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武汉市“三河三湖”典型流域(黄孝河片区)排水系统溢流污染评估

  内容导读
  2019年,武汉市水务局选取具有典型性的南湖、汤逊湖、北湖、黄孝河、机场河、巡司河为流域试点,启动“三河三湖”流域水环境治理工作,围绕污水体系提质增效以及重点对流域内排水系统溢流污染问题,推进系统治理、综合治理、源头治理。
  武汉市“三河三湖”流域包括多种排水系统类型,既存在合流制和分流制,也存在局部混错接的排水系统,同时,还有当地较为特殊的“憋排型”排水系统,构成一系列管理实践中的挑战,在我国南方地区具有一定的代表性。这些挑战主要体现在:
  (1)由于“憋排”和高水位运行带来的雨季实际截流能力降低;
  (2)高水位和低流速加剧管线沉积,造成沿程污染物逐级衰减;
  (3)管网收集、截流、调蓄、处理各系统设施在旱季与雨季的相互匹配问题。
  鉴于“三河三湖”流域排水系统的复杂性,现实中排水系统类型与实际运行工况复杂多样,且与规划设计工况存在较大差异。为此,对“三河三湖”流域现状排水系统的主要特征、问题、真实运行情况、规划项目目标、技术路线、实施方案、预期效果与风险等进行全面评估,以期进一步优化“三河三湖”流域溢流污染控制方案与工程建设。
  重点评估内容包括:
  (1)排水系统“收集-截流-处理”的水量匹配关系;
  (2)排水系统“源头-过程-末端”污染物浓度衰减规律;
  (3)管网淤积风险评估;
  (4)污染物控制效率。
  评估区域
  武汉市“三河三湖”流域总汇水面积约为516.34km2,基本覆盖了中心城区人口最为密集的区域以及水环境压力较大的流域,如图1所示。以黄孝河流域合流制片区的评估分析为例,介绍此次主要评估内容及阶段性评估结论。
  
  图1“三河三湖”流域范围
  01.“收集-截流-处理”之间的匹配关系评估
  图2所示为评估区域的排水系统概化图,汇水面积约18km2,片区内雨污水全部汇入黄孝河暗渠,经末端铁路桥污水泵站输送至下游污水系统,暴雨时超过铁路桥泵站的雨污水溢流进入黄孝河明渠,属于较为罕见的大面积单一出口的排水系统。
  
  图2 黄孝河流域排水系统概化图
  暗渠主干排水通道约5km,整体坡度低,如图3所示。旱季与小雨时管网流速低,污染物逐步沉积,大雨时,管网流速增大,污染物经冲刷溢流排入黄孝河明渠,加剧溢流污染。
  
  图3 黄孝河暗渠纵断示意图
  该区域旱季污水产生量约为19万m3/d,末端截流泵站设计流量为38.8万m3/d,设计截流倍数约为1;但区域地下水位较高,外水入渗量较大,《黄孝河机场河流域水环境综合治理规划》显示,该区域旱季地下水入渗量占比约为40%,如图4所示。末端铁路桥泵站平时实际抽排量平均已达到33万m3/d,基于管道与泵站可实现的实际截流倍数仅为0.2,全年平均溢流频次超过30次(以24h间隔划分,武汉市全年平均降雨场次约38场)。
  
  图4 管网外水量占比估算
  同时,该片区末端的三金潭污水处理厂旱季已满负荷运行,雨季无额外的处理能力,即与处理系统匹配的实际截流倍数为0。同时,若处理能力无法提升,则规划提升系统截流能力后,增加截流的雨污水仍无法进入污水处理厂进行处理,且规划建设的溢流调蓄设施也无法将调蓄的雨污水及时回送至处理厂进行处理。处理系统的能力不足是溢流污染控制系统的一个重要瓶颈。
  02.排水系统“源头-过程-末端”污染物浓度衰减规律
  通过现场监测等手段,评估排水系统污染物来源、转输与排放过程,建立污染物的连续变化关系。图5所示为基于现有监测数据得到的小区化粪池前、化粪池后、接入市政管网、市政主干管、泵站、处理厂的逐级衰减的变化情况,其中,源头小区的污染物浓度衰减比例最大。后续将进一步开展持续性的监测和评估工作。
  
  图5 排水系统污染物浓度衰减变化过程
  03.管网沉积和病害风险评估
  由上所述,排水系统污染物沉积问题严重,如何快速评估诊断沉积风险较高的管段,对于后续系统治理与运维方案的制定尤为重要。本研究借助计算机模型,通过对管网流速的综合分析,辅助诊断排水系统的沉积和病害风险。
  有效管段极端形态下,单根管段的流速变化大致可出现以下两种情形,一种情形是流速过程线的变化趋势与入流曲线基本一致,然而局部出现剧烈震荡,呈现不稳定的状态,另一种更糟的情形下流速过程线变化趋势已完全改变,正负流速交替出现。针对相邻管段的流速变化,正常情况下变化趋势相似度较高,如果出现相似度差别较大的情形,则代表管道形态出现问题,如图6所示。
  
  图6 相邻管道流速变化示意
  因此,通过模拟分析单个管段的平均流速、流速正负比、流速稳定性以及对比相邻管段的流速过程线变化趋势的相似性,可以综合分析判断不同管段的淤积风险。图7所示为黄孝河合流制片区易沉积管段的模拟结果示意,其中关键管段的长度占比约为25%,由此指导后续进一步的现场调研、管道检测、巡检与运维管理方案等。
  
  图7 区域排水系统不同管段淤积风险评估结果示例
  04.排水系统污染物收集与处理效率评估
  根据排水系统污染物浓度衰减规律、实际截流能力等条件的评估,可以比较完整地还原出系统内全年污染物从收集、转输到处理的分配过程,如图8所示。由于该区域系统的截流与处理能力不足,且有大量污染物在转输过程中沉积或漏损,导致全年污染物仅有不足50%进入处理系统进行处理,有超过25%的污染物直接溢流进入水体,约16%的污染物沉积在管道系统内。
  
  图8 系统污染物分配过程
  05.主要结论
  ① 排水系统污染物在转输过程中浓度衰减明显,污染控制效率低
  通过对典型片区排水系统真实条件调研,并对“源头-过程-末端”的污染物浓度进行现场监测,发现老城区源头小区存在明显的污染物沉积问题,部分小区从建筑出户至市政管网过程中污染物浓度衰减接近50%,至末端污水处理厂污染物浓度衰减达到75%,直接导致大量污染物未有效输送至污水处理厂处理,流域现状实际进入处理系统的污染物占污染物总量的比例低于50%,系统污染处理效率低。
  ② 现有排水系统雨季“截流-处理”能力不足
  现状排水系统基本无雨季截流与处理能力,总体上,全年现状平均溢流频次超过30次(以24h间隔统计,全年平均降雨场次约38次),溢流污染量约占全年污染物总量的30%左右。 
  ③“憋排”系统导致管网沉积问题严重
  排水系统现状普遍存在“憋排”问题与高水位运行,排水系统中污染物沉积量大,各流域污染物沉积量普遍占污染物总量近20%。沉积问题进一步削弱了系统排水能力,同时雨季暴雨径流将累计沉积底泥冲刷溢流排入受纳水体,加剧了溢流污染负荷。
  ④ 已有流域治理项目实施的优化建议
  区域所属污水系统正在进行三金潭污水厂扩建,现有黄孝河合流区溢流污染控制采用末端建设低位箱涵输送至调蓄处理设施进行处置,上游合流区管网系统正在进行清淤及管网修复,建议后续进一步关注合流箱涵流态的优化,可进行合流箱涵结构优化、上游截流干线建设或者局部沉泥设施的建设等,解决合流区沉积污染问题。
  ⑤ 市区两级重点工作建议
  鉴于武汉市管网由市区分级管理的工作机制,建议区级加强支线管网的管护,提高流速,减少停留时间,有条件的鼓励建设污水快速截留小系统。建议市级加强主干支线管网混错接改造和修复的评估,以便于全面评价流域治理成效。
  项目来源:
  武汉市“三河三湖”流域溢流污染及初雨控制评估,资料由武汉市水务局、武汉市水务科学研究院、北京雨人润科、武汉市规划院联合提供。
来源: 中国给水排水