雨污合流制地區溢流污染影響因素及管控建議
時間：2024-08-24
近年來，合流制地區汛期溢流污染引發的環境問題逐漸引起人們的關注。溢流污染不僅對城市的生態環境造成破壞，使很多已取得治理成效的河流出現返黑返臭，還影響到了城市管理以及居民的日常生活和生產。有研究表明，目前合流制溢流污染是汛期城市地表水污染的主要原因。合流制地區溢流問題除了與其所配套的管網排水體制、污水收集規模和管道漏損情況等因素有密切的關系之外，同時也與其下游污水處理廠的設計規模及運行管理水平有一定的關系。
對此，我國在合流制地區溢流污染治理中提出了很多的管控要求，但治理效果參差不齊，治理措施仍存在短板。因此，筆者針對合流制地區汛期溢流帶來的水體污染問題，在研究合流制溢流背景的基礎上，開展了我國溢流污染區域分布特征以及溢流污染處理措施的研究，結合國外溢流污染管理措施和治理技術分析，提出了目前我國溢流污染存在的問題及建議，以期為制訂溢流污染控制的相關標準與政策提供科學依據。
1、合流制溢流污染研究背景
1.1 合流制溢流污染定義及特點
城市排水系統可劃分為合流制和分流制2種。分流制排水系統是指雨水、污水管道相分離，而合流制排水系統是指雨水、污水共用相同的管道。降水期間，合流制排水管網中的水量隨降水量的增大而增加，當管網中的水量超過了主干管網的負荷以及污水處理廠的處理能力時，超負荷的雨水和污水將以溢流形式排放到受納水體中，從而對地表水環境造成污染。
汛期溢流污水中匯集了各種不同性質的污水，如生活污水、工業廢水、雨水、河水、地下水及腐爛溝道沉積物等，總體來說具有污水成分復雜、水質水量變化大、初期雨水污染物濃度高的特性（表1）。此外，由于合流制溢流污染多伴隨降雨產生，故其排放具有間歇性、突發性和隨機性等特點。
表1 汛期溢流污水具體表現及對應特點1.2 合流制溢流污染對水環境質量的影響
合流制管網溢流所形成的城市面源污染，已成為城市水體污染的重要問題之一。合流制溢流污染對水體的影響主要集中在汛期（5—10月），主要原因是地表面源沖刷污染，生活污水、工業廢水及管道沉積物和污水處理廠尾水等，降水時隨徑流一同溢流至河流中，對水體造成污染，導致汛期城市地表水體水質下降。對生態環境部發布的2020—2022年《1—12月全國地表水水質月報》中各月份水質進行分析（圖1），汛期Ⅰ類~Ⅲ類水質（GB 3838—2002《地表水環境質量標準》）占比與其他月份相比較低，7月達到全年最低（73.6%），而劣Ⅴ類水質占比在汛期有所升高。流域面源是導致汛期地表水監測斷面水質下降的主要原因，尤其在農村地區，來自農業面源和農村生活污染的貢獻顯著，但在城市區域，合流制溢流帶來的污染不可忽視。
圖1 2020—2022年1—12月全國水質類別占比
在生態環境部發布的《關于開展汛期污染強度分析推動解決突出水環境問題的通知》（環辦水體函〔2022〕52號）中提出，對于汛期污染強度高、城鄉面源污染治理滯后的地區，要督促指導，認真排查，扎實做好城鄉面源污染治理的工作，重點解決面源污染治理的瓶頸問題，促進水環境質量的不斷提高。汛期污染強度是指某斷面汛期首要污染物濃度與考核目標濃度限值的比值，其計算公式為：污染強度=（汛期濃度?非汛期濃度）/非汛期濃度。根據2022年生態環境部發布的《全國水環境情況通報》，按汛期污染強度從大到小排序，前50個斷面中數量較多的省份位于山西、江西和云南等地，其他地區如江蘇省太湖流域省考斷面在汛期部分斷面氨氮監測濃度增加650%~1 325%。接納合流制溢流污水和初期雨水的城市水體，受高濃度氮、磷等污染物的影響，水生生物的正常生長受到干擾，水體呈現一定程度的富營養化，如果排入的污染負荷超出了水環境承載能力，水環境質量會顯著下降甚至形成黑臭水體。
2、我國溢流污染影響因素和重點區域識別
2.1 影響合流制溢流的因素
影響合流制溢流污染的主要因素包括降水條件、排水系統的截留倍數、管網條件以及污水處理廠的規模等。
2.1.1 降水條件
降水特征對流域地表徑流的水質、水量有重要影響。降水特征主要包括降水強度、降水量、降水持續時長和降水間隔時長等。降水強度是影響污染物濃度的重要因素，而降水持續時長則是影響污染物遷移的主要因素，降水間隔時長決定了地表污染物的蓄積量，隨著降水間隔的延長，地表污染物的積累也隨之增加。
2.1.2 截流倍數
截流倍數是指在排水系統中，被截流的雨水量與晴天污水量的比值，其能較好地反映合流制排水系統綜合攔截污水的能力。較大的截流比、管徑大的管網可容納的污水量較大；相反，較小的截流倍數將導致管網管徑變小，收集污水量較少。雨天時，超出合流制排水系統排水能力的合流污水在截流倍數較小的情況下易發生合流制管道溢流，合流污水直接排放入河，對受納水域造成污染。
2.1.3 管網條件
管網條件對合流制溢流的影響體現在多個方面。首先，管網存在破裂、錯接、脫節、變形、腐蝕等問題均會對合流制溢流污染造成影響，如污水管道破損嚴重，會導致地下水進入污水管道。其次，雨水管網和污水管網所占管網總長度比例也會對合流制溢流造成一定的影響，合流制管網占比大，改造難度大，溢流污染發生時所采取的治理措施也會受到相應的限制，從而造成溢流污染的加重。最后，排水管網密度反映了一定區域內排水管道分布的疏密程度，一個城市的排水管網密度越高，說明管網普及率越高、服務面積越大。
2.1.4 污水處理廠規模
在暴雨條件下，由于大量雨水流入排水系統，超出下游污水處理廠的設計進水規模，導致部分污水未經有效處理或者不處理直接排入水體造成污染。如承德市太平莊污水處理廠因處理規模有限，2022年1—3月發生溢流135次，每日溢流量超出5 000 t。我國部分污水處理廠在暴雨期間的超設計負荷可達140%~180%，甚至更高。
2.2 降水量與管網條件對合流制溢流污染的影響
根據2.1節分析可知，影響合流制溢流污染的因素較多，其中，降水量越大，雨水對地面污染物的沖刷作用越徹底，污染負荷也越高。李云青等提出降水量較大時易產生合流制溢流污染并對水環境造成損害的觀點；丁亞楠等研究發現，降水量增加會導致環境影響指標（汛期污染強度、地表水質等）對環境的影響增大，以及管網條件對合流制溢流改造的制約。此外，也有學者指出，隨著管網密度的增加，初期沖刷效應呈現逐漸減弱的趨勢，合流制污染也會呈現減弱的趨勢。因此本研究針對不同地區降水量及管網條件中的合流制管網占比及管網密度的影響進行了詳細分析，在此基礎上對我國溢流污染的重點區域進行識別。
2.2.1 降水量
中國幅員遼闊，不同區域雨期降水量差異較大。根據水利部發布的《中國水資源公報》對我國31個省（區、市）2020—2022年平均降水量進行總結，結果見表2。由表2可知，近3年降水量較大的地區主要集中在華東、華南地區，如海南省、江蘇省、廣東省、江西省及廣西壯族自治區，其中海南省在近3年平均降水量最大，高達1 863.7 mm；西北地區降水量較少，其中新疆維吾爾自治區最少，僅有148.2 mm，其次是寧夏回族自治區和甘肅省，平均降水量分別為279和292.2 mm。
表2 2020—2022年31個省（區、市）平均降水量
針對2020年主要城市豐水期（5—10月）和全年降水總量進行了數據統計，結果如圖2所示。從不同城市降水量來看，武漢市豐水期降水量最大，達到1 561.6 mm；其次是桂林市，豐水期降水量為1 527.1 mm；廣州市、南昌市降水量達到1 450 mm以上。桂林市年降水量最多，達到2 341.7 mm；其次是南昌市，達2 140.7 mm。從圖2可以看出，無論是豐水期降水量還是全年降水量，降水量較大的城市均位于華東、華南地區。華東、華南地區許多典型城市，雨季時雨強、雨量大，造成合流制溢流水量大且歷時久，因此雨季合流制溢流污染問題尤為突出。
圖2 2020年主要城市豐水期月降水量和年降水量
2.2.2 管網條件
根據《2022年中國城鄉建設統計年鑒》中對我國排水管道長度和建成區排水管道密度的統計，2022年全國城市排水管道長度為91.35萬km。其中，污水管道長度為42.06萬km（占46.0%），雨水管道長度為40.70萬km（占44.6%），雨污合流管道長度為8.59萬km（占9.4%）。由此可見，我國的合流制管網仍占一定的比例。根據我國經濟狀況以及老城區改造難度等情況，合流制管網在短時間內仍會存在。
為了解不同省份排水管道狀況，根據《2022年中國城鄉建設統計年鑒》中相關數據對全國主要省（區、市）及新疆生產建設兵團（簡稱新疆兵團）雨污合流排水管道長度占比及管網密度進行統計分析，結果如圖3所示。由圖3可知，寧夏回族自治區、遼寧省、新疆兵團、西藏自治區、黑龍江省等地合流制管網占比較大，但上述地區降水量少，根據實際情況來看發生溢流污染的頻次少。廣西壯族自治區、湖南省、廣東省和江西省等省（區）的合流制管網占比為15%~20%，屬于合流制管網占比相對較大的地區，且上述地區的管網密度處于中等水平。
圖 3 我國各省（區、市）及新疆兵團合流制管網占比及管網密度
綜合降水量和管網條件2個因素，可以推測出我國溢流污染嚴重的地區主要位于東南部，且以廣西壯族自治區、湖南省、廣東省和江西省為主。
2.3 汛期降水量及管網條件與區域水質響應關系分析
由于汛期污染強度數據僅有2022年數據（生態環境部于2022年2月21日發布通知），因此將2022年管網密度與2022年汛期污染強度及劣Ⅴ類水質斷面、2022年降水量與2022年汛期污染強度、2020—2022年降水量與其對應年份的劣Ⅴ類水質斷面分別進行相關性分析，結果如表3所示。
表 3 汛期降水量及管網條件與區域水質相關性分析結果
根據表3中所計算出的sig（顯著性）值大小，可以判斷管網密度與汛期污染強度、降水量與汛期污染強度、管網密度與劣Ⅴ類水質斷面比例以及降水量與劣Ⅴ類水質斷面比例之間是否具有相關性，其對應的相關系數可體現指標的相關性大小。若sig>0.05，則無明顯相關關系；若sig<0.05，則二者具有相關關系。結果表明，管網密度與汛期污染強度無明顯相關關系；2022年降水量與汛期污染強度具有相關關系，相關系數為0.400，二者呈中等相關關系；管網密度、2020—2022年降水量與劣Ⅴ類水質斷面比例均具有相關關系，相關系數分別為?0.449、0.389、0.348和0.403，均呈中等相關關系。
綜上可知，盡管汛期溢流污染受降水量和管網密度的雙重影響，但降水量起主導作用。降水量大且管網密度小的省份在汛期的水質易變差，污染強度也更大。以江西省南昌市為例，2020年南昌市總降水量達到了2 140.7 mm，無論是豐水期還是枯水期，降水量均處于全國前列。已有報道數據表明，南昌市老城區污水管網長1 068 km，其中雨污合流制管網長724 km，占67.8%。2020年南昌市20個城市湖渠水質評價結果顯示，Ⅴ類和劣Ⅴ類水質占比高達71.68%。
3、 國內外合流制溢流污染管控現狀
3.1 國外管控現狀
發達國家開展合流制溢流污染控制的研究與實踐較早，經過多年的研究積累了大量的理論成果和實踐經驗，且在此基礎上制定了一系列的政策、法規、管理體系、技術規范等，注重系統化、標準化解決問題。
美國自20世紀60年代以來，持續開展合流制溢流污染治理工作，歷經工程措施階段、工程措施和非工程措施結合階段、建章立制階段和綠色基礎設施開發階段4個階段。其中，美國污水處理廠的排放限值一般根據二級處理出水的相關規定或州一級處理標準確定。1994年，美國國家環境保護局（US EPA）發布針對合流制區域污水處理廠的“混合”政策，即在達到一定排放標準要求的前提下，允許暴雨時超過污水處理廠二級處理能力但未超過一級處理能力的雨污水，只經過一級處理單元處理后與二級處理單元出水混合，經消毒后排放。
近年來美國對于溢流污染的治理主要側重于源頭控制，認為可以從根本上降低合流制溢流污染的發生，大力推廣實施依靠源頭控制措施來控制合流制溢流污染的方案，如雨水花園、綠色屋頂及各種滲蓄系統等。
日本于1956年開始積極建設合流制排水系統，1971年開始推行分流制排水系統，嘗試“合改分”策略。截至1999年，日本合流制排水系統約占全部排水系統的20%，日本多數城市仍沿用合流制排水系統且呈現出“合-分”同時存在的特點，如東京合流制管網占比超過80%，與我國許多城市排水系統具有相似性。隨著合流制溢流污染問題日趨嚴峻，日本還特別成立了合流制管道系統顧問委員會來對其進行研究控制，通過修訂《下水道法》將合流制系統納入國家法定管理要求，為迅速提升合流制溢流污染治理效果，日本各大城市均加強了對溢流排口原位處理創新技術的應用，并對合流制區域污水處理廠雨季處理能力進行了優化。各地區根據各自的環境要求設定相應的環境指標，如東京采用了雨水貯流設施和滲透設施方案。
德國對源頭控制、合流制溢流污染控制和雨水徑流污染控制的結合問題給予了極大關注，一方面通過建設多個集水區截留等方式解決合流系統溢流的污染，另一方面通過源頭分布式生態減排技術減少徑流、凈化降水。此外，德國根據對污水處理廠污染處理效果及水力有效性的長期研究，通過對合流制區域截流干管的最大流量和污水廠處理量進行嚴格控制，盡可能利用上游（特別是源頭）的雨水收集和處理設施，降低進入合流制系統的降水總量；同時，部分分散溢流排口通過設置格柵、過流凈化池（例如在調蓄池內懸空安裝水力顆粒分離器等設備）、生物濾池等就地處理設施，著重去除大顆粒物與漂浮物。
目前國外對合流系統溢流的污染治理多以全國性的法規和規章為指導，而政府部門也起到了很大的作用。如US EPA貫穿了合流式溢流控制的全過程，而日本國土交通省則從立法、制定控制措施、明確控制目標等多個角度對其進行了深入研究。另外，在溢流污染的治理中注重全過程管理，包括源頭控制、過程調蓄以及末端治理一體化建設。最后，在溢流污染治理中結合不同地區的特點采取相應的環境指標與治理措施，因地制宜制定合流制排水系統的改進方案。
3.2 國內管控現狀
我國早期對合流制系統的污染治理主要是采用分流制進行，存在輕源頭輕過程、重末端，對城市生態關注不夠等問題，因而改造成效不大。通過不斷學習國外相關經驗，近年來我國對合流制溢流污染的解決方法主要集中于工程措施和非工程措施相結合，工程措施主要包括源頭減排（綠色設施）、過程控制和末端控制等；非工程措施包括從法律法規、規劃和管理措施等多個角度對合流制溢流進行全方位的治理。部分城市還根據需要針對汛期溢流污染出臺了相關的地方管控要求。如武漢市地方標準DB 4201/T 666—2022《城市排水系統溢流污染控制技術規程》中提及，對于武漢市主城區，生態環境部門的考核標準仍然為一級A標準，降雨條件下，污水處理廠可以先按設計處理規模的1.5倍進行處理，對于后續存在深度處理條件的處理廠，可以探討增加二級生化處理水量1.5倍以上、深度處理不變，盡可能新增污染物削減量；遠期生態環境部門的考核標準調整時，雨時最大按設計處理規模的3倍運行。為進一步提升重慶市的水環境質量，重慶市住房和城鄉建設委員會制訂了《城鎮排水溢流排口污染物控制技術標準》（征求意見稿），對雨季時污水處理廠處理能力及排放標準作出如下規定：當進水量不超過1.2倍設計處理能力時，應全部處理達標排放；當進水量超過1.2倍設計處理能力時，超過部分應另行處理并設置單獨排口，其排放標準應滿足CODCr≤70 mg/L，SS濃度≤50 mg/L，TP濃度≤2 mg/L。
雖然合流制溢流問題已經得到國家的高度關注，但與發達國家相比，我國在合流制溢流污染的治理方面尚未建立起一套完整的管理制度和技術體系，仍缺乏相關經驗。
3.3 國內外管控異同
綜上可以看出，國內外在合流制溢流污染治理方面存在一定的異同，因此針對國內外管控現狀的差異性和關聯性進行分析，可為我國溢流污染嚴重區域的治理提供參考。
國外在合流制溢流的治理過程中政府部門充當了重要角色，如US EPA、日本國土交通省和德國城市政府通過發布相關政策法規來加強對合流制溢流污染的管控，而國內缺乏國家政府層面的政策法規和技術指南。國內外管控合流制溢流污染采用的技術不同，國外一般采用灰綠結合的方法，調蓄池和溢流口治理相結合作為標配；我國目前多采用工程措施，主要控制措施是調蓄池和調蓄管及其他各種工程措施的結合，缺少綠色工程的實踐應用。國外對于合流制溢流污染的管控注重從整體出發，合流制與分流制并存，在保留原有設施的基礎上，采用全過程管控，控制溢流頻次，進而減少受納水體污染負荷；而我國在合流制溢流污染的問題上多采用分流制來解決，且存在輕源頭、重末端的行為。
但國內外對合流制溢流污染的認識上有一定的共性，均充分認識到合流制溢流污染管控的難度和政策法規的重要性。國內外對合流制溢流污染的治理存在因地制宜的策略選擇的意識，會根據各地區的環境條件及發展水平不同來制定不同的目標及采用不同的技術手段。
4、加強我國溢流污染重點區域排放管控的建議
為鞏固水污染治理成效，有效避免水體返黑返臭，持續推進水生態環境質量改善，結合我國雨污合流溢流污染特點，針對合流制溢流污染重點區域提出以下建議。
（1）因地制宜推動制訂汛期雨污溢流污染排放管控標準。目前盡管武漢市、重慶市等地已出臺了溢流管控標準，但2.2節識別出的多數溢流污染重點省份及城市尚未出臺相關標準。建議汛期溢流污染重點區域根據水生態環境質量改善的需求，在充分評估溢流污染水質水量特征、溢流污染控制措施及經濟技術可行性的基礎上，提出溢流污染排放管控標準，為雨污溢流污染治理工程設計及環境監管等提供技術依據。
（2）開展溢流污染控制技術更新行動。在學習國外先進經驗的基礎上，以減少溢流污染次數、提升水生態環境質量為目的，根據不同省份的地形特征、排水系統的地域差異、城市發展水平、降雨特征及地表水環境等實際情況，開展重點區域溢流污染控制技術更新研究。
（3）加強汛期雨污溢流污染的全過程管理。在我國東部、南部合流制溢流污染的治理中，要加強源頭管理，開展雨污合流管網改造和優化提升，實施綠色工程措施、海綿城市建設等；在過程中通過建造調蓄池、地下深邃等提升調蓄能力，有效截留溢流污染；在末端加強污水處理廠的應急處置能力，充分發揮快速凈化處理設施的作用，有效減少溢流污染進入地表水體的負荷。
（4）加強汛期雨污溢流污染治理成效的具體考核。強化政府責任，推動建立多部門協作的溢流污染控制機制。將汛期雨污溢流污染治理情況納入地方政府責任考核，定期發布考核結果，接受公眾監督，確保溢流污染控制工作落地實施且取得實效。
