市政污水截排工程規(guī)模的選取

市政污水截排工程規(guī)模的選取

1截排污水污水的工程實施措施深圳水庫是東深供水工程的終端，是深圳和香港的重要節(jié)水工具。要改善深圳水庫水質(zhì),除了盡快實施東深供水改造工程,保證入庫的東深供水工程來水達(dá)標(biāo)外,關(guān)鍵是截排深圳水庫流域內(nèi)的點源污染和面源污染,特別是截排初期降雨時地表徑流帶來的污染物,大幅度削減水庫流域內(nèi)的入庫污染負(fù)荷。實施深圳水庫流域污水截排工程將對水庫水質(zhì)起到最直接和最顯著的作用。根據(jù)廣東省環(huán)保局、國家環(huán)保局華南環(huán)科所的《東深供水工程水污染控制規(guī)劃研究》,對污染源的分析結(jié)果表明:東深流域污染物以COD為例,面源污染占75%,點源污染占25%。在所有水質(zhì)問題中,50%以上是由于面源污染,國際上對此已有所認(rèn)識,并進(jìn)行研究;據(jù)庇桑諾報導(dǎo):對于污水(點源)作二級處理的城市,BOD的年負(fù)荷40%～80%來自暴雨產(chǎn)生的徑流。在強(qiáng)暴雨期間,有94%～95%的BOD直接來自徑流。對水質(zhì)狀況的分析表明,氮、磷大量超標(biāo),反映出以面源污染為主、生活型點源污染為輔的總的污染特征。根據(jù)深圳市環(huán)保局、深圳市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站的水質(zhì)監(jiān)測評價結(jié)果,水庫內(nèi)水質(zhì)豐水期較枯水期為差,特別是4月份的水質(zhì)更差,說明在汛期特別是前汛期,因受雨水徑流沖刷地面,使水庫污染物含量增加。實際上,初期雨水由于洗沖路面和管渠中的沉積污染物,其污染程度也是相當(dāng)嚴(yán)重的,因此,有的國家建議對初期雨水亦應(yīng)予以處理。最初的降雨徑流(初雨沖刷)往往污染比較嚴(yán)重,而且比其余的徑流攜帶更大的污染負(fù)荷。這些均反映了水庫流域內(nèi)以面源污染為主的特征。因此,深圳水庫流域污水截排工程的任務(wù),就是采取工程措施,截排所有的點源污染,將近期已經(jīng)收集處理或未能處理的污水通過排污通道排出水庫流域;同時,截排初期雨水,甚至截排一定流量的雨洪徑流,最大限度地解決面源污染問題,減少入庫污染負(fù)荷量,從而控制水庫水質(zhì),滿足供水水質(zhì)要求。2水質(zhì)改善程度不夠深圳水庫流域污水截排工程是否成功的關(guān)鍵,是如何確定工程規(guī)模,也就是如何確定污水截排流量的大小。截排流量愈大,排污箱涵及排污隧洞的投資愈大,則污染源的排除率越高,進(jìn)庫的污染物越少,深圳水庫水質(zhì)的改善程度越好;截排流量愈小,工程投資愈小,但不能滿足深圳水庫的水質(zhì)要求。污水截排的目的是改善水質(zhì)。改善水質(zhì)能提高公眾健康水平,減少因有害物質(zhì)造成損害的支出費(fèi)用,同時減輕人們的心理負(fù)擔(dān)。但水質(zhì)改善的程度很難用貨幣的形式來表現(xiàn),排污工程只有工程投資,很難計算改善水質(zhì)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益,故很難計算工程投資效益曲線,亦不能用常規(guī)的投資效益方法來分析工程的規(guī)模。如何選擇截排流量,既截排一定流量的雨洪徑流,包括截排所有點源污染,減少入庫徑流所攜帶的面源污染,使水庫水質(zhì)滿足國家飲用水水源標(biāo)準(zhǔn)的要求,同時又使工程投資最省,這是污水截排工程所要解決的關(guān)鍵問題。3截排流量計算深圳市環(huán)保局主持該工程項目可行性研究階段的招標(biāo)工作,委托4家設(shè)計單位開展可行性研究。截排流量的常用計算方法有如下2種。(1)建設(shè)部中南市政院采用截流倍數(shù)的方法確定截排流量。根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》GBJ14-87第2.3.3的規(guī)定,截流倍數(shù)n0應(yīng)根據(jù)旱流污水的水質(zhì)和水量及其總變化系數(shù)、水體衛(wèi)生要求和水文、氣象條件等因素經(jīng)計算確定,一般采用n0=1～5。該院采用截流倍數(shù)n0=2,截排流量為8.6m3/s。實際的截流倍數(shù)與降雨、水質(zhì)、溢流量和河道污染有關(guān),還與河道自凈、耗氧和動態(tài)生化反應(yīng)有關(guān);據(jù)調(diào)查,目前國內(nèi)各城市對截流倍數(shù)尚處于探討計劃階段;室外排水設(shè)計規(guī)范只適用于新建、擴(kuò)建和改建的城鎮(zhèn)、工業(yè)企業(yè)及居住區(qū)的永久性的室外排水工程設(shè)計,不適合居住小區(qū)內(nèi)的室外排水工程和農(nóng)村室外排水工程,更不適合深圳水庫流域內(nèi)無人工雨水管渠的天然河溝。另外,采用截排流量為旱流污水的1～5倍,只說明能截排大部分的點源污染,不能解釋截排了多少雨洪徑流和面源污染,確定截排規(guī)模的依據(jù)不充分,所選取的截排流量偏小,工程規(guī)模不合理,達(dá)不到改善水庫水質(zhì)的目標(biāo)。(2)建設(shè)部西南市政院和深圳市政院采用某一頻率洪水標(biāo)準(zhǔn)的洪峰流量作為截排流量。根據(jù)深圳水庫36年水文資料(每年有最大洪水記錄),將逐年實測的每年一次最大洪峰流量排頻計算,求得深圳水庫年最大洪峰流量經(jīng)驗頻率曲線,選定某一頻率的洪水標(biāo)準(zhǔn),將此洪峰流量作為截排流量。兩個設(shè)計院選定的截排流量分別為86.5m3/s和64m3/s。根據(jù)年最大洪峰流量經(jīng)驗頻率曲線選定的某種頻率洪峰流量,說明大于或等于此洪峰流量的頻率是多少,或者說此洪峰流量值在長時間系列里平均多少年出現(xiàn)一次,又稱多少年一遇。此洪峰流量值與全年發(fā)生了多少次洪水、全年有多大洪水總量,均無必然聯(lián)系,更與截排了多少面源污染無關(guān)。確定截排規(guī)模的依據(jù)同樣不充分,所選取的截排流量偏大,造成工程規(guī)模過大,工程投資偏大。深圳市水利規(guī)劃設(shè)計院采用綜合選擇方法選定截排流量。在進(jìn)行可研階段的招標(biāo)過程中,筆者根據(jù)深圳水庫36年降雨量資料進(jìn)行分析,選定設(shè)計代表年,并對代表年全年的逐時降雨量,采用綜合單位線法進(jìn)行徑流量計算,推求全年各次降雨所形成的逐時徑流過程。選取不同的截排流量,從而計算出截排的水量和未截排的水量;預(yù)測2010年深圳水庫流域污染負(fù)荷量,并計算未截排水量所攜帶的入庫污染負(fù)荷量;再根據(jù)東深供水工程來水的水質(zhì)和水庫水環(huán)境容量,采用水庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,計算出各截排流量所對應(yīng)的水庫水質(zhì),進(jìn)而選定水庫水質(zhì)達(dá)到生活飲用水水源地水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時的污水截排流量,即為所需的污水截排工程規(guī)模。4削減幅度的確定4.1設(shè)計代表年及其年逐時徑流過程線深圳水庫雨量站位于水庫流域內(nèi),具有36年的降雨統(tǒng)計資料,并有全年逐時降雨量,系列很長,資料準(zhǔn)確可靠。對1960～1995年36年的年降雨量、年降雨次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計,并選定1992年為設(shè)計代表年。1992年全年降雨量為1920.3mm,其頻率為P=51.4%,非常接近多年平均降雨量1937.95mm;全年降雨次數(shù)為125次,也非常接近多年平均降雨次數(shù)127.3次。因此,選用典型年1992年作為設(shè)計代表年,具有很好的代表性。對1992年全年逐時降雨量(共有8760個降雨數(shù)據(jù)),采用綜合單位線法進(jìn)行逐時徑流量計算,并對全年徑流量進(jìn)行檢驗,修改有關(guān)參數(shù),保證年徑流量計算的準(zhǔn)確。深圳水庫1992年全年逐時徑流量過程線見圖1。全年降雨次數(shù)125次,能形成徑流的降雨次數(shù)為83次,流量大于2年一遇洪水(185m3/s)的有1次,大于一年一遇洪水(80.0m3/s)的有8次。全年徑流總量W總=0.371億m3,若選取截排流量為Q截,則被截排的徑流量W截為逐時徑流量過程線Q截以下水量的疊加值,未截排的入庫徑流量W庫為逐時徑流量過程線Q截以上水量的疊加值。詳見表1、圖2。設(shè)計代表年全年徑流量為3710萬m3,當(dāng)截排流量Q截=25m3/s時,截排徑流量W截=2618萬m3,截排量占全年徑流總量的比例K=71%,未截排的入庫徑流量W庫=1092萬m3。4.2流域污染源預(yù)測根據(jù)《東深供水工程流域污染源調(diào)查及水污染防治規(guī)則》,在深圳水庫水質(zhì)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,預(yù)測2010年深圳水庫流域內(nèi)點源污染量和面源污染量,見表2。4.3連續(xù)面源的水質(zhì)模型70年前美國學(xué)者Streeter和Phelps提出的河流一維水質(zhì)模型,經(jīng)過后人不斷的改進(jìn)和完善,現(xiàn)已發(fā)展為適用于河流、海灣、水庫和湖泊的較完善的水質(zhì)模型,但這些水質(zhì)模型大多只適用于污染濃度控制計算。張玉清對適用于污染濃度控制定量計算的水質(zhì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),建立了適用于總量控制的一維水質(zhì)模型,能滿足水環(huán)境管理和水污染控制的要求。污染物濃度在水環(huán)境中的一維變化是對流、分散和自然凈化(包括沉降、吸附、化學(xué)及生物化學(xué)反應(yīng)等)作用3種效應(yīng)的結(jié)果,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:?C?t?u?C?x=Mx?2C?x2?kC(1)?C?t-u?C?x=Μx?2C?x2-kC(1)對任何特定情況下得出的微分方程,必須在特定的邊界條件下求解。當(dāng)污染物在天然河流或過水性湖泊中某一斷面以面源排放的情況下,其瞬時面源的水質(zhì)模型以下式表示:Ci(x,t)=exp(?kxu)[Ch+mA(4πMxt)1/2×exp(?(x?ut)24Mxt)](2)Ci(x,t)=exp(-kxu)[Ch+mA(4πΜxt)1/2×exp(-(x-ut)24Μxt)](2)在以恒定速度連續(xù)面源排放的情況下,?C?t=0?C?t=0,對所有x>0的值都符合。將上式在時間上進(jìn)行疊加即可得到連續(xù)面源的水質(zhì)模型:Ci=mAuexp[(?kxu)+Cnexp(?kxu)](3)Ci=mAuexp[(-kxu)+Cnexp(-kxu)](3)式中:Ci為排放斷面下游任一斷面污染物的平均濃度,mg/L;m為面源排放強(qiáng)度,采用濃度和流量兩者的乘積,g/s;x為控制斷面至排污斷面的距離,m;u為河段平均流速,m/s;A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2;Ch為污染物背景濃度,mg/L;k為生化降解系數(shù),L/s。4.4水庫水體污染分析根據(jù)東深供水改造工程規(guī)劃及設(shè)計,東深供水工程進(jìn)入深圳水庫的流量規(guī)模約70m3/s,年平均來水15.4億m3,深圳水庫正常蓄水庫容為3520萬m3,東深供水水源水質(zhì)達(dá)到Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。深圳水庫流域?qū)嵤┪鬯嘏殴こ毯?流域內(nèi)晴天的點源污染全部截排,而雨天徑流量超過截排流量規(guī)模時,未截排徑流量直接入庫,徑流所攜帶的面源污染對水庫水質(zhì)產(chǎn)生危害。針對深圳水庫水質(zhì)及污染源的特點,選擇BOD、TP、NH3-N等作為水質(zhì)預(yù)測因子,建立水庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,分析不同污水截排流量時,相應(yīng)的水庫水質(zhì)情況。以BOD入庫污染負(fù)荷量為例,在不同的污水截排流量下,截排BOD負(fù)荷量及水庫水質(zhì)BOD濃度關(guān)系見表3、圖3。深圳水庫流域污水截排工程能截排100%的點源污染。若截排流量為0時,即面源污染未截排,BOD入庫負(fù)荷量為11288kg/d,水庫BOD含量大于5mg/L,水質(zhì)不符合要求。當(dāng)污水截排流量取25m3/s時,能截排徑流量2618萬m3,占水庫流域總徑流量的71%,未截排徑流量1993萬m3進(jìn)入水庫。徑流或水質(zhì)負(fù)荷的時間過程線圖中,流量和污染負(fù)荷的峰值并不重合;面源污染是一個水文問題,眾所周知,面源污染負(fù)荷與降雨量、降雨強(qiáng)度、流域下滲和蓄水特征及其他水文參數(shù)有密切的關(guān)系;面源污染負(fù)荷的大小決定于許多不能控制的因素,主要有降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨水質(zhì)及降雨的時間等。因此,近似認(rèn)為面源污染負(fù)荷量與徑流量存在同比例關(guān)系。按面源污染負(fù)荷量與徑流量同比例計算,能截排BOD污染負(fù)荷量7965kg/d,剩余BOD污染負(fù)荷量3323kg/d進(jìn)入深圳水庫,水庫水質(zhì)BOD濃度為2.89mg/L,滿足水庫水質(zhì)BOD濃度≤3mg/L的要求。因此,當(dāng)深圳水庫流域污水截排規(guī)模定為25m3/s時,晴天點源污染負(fù)荷量的截排率為100%,雨天面源污染負(fù)荷量截排率為71%,深圳水庫水質(zhì)將有顯著改善,保證當(dāng)東深供水工程來水水質(zhì)達(dá)標(biāo)時,水庫水質(zhì)同時達(dá)標(biāo)。利用水庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析計算,水庫供水出口斷面各種污染物因子的濃度為:BOD,2.89mg/L;TP,0.017mg/L;NH3-N,0.33mg/L;基本達(dá)到GHZB1-1999地表水II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),符合作為生活飲用水水源地水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值。5污水截排工程水質(zhì)綜合選擇方法的確立深圳水庫流域污水截排工程是深圳市重點環(huán)保工程,涉及城市水務(wù)、市政排水和水污染防治等多學(xué)科理論,實屬目前國內(nèi)技術(shù)要求較高,難度較大的環(huán)保工程項目。本文綜合選擇方法的特點,一是區(qū)別于采用單一的洪水計算方法,把某一頻率的洪水標(biāo)準(zhǔn)作為截排規(guī)模;或采用單一的市政排水方法,把污水截流倍數(shù)對應(yīng)的雨污合流流量作為截排規(guī)模,克服了套用市政截流倍數(shù)和套用水利洪峰流量確定截排流量方法的不足。二是建立了截排流量與截排水量、截排污染負(fù)荷量(對應(yīng)的進(jìn)入水庫污染負(fù)荷量)以及水庫水質(zhì)污染因子濃度的關(guān)系,即明確了工程截排規(guī)模與污染源排放強(qiáng)度和水庫水質(zhì)改善目標(biāo)的輸入響應(yīng)定量關(guān)系,最終選定能滿足水庫水質(zhì)達(dá)標(biāo)所對應(yīng)的截排流量規(guī)模。特別適用于難于計算經(jīng)濟(jì)效益的保護(hù)水源、污水截排等水質(zhì)改善工程。在深圳水庫污水截排工程中形成的綜合選擇方法,一是選定了最優(yōu)截排流量,使工程規(guī)模最優(yōu),工程投資最省,水質(zhì)符合飲用水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),同時較充分地利用了深圳水庫流域的水資源;二是解決了困擾多年未解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題,使該工程取得實質(zhì)性進(jìn)展,工程已施工二年多,基本完工。綜合選擇方法在本工程的應(yīng)用中,還存在如下一些問題,有望在以后得到改進(jìn)。一是水庫流域內(nèi)的雨洪徑流過程、污染物量過程和污染濃度過程實際上并不重合,文中近似認(rèn)為污染負(fù)荷量與徑流量存在同比例關(guān)系,不反映真實情況,需通過實測資料加以研