深圳水库污水截排工程规模的优化

深圳水库污水截排工程规模的优化

市水务局水资源处陈筱云摘要：本文在如何选定污水截排工程的截排规模上，分析了套用市政排水截流倍数或选取某频率洪峰流量来确定截排流量的方法的不足，结合水库水质以面源污染为主的特征，采用综合优化方法——即推求典型年降雨所形成的全年逐时径流过程和全年径流量，计算各截排流量下的截排水量，通过水库水质模型，根据各截排流量对应未截排水量所携带的入库污染负荷量，建立截排流量与水库水质的关系，最终选定符合水库水质标准的截排流量为工程规模。该方法解决了困扰多年未能解决的关键性技术问题，使工程项目取得突破性进展，对今后类似工程具有普遍的指导意义。关键词：水库水质

面源污染

截排规模

优化一、工程任务深圳水库是东深供水工程的终端转输和调节水库，担负着深圳市和香港地区供水的重要任务。要改善深圳水库水质，除了尽快实施东深供水改造工程，保证入库的东深供水工程来水达标外，关键是截排深圳水库流域内的点源污染和面源污染，特别是截排初期降雨时地表径流带来的污染物，大幅度削减水库流域内的入库污染负荷。实施深圳水库流域污水截排工程将对水库水质起到最直接和最显著的作用。根据广东省环保局、国家环保局华南环科所的《东深供水工程水污染控制规划研究》，对污染源的分析结果表明：东深流域污染物以COD为例，面源污染占75%，点源污染占25%。在所有水质问题中，有50%以上是由于面源污染，美国和国际上对此已有所认识，并进行研究；据庇桑诺报导：对于污水（点源）作二级处理的城市，BOD的年负荷40~80%来自暴雨产生的径流。在强暴雨期间，有94~95%的BOD直接来自径流〔1〕。对水质状况的分析表明，氮、磷大量超标，反映出以面源污染为主、生活型点源污染为辅的总的污染特征。根据深圳市环保局，市环境保护监测站的水质监测评价结果，水库内水质丰水期较枯水期为差，特别是四月份的水质更差，说明在汛期特别是前汛期，因受雨水径流冲刷地面，使水库污染物含量增加。实际上，初期雨水由于洗冲路面和管渠中的沉积污染物，其污染程度也是相当严重的，因此，有的国家建议对初期雨水亦应予以处理〔2〕。最初的降雨径流（初雨冲刷）往往污染比较严重，而且比其余的径流携带更大的污染负荷〔1〕。均反映了水库流域内面源污染为主的特征。因此，深圳水库流域污水截排工程的任务，就是采取工程措施，截排所有的点源污染，将近期已经收集处理或未能处理的污水通过排污通道排出水库流域；同时，截排初期雨水，甚至截排一定流量的雨洪径流，最大限度地解决面源污染问题，减少入库污染负荷量，从而控制水库水质，满足供水水质要求。二、问题的提出深圳水库流域污水截排工程是否成功的关键，是如何确定工程规模，也就是如何确定污水截排流量的大小。截排流量愈大，排污箱涵及排污隧洞的投资愈大，则污染源的排除率越高，进库的污染物越少，使深圳水库水质的改善程度越好；相反亦然，截排流量愈小，工程投资愈小，但不能满足深圳水库的水质要求。污水截排的目的是改善水质。改善水质能提高公众健康水平，减少因有害物质造成损害的支出费用，同时减轻人们的心理负担。但水质改善的程度很难用货币的形式来表现，排污工程只有工程投资，很难计算改善水质所带来的经济效益，故很难计算工程投资效益曲线，亦不能用常规的投资效益方法来分析工程的规模。如何选择截排流量，既截排一定流量的雨洪径流，包括截排所有点源污染，减少入库径流所携带的面源污染，使水库水质满足国家饮用水水源标准的要求，同时又使工程投资最省，这是污水截排工程所要解决的关键问题。三、截排流量计算方法的比较深圳市环保局主持该工程项目可行性研究阶段的招标工作，委托四家设计单位开展可行性研究。截排流量的常用计算方法有如下两种：1、建设部中南市政院采用截流倍数的方法确定截排流量。根据《室外排水设计规范》GBJ14-87第2.3.3的规定，截流倍数n0应根据旱流污水的水质和水量及其总变化系数、水体卫生要求、水文、气象条件等因素经计算确定，一般采用n0=1~5。该院采用截流倍数n0=2，截排流量为8.6m3/s。实际的截流倍数与降雨、水质、溢流量和河道污染有关，还与河道自净、耗氧和动态生化反应有关；据调查，目前国内各城市对截流倍数尚处于探讨计划阶段；室外排水设计规范只适用于新建、扩建和改建的城镇、工业企业及居住区的永久性的室外排水工程设计，不适合居住小区内的室外排水工程和农村室外排水工程〔2〕。更不适合深圳水库流域内无人工雨水管渠的天然河沟。另外，采用截排流量为旱流污水的1~5倍，只说明能截排大部分的点源污染，不能解释截排了多少雨洪径流和面源污染，确定截排规模的依据不充分，所选取的截排流量偏小，工程规模不合理，达不到改善水库水质的目标。2、建设部西南市政院和深圳市政院采用某一频率洪水标准的洪峰流量作为截排流量。根据深圳水库36年水文资料（每年有最大洪水记录），将逐年实测的每年一次最大洪峰流量排频计算，求得深圳水库年最大洪峰流量经验频率曲线，选定某一频率的洪水标准，将此洪峰流量作为截排流量。两个设计院选定的截排流量分别为86.5m3/s和64m3/s。根据年最大洪峰流量经验频率曲线选定的某种频率洪峰流量，说明大于或等于此洪峰流量的频率是多少，或者说此洪峰流量值在长时间系列里平均多少年出现一次，又称多少年一遇〔3〕。此洪峰流量值与全年发生了多少次洪水、全年有多大洪水总量，均无必然联系，更与截排了多少面源污染无关。确定截排规模的依据同样不充分，所选取的截排流量偏大，造成工程规模过大，工程投资巨大。深圳市水利规划设计院采用综合优化方法选定截排流量。在进行可研阶段的招标过程中，笔者根据深圳水库36年降雨量资料进行分析，选定设计代表年，并对代表年全年的逐时降雨量，采用综合单位线法进行径流量计算，推求全年各次降雨所形成的逐时径流过程。选取不同的截排流量，从而计算出截排的水量和未截排的水量；预测2010年深圳水库流域污染负荷量，并计算未截排水量所携带的入库污染负荷量；再根据东深供水工程来水的水质和水库水环境容量，采用水库水质数学模型，计算出各截排流量所对应的水库水质，进而选定水库水质达到生活饮用水水源地水质标准时的污水截排流量，即为所需的污水截排工程规模。四、截排规模的确定1、截排流量的计算蛙深圳水库雨量悔站位于水库流胶域内，具翠有枪3随6托年的降雨统计涂资料，并有全退年逐时降雨量仓，系列很长，谱资料准确可靠潮。赴对暂196按0肤年剥至老199戚5荣年育3欠6鉴年的年降雨量障、年降雨次数领进行统计，并锯选棵定停199壤2蓄年为设计代表胸年大。倚199男2警年全年降雨量魄为损1920.抱3盟毫米，其频率菜为劣P=51.4费%溜，非常接近多抗年平均降雨航量掘1937.9我5幻毫米；全年降拳雨次数英为涛12钢5咐次，也非常接踢近多年平均降飘雨次赏数核127.买3返次。因此，选扶用典型挪年彻199红2甚年作为设计代邻表年，具有很顽好的代表性浪。桶稳备注：板1悲、图中只表示幕局部时段的径昆流过程述；眯惨警萌岂魂2肯、图中未表示售出与径流量对僵应的降雨量例。应锄图红1咽深圳水库流域兴代表年逐时径浮流过程线终对俊199爽2票年全年逐时降坊雨量（共上有甘876独0闻个降雨数据）氏，采用综合单罩位线法进行逐皂时径流量计算卖，并对全年径孕流量进行检验梳，修改有关参吧数，保证年径扰流量计算的准饮确。棍深圳水库祖199支2党年全年逐时径卖流量过程线见纷图恶1玉。递乘全年降雨次数推12输5骤次，能形成径伤流的降雨次数先为雷8享3草次，流量大于介二年一遇洪水价（滩185m投3忌/急s饥）的奴有鹊1乏次，大于一年冬一遇洪水结（葛80.0m童3盯/每s导）的忆有刻8螺次。全年径流丹总限量践W浸总少=371滑0便万米镇3位，若选取截排后流量窜为秧Q稠截裕，则被截排的阅径流族量械W墨截划为逐时径流量欺过程钞线涝Q捡截标以下水量的迭鸭加值，未截排轨的入库径流挑量刘W童库财为逐时径流量坡过程攀线品Q亩截究以上水量的迭著加值。详见漠表毙1亦、赵图沟2索。斑兄深圳水库截排货水量占全年径俘流量的比例晌吸悄慧表汉1罗截排流量（蜘Q督载）网M匆3名/哥秒泊5舞10板15园20湖25铅30让35宋40板45篮50洲55半60扶65涝70医75坟80嫂全年径流总量朗万器m维3剂3710炭3710什3710壮3710溜3710英3710忽3710期3710雄3710卡3710董3710墓3710劫3710驶3710甜3710校3710诱截排水量（膛W乌载）椅万只m唇3抵1216投1777阀2153今2419众2618街2783皱2914匙3021将3106馋3176她3237绍3288屠3334锻3374筹3412件3448鬼截排量占全年范洪水总量的比抓例（信K奇）作%阴33验48遣58葱65滴71涉75兆79辞81走84贪86莫87笔89伤90艇91涂92搬93震未截排的进库给量叨尘（捉W华库）预万赏m悄3雄2494虚1933腿1557俯1291分1092例927寄796序689幻604井534强473企422忽376锦336激293派262携对应未截排进集库量的历时（乘t皱）贞小时绿398刊252胆177矩128述99粉78安63宗45盛41吨36乡32央28半24吗22樱19况17垃图未2堡、截排流量与段截排水量示意玻图绿旦设计代表年全盛年径流量凡为窜371搏0呢万尚m节3肢，当截排流芳量袍Q残截相=25m3/扮s列时，截排径流晌量贸W患截昏=261竹8药万舟m吐3例，截排量占全余年径流总量的日比粱例浊K=71逐%晃，未截排的入斧库径流座量谋W筋库浇=109戴2墓万回m纯3掌。饺趋2开、污染量预安测快隔根据《东深供估水工程流域污疼染源调查及水晓污染防治规则炕》，在深圳水忠库水质现状的督基础上，预源测弱201执0爷年深圳水库流猪域内点源污染羊量和面源污染谦量，见缠表于2宣201刘0闻年点源污染量址及面源污染量朱预测薪表没易表环2阔区及

杀位域蛙点源污染外量林BOD菜（援kg/培d毯）膜面源污染险量伤BOD染（演kg/窗d雨）臣备念

疾支注唱平湖脱11640绝4498挺平湖鹅公季岭秀8.牙8麻平方公里的面没源污兄染然229联2岭排向东深截污碍管，未计入。锁横岗厅840锐490袜布吉李朗佛5640爽3290销布吉沙湾盏4800瞎2800尤大望村概360援210群合计交22980曲11288颤注：表中点、好面源污染量钥以勇BO窃D社为例猜，中CODm良n营、狠T凳N物、膛T血P生、垫NH3-岩N妹等指标未列出妄。鼓密3羽、一维水质模针型嘱抹7书0杜年前美拆国原Street氧e把r膜和桐Phelp关s拆的河流一维水脖质模型，经过桌后人不断的改姓进和完善，现翻已发展起适用胸于河流、海湾疗、水库和湖泊娃的较完善的水珠质模型，但这芒些水质模型大烫多只适用于污贝染浓度控制计店算。张玉清野〔税4花〕对适用于污绳染浓度控制定渠量计算的水质诱模型结构进行旁了改进，建立袜了适用于总量肺控制的一维水厦质模型，能满秘足水环境管理匀和水污染控制慎的要求瘦。搭蝇污染物浓度在晃水环境中的一竿维变化是对流绢、分散和自然苦净化（包括沉植降、吸附、化院学及生物化学充反应等）作用饰三种效应的结脆果，其数学表驱达式如下欲：其疮对任何特定情倡况下得出的微队分方程，必须哗在特定的边界玉条件下求解。允当污染物在天也然河流或过水徒性湖泊中某一嘉断面以面源排陈放的情况下，骨其瞬时面源的迟水质模型以下兴式表示轧：监痛在以恒定速度勿连续面源排放希的情况下益，挎挪＝０，对所傻有稳x每>单０的值都符合拨。将上式在时偶间上进行叠加范即可得到连续冒面源的水质模缸型高：肉吊式中园：读C纺i梦—网—膜排放断面下游溉任一断面污染宏物的平均浓度建，帆mg/苹l宾；桃眠货豪m陷—岔—红面源排放强度谷，采用浓度和井流量两者的乘兴积梅，脏g/日s绞；直减刮没x放—煤—丽控制断面至排及污断面之距离惨，膨m省；摊毁娇葡u么—望—已河段平均流速艺，衣m/神s涂；奔胃A劝—查—抹过水断面面积锁，楚m捉2卫；泄竭C呜h乞—海—络污染物背景浓做度掉，丙mg/医l榴；看针k齐—失—畏生化降解系数染，齿1/漠s袖。迎末4薪、综合优化方反法确定截排流党量规愿模熄沿根据东深供水效改造工程规划抬及设计，东深进供水工程进入即深圳水库的流厘量规模潜约统70m3/胸s勤，年平均来降水框15.左4孩亿锡m侄3块，深圳水库正出常蓄水库容剧为些352视0案万齿m主3腔，东深供水水嘱源水质达裕到抱I呼I刷类标准。深圳术水库流域实施榴污水截排工程肆后，流域内晴蛙天的点源污染睛全部截排，而唇雨天径流量超亏过截排流量规式模时，未截排蝇径流量直接入烫库，径流所携搅带的面源污染仓对水库水质产镰生危害。针对恳深圳水库水质耻及污染源的特盾点，选采择随BO倾D主、讽T拢P盐、室NH3-智N库等作为水质预芦测因子。建立若水库水质数学招模型，分析不坑同污水截排流式量时，相应的断水库水质情况敌。健以逆BO下D兄入库污染负荷药量为例，在不驱同的污水截排保流量下，截映排宜BO驾D呈负荷量及水库酱水芽质嫩BO获D组浓度曲线见岁图齐3稿。脏图取3押界各截排流量下堵截孤排榴BO良D兽负荷量与水库喜水吨质浪BO萝D亿浓五深圳水库流域刚污水截排工程肚能截婆排诊100剃%妇的点源污染。株若截排流量眨为纯0篇时，即面源污奶染未截排动，疤BO丛D墙入库负荷量然为恋11288k绸g/桌d桨，水扬库甲BO骂D昆含量大途于火5mg/观l泄，水质不符合锈要求。当污水眼截排流量暖取窃25m3/胜s惑时，能截排径银流把量馒261里8愧万锡m包3浙，占水库流域基总径流量思的温71缘%坚，未截排径流芒量后199椒3丙万忌m伞3滩进入水库。径税流或水质负荷赖的时间过程线复图中，流量和绢污染负荷的峰宣值并不重合；垂面源污染是一叶个水文问题，掀众所周知，面执源污染负荷与耀降雨量、降雨挠强度、流域下趟渗和蓄水特征劈及其它水文参续数有密切的关抗系；面源污染灭负荷的大小决铁定于许多不能野控制的因素，末主要有降雨量趋、降雨强度、洲降雨水质及降漆雨的时间等等撕〔赞1互〕。因此，近行似认为面源污肃染负荷量与径忘流量存在同比丘例关系。按面疑源污染负荷量辅与径流量同比奉例计算，能截钩排界BO神D辣污染负荷层量恒7965kg蕉/滩d兼，剩座余哥BO留D南污染负荷碍量已3323kg窄/泻d我进入深圳水库铲，水库水搁质笑BO悦D彼浓度明为景2.89mg最/址l拜，满足水库水岔质脸BO押D唯浓脆度粮≤稀3mg/霞l录的要求。雹因此，当深圳煎水库流域污水案截排规模定蜡为演25m3/剖s颠时，晴天点源疮污染负荷量的阳截排率小为绪100测%踢，雨天面源污剖染负荷量截排控率药为榜71母%撤，深圳水库水辆质将有显著改艘善，保证当东衰深供水工程来数水水质达标时茄，水库水质同众时达标。利用屿水库水质数学骗模型进行分析役计算，水库供茄水出口断面各慰种污染物因子来的浓度为鸟：鲜BO抚D氧：其2.89mg美/土l禽，林T底P截：练0.017服mg/役l俱，责NH3-宁N乘：灭0.33m判g/殃l送，基本达铁到魔GHZB1-虾199声9池地表舞水续I篮I牧类水质标准，艰符合作为生活翁饮用水水源地享水质标准值。降五、综合优化球方法的特点、雁作用和展望叨深圳水库流域冶污水截排工程洞是深圳市重点粱环保工程，涉帐及城市水务、顾市政排水和水滋污染防治等多极学科理论，实告属目前国内技系术要求较高，捏难度较大的环券保工程项目。蚀本文综合优化童方法的特点，史一是区别于采雄用单一的洪水肺计算方法，把枣某一频率的洪甜水标准作为截晕排规模；或采腾用单一的市政帝排水方法，把夫污水截流倍数壮对应的雨污合塔流流量作为截露排规模。克服恳了套用市政截男流倍数和套用技水利洪峰流量形确定截排流量评方法的不足。筋二是建立了截裁排流量与截排极水量、截排污或染负荷量（对剂应的进入水库利污染负荷量）潜以及水库水质旁污染因子浓度世的关系，即明叹确了工程截排悬规模与污染源股排放强度和水梳库水质改善目撤标的输入响应喇定量关系，最种终选定能满足瘦水库水质达标荐所对应的截排后流量规模。特秃别适用于难于奋计算经济效益清的保护水源、责污水截排等水花质改善工程。售在深圳水库污怨水截排工程中玩形成的综合优殃化方法，一是框选定了最优截改排流量，使工昌程规模最优，贴工程投资最省答，水质符合饮碎用水源水质标陷准，同时，较援充分地利用了车深圳水库流域秋的水资源；二住是解决了困扰羽多年未解决的影关健性技术问月题，使该工