1.1 研究區域概況

項目研究區域位于北方某大型城市中心城區東北部，河道干流全長約21.6km，流域面積約158.4km²。是我國北方典型的缺水流域，河道以再生水補給為主要水源。流域范圍內共有4條主要河道，其中BH為主要河道，LMH、BXH以及TCG為其主要支流。研究區域范圍內，雨污水管網及污水處理設施較為完善，總污水處理能力達50萬m³/d，旱季日均水量負荷約95%，出水水質標準達到北京市地標《水污染物排放標準》(DB 11890-2012)一級B標準，主要污水設施處理能力及其處理工藝詳見表1。

表1 主要處理設施信息

注:數據為2019年全年出水各項指標月均值范圍值。

1.2 監測點設置原則

根據研究目標，分別選擇研究區域內主要河道斷面、典型入河排河口以及排水管網的關鍵節點開展連續水質監測。具體監測點位的選取原則及數量如下：①河道斷面：主要河道監測斷面，共4處；②排河口：典型的雨水口、截流口、合流口、明渠及污水干線溢流口，共16處；③排水管網：不同功能分區、管線上中下游的代表性雨水口及檢查井，共12處;④雨量監測：流域上、中、下游均勻布置，共15處。

1.3 采樣方法及頻率

參照中國環境監測總站《水質采樣技術指導》（HJ 494-2009）。河道斷面取樣：每進行1 h取樣一次，自降雨開始連續取樣5 d。雨水徑流及典型排河口取樣：降雨后30 min內每5 min取樣一次，30 min至60 min內每10 min取樣一次，60 min后每30 min取樣一次。

1.4 水質檢測方法

監測指標：COD、SS、NH3-N、TP、TN；檢測方法參照《水和廢水監測分析方法》。

2.1 降雨期間河道水質變化特點

2.1.1 旱季各河段水質分布情況

流域范圍內4條主要河道水源為B廠、J廠及G廠3座水廠的再生水補水。三座水廠出水均能達到北京市地方標準《水污染物排放標準》(DB11890-2012)一級B標準，監測期間主要出水水質指標波動范圍見表2。

表2 不同類型入河排河口特點

對非降雨期間河道主要斷面進行水質監測。結果顯示，旱季該流域范圍主要河道斷面的COD、NH3-N、TP等主要水質指標均能達到地表Ⅴ類水水質標準，部分河段甚至能達到地表Ⅳ類水標準，沒有明顯的旱季污染情況。流域主要河道水質分布如圖1所示。

圖1 流域主要河道水質分布

2.1.2 降雨期間河道水質變化特點

以2019年7月22日至8月15日主汛期連續降雨為例，連續監測主要河道斷面水質變化情況，并結合污水處理廠的極限處理能力和溢流狀態進行分析。監測結果如圖2所示，降雨開始后在整體雨量較小的情況下，各水廠污水干線均未出現溢流，河道斷面主要水質指標波動較小，且大部分時間處于地表Ⅴ類水標準以下，對河道水質影響相對較小。

圖2 降雨期間河道水質變化情況

當流域范圍內出現較大降雨時，水廠上游干線出現溢流，河道斷面各項水質指標均明顯升高，且河道斷面水質超標時間段和溢流時間基本一致，說明污水系統的超量混合污水的溢流是造成汛期河道水質惡化的主要原因之一。此外，監測結果還顯示降雨結束后COD、TP等指標恢復至降雨前平均水平需要6~12h，NH3-N等指標相對恢復較慢，一般需要48~60h才可恢復至降雨前平均水平，與降雨期間入河污染物特征及其水力輸移擴散規律有關。

2.2 汛期主要入河污染物來源

2.2.1 不同類型排河口水質特點

為掌握汛期污染物入河途徑，選取降雨期間典型入河排河口開展連續監測。由于降雨期間各污水處理廠出水水質相對穩定，故不考慮降雨期間水廠出水對河道水質的影響。根據研究區域排水系統特點，選取的典型排河口見表2。

通過對不同類型排河口出水水質進行比較分析，如圖3所示。

圖3 不同類型排河口出水水質對比

分析結果顯示，雨污混流排河口各項污染物濃度均高于分流排河口。由于大量的污水混合超量的雨水后污水干線產生溢流，溢流口出水中的NH3-N和TP等污染物濃度相對要高于其他類型排河口；合流排河口和截流口由于都是雨污混排狀態，在超過截流倍數以后混合污水開始溢流，因此各項污染物濃度均高于雨水排放口，但是由于合流制管線內本底污水量相對較大且合流管道內的沉積物相對較多，合流排河口各項污染物濃度均比截流口高，溢流初期時段的COD及TP濃度甚至高于廠前安全溢流口；分流制雨水排放口和明渠入河口各項污染物濃度均相對較低，由于明渠內的草皮、植物具有一定的攔截凈化作用，且周邊地塊多為未開發地塊，地表沉積物相對較少，因此雨水管道排放口SS等污染物均值要高于明渠入河口。

2.2.2 典型排河口水質隨時間變化規律

對典型排河口出水水質隨時間變化規律進行分析，如圖4所示。結果表明，各類排河口出水水質隨降雨歷時變化具有不同特點，其中合流排河口和分流截流口較為相似，隨著降雨的持續截流設施出現溢流后，各項入河污染物濃度指標均出現明顯升高，隨著降雨的沖刷及稀釋作用，攜帶的污水和沉積物比例逐漸降低，各項污染物濃度也隨之回落。同時，雨水排河口由于雨水徑流在管道輸送過程中不斷沖刷排水管道內的沉積物，COD、TP和SS等主要污染物濃度逐漸升高，降雨中后期各項指標開始逐漸降低；而明渠排河口出水水質指標基本平穩的處于相對較低的水平，明渠內雨水徑流攜帶的污染物較少。

圖4 典型排河口出水水質隨時間變化規律

2.3 雨水徑流水質特征及其變化規律

2.3.1 雨水徑流主要污染物特征

對292組不同區域道路雨水徑流污染物水質數據進行統計分析，具體統計數據如圖5所示。結果表明，道路雨水徑流中各污染物的平均值分別為：COD平均濃度為225mg/L，NH3-N平均濃度為2.85mg/L，TP平均濃度為1.28mg/L，均高于地表Ⅴ類水相關控制指標的標準限值。

圖5 雨水徑流污染物統計

經與國內相關文獻比較，與其他學者監測結果基本一致，此外，統計結果表明：約85%的雨水徑流COD值高于地表Ⅴ類水標準限值40mg/L；約65%的徑流TP值高于地表Ⅴ類水標準限值0.4mg/L；約49%的徑流NH3-N值高于地表Ⅴ類水標準限值2.0mg/L。因此，COD和TP是雨水徑流中影響汛期河道水質的主要污染物，NH3-N是次要污染物。

2.3.2 雨水徑流主要污染物相關性分析

對雨水徑流中各污染物濃度進行相關性分析，分析結果如圖6所示，結果顯示：COD和SS之間（r=0.68）、TP和SS之間（r=0.74）以及COD和TP之間（r=0.84）均具有強相關性；NH3-N與COD及TP之間也有一定相關性，但NH3-N與SS之間相關性相對較弱（r=0.239）。分析其原因為雨水徑流污染物中的COD、TP主要是道路及地表沉積顆粒物攜帶的污染物為主，而NH3-N等跟大氣和地表溶解態污染物密切相關。

圖6 徑流污染物濃度相關性分析

2.3.3 雨水徑流污染物隨時間變化規律

對年度7場降雨的徑流污染物中COD、NH3-N及SS等主要污染物特征進行分析。

每場降雨的雨量、雨強以及前期晴天數等具體信息如表3所示，7場降雨分別涵蓋了小、中、大各級別的降雨場次，因此可以認為在不同降雨條件下的取樣具有一定代表性。

表3 降雨信息

分析結果如圖7所示，在四月份的年度前兩場降雨中，由于徑流中攜帶了屋頂、地表及道路沉積物較多，COD、NH3-N及SS等污染物濃度相對于年中幾場降雨要高；隨著進入主汛期，降雨頻次逐漸增大，地表等下墊面累積的沉積物相對較少，雨水徑流中各項污染物均有明顯降低；并且隨著降雨間隔時間的增長，各項污染物平均濃度有所回升。

圖7 不同降雨場次的徑流污染物變化特征

以汛期5月26日的汛期降雨為例，對雨水徑流中各主要污染物濃度隨時間的變化規律進行分析，道路雨水徑流中COD、NH3-N及SS等主要污染物濃度均隨降雨歷時的增加而逐漸降低，且在15~20min逐漸趨于穩定，呈現明顯的初期效應，如圖8所示。

圖8 徑流污染物隨降雨歷時的變化規律

對該場次降雨累計徑流體積分數和累計徑流負荷分數進行計算，并繪制無因次累積負荷-體積分數M（v）曲線如圖9所示,在該場次降雨條件下，初期約40%的雨水至少攜帶了60%的污染負荷，與其他平原城市的初期沖刷效應相一致。

圖9 累計徑流污染分布統計

2.3.4 管網沿程污染物變化規律

為進一步了解雨水徑流污染物在管網輸送過程中的遷移規律，對雨水口、檢查井以及排河口處的雨水徑流污染物進行分析，對所有監測點數據進行統計比較。

結果如圖10所示,隨著雨水在管網輸送過程中攜帶管道中沉積的溝泥中的表層沉積物，各項污染物指標均值逐漸升高，根據統計數據雨水徑流污染物在管網輸送過程中呈現的規律為：排河口>檢查井>雨水口，因此雨水徑流在管網轉輸過程中攜帶的各污染物總體呈現增加趨勢。

圖10 徑流污染物在管道輸送過程中的變化情況

目前，水環境治理以沿河截污等設施增量建設來解決局部水污染問題為主，但在排水管網及污水處理廠的統籌建設及協調運行方面仍然存在不協調、不匹配等方面的不足，因此，汛期河道水質惡化等流域系統性問題并未得到有效的解決。主要體現在：

（1）污水管網汛期收集轉輸的水量與污水處理廠處理能力之間的不匹配。目前該區域污水處理廠按照完全雨污分流體制下的理想情況進行設計，未能給汛期的雨水預留充足的處理空間。并且隨著黑臭水體治理過程中的截污納管工作推進，區域范圍內污水收集率進一步提升，從而部分區域污水處理廠及污水干線旱季水量負荷處于飽和水平，應對超量污水的能力有限，降雨期間又存在大量的雨水通過截流設施、雨污混接節點及合流管道進入到污水處理廠。因此，超過污水干線的轉輸能力及污水處理廠的處理能力后造成沿程溢流污染、廠前溢流或者廠內超越。

（2）排水系統的關鍵節點缺乏可靠、有效的調控手段。一方面，由于城市建設發展時序等問題，地塊內部雨污水建設和外部市政排水設施建設不同步，形成合流制、分流制及截流式共存的排水體制，造成雨水系統和污水系統之間的連通關系不清晰、不合理等問題，這種復雜的聯通關系是導致雨污混流、河水倒灌等造成污水系統水量異常波動，從而難以較為準確地預測、預警的主要原因。另一方面，雨污水系統的在截流設施、排河口、管網干線以及污水處理廠之間缺乏關鍵的調節、控制及調蓄手段，難以根據降雨等外界條件的變化進行針對性的水量調度及調控。

（3）尚未形成一套完善的城市雨水系統流域化管理體系。目前城市排水管網系統的運營維護的重點側重在雨污水管道、泵站及調蓄池等傳統灰色設施的日常巡檢、維護及疏通等方面工作，以保證排水設施運行通暢為首要目標。同時，隨著《城鎮污水排入排水管網許可管理辦法》（中華人民共和國住房和城鄉建設部令第21號）的頒布實施，為污水的源頭管理提供了有力支撐。然而，雨水排放具有季節性強、分散程度高、規律性弱以及排放主體不夠明確等特點，因此對于雨水的水質、水量進行源頭管理的難度也相對較大。因此，面對日益復雜的城市水系統問題，傳統的雨水系統管理模式難以滿足污染控制及防洪排澇等多重目標的需求。在廠網河一體化運營的現代排水系統管理模式下，需要結合海綿城市的建設逐漸完善雨水系統的源頭監督及具體管控要求等管理機制。

通過對汛期河道水質的變化情況、入河污染物進入河道的具體途徑以及雨水徑流污染物特征的分析研究，可針對汛期入河污染物制定相應的削減及控制措施。結合目前合流制溢流污染國內外研究進展，具體策略可概括為“源頭減量、過程控制、末端處理”三方面，具體措施如表4所示。

表4 廠網一體運營模式下雨水徑流及合流制溢流污染控制策略

（1）降雨期間雨水徑流污染和合流制溢流污染是造成河道水質惡化的主要原因，其中排水管網轉輸水量與下游污水處理廠能力不匹配造成的污水干線集中溢流及沿程溢流是汛期入河污染物的最主要來源。

（2）雨水徑流污染有明顯的初期效應，且各類污染物指標在管網輸送過程中不斷累積升高，雨水徑流中攜帶的化學需氧量和總磷是影響河道水質的主要污染物。

（3）通過源頭、過程和末端全方位系統性提升排水系統的建設、運營和管理水平，建立廠網河一體化的排水系統運營管理體系是治理汛期入河污染物的一種有效途徑。

微信對原文有修改。原文標題：廠網一體運行視角下汛期入河污染物監測分析及控制策略研究；作者：趙振東、劉健、崔華峰、李珧、嚴瞿飛、宗倪、楊彤、阜崴；作者單位：北京城市排水集團有限責任公司、北京北排水環境發展有限公司壩河流域分公司、北京北排水環境發展有限公司水質檢測中心。刊登在《給水排水》2023年第8期。