雨水調(diào)蓄池改善河道水環(huán)境質(zhì)量的效應(yīng)分析

呂 瑛 ，章海瑛

(1.浙江省嵊州市國(guó)有資產(chǎn)管理服務(wù)中心，浙江嵊州 312400；2.杭州市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310012)

0 引言

2014年10月，住房與在城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》，鼓勵(lì)倡導(dǎo)城市開發(fā)建設(shè)過程中采用源頭削減、中途轉(zhuǎn)輸、末端調(diào)蓄等多種手段，通過滲、滯、蓄、凈、用、排等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市良性水文循環(huán)，提高對(duì)徑流雨水的滲透、調(diào)蓄、凈化、利用和排放能力，維持或恢復(fù)城市的“海綿”功能。雨水調(diào)蓄池是其中一類行之有效的“蓄”留雨水徑流的工程性設(shè)施，在德國(guó)、丹麥、美國(guó)和日本等國(guó)家已得到廣泛使用[1-3]。國(guó)內(nèi)，上海最早建設(shè)和使用雨水調(diào)蓄池，至2014年底已運(yùn)行11座，對(duì)雨水調(diào)蓄池改善水環(huán)境效應(yīng)的研究目前主要集中于蘇州河[2-5]，針對(duì)其它中小河道的研究還未見報(bào)道。本文研究了建設(shè)雨水調(diào)蓄池對(duì)桃浦河這一蘇州河支流的河道水質(zhì)的改善效應(yīng)，以期為雨水調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)、建設(shè)及效應(yīng)研究提供參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

上海多年平均降雨量約1 150mm，其中約70%集中在汛期(4～9月)，且汛期降雨歷時(shí)短、強(qiáng)度大。桃浦河是蘇州河重要的支流，南起蘇州河，北至薀藻浜，河道全長(zhǎng)15.59 km，河道口寬22～24m，水面積0.39 km2，槽蓄量67.6萬m3。常水位為2.8m，河底設(shè)計(jì)標(biāo)高為-0.5 m。近年來，桃浦河兩岸有8座市屬雨水泵站，泵站年均暴雨溢流量約28m，萬m3/a，其中近60%的溢流集中于7～9月，且溢流中的初期雨水部分污染負(fù)荷大，COD和氨氮分別超過地表水Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)約10倍和12倍。

1.2 研究方法

1.2.1 SOBEK模型概述

SOBEK是荷蘭Delft水力研究所開發(fā)的用來管理河流、城市、鄉(xiāng)村的綜合軟件包，包括：SOBEK河流(SOBEK-River)、SOBEK鄉(xiāng)村(SOBEK-Rural)和SOBEK城市(SOBEK-Urban)，具有基于GIS的用戶圖形界面，一維流、二維坡面漫流、降雨徑流及一維地貌、一維水質(zhì)和實(shí)時(shí)控制模擬等功能[2,6]。

SOBEK軟件界面由 8個(gè)模塊組成：Import Network(輸入概化圖模塊)、Settings(設(shè)置模塊)、Meteorological Data(氣象資料模塊)、Schematization(系 統(tǒng) 化 模 塊)、Simulation(模 擬 模 塊)、Results in Maps(地圖結(jié)果模塊)、Results in Charts(圖表結(jié)果模塊)和Results in Tables(表格結(jié)果模塊)。通過輸入相應(yīng)的控制文件和參數(shù)，逐步運(yùn)行上述八大模塊，從建立模型、剖分網(wǎng)格、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)值模擬至結(jié)果輸出，整個(gè)過程系統(tǒng)化和規(guī)范化，并可通過地圖和曲線圖等方式直觀地表現(xiàn)出模擬結(jié)果。

1.2.2 SOBEK-Rural模型構(gòu)建

（1）建立流程

SOBEK-Rural模型包括水動(dòng)力、水文、水質(zhì)和實(shí)時(shí)監(jiān)控4個(gè)核心模塊，可模擬簡(jiǎn)單或復(fù)雜的河流、河口及岔狀與環(huán)狀的沖積河網(wǎng)的水量與水質(zhì)。依據(jù)本文實(shí)際情況，采用SOBEK-Rural模型構(gòu)建一維水動(dòng)力和水質(zhì)模型，分別在8個(gè)模塊中進(jìn)行模型概化，逐步實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬（見圖1）[2,6]。

（2）一維水動(dòng)力模塊計(jì)算原理

水動(dòng)力模塊包括一維流和二維地表漫流兩個(gè)模型，本網(wǎng)選用一維流模型進(jìn)行研究。一維漸變非恒定水流用動(dòng)量方程和連續(xù)性方程兩個(gè)方程描述，即圣·維南(Saint-Venant)方程組[2,6]：

圖1 SOBEK-Rural一維河流水質(zhì)模型建立流程

式中：Q 為流量，m3/s；Af為濕面積，m2；qlat為單位長(zhǎng)度側(cè)向流量，m2/s；t為時(shí)間，s；x 為距離，m；g 為重力加速度，m/s2；h 為水位，m；C 為謝才系數(shù)，m1/2/s；R 為水力半徑，m；Wf為河寬，m；τwi為風(fēng)切應(yīng)力，N/m2；ρ為水密度，kg/m2，一般取 1000。

式（1）是動(dòng)量方程，5項(xiàng)分別描述了慣性項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、水位梯度、河床阻力和風(fēng)阻力。根據(jù)上述方程，耦合輸入的上述水文參數(shù)資料，模型即可進(jìn)行追趕計(jì)算。

（3）一維水質(zhì)模塊計(jì)算原理

水質(zhì)模塊包括一維水質(zhì)模型，基本方程是一維移流離散方程[2,6]：

式中：ρ為污染物質(zhì)量濃度，mg/L；Q為污染物質(zhì)量，mg；Ex為縱向離散系數(shù)，m2/s；S 為污染物的源（+）或匯（-），mg/（m3·s）；A為斷面過流面積，m2。

采用有限差分?jǐn)?shù)值解法，通過對(duì)時(shí)空的離散化處理，依據(jù)質(zhì)量守恒原理求解。數(shù)值離散是改進(jìn)的通量修正格式，結(jié)合了迎風(fēng)格式的正定性和中心格式的精確性特點(diǎn)，在不損失精確度的前提下避免了產(chǎn)生數(shù)值振蕩。

（4）模型求解

SOBEK-Rural模型求解過程可分為兩步：第一步，根據(jù)水動(dòng)力方程，求解水流速度、流量、水位等參數(shù)；第二步，以水動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出的流速和流量值代入水質(zhì)濃度擴(kuò)散方程，求得各網(wǎng)格點(diǎn)的水質(zhì)濃度。

1.2.3 模型參數(shù)設(shè)置

依據(jù)桃浦河相關(guān)研究數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)踏勘數(shù)據(jù)，對(duì)桃浦河的河道參數(shù)、初始水流參數(shù)、溢流量和溢流水質(zhì)參數(shù)設(shè)置如下。

（1）河道平均水面寬度取23m，平均水深取3.3m，河道平均曼寧系數(shù)取0.03，模擬時(shí)段平均流速取0.15 m/s（調(diào)水流速），依據(jù)近年來上海市普陀區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)，非降雨期間，桃浦河COD的本底濃度取值27 mg/L。

（2）溢流COD濃度過程線取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)蓄池調(diào)蓄的排水系統(tǒng)溢流的初期雨水COD事件平均濃度EMC為480 mg/L。

（3）在不考慮潮流影響，桃浦河單向流動(dòng)時(shí)的COD縱向離散系數(shù)K取值0.2 m2/s。

（4）模擬在桃浦河上游第一座雨水泵站——曹楊泵站建設(shè)1座容積分別為6000 m3和12000 m3雨水調(diào)蓄池。容積選用標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》2014版中分流制排水系統(tǒng)調(diào)蓄4～8 mm初期雨水的條文。曹楊泵站所在排水系統(tǒng)服務(wù)面積為1.42 km2，故取調(diào)蓄池容積6000～12000 m3。

（5）模擬調(diào)蓄池使用期間對(duì)桃浦河水質(zhì)的改善效應(yīng)時(shí)，模擬時(shí)間定為60 min（調(diào)蓄池蓄滿時(shí)間最長(zhǎng)約需60 min）。

2 結(jié)果與分析

利用SOBEK-Rural模型構(gòu)建的一維水質(zhì)模型模擬不同容積雨水調(diào)蓄池有效運(yùn)行期間，對(duì)改善暴雨溢流時(shí)期桃浦河水質(zhì)的研究結(jié)果顯示，桃浦河上游曹楊泵站建設(shè)調(diào)蓄池后，將對(duì)桃浦河水質(zhì)有著良好的改善作用。調(diào)蓄池容積建造標(biāo)準(zhǔn)對(duì)削減河道COD濃度起著決定性的作用，隨著建造標(biāo)準(zhǔn)的提高，其削減河道COD濃度的效應(yīng)相應(yīng)提高。以下游550 m處梅川路橋斷面為例，斷面水質(zhì)改善狀況見圖2。在斷面平均流速為0.15 m/s（調(diào)水流速）的模擬動(dòng)力條件下，在6 000m3調(diào)蓄池有效使用期間，污染水團(tuán)通過下游梅川路橋斷面的60min內(nèi)，COD濃度最大分別較調(diào)蓄池未使用前，最小和最大可分別降低（改善）27 mg/L和101 mg/L（見圖2），梅川路橋斷面COD濃度平均分別可降低（改善）57mg/L（見圖3）。當(dāng)調(diào)蓄池容積增大到的提，其削 m3時(shí)，相應(yīng)數(shù)據(jù)分別提高到47 mg/L、180 mg/L（見圖2）和 88 mg/L（見圖3）。

圖2 雨水調(diào)蓄池改善桃浦河梅川路橋斷面水體COD濃度模擬結(jié)果

圖3 雨水調(diào)蓄池改善桃浦河梅川路橋斷面平均COD濃度模擬結(jié)果

值得注意的是，雨水調(diào)蓄池對(duì)河道水質(zhì)的改善效應(yīng)在溢流發(fā)生20 min左右時(shí)，出現(xiàn)濃度降低值的峰值（見圖2）。主要是未使用調(diào)蓄池時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，雨水泵站溢流的初期雨水在20 min左右出現(xiàn)濃度的峰值，對(duì)河道水質(zhì)污染也出現(xiàn)峰值，當(dāng)使用雨水調(diào)蓄池削減溢流后，改善效應(yīng)最大的時(shí)段亦在原先溢流峰值出現(xiàn)的時(shí)段。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）雨水調(diào)蓄池可有效削減暴雨溢流對(duì)河道的污染，其對(duì)河道COD濃度的削減效應(yīng)隨著雨水調(diào)蓄池容積建造標(biāo)準(zhǔn)的提高而增大。

（2）在斷面平均流速為0.15 m/s的桃浦河調(diào)水水動(dòng)力條件下，設(shè)計(jì)容積6000 m3和12000 m3雨水調(diào)蓄池運(yùn)行時(shí)，雨水調(diào)蓄池對(duì)下游550 m處河道斷面最大瞬時(shí)COD濃度的降低范圍分別為27～101 mg/L和47～180 mg/L。

（3）雨水調(diào)蓄池運(yùn)行時(shí)，可使下游河道550 m河道斷面溢流事件時(shí)全過程的COD通量濃度分別下降57 mg/L和88 mg/L。

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