唐 洋 博，李 玮，吴 一 帆，李 翀
(中国长江三峡集团有限公司 长江生态环境工程研究中心，北京 100038)
随着中国社会经济快速发展，城市化进程日益深化，人口集中化导致污水负荷激增，下垫面硬质化加剧雨水产流，城市老旧的排水系统已经不堪重负。管网系统的缺陷使得旱天沉积物淤积、雨天污染物溢流，导致城市建成区的内河内湖水环境问题日益突出。因此，运用工程措施对老旧排水系统进行全面升级和改造已经迫在眉睫。然而，单一的工程措施往往难以达到系统治理的效果。从系统整体出发，规划符合水环境治理目标的工程体系，才能实现系统治水的目的，而工程体系目标评测是其中的关键[1-2]。
在规划阶段，目标评测模型可以指导工程措施选择、工程体系构建及环境效益分析，从而帮助城市排水系统管理者设定合理清晰的治理目标，为建立工程投入与社会、经济、环境效益产出关系打好基础[3]。传统的工程措施目标评测分析主要基于各类水动力水质模型相关环境指标的预测结果，现有针对城市排水系统的模型(如SWMM，InfoWorks和MIKE)需要丰富、系统的基础数据库才能评估工程项目的环境效益，资金和人力成本高、周期长，不适用于规划阶段。
系统动力学(SD模型)由Jay Forrester开发[4]，可模拟复杂系统的组织结构、运算目标要素之间的交互反馈行为，模拟物质迁移转化路径[5]。SD模型是重现城市排水系统物理结构的合适工具，能够模拟径流和污染物在各种涉水设施和内河内湖间的迁移和反馈机制。与传统水动力水质模型不同，SD模型属于数据驱动的模型，具有高效的评估能力[6-7]。SD模型更新关键因素的变化十分便利(如工程项目参数、人口、污染物去除效率、时间步长等)，有助于快速辅助决策[8]。因此，本研究基于SD模型构建了城市排水系统目标评测模型，对各类排水系统工程措施进行环境效益评测分析，以岳阳东风湖流域排水系统为例，探讨了符合水环境治理目标的工程体系。
1.1 东风湖流域排水系统现状
东风湖位于岳阳西北部，临近洞庭湖与长江的交汇处。东风湖流域覆盖范围北至建设北路和沿湖大道，南至延寿路、良田山路以及天图路，东至吉家湖路，西至新岳西路，共计17.73 km2，人口23万人，湖面面积2.54 km2，库容约为670万m3。东风湖从南往北被分为上上湖、上湖、中湖及下湖，上湖、中湖水质为劣Ⅴ类，下湖部分区域为劣Ⅴ类，主要污染指标为化学需氧量等。目前东风湖4个区域基本被隔绝，水体几乎没有流动性(流速约为0.003 m/s)，水源补给主要依靠降雨、地下水及环湖周边城市排水。东风湖在全国黑臭水体普查中被列为黑臭水体，严重影响了城市水环境质量和社会经济发展[9]。
东风湖流域在水环境治理工程前约有排水管网56 km，其中合流制管网超过90%，管网密度仅为3.2 km/km2。主要排水通道包含枫桥湖合流排水涵、杨树塘-土桥地段合流排水涵和青年堤合流排水涵等主干线路。东风湖南侧的良田山片区存在大面积的管网空白区。马壕一期污水处理厂处理能力为5万t/d，平均进水量为3.6万t/d，COD平均进厂浓度为210 mg/L，污水处理厂出水标准为一级A。总体来看，东风湖流域排水系统基础设施相对薄弱，需要系统治理来解决东风湖黑臭问题以及水质稳定达到Ⅳ类地表水的目标。
1.2 东风湖流域黑臭问题
引起东风湖流域黑臭的原因包括污水直排散排、溢流污染和径流污染3个方面[9]。就污水直排散排而言，老城区内污水收集率不高，良田山片区存在管网空白区，污水直排散排现象严重。东风湖流域管网雨污合流制占比超过90%，由于老城区管网系统截流倍数较低，降雨量大时会有大量合流制溢流污水进入东风湖水体。东风湖属于城市水体，周边农业面源较少，仅存在分散的居民种植菜地和养殖畜禽[9]，本研究中径流污染主要考虑城市面源污染。总体来说，东风湖水体黑臭问题突出，需要系统治理措施来全面控制污水直排散排、溢流污染、径流污染，使得东风湖水体长期稳定在Ⅳ类地表水的水平。本研究主要考虑的治理措施包括排口整治、源头治理、雨污分离、调蓄池、污水处理厂提标等。
模型将东风湖流域排水系统分为5个子区(九华山片区、岳阳楼片区、火车站片区、良田山片区和高家组洞氮片区)(见图1)。东风湖流域排水系统主要以合流制系统为主，有极少部分区域为分流制排水系统，东风湖位于流域中心，马壕污水处理厂位于东风湖南侧。用于目标评测的工程措施包括：排口整治、源头治理、雨污分离、调蓄池、污水处理厂提标等，不同措施之间的资金投入情况见表1。通常排口整治的费用较低，源头治理和雨污分流的整体工程费用较高，调蓄池和污水厂提标的费用主要集中在特定的区域。模型主要关注指标包括合流制溢流量和东风湖水体中COD浓度变化。
图1 研究区域示意Fig.1 Sketch of the study area
表1 预估水环境治理资金投入Tab.1 Proposed investment for aquatic environment improvement 亿元
目标评测模型可分为3类子模型：分流制系统子模型、合流制系统子模型和湖泊子模型。其中九华山、岳阳楼、火车站部分区域属于分流制子模型，模型设置以上区域污水系统的输出条件成为下游马壕合流制系统的输入条件；
此外，良田山、高家组洞氮片区属于相对独立的合流制系统。整个东风湖模型接收了上述子模型的所有输出条件。降水数据为2018年观测数据，模型涉及的城市径流、污水处理厂、东风湖基本情况等参数汇总见表2。模型以日为计算时间步长，模型架构具体阐述见下文。
表2 模型参数汇总Tab.2 Parameters in the target accessibility model
2.1 分流制系统子模型
分流制系统子模型(见图2，以九华山片区为例)涉及雨污分流排水系统的运行情况。一方面考虑降雨及地面产汇流过程形成的雨水及雨水径流污染负荷[13]，另一方面考虑生活污水水量及污染物负荷[14]。降雨产流计算公式如下：
图2 九华山分流制系统子模型Fig.2 Sub-model of JHS separated sewer system
Q=1000CIA
(1)
(2)
式中：Q为径流量，m3/d；
C为综合径流系数；
I为降雨强度，mm/d；
A为集雨面积，km2；
n为下垫面个数，i为其中第i个下垫面。
径流系数由用地类型和面积综合决定，其中屋顶、混凝土等不透水面径流系数一般为0.85～0.95，碎石路面为0.55～0.65，干砖路面为0.35～0.40，土路为0.25～0.35，绿地为0.1～0.2[15-16]。
雨污分流比例按照分流制区域和合流制区域面积比确定，直接入湖的雨水为雨污分流比例与径流量的乘积。其余雨水与生活污水一同进入合流制管道。排口整治措施将决定雨水排口的污染物去除率。雨水径流的污染物浓度取自文献[10]，文献采用降雨事件平均浓度，CODCr为52 mg/L。源头治理措施(海绵设施)对雨水径流有一定的蓄水及污染物去除功效。生活污水产量主要由人口和人均产污量决定，人均产污量的取值由地域决定，一般取值在342～425 L/(人·d)[17]，日内用水习惯及波动未考虑。进入管道的污水量为污水收集率与生活污水量的乘积，收集率按照马壕污水处理厂平均进厂COD浓度与水量的乘积以及人口对应的COD污染总量确定。分流制子系统的污水量成为下游合流制系统的输入条件。未收集的污水将通过散排方式进入东风湖，衰减系数根据距离东风湖的远近取值范围在0.5～0.7之间。雨水管网和污水管网都具备一定的调蓄能力，在本研究中根据管网系统情况设定为片区收纳污水量的30%～50%。
2.2 合流制系统子模型
合流制系统子模型(见图3，以马壕合流制子系统为例)主要考虑九华山、岳阳楼、火车站片区的雨污来水。污水处理厂处理量、调蓄池及管网调蓄量对雨水径流量产生反馈作用，调蓄及污水处理厂容量不足时，合流制管网内部污水会通过溢流口直接溢流到东风湖水体，水质指标和水量密切相关同属于一个反馈机制。以马壕合流制子系统为例，与溢流量相关的计算逻辑如下：当实际调蓄量(含管网、调蓄池)Vt&r大于马壕合流制来水流量Vmh时，则溢流量Vo等于0，否则Vo=Vmh-Vt&r；
实际调蓄量Vt&r为理论调蓄量Vt减去马壕合流制系统存水Ve；
Ve为马壕合流制系统中前一天无法处理的水量Vu；
Vu为马壕合流制来水流量Vmh减去溢流量Vo及马壕污水处理厂设计处理量Vp，即Vu=Vmh-Vo-Vp；
Vmh&r用于统计马壕合流制实际水量，为Vmh，Vt&r两者中较小的值。
图3 马壕合流制系统子模型Fig.3 Sub-model of MH combined sewer system
2.3 湖泊模型
湖泊模型主要包含水量模块(见图4)和水质模块(见图5以COD为例)两类。水量模块输入条件主要包括各区域直排雨水、溢流水量、污水处理厂尾水、散排入湖水量、铁山水库补水、湖面降雨量、蒸发量、下渗量。因东风湖水体容量限制，一旦达到排涝容积东风湖电排站将持续排出多余水量，让东风湖水位回到低点。水质模块主要考虑COD浓度，污染负荷来自雨水、散排污水、溢流、污水厂尾水等，综合降解系数也被考虑到模型中[10，18]。
图4 东风湖水量模型Fig.4 Water quantity model of DF Lake
图5 东风湖水质模型Fig.5 Water quality model of DF Lake
2.4 模型校验
东风湖排水系统目标评测模型采用了SWMM模型来验证青年堤调蓄池溢流频次和溢流量。该模型计算的溢流频次为26次，略高于SWMM模型的23次，总溢流量为180万m3/a稍低于SWMM模拟的207万m3/a。现场监测的水质数据(月平均)被用于校验目标评测模型的水质预测模块(见图6)，模拟结果显示雨季溢流污染问题较大。经计算，模型纳什效率系数(NSE)为0.330，平均相对误差(MRE)为0.034。模型纳什效率系数相对较小，说明模型精度有一定的局限性，但考虑到模型运用场景是快速评测，不需要大量基础数据支撑，且平均相对误差较小，结果能够较好地反映污染物月均浓度变化趋势，总体来说模型结果实用性较强且相对可靠。由此可见目标评测模型可用于模拟城市排水系统水量水质情况。
图6 目标评测模型与COD监测结果对比Fig.6 Results comparison between target evaluation model and field monitoring
结合东风湖流域的排水系统特征，确定了9种治理策略(见表3)。策略0代表排水系统初始状态，未实施任何工程措施；
策略1代表采取源头控制措施，减小径流量；
策略2采用部分区域雨污分流改造措施，分质收集雨污水的同时，在一定程度上提升整个系统的截流倍数；
策略3采用雨水排口治理措施，在排口处消除污染物负荷(以COD为例)；
策略4建设调蓄池，提升系统调蓄能力；
策略5提升污水处理厂排放标准至Ⅳ类地表水；
策略6采取源头治理+排口整治+雨污分流，即策略1+策略2+策略3；
策略7采取源头治理+排口治理+新建调蓄池，即策略1+策略2+策略4；
策略8采取源头治理+雨污分流+排口治理+调蓄池，即策略1+策略2+策略3+策略4；
策略9综合运用策略1～5。目标评测模型考虑主要指标为溢流量(见图7)和东风湖水体COD浓度(见图8)。
图7 不同工程措施对溢流量的影响Fig.7 Combined sewer overflows under various engineering approaches
图8 不同工程措施对对东风湖COD浓度的影响Fig.8 COD concentrations in DF Lake under various engineering approaches
表3 工程措施策略设计及成效Tab.3 Engineering approach and corresponding effects
策略1采用减少源头径流量以及源头快速污染物处理的方法，使COD峰值浓度降低10%左右，溢流污水峰值明显减少8万t以上，从峰值的接近50万t降至不足40万t。策略1针对合流制溢流最大水量、合流制溢流总水量、COD负荷总量可分别减少20%，19%和4%。可见，策略1可良好控制溢流水量，但对COD负荷削减水平较低，而且东风湖流域城市发展程度较深，透水面积及源头污染物削减设施难以广泛应用。典型案例为山东营丘镇区低影响开发设计，低影响开发措施对径流总量、峰值流量和TSS排放负荷等方面的控制效果显著[19]。
策略2中通过部分地区雨污分流的方式分质输送雨水和污水，一定程度上提升了调蓄容积。雨污分流对减少COD负荷产生的影响较小。策略2中溢流总量减少了22%，但COD负荷总量的削减只达到2.6%，这是由于该工程方法只覆盖了部分区域，后期污水还是会进入合流制管网系统，削减的溢流污染物浓度较低。雨污分流工程需要实现全面覆盖才能更好地削减污染物水平。
策略3涉及雨水排口整治工程，中国运用雨水排口快速净化技术相对广泛且成熟。策略3对溢流量几乎没有贡献作用，对于COD负荷总量的削减达到了2.5%，考虑到排口整治措施只是零星布设在雨水排口末端，对于污染物的去除作用和雨污分流工程相当，但工程成本只占雨污分流工程的1/10，这表明排口整治工程十分必要。
策略4是新建调蓄池，片区内建设3.5万m3的调蓄空间能减少溢流水量23%，对COD负荷的削减也达到了4%。在同等投资水平下，策略4的溢流量和污染物削减作用略优于策略1和策略2，但考虑到施工周期较长且对于选址要求较高，需要充分论证其可行性之后再运用，不能盲目新建调蓄池。典型案例为东莞市石马河流域溢流调蓄池，针对控制区域初期面源污染，达到控制80%的污染负荷的目标[20]。
策略5是污水处理厂提标方法。策略5在理论上是给东风湖每天提供3万～5万m3的地表Ⅳ类水作为补水，扩大了东风湖的环境容量。该工程对溢流污水量减少没有贡献，COD总负荷值削减量约为8%。
策略6综合运用策略1、策略2和策略3。策略6中合流制溢流总量削减40%，溢流次数明显减少，COD负荷总量比策略0减少10%以上。这表明城市源头治理配合管网系统提质增效的集成方法效果要比单一技术好。典型案例为茅洲河一级支流鹅颈水，治理后流域点源污染控制率90.0%、面源污染控制率62.8%、污染物总量削减率84.0%(均以COD计)[21]。
策略7综合运用策略1、策略2和策略4。策略7在策略6的基础上溢流量削减提高至51%，COD负荷总量与策略6接近，总体费用提升10%。典型案例为九江黑臭水体治理，加快污水收集处理的提质增效，统筹初期雨水的快速处理、合流制溢流污染控制[22]。
策略8综合策略1～4。合流制溢流量削减65%，溢流次数明显减少，COD负荷总量比策略0减少14.5%。总体投资增加至4.27亿元，排口治理对污染物削减效率高。典型案例为合流制溢流污染控制策略，可以应对低频次高溢流量的CSO事件，并削减40%溢流量[23]。
策略9综合运用策略1～5。策略9中合流制溢流量削减65%，溢流次数明显减少，COD负荷总量比策略0减少20%以上。这表明选择综合技术集成方法的效果较好，东风湖COD指标能长时间维持Ⅳ类地表水的水平，但相应工程成本也会增加。
针对城市复杂的水环境问题，需要通过系统策略以达成水环境治理目标。本文围绕岳阳东风湖流域排水系统，通过SD模型建立降雨径流、雨水污水收集运输、合流制溢流、污水处理、受纳水体及各项工程措施之间的反馈机制，形成了东风湖流域排水系统目标评测模型。模型纳什效率系数(NSE)为0.330，平均相对误差(MRE)为0.034。模型运用场景是快速评测，精度有一定局限性，但不需要大量基础数据支撑，且平均相对误差较小，结果能够较好地反映污染物月均浓度变化趋势，总体来说模型结果实用性较强且相对可靠。
东风湖流域排水系统设施陈旧，周边生活污水直排散排、溢流污染和径流污染问题严重，导致东风湖流域水体黑臭。本研究针对污染现状，提出多种工程策略，通过定量分析合流制溢流量和东风湖水体COD浓度的方式以达到解决相应问题的目的。策略1：采用源头治理的方法，使COD峰值浓度降低10%，单次溢流量峰值明显减少8万t以上；
策略2：通过部分区域雨污分流的方式分质输送雨水和污水，一定程度上提升了调蓄容积，但COD削减量不足3%，雨污分流需要覆盖整个区域才能发挥最大；
策略3：涉及雨水排口整治工程，工程造价相对较低，COD削减水平和策略2相近；
策略4：新建3.5万m3调蓄池，减少溢流水量23%，对COD负荷的削减也达到了4%；
策略5：污水处理厂提标方法，COD削减量约为8%；
策略6～9：为5种工程措施的排列组合，相关治理成效表面系统集成措施的效果要比单一控制措施显著，但相应投资成本也会增加，策略9可以使东风湖COD指标能长时间维持在Ⅳ类地表水的水平。
目标评测模型现阶段评价效果较好，但模型对关键参数变化较为敏感，需通过下一阶段工作进行敏感度分析和参数调整，通过现场数据采集、实验参数虑定以及基于机器学习的参数自调节等方法持续完善，提升关键变量取值的规范性和科学性。未来目标评测模型可引入成本效益的投入产出分析模块，不断迭代开发，为城市水环境治理顶层规划提供技术支撑。
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