣具有一定代表性。

表3 降雨信息

分析結(jié)果如圖7所示，在四月份的年度前兩場降雨中，由于徑流中攜帶了屋頂、地表及道路沉積物較多，COD、NH3-N及SS等污染物濃度相對于年中幾場降雨要高；隨著進(jìn)入主汛期，降雨頻次逐漸增大，地表等下墊面累積的沉積物相對較少，雨水徑流中各項污染物均有明顯降低；并且隨著降雨間隔時間的增長，各項污染物平均濃度有所回升。

圖7 不同降雨場次的徑流污染物變化特征

以汛期5月26日的汛期降雨為例，對雨水徑流中各主要污染物濃度隨時間的變化規(guī)律進(jìn)行分析，道路雨水徑流中COD、NH3-N及SS等主要污染物濃度均隨降雨歷時的增加而逐漸降低，且在15~20min逐漸趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)明顯的初期效應(yīng)，如圖8所示。

圖8 徑流污染物隨降雨歷時的變化規(guī)律

對該場次降雨累計徑流體積分?jǐn)?shù)和累計徑流負(fù)荷分?jǐn)?shù)進(jìn)行計算，并繪制無因次累積負(fù)荷-體積分?jǐn)?shù)M（v）曲線如圖9所示,在該場次降雨條件下，初期約40%的雨水至少攜帶了60%的污染負(fù)荷，與其他平原城市的初期沖刷效應(yīng)相一致。

圖9 累計徑流污染分布統(tǒng)計

2.3.4 管網(wǎng)沿程污染物變化規(guī)律

為進(jìn)一步了解雨水徑流污染物在管網(wǎng)輸送過程中的遷移規(guī)律，對雨水口、檢查井以及排河口處的雨水徑流污染物進(jìn)行分析，對所有監(jiān)測點數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計比較。

結(jié)果如圖10所示,隨著雨水在管網(wǎng)輸送過程中攜帶管道中沉積的溝泥中的表層沉積物，各項污染物指標(biāo)均值逐漸升高，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)雨水徑流污染物在管網(wǎng)輸送過程中呈現(xiàn)的規(guī)律為：排河口>檢查井>雨水口，因此雨水徑流在管網(wǎng)轉(zhuǎn)輸過程中攜帶的各污染物總體呈現(xiàn)增加趨勢。

圖10 徑流污染物在管道輸送過程中的變化情況

目前，水環(huán)境治理以沿河截污等設(shè)施增量建設(shè)來解決局部水污染問題為主，但在排水管網(wǎng)及污水處理廠的統(tǒng)籌建設(shè)及協(xié)調(diào)運(yùn)行方面仍然存在不協(xié)調(diào)、不匹配等方面的不足，因此，汛期河道水質(zhì)惡化等流域系統(tǒng)性問題并未得到有效的解決。主要體現(xiàn)在：

（1）污水管網(wǎng)汛期收集轉(zhuǎn)輸?shù)乃颗c污水處理廠處理能力之間的不匹配。目前該區(qū)域污水處理廠按照完全雨污分流體制下的理想情況進(jìn)行設(shè)計，未能給汛期的雨水預(yù)留充足的處理空間。并且隨著黑臭水體治理過程中的截污納管工作推進(jìn)，區(qū)域范圍內(nèi)污水收集率進(jìn)一步提升，從而部分區(qū)域污水處理廠及污水干線旱季水量負(fù)荷處于飽和水平，應(yīng)對超量污水的能力有限，降雨期間又存在大量的雨水通過截流設(shè)施、雨污混接節(jié)點及合流管道進(jìn)入到污水處理廠。因此，超過污水干線的轉(zhuǎn)輸能力及污水處理廠的處理能力后造成沿程溢流污染、廠前溢流或者廠內(nèi)超越。

（2）排水系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點缺乏可靠、有效的調(diào)控手段。一方面，由于城市建設(shè)發(fā)展時序等問題，地塊內(nèi)部雨污水建設(shè)和外部市政排水設(shè)施建設(shè)不同步，形成合流制、分流制及截流式共存的排水體制，造成雨水系統(tǒng)和污水系統(tǒng)之間的連通關(guān)系不清晰、不合理等問題，這種復(fù)雜的聯(lián)通關(guān)系是導(dǎo)致雨污混流、河水倒灌等造成污水系統(tǒng)水量異常波動，從而難以較為準(zhǔn)確地預(yù)測、預(yù)警的主要原因。另一方面，雨污水系統(tǒng)的在截流設(shè)施、排河口、管網(wǎng)干線以及污水處理廠之間缺乏關(guān)鍵的調(diào)節(jié)、控制及調(diào)蓄手段，難以根據(jù)降雨等外界條件的變化進(jìn)行針對性的水量調(diào)度及調(diào)控。

（3）尚未形成一套完善的城市雨水系統(tǒng)流域化管理體系。目前城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)的重點側(cè)重在雨污水管道、泵站及調(diào)蓄池等傳統(tǒng)灰色設(shè)施的日常巡檢、維護(hù)及疏通等方面工作，以保證排水設(shè)施運(yùn)行通暢為首要目標(biāo)。同時，隨著《城鎮(zhèn)污水排入排水管網(wǎng)許可管理辦法》（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部令第21號）的頒布實施，為污水的源頭管理提供了有力支撐。然而，雨水排放具有季節(jié)性強(qiáng)、分散程度高、規(guī)律性弱以及排放主體不夠明確等特點，因此對于雨水的水質(zhì)、水量進(jìn)行源頭管理的難度也相對較大。因此，面對日益復(fù)雜的城市水系統(tǒng)問題，傳統(tǒng)的雨水系統(tǒng)管理模式難以滿足污染控制及防洪排澇等多重目標(biāo)的需求。在廠網(wǎng)河一體化運(yùn)營的現(xiàn)代排水系統(tǒng)管理模式下，需要結(jié)合海綿城市的建設(shè)逐漸完善雨水系統(tǒng)的源頭監(jiān)督及具體管控要求等管理機(jī)制。

通過對汛期河道水質(zhì)的變化情況、入河污染物進(jìn)入河道的具體途徑以及雨水徑流污染物特征的分析研究，可針對汛期入河污染物制定相應(yīng)的削減及控制措施。結(jié)合目前合流制溢流污染國內(nèi)外研究進(jìn)展，具體策略可概括為“源頭減量、過程控制、末端處理”三方面，具體措施如表4所示。

表4 廠網(wǎng)一體運(yùn)營模式下雨水徑流及合流制溢流污染控制策略

（1）降雨期間雨水徑流污染和合流制溢流污染是造成河道水質(zhì)惡化的主要原因，其中排水管網(wǎng)轉(zhuǎn)輸水量與下游污水處理廠能力不匹配造成的污水干線集中溢流及沿程溢流是汛期入河污染物的最主要來源。

（2）雨水徑流污染有明顯的初期效應(yīng)，且各類污染物指標(biāo)在管網(wǎng)輸送過程中不斷累積升高，雨水徑流中攜帶的化學(xué)需氧量和總磷是影響河道水質(zhì)的主要污染物。

（3）通過源頭、過程和末端全方位系統(tǒng)性提升排水系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)營和管理水平，建立廠網(wǎng)河一體化的排水系統(tǒng)運(yùn)營管理體系是治理汛期入河污染物的一種有效途徑。

微信對原文有修改。原文標(biāo)題：廠網(wǎng)一體運(yùn)行視角下汛期入河污染物監(jiān)測分析及控制策略研究；作者：趙振東、劉健、崔華峰、李珧、嚴(yán)瞿飛、宗倪、楊彤、阜崴；作者單位：北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司、北京北排水環(huán)境發(fā)展有限公司壩河流域分公司、北京北排水環(huán)境發(fā)展有限公司水質(zhì)檢測中心。刊登在《給水排水》2023年第8期。