上海地区中心城区雨水泵站放江污染物总量计算方法的探讨

李 松

(上海宏波工程咨询管理有限公司，上海 201700)

1 背景介绍

上海市多年的水环境保护工作虽然取得了阶段性成果，但区内部分河道水质仍未得到持续明显的改善，尤其每逢降雨前后，河道沿线雨水泵站附近河段时常出现黑臭现象。究其原因主要是城区面源污染，特别是泵站放江污染，已凸显为影响上海中心城区河流水质稳定和持续改善的主要问题。据统计，2015年全市泵站放江量约4.89亿m3，中心城区约70%的河道水质受到泵站放江的影响，而90%泵站放江影响主要是雨天放江所引起。

近年来，作为雨水径流的重要载体之一，合流制管道雨天溢流的污染日益严重，大量的污染物随之排放到城市内河、内湖等受纳水体中，给城市的水生生态环境造成了严重的污染和破坏。与此同时，分流制雨水管道和泵站在雨天也向城市河网水系排放了大量的污染物。在此背景下，如果能够相对准确地确定城市泵站放江污染总量以及主要污染排放口，不仅有助于制定合理的城市总体污染控制目标，而且有助于对主要排污口优先进行有针对性的管理控制，从而推动和促进城市整体污染减排任务的有效完成。

上海市水务部门经过多年的工作，积累了较多的泵站监测和统计数据。当前面临着对数据进行科学分析的困难，难以更好地满足辅助决策的需要。目前针对泵站放江污染物总量的计算方法较少，本文参考雨水径流污染或非点源污染负荷的计算方法，依据泵站现状监测数据及相关文件，提出泵站污染物排放总量计算方法，使相关部门精确地掌握泵站排放总量，为泵站放江管理提供数据参考。

2 泵站放江水质采样及化验方法

目前上海市仅部分泵站安装了自动监测系统，监测点位于泵站集水井内，由自动采样仪或人工采集水样，自排江开始至结束，每隔30min采样一次，关闭雨水泵时停止采样。在旱天时，泵站每月采集一次，每30min采样一次，共采样3次。

针对泵站监测系统现状情况和存在问题，根据本市入河排污(水)口监督管理的工作方案及上海市防汛泵站污染物放江监管办法实施细则(暂行)等相关要求，市相关单位为规范泵站水质采样及化验工作，印发了关于泵站放江水质采样及化验工作的通知的文件，并对检测指标、采样频次提出了如下要求：

a.各泵站的放江水质采样及化验工作原则上在每场降雨时进行。雨天采样时间间隔为开始放江时，放江后10min、20min、40min、60min、120min、180min和放江结束时，每次采集8个样品，样品性质为瞬时样品；若当月内无降雨放江，采样及化验工作应于当月最后一天进行，旱天采样时间间隔为开始采样，采样后30min、60min，每次采集3个样品，样品性质为瞬时样品。

b.水质检测指标应包含化学需氧量、悬浮物、氨氮、总磷和pH值等。

按上述要求获得数据后，应相关要求，须核算泵站放江污染物总量，在此背景下，提出泵站放江污染物总量计算方法。

3 国内外常用计算方法介绍

泵站放江污染物主要来源于雨水径流过程所携带的污染物，目前国内外直接针对泵站放江污染负荷的研究较少，而针对城市雨水径流污染或非点源污染负荷的研究相对较多，主要采用的方法可分为三大类：ⓐ根据同步监测的水质水量进行计算的浓度法(以平均浓度法为主)；ⓑ基于污染物产生过程包括累积、冲刷和排放机理建立的模型计算法；ⓒ根据污染物传输规律总结的经验计算方法。

根据平均浓度法，一年中第i场降雨全流程中所排放的污染物总量可根据下式求得：

(1)

式中Ti——第i场降雨的降雨历时，s；

Ct,i——第i场降雨t时刻的污染物浓度，mg/L；

Qt,i——第i场降雨t时刻的雨水径流流量，m3/s；

T——径流时刻，s。

而年污染物总量，即一年内所有产生径流的降雨的污染总量求和为

(2)

式中 (EMC)i——第i场降雨的污染物事件平均浓度，mg/L；

Vi——第i场降雨的雨水径流体积，m3；

n——1年中所有产生径流的降雨场次数。

平均浓度法需要每场降雨的径流量和EMC值，在无每场降雨资料的情形下，在计算中常利用多场降雨的径流平均浓度来替代全年所有降雨的径流平均浓度，该平均浓度与年雨水径流总量的乘积即为全年的污染物总量。与此同时，因城市不同下垫面功能的差异，其在水质和水量上均存在差异，故在计算过程中，须根据城市下垫面的分类，分别计算相应多场降雨的径流平均浓度，将其加权求和获得城市的雨水径流污染物总量。

随着技术的进步和研究的不断深入，近年来模型方法也逐步得到推广应用。例如，叶婉露等[5]根据项目区域，搭建了管道模型、下垫面产后汇流与管网耦合模型，计算了合流制区域末端排水口污染负荷。潘国庆[6]也通过软件模拟计算了我国部分省会和直辖市年径流污染负荷排放量。然而，采用模型进行模拟计算往往需要大量的基础数据，同时由于变量很多，对于数据的精度要求也相对较高，必须进行复杂细致的率定，这些要求限制了模型在城市雨水径流污染总量计算中的广泛应用。

对于经验计算方法，主要有计Schueler计算方法和Heaney计算方法等。前者是根据美国NURP(国家城市径流污染研究计划)在华盛顿地区获得的数据提出的一种方法，用式(3)计算，后者则将合流制和分流制排水系统分开计算。

Lt=[CFφAPC]×0.01

(3)

式中Lt——t时段内雨水径流排放的污染负荷,kg；

CF——代表一年产生雨水径流的降雨在总降雨场次中的比例系数；

φ——平均径流系数；

A——径流区总面积,hm2；

P——年降雨量,mm；

C——污染物径流量的加权平均浓度,mg/L；

0.01——单位换算系数。

相对而言，Schueler计算方法的应用较多一些。其中张丹利[7]用其对九寨沟各湖泊子集水区内的公路和栈道的污染负荷进行了系列研究，而张善发等[8]则利用该方法对上海市地表径流污染负荷进行了系统研究，得出了一些有价值的成果。

综合以上城市雨水径流计算方法来看，平均浓度法较为简便和直观，该法仅考虑污染物输出，不受污染物迁移过程的影响，应用较广泛。

4 泵站放江污染物总量计算方法介绍

根据以上介绍，借鉴雨水径流污染负荷的相关计算方法评估泵站放江污染物总量。

影响泵站放江污染物浓度的因素较多，如泵站服务范围、工业企业排放污染物浓度及地表径流、管道沉积物、水力条件、混接污水的性质等，不确定因素较多，难以通过模型和经验方法准确计算污染物负荷。目前，上海市雨水泵站设有自动监测系统及采样装置，可实时监测污染物浓度、放江流量及放江时间，就平均浓度法、模型计算法、经验计算法三种计算方式来说，平均浓度法更适用于泵站放江污染物总量的计算，根据泵站放江过程将具体计算方法介绍如下。

4.1 算术均值法

在由降雨导致的泵站放江过程中，放江污染物浓度有一定幅度的变化，所以常用平均浓度来表征污染物浓度，按下式计算：

(4)

Ci——随放江时间而变化的某污染物浓度，mg/L；

n——从放江开始至放江结束的测样次数。

一场降雨放江全过程的某污染物总量M总可按下式计算：

(5)

式中M总—— 一场降雨放江全过程的某污染物总量，t；

Q总—— 一场降雨放江全过程径流总量，m3。

4.2 分时求和法

泵站放江水质采样及化验相关文件中指出泵站取样位置建议为泵站集水井，检测项目包含化学需氧量、悬浮物、氨氮和总磷等指标，采取自动取样与人工检测相结合的方式，雨天采样时间间隔为开始放江时，放江后10min、20min、40min、60min、120min、180min和放江结束时，每次采集8个样品。同时自动监测该时间间隔段内的放江量，再加权获得一场降雨放江全过程的某污染物总量，按下式计算：

(6)

式中M——放江全过程的某污染物总量，t；

Ci——随放江时间而变化的某污染物浓度，mg/L；

Qi——随放江时间而变化的径流流量，m3(根据各台水泵的铭牌流量自动监测各时段排江过程的总流量，即总流量为所有开启的水泵的流量之和)；

N——样本总数。

4.3 计算方法的对比

由于目前上海市市政雨水泵站未能全部实施在线监测，部分雨水泵站无与取样间隔相对应的监测流量及水质，故前期建议采用算术均值法，可适用于全市使用。待后期排水泵站在线监测系统完善应用于全市后，可采用分时求和法计算，以更准确地计算放江污染物总量。两种计算方法优缺点见表1。

表1 放江污染物总量两种计算方法的对比

4.4 计算案例介绍

以康健泵站两场降雨数据为例来对两种计算方法进行介绍。康健泵站两场降雨放江水质数据及放江量见表2。

表2 康健泵站两场降雨的污染物浓度及放江量

以2018年6月20日降雨放江过程中COD、SS放江总量计算方法为例进行介绍。

4.4.1 算术均值法

COD平均浓度=(85+95+116+128+99+49+37+40)/8=81.13mg/L

SS平均浓度=(192+174+202+226+184+95+67+71)/8=151.38mg/L

则COD、SS从放江开始至放江结束的总量为

根据以上相同公式计算可得出氨氮总、TP总放江全过程的总量分别为0.65t、0.08t。

4.4.2 分时求和法

116×2160+128×4320+99×4320+49×12960

+37×12960+40×6480)×10-6=2.81t

202×2160+226×4320+184×4320+95×12960

+67×12960+71×6480)×10-6=5.14t

根据以上相同公式计算可得出氨氮总、TP总放江全过程的总量分别为2.81t、5.14t、0.84t、0.06t。

同样可计算出另一场降雨污染物总量，结果见表3。

表3 康健泵站两场降雨过程中泵站放江污染物总量

4.4.3 两种计算方法结果对比

从表3可以看出，第一场雨两种计算方法污染物放江总量相差较大，其中COD及SS放江总量差值较大，另一场雨则相对相差较小。这说明当放江过程中污染物浓度相差较大时，两种计算结果的差值较大，同理，当放江过程中污染物浓度相差较小时，两种计算结果的差值较小。故待后期排水泵站在线监测系统完善应用于全市后，建议使用分时求和法计算，以更准确地计算放江污染物总量。

5 总 结

本文在泵站现有监测数据的基础上，借鉴雨水径流污染物负荷计算方法，提出了泵站放江污染物总量的计算方法。两种计算方法分别为算术均值法和分时求和法。其中分时求合法需要有放江间隔时段内的放江流量和水质数据，目前上海市雨水泵站仅部分泵站有自动监测系统，故建议根据泵站现状条件，对有条件的泵站采用分时求和法计算放江污染物总量，对无条件泵站采用算术均值法计算放江污染物总量；远期考虑均采用分时求和法计算放江污染物总量，以更准确地计算放江污染物总量。