秦淮河流域典型排澇泵站前池水質與降雨特征響應關系

徐 榮,鄧雅靜,李一平,潘泓哲,劉 軍,柏 松,商鶴琴,周玉璇,鄭婉婷

(1.江蘇省南京環境監測中心,江蘇 南京 210041; 2.河海大學環境學院,江蘇 南京 210098)

江蘇地區由于地勢低平及圩區的大量修建,雨天澇水大多只能通過管網、內河收集并儲存在末端排澇泵站前池,達到防洪水位后開泵強排入河,因而泵站前池水質對河道水質有直接影響。同時,在采用合流制或存在雨污混接的分流制排水系統的地區,由于雨水和污水不能完全分開,造成污染程度較高的雨污混合污水進入泵站前池,排入受納水體,導致城市水體“下雨就黑”“下雨就超標”[1-2],尤其是氨氮、溶解氧等指標[3-4],給城市水體中水質考核斷面穩定達標及汛期污染防治工作帶來了巨大挑戰[5-6]。因此,掌握排澇泵站前池水質與降雨特征的響應關系,對制定兼顧水安全與水環境的泵站排水管理方案具有重要意義。目前國內外針對不同降雨特征下匯水區降雨徑流水質變化情況已有較多研究,包括不同前期干旱時間[7]、不同降雨歷時[8-9]、不同降雨強度[10]、不同降水量[11]帶來的降雨徑流水質差異化影響。此外,降雨特征對合流制管網溢流污水水質影響的研究也較為廣泛,降雨特征的選取主要集中在降水量[12]、降雨強度[12-13]、前期干旱時間[14]等。而對于泵站水質的研究則主要從泵站放江污染特征的角度進行探討[15],不同類型城市排澇泵站前池水質與降雨特征的響應關系研究還存在空白,需要進一步深入研究。

在雨污混接分流制區域中,排澇泵站前池收集了匯水區范圍內的雨水、降雨徑流、混錯接污水和部分管道沉積物[15],其中降雨徑流攜帶的污染物量與徑流沖刷能力、雨前污染物累積量有關。同時,在降雨徑流的沖刷作用下,管道沉積物會重新懸浮,前期沉積富集的大量有機物、營養鹽隨雨水排入泵站前池[14,16]。因此,不同降雨特征[17-18]和泵站匯水區特性均會對前池水質產生影響,亟需精準剖析不同影響因素交織作用下泵站前池水質的響應關系。為此,本文選取南京市秦淮河沿線2種典型排澇泵站(A泵站、B泵站),探究不同降雨強度和前期干旱時間下泵站前池水質變化特征,同時采用回歸樹分析方法,探討排澇泵站前池水質的主要降雨特征影響因素,以期為城市排澇泵站排水管理與雨天出流污染控制提供科學決策依據。

1 研究區域和數據

1.1 區域概況

南京市屬北亞熱帶季風氣候區,年均降水量為1106.5mm,汛期(5—9月)雨量占全年總降水量的65%左右。本文選取的排澇泵站A和B分別位于南京市江寧區外秦淮河、秦淮新河岸邊,上下游河道旁分布有多個排澇泵站,并設置有3個水質考核斷面,泵站位置、匯水范圍及現場情況如圖1所示,詳細信息見表1。

表1 排澇泵站詳細信息Table 1 Details of drainage pumping stations

A泵站2022年之前,匯水區范圍內的合流污水均被截流至A污水廠進行處理,由于A污水廠長期處于超負荷、高水位運行狀態,匯水區范圍內的大量合流污水容易漫溢至泵站前池入流河道,降雨時雨水和污水一起匯入泵站前池,超過泵站警戒水位后排入外秦淮河,因此將其視為晴雨天均有大量生活污水匯入的排澇泵站。B泵站前池入流處與匯水區內的雨污合流箱涵連通,前池四周也接有多個雨水排口,晴天時入流污水均被截流至泵站旁邊的一體化污水處理設施進行處理(處理能力0.8萬t/d),處理后尾水可達到地表水Ⅳ類標準并排入泵站前池蓄積,當降水量較大,上游箱涵入流來水超過前池截流設施截流能力時,部分合流污水便會溢流進入泵站前池(超過泵站警戒水位后排放進入秦淮新河),因此將B泵站視為主要接收降雨徑流,但雨量大時有少量生活污水溢流匯入的排澇泵站。研究區域河道水質考核斷面在降雨過后常出現水質下滑或短時超標現象,沿線排澇泵站的雨天出流排放是重要原因之一。

1.2 數據來源

A泵站和B泵站前池自2021年7月中旬起布設了微型水質自動監測站,檢測指標包括常規五參數(水溫、pH值、溶解氧、電導率、濁度)、氨氮和高錳酸鹽指數(CODMn),監測頻次為4h一次。同時,在B泵站內安裝了1臺自動雨量監測設備,監測頻次為5min一次,強降雨時加密監測,由此獲取長序列的降雨數據。

2 研究方法

利用泵站前池高頻水質數據和長序列降雨數據,選取7場典型降雨事件和與之對應的泵站前池水質數據,通過Origin 2021作圖比較A泵站、B泵站前池水質與降雨強度和前期干旱時間的響應規律,選取的場次降雨特征信息見表2。選取3 h作為場次降雨的最小間隔,且場次累計降水量大于1 mm為一次降雨事件[19]。南京市汛期為5—9月,降水主要集中在6—8月[20],本文涉及的7場降雨事件包括了小雨、中雨、大雨和暴雨4種雨型,可認為這7場降雨具有代表性和科學性。

表2 2021年7場降雨事件的特征信息Table 2 Characteristics of seven rainfall events in 2021

采用RStudio軟件中的rpart包構建降雨特征參數(次降水量、前期干旱時間、最大降雨強度和平均降雨強度)和泵站前池水質的回歸樹模型?；貧w樹是一種常用的機器學習算法,它通過不斷地選擇最優劃分特征和劃分點,將數據集劃分成多個子集,然后在每個子集上繼續構建子樹,最終形成一個完整的回歸樹模型。為了避免過擬合,通過交叉驗證的方法進行后剪枝,從而獲得誤差最小的樹模型。其中A泵站前池水質的回歸樹分析僅使用了2021年的水質及降雨數據,共有63個樣本,B泵站前池水質的回歸樹分析使用了2021年和2022年的水質及降雨數據,其中氨氮質量濃度共有113個樣本,CODMn質量濃度共有116個樣本。

3 結果與分析

3.1 降雨事件后排澇泵站前池水質變化特征

圖2為2021年7—8月A泵站、B泵站前池的氨氮質量濃度、CODMn質量濃度及24h降水量的監測數據。降雨后A泵站和B泵站前池氨氮質量濃度和CODMn質量濃度都有明顯的波動。A泵站在24h降水量大于50mm時,前池的氨氮質量濃度和CODMn質量濃度降低,24h降水量小于50mm時,前池的污染物質量濃度升高;B泵站前池的水質變化情況幾乎與A泵站相反,此外B泵站前池的污染物濃度遠低于A泵站。由于類型不同,有大量生活污水直接匯入的A泵站和有截流設施的B泵站前池水質變化和降雨的響應關系也有所不同;對于同一個泵站來說,不同場次降雨的降雨強度、前期干旱時間等特征也影響泵站前池水質變化。

圖2 2021年7—8月降雨事件和排澇泵站前池水質變化Fig.2 Rainfall events and change of water quality in the front pond of drainage pumping station during July-August 2021

3.2 排澇泵站前池水質與降雨強度的關系

由于降雨時產生的地面沖刷、管道沖刷作用以及稀釋作用的影響,泵站前池水質在不同等級降雨強度下變化情況不同。針對A泵站和B泵站分別選取3場降雨進行降雨強度和泵站前池水質響應關系分析,A泵站選取的降雨事件序號為1、2、7,B泵站選取的降雨事件序號為5、2、4(按大、中、小雨強排序)。

由圖3可知,A泵站大雨強下前池污染物質量濃度呈下降趨勢,氨氮和CODMn質量濃度分別降低了8.6mg/L和2.1mg/L,降雨結束24h后氨氮和CODMn質量濃度逐漸上升;中雨強下泵站前池污染物質量濃度呈先升高后降低趨勢,氨氮和CODMn質量濃度分別升高了4.9mg/L和4.2mg/L,水質峰值比降雨強度峰值滯后3h;小雨強下泵站前池水質呈平緩上升趨勢,氨氮和CODMn質量濃度分別在達到15.6mg/L和9.0mg/L后基本穩定,水質峰值比降雨強度峰值滯后13h,泵站前池水質在大、中、小雨強下均為劣Ⅴ類。B泵站大雨強下前池污染物濃度急劇上升,氨氮和CODMn質量濃度分別升高了4.3mg/L和1.9mg/L,水質峰值比降雨強度峰值滯后4～20h,降雨結束12h后泵站前池污染物質量濃度逐漸降低并達到穩定;中雨強下泵站前池污染物質量濃度呈下降趨勢,氨氮和CODMn質量濃度分別降低了3.3mg/L和2.0mg/L,降雨結束后水質達到穩定;小雨強下泵站前池污染物質量濃度有略微下降的現象,但總體變化不明顯,水質保持在Ⅲ類和Ⅳ類。

圖3 排澇泵站前池水質與降雨強度響應關系Fig.3 Relationship between water quality in the front pond of drainage pumping station and rainfall intensity

對比分析A泵站和B泵站,發現大雨強和中雨強條件下兩泵站前池的水質變化呈現截然相反的現象。對于A泵站,大雨強雖然會將大量下墊面污染物和管道沉積物沖刷進泵站前池,但由于匯入泵站的水量在短時間內迅速增加,并且A泵站前池水質初始濃度較高,更容易受到雨水稀釋作用的影響[13],從而導致泵站前池污染物質量濃度下降,之后由于生活污水的匯入污染物質量濃度又逐漸上升。而前期水質較好的B泵站則更容易受到大雨強下強烈的下墊面沖刷[8]、管道沉積物沖刷[21]和生活污水直接匯入的影響,進而導致泵站前池污染物濃度升高。中雨強條件下,A泵站降雨前期下墊面沖刷和管道沖刷作用占優,泵站前池污染物濃度增加;降雨后期,沖刷作用帶來的污染物減少,泵站前池污染物質量濃度逐漸降低并達到穩定。而B泵站在中雨強下前池污染物質量濃度下降,是因為生活污水和部分初期雨水被截留處理,進入泵站前池的徑流雨水中攜帶的下墊面和管道沖刷污染物減少,并且降雨對泵站前池內的污染物具有稀釋作用。小雨強下,地表徑流緩慢甚至不形成地表徑流[17],管道沉積物的沖刷作用也不夠顯著[21],因此A泵站前池污染物質量濃度隨著雨水和污水的匯入而逐漸上升并穩定,B泵站無污水匯入,泵站前池水質不會發生明顯變化。

此外,已有研究表明合流制管網溢流污水的污染物波峰比降雨強度峰值滯后10～45min[13],然而降雨形成地表徑流進入管網再匯入泵站前池需要一定的時間,因此A泵站前池水質峰值滯后于降雨強度峰值3～13h,相比于合流制管網末端排口滯后時間更長。

3.3 排澇泵站前池水質與前期干旱時間的關系

圖4為不同前期干旱時間下,雨后一周內A泵站和B泵站前池污染物質量濃度的變化情況。3種前期干旱時間分別為連續降雨、前期干旱2d和前期干旱6d,對應的降雨事件序號為6、3、5。3場降雨事件的次降水量均在35～45mm之間,兩排澇泵站均有生活污水溢流匯入,最大程度減少其他因素的干擾,只考慮前期干旱時間對泵站前池水質的影響。

圖4 不同前期干旱時間下排澇泵站前池水質的變化Fig.4 Change of water quality in the front pond of drainage pumping station under different previous drought duration

由圖4可知,A泵站作為晴雨天均有生活污水匯入的排澇泵站,泵站前池氨氮和CODMn質量濃度在雨后1周內總體呈升高趨勢;B泵站由于匯入了超量的溢流生活污水,泵站前池氨氮和CODMn質量濃度在雨后1周內先上升后逐漸降低。連續降雨時A泵站和B泵站前池污染物質量濃度變化最為明顯,這是因為A泵站在前期受到雨水的稀釋作用,前池污染物質量濃度處于偏低狀態,后期雨量漸小,生活污水的匯入使A泵站前池污染物質量濃度逐漸回升;而B泵站前池由于連續受到下墊面和管道沖刷效應影響,且超量的生活污水持續溢流進入泵站前池,從而導致B泵站前池污染物質量濃度在降雨前期持續上升,后期降水量逐漸減少,生活污水被截流處理、沖刷效應減弱,污染物質量濃度迅速降低。

前期干旱時間為6d時,雨后1周內A泵站和B泵站前池氨氮和CODMn質量濃度基本高于前期干旱時間為2d時的質量濃度,這是因為在生活污水匯入量一定時,前期干旱時間越長,下墊面污染物和管道沉積物累積程度越高,降雨時沖刷進入泵站前池的污染物量也隨之增加。這與方燕等[22]關于不同降雨間歇期下雨污混接分流制區域河道水質的變化研究結論相同,連續降雨天氣和長降雨間歇期導致雨后河水污染物質量濃度變化較大,泵站前池水質也呈現同樣的變化特征。

總體來說,前期干旱時間可以用來表征雨前污染物的累積程度,前期干旱時間越長,污染物累積程度越高,并且主要體現在下墊面和管道沉積物的沖刷效應上,從而影響泵站前池水質。連續降雨天氣下,降雨沖刷下墊面和徑流沖刷管道沉積物的現象不間斷導致泵站前池水質受影響程度累加,但沖刷效應在后期逐漸減弱,對泵站前池水質的影響也不再顯著。

3.4 排澇泵站前池水質影響因素綜合判別

3.4.1 A泵站前池水質影響因素剖分

如圖5所示,回歸樹得出了2個A泵站前池氨氮質量濃度的主要影響因素,分別是平均降雨強度和次降水量,不同影響因素下泵站前池污染物質量濃度范圍見表3。A泵站前池氨氮質量濃度主要受到平均降雨強度的影響,當平均降雨強度大于或等于30.345mm/h時,短時間內有大量雨水匯入,稀釋占主導作用,平均降雨強度越大,泵站前池氨氮質量濃度越小。平均降雨強度小于30.345mm/h時,下墊面和管網的沖刷作用對泵站前池水質產生更多影響,且次降水量越大,泵站前池氨氮質量濃度越大。

表3 A泵站前池在不同影響因素下的污染物質量濃度Table 3 Pollutant concentration in the front pond of drainage pumping station A under different factors

圖5 A泵站前池氨氮質量濃度的回歸樹分析(樣本數n=63)Fig.5 Regression tree analysis of ammonia nitrogen concentration in the front pond of drainage pumping station A (n=63)

如圖6所示,A泵站前池CODMn質量濃度的影響因素有4個,分別是最大降雨強度、平均降雨強度、前期干旱時間和次降水量,不同影響因素下泵站前池污染物質量濃度范圍見表3。當最大降雨強度大于或等于6.77mm/h時,前期干旱時間是泵站前池CODMn質量濃度的主要影響因素,CODMn質量濃度均值范圍為7.5～9.6mg/L,前期干旱時間小于2d時泵站前池CODMn質量濃度平均值更高,是因為短時間內頻繁降水時的降水量較少,對生活污水的稀釋作用較弱。

圖6 A泵站前池CODMn質量濃度的回歸樹分析(n=63)Fig.6 Regression tree analysis of CODMn concentration in the front pond of drainage pumping station A (n=63)

3.4.2 B泵站前池水質影響因素剖分

和A泵站不同的是,次降水量、前期干旱時間、最大降雨強度和平均降雨強度是B泵站前池氨氮濃度的主要影響因素,不同影響因素下泵站前池污染物質量濃度范圍見表4。如圖7所示,在次降水量小于6.48mm條件下,前期干旱時間是B泵站前池氨氮質量濃度的主要影響因素,前期干旱時間小于1.5d時,泵站前池水質受上一場降雨的累加影響,氨氮質量濃度較高。當次降水量大于或等于6.48mm時,最大降雨強度為泵站前池氨氮質量濃度的首要影響因素,最大降雨強度大于或等于5.825mm/h時,隨著平均降雨強度的增加,降雨的稀釋作用占優,泵站前池氨氮質量濃度降低,平均值為0.9mg/L;最大降雨強度小于5.825mm/h時,降雨對下墊面和管道沉積物的沖刷作用最明顯,氨氮質量濃度最高,平均值為4.5mg/L。

表4 B泵站前池在不同影響因素下的污染物質量濃度Table 4 Pollutant concentration in the front pond of drainage pumping station B under different factors

圖7 B泵站前池氨氮質量濃度的回歸樹分析(n=113)Fig.7 Regression tree analysis of ammonia nitrogen concentration in the front pond of drainage pumping station B (n=113)

B泵站前池CODMn質量濃度的影響因素有3個,分別是平均降雨強度、前期干旱時間和次降水量,不同影響因素下泵站前池污染物質量濃度范圍見表4。如圖8所示,在平均降雨強度大于或等于0.48mm/h條件下,前期干旱時間是泵站前池CODMn質量濃度的主要影響因素,前期干旱時間小于17.5 d時,次降水量對CODMn的影響較小;前期干旱時間大于或等于17.5 d時,CODMn質量濃度均值為8.2mg/L,前期干旱時間越長,污染物累積程度越高,被沖刷進入泵站前池的污染物量也越多。

3.4.3 排澇泵站前池水質影響因素與出流污染控制方式探討

在已有研究中,Perera等[11]研究認為前期干旱時間、平均降雨強度和降雨事件前的流量是影響合流制溢流污水最大CODMn質量濃度的3個主要因素。李哲等[17]發現次降水量是影響徑流沖刷能力的主要因素,而降雨強度是相對次要因素。以上影響因素及其重要性程度與本研究所得結論較為一致,表明本研究中排澇泵站的前池收水與合流制排水系統末端出流具有一定相似性。

對比A泵站和B泵站前池氨氮和CODMn質量濃度的回歸樹分析結果,A泵站由于始終存在大量生活污水匯入,降雨強度和次降水量是泵站前池水質的主要影響因素,說明降雨導致的沖刷作用和稀釋作用均對泵站前池水質波動有較為明顯的影響。盡管在雨強較大時稀釋作用會導致泵站前池污染物濃度的下降,但同時期匯入前池的污染負荷也會顯著增加,排入受納水體后仍然會對河道水質造成較大影響[23]。

B泵站前池水質的主要影響因素是次降水量、前期干旱時間和降雨強度,說明B泵站匯水范圍內的下墊面及管道污染物累積程度對泵站前池水質也有影響,也表明對于B泵站這種以接收雨水徑流為主的泵站,降雨沖刷作用對前池水質的影響大于稀釋作用[24]。但當降水量大于泵站前池一體化處理設施的截流處理能力時,雨污混流的入流污水仍然是導致泵站前池污染物質量濃度上升的重要原因。

進一步分析泵站前池氨氮和CODMn質量濃度的影響因素,發現排澇泵站A和B前池CODMn質量濃度與降雨的響應規律相似,相比于氨氮質量濃度,CODMn質量濃度受降雨強度和前期干旱時間的影響更為明顯。這是因為下墊面污染物中的COD主要賦存于顆粒物中并隨徑流遷移[25],同時Yu等[26]對合流制管道中的沉積物檢測發現合流制排水系統的顆粒態COD負荷大于溶解態COD負荷,因此當降雨強度越大、前期干旱時間越長時,下墊面和管道沉積物中積累的顆粒物更易被沖刷進入泵站前池,顆粒物中賦存的COD量也更多。

現狀城市排澇泵站的調度管理中,由于對泵站前池水質影響因素作用機制及影響因素了解的缺失,難以根據降雨條件預判并科學制定管理調控方案,降雨發生后,河道水質下滑超標現象仍然較為突出[27]。針對A泵站這類晴雨天均存在生活污水匯入的排澇泵站,首要任務是對入流污水進行有效截流、處理,并通過系統調蓄[28]、調峰填谷等措施降低匯水區內排水系統運行水位[29],提升排水系統韌性,避免晴天生活污水匯入并盡量減少小、中雨條件下混流雨污水的入流量[30]。針對B泵站這類以接收雨水徑流為主、間斷性存在生活污水匯入的泵站,應合理利用前池調蓄能力,在降雨來臨前開泵預降水位,增大降雨期間的混流污水截流量。同時,在條件允許情況下,增大前池入流污水一體化設施的處理能力與應急調蓄能力,盡可能減少雨天污水溢流進入泵站前池并排放至受納水體現象的發生[31]。

4 結 論

a.不同降雨強度下不同類型排澇泵站前池水質變化規律不同。晴雨天均有生活污水匯入的A泵站前池氨氮和CODMn質量濃度在大雨強下分別降低8.6mg/L和2.1mg/L,在中雨強下先升高后降低,在小雨強下先平緩上升后基本不變,泵站前池水質在大、中、小雨強下均為劣Ⅴ類;主要接收降雨徑流但雨量大時有生活污水溢流匯入的B泵站前池氨氮和CODMn質量濃度在大雨強下先升高后逐漸降低,在中雨強下分別降低了3.3mg/L和2.0mg/L,在小雨強下變化不大,水質保持在Ⅲ類、Ⅳ類。

b.不同前期干旱時間下排澇泵站前池水質變化規律不同。連續降雨天氣使雨后泵站前池氨氮和CODMn質量濃度波動變化較大,前期干旱時間越長,降雨發生后泵站前池水質越差。晴雨天均有生活污水匯入的泵站前池污染物質量濃度在雨后一周內總體呈升高趨勢,主要接收降雨徑流但雨量大時有生活污水溢流匯入的泵站前池污染物質量濃度在雨后一周內呈先上升后逐漸降低的趨勢。

c.不同類型排澇泵站前池水質影響因素不同。晴雨天均有生活污水匯入的泵站前池水質主要受降雨強度和次降水量影響,主要接收降雨徑流但雨量大時有生活污水溢流匯入的泵站前池水質主要受次降水量、前期干旱時間和降雨強度影響。

d.針對晴雨天均存在生活污水混入的排澇泵站,污水截流、降低管網系統運行水位是改善前池水質最首要的任務;針對以接收雨水徑流為主、間斷性存在生活污水匯入的排澇泵站,合理調蓄、預降水位、增大入流污水處理調蓄能力,是避免溢流現象發生、提升前池水質的重要措施。