調蓄池綜合環境效益評估指標體系構建與應用

黃雅麗 朱一松# 徐 浩 侯志強 商放澤 史運通 劉炳義 方 敏

(1.武漢大學水利水電學院,湖北 武漢 430072;2.中電建生態環境集團有限公司,廣東 深圳 518102;3.中國電建市政建設集團有限公司,天津 300384)

自2015年我國出臺《水污染防治行動計劃》(簡稱“水十條”)后,以深圳市為代表的國內各大城市紛紛開展水環境治理。隨著市政管網和污水處理廠建設逐步完善,城市點源污染對河流、湖泊等天然水體的水質影響日益得到控制,因而降雨初期徑流沖刷形成的徑流污染[1]和雨污合流導致的溢流污染[2]逐漸成為影響水質的主要因素。目前,城市排水系統通常采用調蓄池來暫存降雨徑流和雨污溢流,待降雨過后污水處理廠空閑時再進行處理,有效解決了雨污水量高峰時的處理問題[3-5],對城市的雨污水環境質量改善、防洪排澇安全提升[6-7]都發揮了重要作用。

但是,由于我國對調蓄池的研究、建設與運用起步較晚,目前實踐經驗還不足,因此常常出現調蓄池容量設計不合理、雨污水截流效率不高等問題。要想及時發現與解決調蓄池設計、運行中的問題,提高運行效能,客觀、準確地對其評估必不可少。近年來,有學者對調蓄池的評估方法進行了探索[8-10],但仍存在指標數據難以獲取、缺乏具體應用驗證等問題,也沒能統籌考慮調蓄池與排水管網、污水處理廠以及周邊環境的關系。深圳市是“水十條”后的“治水先驅”,近年規劃建設了一批調蓄池,管網和污水處理廠同步建設完善,尤其是龍崗區丁山河流域的調蓄池收水范圍涵蓋工業區、居住區、商業區等不同功能區類型,監測數據采集完備,是調蓄池建設中的典型。

因此,本研究綜合考慮調蓄池在面源污染控制、防洪排澇控制、城市水環境安全提升等方面的作用,構建了一套考慮整個城市排水系統的調蓄池綜合環境效益評估指標體系,并用于已建成運行的深圳市龍崗區丁山河流域調蓄池,為調蓄池設計和運行提供評估工具。

1 評估指標體系構建

1.1 構建原則

(1) 全面性。全面性是指能夠全面反映調蓄池所在的排水系統運行效益。在構建調蓄池綜合環境效益評估的指標體系時,需考慮調蓄池的多方面作用,使指標體系盡可能涵蓋調蓄池發揮面源污染控制、防洪排澇控制、城市水環境安全提升等多方面的作用,并對指標體系進行分類、分層,同時要避免指標冗雜[11]。

(2) 真實性。真實性是指指標應科學、真實、有效,與調蓄池實際運行密切相關。如針對調蓄池面源污染控制的評估,應選擇能真實反映污染控制效果的污染物負荷削減量作為指標;針對防洪排澇控制的評估,應選擇可直接反映調蓄池運行過程中防洪排澇能力的徑流削減量、溢流削減量等作為指標。

(3) 可行性。為使評估體系能夠廣泛應用,評估指標應簡便可行,盡可能少受地域差異限制,所以宜取易于監測、計算的可直接表征的指標,以使得指標體系的口徑統一。

(4) 動態性。調蓄池運行過程中可能發生工況改變、設備磨損老化、污染強度變化等問題,若變化較大,則原有的指標體系可能不再適用。因此,應設置靈活的指標體系結構,以便于后期對指標結構和內容進行新增、刪除、修改等動態操作。

1.2 指標體系內容

考慮到調蓄池的面源污染控制、防洪排澇控制、城市水環境安全提升等多方面的作用,結合1.1節的構建原則,在實際評估工作中可從污染減排指標、排澇能力指標、截流能力指標、利用效率指標和綜合感官指標5大方面構建指標體系。

本研究在文獻[8]、[9]、[10]、[12]構建指標體系的基礎上進行指標完善和擴充。在污染減排指標方面,本研究將污染負荷削減量細化為溢流污染負荷削減量和入河污染負荷削減量,增加調蓄池對污水處理廠進水水量和污染負荷的削減評估。在排澇能力指標方面,關注到了受納水體的徑流量差異,新增了與調蓄池緊密關聯的排水管網滿管及其內部節點冒溢狀態方面的指標。在截流能力指標方面,將截流效率細化為截流水量、截流倍數和污染物截流比3個具體指標。在利用效率指標方面,主要是沿用了進水水力負荷、容積利用效率、年調蓄總水量、年調蓄污染物總量等指標。綜合感官指標是本研究新增的指標方面,用以評估調蓄池運行對周邊環境的影響。所選指標均較易獲取、計算簡便。

綜上所述,本研究構建的體系包含5大類20個指標,具體如表1所示。

表1 調蓄池綜合環境效益評估指標體系Table 1 The comprehensive environmental benefit assessment index system for detention tank

1.3 核心指標及其權重

為提高評估效率、減少評估成本,在考慮數據可得性的基礎上,評估對象應因地制宜地選用適當的指標作為核心指標,對指定工況下的面源污染控制、防洪排澇控制、城市水環境安全等方面進行針對性地評價。

同時,為對核心指標的重要程度進行量化,需要對所選核心指標賦予權重。合理賦權對評估結果有較大影響,常用的指標賦權方法有專家調查法、變異參數法、TOPSIS法、層次分析法等。

2 評估指標體系應用

深圳市龍崗區丁山河流域的調蓄池收水范圍涵蓋不同功能區類型,而且水質、水量等監測設備齊全。本研究利用調蓄池設計資料和現場調研資料作為指標數據來源,篩選核心指標并賦予權重,采用模擬計算功能強、適用性廣、在世界各地被廣泛應用的暴雨管理模型(SWMM)[13-16]對丁山河流域調蓄池進行綜合環境效益評估。

2.1 核心指標篩選及權重賦予

通過對丁山河流域調蓄池設計資料和現場調研資料的收集,確定入河污染負荷削減量、入河徑流削減量、截流水量、容積利用效率4個指標為核心指標。

采用專家調查法與層次分析法相結合對核心指標賦權。首先依據該調蓄池歷史運行記錄評估調蓄池并對各核心指標初步賦權,然后邀請專家商討權重并提出優化建議,從而獲得各核心指標的最終權重。為使各指標能夠互相比較,入河污染負荷削減量、入河徑流削減量轉化成為無量綱的削減百分比,考慮到截流水量削減百分比與容積利用效率有共線性,因此舍棄截流水量這個指標。綜上所述,所得核心指標為入河污染負荷削減量、入河徑流削減量、容積利用效率的權重分別為0.4、0.4、0.2。

2.2 應用效果

根據深圳市多年降雨量統計,設計小、中、大3種降雨量,分別為10.07、25.01、50.61 mm,同時根據2021年2月10日典型降雨過程實測降雨量為37.90 mm,模擬了3種設計降雨量和1種實測降雨量下的應用效果。由于深圳市降雨雨型以前部單峰為主[17],符合芝加哥雨型,故采用芝加哥雨型模擬降雨過程。

2.2.1 入河污染負荷削減量評估

在不同降雨量工況下,計算丁山河流域有調蓄池、無調蓄池時的COD入河污染負荷削減量并計算削減百分比,結果見表2?？梢?入河污染負荷削減量可以直觀評估調蓄池在設計的小、中、大3種降雨量和1種實測降雨量工況下對入河污染負荷的削減效果。

表2 COD入河污染負荷削減量評估Table 2 Reduction assessment of COD pollution load into rivers

2.2.2 入河徑流削減量評估

在不同降雨量工況下,計算丁山河流域有調蓄池、無調蓄池時的入河徑流削減量并計算削減百分比,結果見表3。同樣可見,入河徑流削減量也可評估調蓄池設計的小、中、大3種降雨量和1種實測降雨量工況下對入河徑流削減的效果。

表3 入河徑流削減量評估Table 3 Reduction assessment of runoff into rivers

2.2.3 容積利用效率評估

據現場調研得知,調蓄池容積為25 600 m3。在10.07 mm設計降雨量工況下,調蓄池最大截流水量為10 603 m3,即容積利用效率為41.42%;其他3種降雨量工況下,調蓄池最大截流水量均為25 600 m3,即容積利用效率達到100.00%。因此,容積利用效率也可以評估調蓄池在各種降雨量工況下最大程度地利用自身蓄納功能發揮水量、水質的綜合調蓄作用。

2.2.4 綜合評估

根據各核心指標的權重計算無量綱的入河污染負荷削減百分比、入河徑流削減百分比和容積利用效率在不同降雨量工況下的綜合評估值,結果見表4。綜合評估值越高,表明調蓄池在污染控制、洪峰削減及發揮容積空間利用以緩解污水處理廠收水壓力等方面表現出越積極的效用,說明蓄水池的綜合效益越好。本研究所建立的調蓄池綜合環境效益評估指標體系,能夠將調蓄池削峰、減污效能進行簡單直觀地量化,實證研究結果比較符合客觀,為調蓄池的評估及優化提供了可借鑒手段。

表4 核心指標綜合評估Table 4 Comprehensive assessment of core indexes

3 結論與展望

建立調蓄池以截取降雨初期徑流并輸送至污水處理廠,是近年來現行有效的污染負荷控制方法,然而此法尚缺乏科學、高效的評估指標體系來對調蓄池污染削減、防洪減排等進行綜合效益評估。本研究將調蓄池污染減排指標、排澇能力指標、截流能力指標、利用效率指標、綜合感官指標等方面納入考慮,建立了一套綜合環境效益評估指標體系,并用于深圳市龍崗區丁山河流域調蓄池,基于設計數據與實測數據進行應用評估,指標可靈活選取,結果能綜合反映調蓄池建設對于流域污染削減、水量調蓄等的作用,為全面分析調蓄池的建設運行成效提供了有效的評估工具。

不過,當前關于調蓄池綜合環境效益評估的理論研究與實際應用仍處于探索階段,所構建的指標體系也仍有待實踐檢驗和完善。