雨污合流制地区溢流污染影响因素及管控建议
时间：2024-08-24
近年来，合流制地区汛期溢流污染引发的环境问题逐渐引起人们的关注。溢流污染不仅对城市的生态环境造成破坏，使很多已取得治理成效的河流出现返黑返臭，还影响到了城市管理以及居民的日常生活和生产。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。合流制地区溢流问题除了与其所配套的管网排水体制、污水收集规模和管道漏损情况等因素有密切的关系之外，同时也与其下游污水处理厂的设计规模及运行管理水平有一定的关系。
对此，我国在合流制地区溢流污染治理中提出了很多的管控要求，但治理效果参差不齐，治理措施仍存在短板。因此，笔者针对合流制地区汛期溢流带来的水体污染问题，在研究合流制溢流背景的基础上，开展了我国溢流污染区域分布特征以及溢流污染处理措施的研究，结合国外溢流污染管理措施和治理技术分析，提出了目前我国溢流污染存在的问题及建议，以期为制订溢流污染控制的相关标准与政策提供科学依据。
1、合流制溢流污染研究背景
1.1 合流制溢流污染定义及特点
城市排水系统可划分为合流制和分流制2种。分流制排水系统是指雨水、污水管道相分离，而合流制排水系统是指雨水、污水共用相同的管道。降水期间，合流制排水管网中的水量随降水量的增大而增加，当管网中的水量超过了主干管网的负荷以及污水处理厂的处理能力时，超负荷的雨水和污水将以溢流形式排放到受纳水体中，从而对地表水环境造成污染。
汛期溢流污水中汇集了各种不同性质的污水，如生活污水、工业废水、雨水、河水、地下水及腐烂沟道沉积物等，总体来说具有污水成分复杂、水质水量变化大、初期雨水污染物浓度高的特性（表1）。此外，由于合流制溢流污染多伴随降雨产生，故其排放具有间歇性、突发性和随机性等特点。
表1 汛期溢流污水具体表现及对应特点1.2 合流制溢流污染对水环境质量的影响
合流制管网溢流所形成的城市面源污染，已成为城市水体污染的重要问题之一。合流制溢流污染对水体的影响主要集中在汛期（5—10月），主要原因是地表面源冲刷污染，生活污水、工业废水及管道沉积物和污水处理厂尾水等，降水时随径流一同溢流至河流中，对水体造成污染，导致汛期城市地表水体水质下降。对生态环境部发布的2020—2022年《1—12月全国地表水水质月报》中各月份水质进行分析（图1），汛期Ⅰ类~Ⅲ类水质（GB 3838—2002《地表水环境质量标准》）占比与其他月份相比较低，7月达到全年最低（73.6%），而劣Ⅴ类水质占比在汛期有所升高。流域面源是导致汛期地表水监测断面水质下降的主要原因，尤其在农村地区，来自农业面源和农村生活污染的贡献显著，但在城市区域，合流制溢流带来的污染不可忽视。
图1 2020—2022年1—12月全国水质类别占比
在生态环境部发布的《关于开展汛期污染强度分析推动解决突出水环境问题的通知》（环办水体函〔2022〕52号）中提出，对于汛期污染强度高、城乡面源污染治理滞后的地区，要督促指导，认真排查，扎实做好城乡面源污染治理的工作，重点解决面源污染治理的瓶颈问题，促进水环境质量的不断提高。汛期污染强度是指某断面汛期首要污染物浓度与考核目标浓度限值的比值，其计算公式为：污染强度=（汛期浓度−非汛期浓度）/非汛期浓度。根据2022年生态环境部发布的《全国水环境情况通报》，按汛期污染强度从大到小排序，前50个断面中数量较多的省份位于山西、江西和云南等地，其他地区如江苏省太湖流域省考断面在汛期部分断面氨氮监测浓度增加650%~1 325%。接纳合流制溢流污水和初期雨水的城市水体，受高浓度氮、磷等污染物的影响，水生生物的正常生长受到干扰，水体呈现一定程度的富营养化，如果排入的污染负荷超出了水环境承载能力，水环境质量会显著下降甚至形成黑臭水体。
2、我国溢流污染影响因素和重点区域识别
2.1 影响合流制溢流的因素
影响合流制溢流污染的主要因素包括降水条件、排水系统的截留倍数、管网条件以及污水处理厂的规模等。
2.1.1 降水条件
降水特征对流域地表径流的水质、水量有重要影响。降水特征主要包括降水强度、降水量、降水持续时长和降水间隔时长等。降水强度是影响污染物浓度的重要因素，而降水持续时长则是影响污染物迁移的主要因素，降水间隔时长决定了地表污染物的蓄积量，随着降水间隔的延长，地表污染物的积累也随之增加。
2.1.2 截流倍数
截流倍数是指在排水系统中，被截流的雨水量与晴天污水量的比值，其能较好地反映合流制排水系统综合拦截污水的能力。较大的截流比、管径大的管网可容纳的污水量较大；相反，较小的截流倍数将导致管网管径变小，收集污水量较少。雨天时，超出合流制排水系统排水能力的合流污水在截流倍数较小的情况下易发生合流制管道溢流，合流污水直接排放入河，对受纳水域造成污染。
2.1.3 管网条件
管网条件对合流制溢流的影响体现在多个方面。首先，管网存在破裂、错接、脱节、变形、腐蚀等问题均会对合流制溢流污染造成影响，如污水管道破损严重，会导致地下水进入污水管道。其次，雨水管网和污水管网所占管网总长度比例也会对合流制溢流造成一定的影响，合流制管网占比大，改造难度大，溢流污染发生时所采取的治理措施也会受到相应的限制，从而造成溢流污染的加重。最后，排水管网密度反映了一定区域内排水管道分布的疏密程度，一个城市的排水管网密度越高，说明管网普及率越高、服务面积越大。
2.1.4 污水处理厂规模
在暴雨条件下，由于大量雨水流入排水系统，超出下游污水处理厂的设计进水规模，导致部分污水未经有效处理或者不处理直接排入水体造成污染。如承德市太平庄污水处理厂因处理规模有限，2022年1—3月发生溢流135次，每日溢流量超出5 000 t。我国部分污水处理厂在暴雨期间的超设计负荷可达140%~180%，甚至更高。
2.2 降水量与管网条件对合流制溢流污染的影响
根据2.1节分析可知，影响合流制溢流污染的因素较多，其中，降水量越大，雨水对地面污染物的冲刷作用越彻底，污染负荷也越高。李云青等提出降水量较大时易产生合流制溢流污染并对水环境造成损害的观点；丁亚楠等研究发现，降水量增加会导致环境影响指标（汛期污染强度、地表水质等）对环境的影响增大，以及管网条件对合流制溢流改造的制约。此外，也有学者指出，随着管网密度的增加，初期冲刷效应呈现逐渐减弱的趋势，合流制污染也会呈现减弱的趋势。因此本研究针对不同地区降水量及管网条件中的合流制管网占比及管网密度的影响进行了详细分析，在此基础上对我国溢流污染的重点区域进行识别。
2.2.1 降水量
中国幅员辽阔，不同区域雨期降水量差异较大。根据水利部发布的《中国水资源公报》对我国31个省（区、市）2020—2022年平均降水量进行总结，结果见表2。由表2可知，近3年降水量较大的地区主要集中在华东、华南地区，如海南省、江苏省、广东省、江西省及广西壮族自治区，其中海南省在近3年平均降水量最大，高达1 863.7 mm；西北地区降水量较少，其中新疆维吾尔自治区最少，仅有148.2 mm，其次是宁夏回族自治区和甘肃省，平均降水量分别为279和292.2 mm。
表2 2020—2022年31个省（区、市）平均降水量
针对2020年主要城市丰水期（5—10月）和全年降水总量进行了数据统计，结果如图2所示。从不同城市降水量来看，武汉市丰水期降水量最大，达到1 561.6 mm；其次是桂林市，丰水期降水量为1 527.1 mm；广州市、南昌市降水量达到1 450 mm以上。桂林市年降水量最多，达到2 341.7 mm；其次是南昌市，达2 140.7 mm。从图2可以看出，无论是丰水期降水量还是全年降水量，降水量较大的城市均位于华东、华南地区。华东、华南地区许多典型城市，雨季时雨强、雨量大，造成合流制溢流水量大且历时久，因此雨季合流制溢流污染问题尤为突出。
图2 2020年主要城市丰水期月降水量和年降水量
2.2.2 管网条件
根据《2022年中国城乡建设统计年鉴》中对我国排水管道长度和建成区排水管道密度的统计，2022年全国城市排水管道长度为91.35万km。其中，污水管道长度为42.06万km（占46.0%），雨水管道长度为40.70万km（占44.6%），雨污合流管道长度为8.59万km（占9.4%）。由此可见，我国的合流制管网仍占一定的比例。根据我国经济状况以及老城区改造难度等情况，合流制管网在短时间内仍会存在。
为了解不同省份排水管道状况，根据《2022年中国城乡建设统计年鉴》中相关数据对全国主要省（区、市）及新疆生产建设兵团（简称新疆兵团）雨污合流排水管道长度占比及管网密度进行统计分析，结果如图3所示。由图3可知，宁夏回族自治区、辽宁省、新疆兵团、西藏自治区、黑龙江省等地合流制管网占比较大，但上述地区降水量少，根据实际情况来看发生溢流污染的频次少。广西壮族自治区、湖南省、广东省和江西省等省（区）的合流制管网占比为15%~20%，属于合流制管网占比相对较大的地区，且上述地区的管网密度处于中等水平。
图 3 我国各省（区、市）及新疆兵团合流制管网占比及管网密度
综合降水量和管网条件2个因素，可以推测出我国溢流污染严重的地区主要位于东南部，且以广西壮族自治区、湖南省、广东省和江西省为主。
2.3 汛期降水量及管网条件与区域水质响应关系分析
由于汛期污染强度数据仅有2022年数据（生态环境部于2022年2月21日发布通知），因此将2022年管网密度与2022年汛期污染强度及劣Ⅴ类水质断面、2022年降水量与2022年汛期污染强度、2020—2022年降水量与其对应年份的劣Ⅴ类水质断面分别进行相关性分析，结果如表3所示。
表 3 汛期降水量及管网条件与区域水质相关性分析结果
根据表3中所计算出的sig（显著性）值大小，可以判断管网密度与汛期污染强度、降水量与汛期污染强度、管网密度与劣Ⅴ类水质断面比例以及降水量与劣Ⅴ类水质断面比例之间是否具有相关性，其对应的相关系数可体现指标的相关性大小。若sig>0.05，则无明显相关关系；若sig<0.05，则二者具有相关关系。结果表明，管网密度与汛期污染强度无明显相关关系；2022年降水量与汛期污染强度具有相关关系，相关系数为0.400，二者呈中等相关关系；管网密度、2020—2022年降水量与劣Ⅴ类水质断面比例均具有相关关系，相关系数分别为−0.449、0.389、0.348和0.403，均呈中等相关关系。
综上可知，尽管汛期溢流污染受降水量和管网密度的双重影响，但降水量起主导作用。降水量大且管网密度小的省份在汛期的水质易变差，污染强度也更大。以江西省南昌市为例，2020年南昌市总降水量达到了2 140.7 mm，无论是丰水期还是枯水期，降水量均处于全国前列。已有报道数据表明，南昌市老城区污水管网长1 068 km，其中雨污合流制管网长724 km，占67.8%。2020年南昌市20个城市湖渠水质评价结果显示，Ⅴ类和劣Ⅴ类水质占比高达71.68%。
3、 国内外合流制溢流污染管控现状
3.1 国外管控现状
发达国家开展合流制溢流污染控制的研究与实践较早，经过多年的研究积累了大量的理论成果和实践经验，且在此基础上制定了一系列的政策、法规、管理体系、技术规范等，注重系统化、标准化解决问题。
美国自20世纪60年代以来，持续开展合流制溢流污染治理工作，历经工程措施阶段、工程措施和非工程措施结合阶段、建章立制阶段和绿色基础设施开发阶段4个阶段。其中，美国污水处理厂的排放限值一般根据二级处理出水的相关规定或州一级处理标准确定。1994年，美国国家环境保护局（US EPA）发布针对合流制区域污水处理厂的“混合”政策，即在达到一定排放标准要求的前提下，允许暴雨时超过污水处理厂二级处理能力但未超过一级处理能力的雨污水，只经过一级处理单元处理后与二级处理单元出水混合，经消毒后排放。
近年来美国对于溢流污染的治理主要侧重于源头控制，认为可以从根本上降低合流制溢流污染的发生，大力推广实施依靠源头控制措施来控制合流制溢流污染的方案，如雨水花园、绿色屋顶及各种渗蓄系统等。
日本于1956年开始积极建设合流制排水系统，1971年开始推行分流制排水系统，尝试“合改分”策略。截至1999年，日本合流制排水系统约占全部排水系统的20%，日本多数城市仍沿用合流制排水系统且呈现出“合-分”同时存在的特点，如东京合流制管网占比超过80%，与我国许多城市排水系统具有相似性。随着合流制溢流污染问题日趋严峻，日本还特别成立了合流制管道系统顾问委员会来对其进行研究控制，通过修订《下水道法》将合流制系统纳入国家法定管理要求，为迅速提升合流制溢流污染治理效果，日本各大城市均加强了对溢流排口原位处理创新技术的应用，并对合流制区域污水处理厂雨季处理能力进行了优化。各地区根据各自的环境要求设定相应的环境指标，如东京采用了雨水贮流设施和渗透设施方案。
德国对源头控制、合流制溢流污染控制和雨水径流污染控制的结合问题给予了极大关注，一方面通过建设多个集水区截留等方式解决合流系统溢流的污染，另一方面通过源头分布式生态减排技术减少径流、净化降水。此外，德国根据对污水处理厂污染处理效果及水力有效性的长期研究，通过对合流制区域截流干管的最大流量和污水厂处理量进行严格控制，尽可能利用上游（特别是源头）的雨水收集和处理设施，降低进入合流制系统的降水总量；同时，部分分散溢流排口通过设置格栅、过流净化池（例如在调蓄池内悬空安装水力颗粒分离器等设备）、生物滤池等就地处理设施，着重去除大颗粒物与漂浮物。
目前国外对合流系统溢流的污染治理多以全国性的法规和规章为指导，而政府部门也起到了很大的作用。如US EPA贯穿了合流式溢流控制的全过程，而日本国土交通省则从立法、制定控制措施、明确控制目标等多个角度对其进行了深入研究。另外，在溢流污染的治理中注重全过程管理，包括源头控制、过程调蓄以及末端治理一体化建设。最后，在溢流污染治理中结合不同地区的特点采取相应的环境指标与治理措施，因地制宜制定合流制排水系统的改进方案。
3.2 国内管控现状
我国早期对合流制系统的污染治理主要是采用分流制进行，存在轻源头轻过程、重末端，对城市生态关注不够等问题，因而改造成效不大。通过不断学习国外相关经验，近年来我国对合流制溢流污染的解决方法主要集中于工程措施和非工程措施相结合，工程措施主要包括源头减排（绿色设施）、过程控制和末端控制等；非工程措施包括从法律法规、规划和管理措施等多个角度对合流制溢流进行全方位的治理。部分城市还根据需要针对汛期溢流污染出台了相关的地方管控要求。如武汉市地方标准DB 4201/T 666—2022《城市排水系统溢流污染控制技术规程》中提及，对于武汉市主城区，生态环境部门的考核标准仍然为一级A标准，降雨条件下，污水处理厂可以先按设计处理规模的1.5倍进行处理，对于后续存在深度处理条件的处理厂，可以探讨增加二级生化处理水量1.5倍以上、深度处理不变，尽可能新增污染物削减量；远期生态环境部门的考核标准调整时，雨时最大按设计处理规模的3倍运行。为进一步提升重庆市的水环境质量，重庆市住房和城乡建设委员会制订了《城镇排水溢流排口污染物控制技术标准》（征求意见稿），对雨季时污水处理厂处理能力及排放标准作出如下规定：当进水量不超过1.2倍设计处理能力时，应全部处理达标排放；当进水量超过1.2倍设计处理能力时，超过部分应另行处理并设置单独排口，其排放标准应满足CODCr≤70 mg/L，SS浓度≤50 mg/L，TP浓度≤2 mg/L。
虽然合流制溢流问题已经得到国家的高度关注，但与发达国家相比，我国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术体系，仍缺乏相关经验。
3.3 国内外管控异同
综上可以看出，国内外在合流制溢流污染治理方面存在一定的异同，因此针对国内外管控现状的差异性和关联性进行分析，可为我国溢流污染严重区域的治理提供参考。
国外在合流制溢流的治理过程中政府部门充当了重要角色，如US EPA、日本国土交通省和德国城市政府通过发布相关政策法规来加强对合流制溢流污染的管控，而国内缺乏国家政府层面的政策法规和技术指南。国内外管控合流制溢流污染采用的技术不同，国外一般采用灰绿结合的方法，调蓄池和溢流口治理相结合作为标配；我国目前多采用工程措施，主要控制措施是调蓄池和调蓄管及其他各种工程措施的结合，缺少绿色工程的实践应用。国外对于合流制溢流污染的管控注重从整体出发，合流制与分流制并存，在保留原有设施的基础上，采用全过程管控，控制溢流频次，进而减少受纳水体污染负荷；而我国在合流制溢流污染的问题上多采用分流制来解决，且存在轻源头、重末端的行为。
但国内外对合流制溢流污染的认识上有一定的共性，均充分认识到合流制溢流污染管控的难度和政策法规的重要性。国内外对合流制溢流污染的治理存在因地制宜的策略选择的意识，会根据各地区的环境条件及发展水平不同来制定不同的目标及采用不同的技术手段。
4、加强我国溢流污染重点区域排放管控的建议
为巩固水污染治理成效，有效避免水体返黑返臭，持续推进水生态环境质量改善，结合我国雨污合流溢流污染特点，针对合流制溢流污染重点区域提出以下建议。
（1）因地制宜推动制订汛期雨污溢流污染排放管控标准。目前尽管武汉市、重庆市等地已出台了溢流管控标准，但2.2节识别出的多数溢流污染重点省份及城市尚未出台相关标准。建议汛期溢流污染重点区域根据水生态环境质量改善的需求，在充分评估溢流污染水质水量特征、溢流污染控制措施及经济技术可行性的基础上，提出溢流污染排放管控标准，为雨污溢流污染治理工程设计及环境监管等提供技术依据。
（2）开展溢流污染控制技术更新行动。在学习国外先进经验的基础上，以减少溢流污染次数、提升水生态环境质量为目的，根据不同省份的地形特征、排水系统的地域差异、城市发展水平、降雨特征及地表水环境等实际情况，开展重点区域溢流污染控制技术更新研究。
（3）加强汛期雨污溢流污染的全过程管理。在我国东部、南部合流制溢流污染的治理中，要加强源头管理，开展雨污合流管网改造和优化提升，实施绿色工程措施、海绵城市建设等；在过程中通过建造调蓄池、地下深邃等提升调蓄能力，有效截留溢流污染；在末端加强污水处理厂的应急处置能力，充分发挥快速净化处理设施的作用，有效减少溢流污染进入地表水体的负荷。
（4）加强汛期雨污溢流污染治理成效的具体考核。强化政府责任，推动建立多部门协作的溢流污染控制机制。将汛期雨污溢流污染治理情况纳入地方政府责任考核，定期发布考核结果，接受公众监督，确保溢流污染控制工作落地实施且取得实效。
