在气候预测和城市发展的背景下评估合流制污水系统溢流情况

《Journal of Hydro-environment Research》：Assessing combined sewer overflow performance under climate projections and urban development

研究通过概念模型KAREN分析气候变化和城市化对因斯布鲁克市合流排水系统溢流（CSO）的影响，发现未来需减少16%-27%的硬化面积以维持污染物负荷，同时欧盟UWWTD法规比奥地利指南更严格，极端降雨事件频率增加导致溢流频率和体积上升，需结合蓝绿基础设施应对挑战。

　　随着全球气候变化的加剧，城市排水系统正面临着前所未有的挑战。特别是对于结合排水系统（Combined Sewer Systems, CSS），其在极端降水事件中的表现成为研究的重点。本文通过概念模型KAREN，对奥地利因斯布鲁克市的结合排水系统（Combined Sewer Overflows, CSOs）在气候和城市化发展背景下的表现进行了深入分析，以评估其在未来情境下是否能够满足欧洲城市污水处理指令（Urban Wastewater Treatment Directive, UWWTD）和奥地利相关法规的要求。

因斯布鲁克市是奥地利蒂罗尔省的首府，坐落于因河畔，拥有独特的山地地理环境。该市拥有大约257公里的排水管道，其排水系统设计为处理约40万居民的污水。然而，随着城市化的不断推进，地表硬化程度的增加，使得雨水径流的体积和峰值流量显著上升，从而对排水系统造成了更大的压力。此外，气候变化导致的降水模式变化，进一步加剧了这一问题，增加了CSO的频率和排放量。因此，如何有效管理CSO，确保城市水体不受污染，成为当前城市排水系统规划和管理的重要课题。

研究发现，因斯布鲁克市的排水系统在当前条件下，对于大部分污染物（如化学需氧量COD、总悬浮固体TSS、氨氮NH4和磷酸盐PO4）的排放量均低于UWWTD规定的2%的干天流量限制。然而，对于一种假设在干天流量和暴雨径流中浓度相同的物质Xequal，其排放量已高于该限制，这表明现有的排水系统在应对某些污染物方面可能存在局限性。因此，为了确保未来能够满足UWWTD的要求，需要对地表硬化程度进行显著的减少，预计在近未来（2031-2060）需要减少16%，而在远未来（2071-2100）则需要减少27%。同时，为了维持历史污染物负荷，需要减少连接区域的面积，对于TSS来说，远未来时期需减少11.40%。

研究还指出，气候变化将导致未来降水频率和强度的增加，这将进一步影响CSO的排放量。在因斯布鲁克市，未来降水的增加可能会导致CSO排放量的上升，尽管这一趋势在近未来时期相对缓和。同时，降水事件的持续时间也在延长，这使得单次排放的体积更大，进而增加了对排水系统的影响。此外，降水事件的分布也有所变化，夏季和秋季的排放量显著增加，而冬季和春季的排放量则相对减少。这种变化趋势可能与气候变化对降水季节分布的影响有关，进一步凸显了城市排水系统面临的复杂挑战。

在奥地利的排水系统设计中，特别强调了对污染物负荷的控制。奥地利的“指南19”规定了不同的效率限制，对于溶解性物质和颗粒性物质分别设定不同的标准。随着降水的增加，这些效率限制可能会发生调整，以适应新的排放条件。然而，这种调整并未在修订后的UWWTD中体现，该指令设定了统一的2%排放上限，适用于所有城市，无论其降水模式如何。这可能使得降水较多的城市在满足该指令要求方面更加困难。

此外，研究还探讨了城市化对排水系统的影响。随着城市化进程的加快，地表硬化程度的增加导致雨水径流的体积和峰值流量上升，从而增加了排水系统的负担。为了缓解这一问题，需要采取一系列措施，如减少地表硬化面积、引入蓝绿基础设施（Blue-Green Infrastructure, BGI）等。这些措施不仅可以减少雨水径流，还可以带来其他环境和社会效益，如提升城市生物多样性、缓解城市热岛效应和预防洪水等。

为了评估这些措施的有效性，研究利用了KAREN概念模型，该模型能够模拟不同情景下的排水系统表现。模型中考虑了初始损失、永久损失、排水时间、干天流量、CSO存储体积、阀门容量和沉淀效率等因素。通过改变地表硬化面积和降水数据，研究人员能够分析不同情景下CSO的排放量和频率的变化趋势。结果显示，减少地表硬化面积能够有效降低CSO的排放量，而增加地表硬化面积则会导致排放量的显著上升。

研究还发现，降水的增加和地表硬化面积的扩大是导致CSO排放量上升的主要因素。降水的增加导致更多的雨水进入排水系统，而地表硬化面积的扩大则减少了雨水的渗透和蒸发，增加了径流的体积。因此，为了在未来情境下满足排放限制，需要采取更加有效的措施来减少地表硬化面积。然而，由于气候变化的不确定性，以及城市化带来的复杂性，这些措施的效果可能会受到多种因素的影响。

研究还指出，尽管概念模型KAREN在模拟CSO排放方面具有一定的优势，但它也存在一定的局限性。概念模型通常需要对实际系统进行一定程度的简化，这可能导致模型结果与实际情况存在偏差。此外，模型的参数设置和输入数据的质量也会影响模拟结果的准确性。因此，在进行排水系统评估时，需要充分考虑这些因素，并结合实际情况进行调整和优化。

综上所述，本文通过因斯布鲁克市的案例研究，揭示了气候变化和城市化发展对结合排水系统的影响。研究结果表明，未来的降水模式和地表硬化程度的增加将对CSO的排放量和频率产生显著影响，而减少地表硬化面积是应对这些挑战的重要策略。然而，由于气候变化和城市化带来的不确定性，需要进一步的研究和实践来优化排水系统的设计和管理，以确保其在未来能够有效应对各种挑战。