昆明地區(qū)3種典型降雨參數(shù)對滇池環(huán)湖截污干渠調(diào)蓄城市雨水效果的影響

蘇定江， 姚娟娟， 胡欣逸， 張 智， 蔡松柏， 劉 存

(1.重慶市市政設(shè)計(jì)研究院， 重慶 400012； 2.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045； 3.中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 四川 成都 610081)

1 研究背景

為了保護(hù)滇池水環(huán)境，昆明市投資55.24億元建立了總長度為50 km的滇池環(huán)湖截污干渠(以下簡稱干渠)及配套管網(wǎng)收集系統(tǒng)。滇池東岸干渠分為污水干渠(斷面1.5 m×4.5 m)和雨水干渠(斷面4.5 m×4.5 m)，雨、污水渠隔墻上設(shè)置有孔口連通，當(dāng)雨水渠水位低于連通孔口底則實(shí)行雨污分流制，降雨超過一定強(qiáng)度后雨水渠水位高于連通孔口底時(shí)實(shí)行合流制。該特殊設(shè)計(jì)使得干渠容積得到充分調(diào)用，但經(jīng)雨水干渠進(jìn)入污水干渠的后期較潔凈的雨水徑流會(huì)對污水廠產(chǎn)生高水量、低濃度的沖擊負(fù)荷[1-2]。依據(jù)滇池東岸城市初期雨水的水質(zhì)水量規(guī)律以及雨水典型污染物相關(guān)性[1-3]，基于“TN濃度閾值-液位/TN負(fù)荷通量”的干渠調(diào)蓄城市初期雨水方案被提出[4]，并應(yīng)用于干渠的實(shí)際運(yùn)行管理中。前期研究發(fā)現(xiàn)，不同降雨重現(xiàn)期對該方案截留城市雨水徑流中典型污染物的效果影響顯著，重現(xiàn)期越高，污染物收集效率提高越顯著[4-6]。除重現(xiàn)期以外，相關(guān)的研究還顯示，降雨雨峰位置[7-9]、降雨歷時(shí)(相同降雨重現(xiàn)期)[10-11]、前次與本次降雨的間隔時(shí)間[5,12-13]等其他典型降雨參數(shù)均會(huì)對城市雨水徑流總量及雨水徑流水質(zhì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而可能會(huì)影響到“TN濃度閾值-液位/TN負(fù)荷通量”調(diào)蓄運(yùn)行模式下干渠收集城市雨水徑流中典型污染物的效能。

本文以前期研究中所建立的基于ArcGIS-SWMM的滇池東岸干渠系統(tǒng)水質(zhì)水量模型[14-17]為基礎(chǔ)，采用基于Box-Benhnken的響應(yīng)面分析法[18]，全面考察了昆明地區(qū)3種典型降雨參數(shù)——雨峰位置、降雨歷時(shí)、前次與本次降雨的間隔時(shí)間及其3個(gè)代表水平，對干渠東岸段“TN濃度閾值-液位/TN負(fù)荷通量”聯(lián)合運(yùn)行模式下干渠東岸段截流城市雨水徑流中4種典型污染物COD、SS、TN、TP效能的影響，為干渠的雨洪高效管理提供參考。

2 基于Box-Benhnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)

2.1 因素水平的選取

通過分析昆明市1995-2009年逐時(shí)降雨雨量數(shù)據(jù)以及昆明市呈貢區(qū)(滇池東岸)2010-2016年逐分鐘降雨雨量數(shù)據(jù)，確定具有昆明地區(qū)具有代表性的雨峰位置、降雨歷時(shí)、前次降雨與本次降雨的間隔時(shí)間3因素水平。

2.1.1 雨峰位置的水平選取 昆明市呈貢區(qū)(滇池東岸)1995-2009年逐時(shí)降雨雨量數(shù)據(jù)及2010-2016年逐分鐘降雨雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：昆明地區(qū)降雨以單峰雨型為主，占降雨總場次的54%；其次，雨峰位于降雨歷時(shí)(0～1/4)時(shí)間、(1/4～2/4)時(shí)間及(2/4～3/4)時(shí)間的降雨占雨總場次的百分比分別為58%、18%、12%。故研究選取1/4時(shí)間、2/4時(shí)間和3/4時(shí)間為雨峰位置代表水平。

2.1.2 降雨歷時(shí)的水平選取 昆明市呈貢區(qū)(滇池東岸)1995-2009年逐時(shí)降雨雨量數(shù)據(jù)及2010-2016年逐分鐘降雨雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：昆明地區(qū)降雨均以短歷時(shí)(1～3 h)為主，占了總體降雨場次的55%。降雨歷時(shí)頻率最高為：2 h(占全部場次降雨量的22.8%)、1 h(17%)及3 h(15%)。相同降雨重現(xiàn)期下，降雨歷時(shí)越短，則雨水徑流流量峰值越高，雨水徑流對地表的沖刷效應(yīng)也越顯著，同時(shí)雨水徑流的污染物濃度越高。兼顧干渠收集雨水中污染物的不利原則，本文選用1、2和3 h為降雨歷時(shí)代表水平。

2.1.3 前場與本場降雨間隔時(shí)間的水平選取 昆明市呈貢區(qū)(滇池東岸)1995-2009年逐時(shí)降雨雨量數(shù)據(jù)及2010-2016年逐分鐘降雨雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：出現(xiàn)頻率最多的相鄰兩場降雨時(shí)間間隔為2 h，占降雨總場次11%，其次為25～36 h，占降雨總場次7%，再次為61～72 h，占降雨總場次5.6%。相同降雨重現(xiàn)期下，前場與本場降雨間隔時(shí)間越長，地表污染累積效應(yīng)越明顯，雨水徑流中污染物濃度越高；但地表滲透性增強(qiáng)，雨水徑流總量可能減少。另一方面，前場與本場降雨間隔時(shí)間能一定程度上反映旱季與雨季。綜合考慮，選取2、37和72 h為前場與本場降雨間隔時(shí)間的 代表水平。

2.2 響應(yīng)量的選取及計(jì)算

本文選擇雨水干渠對城市雨水徑流量，城市雨水徑流中SS、COD、TN以及TP的收集率4個(gè)指標(biāo)作為“TN濃度閾值-液位/TN負(fù)荷通量”調(diào)蓄運(yùn)行模式下的響應(yīng)變量。由于昆明市無官方暴雨設(shè)計(jì)方法，故根據(jù)昆明市降雨強(qiáng)度公式及常用芝加哥暴雨設(shè)計(jì)方法確定模擬用降雨序列。通過ArcGIS-SWMM的滇池東岸干渠系統(tǒng)水質(zhì)水量模型，在干渠 “TN濃度閾值-液位/TN負(fù)荷通量”調(diào)蓄運(yùn)行模式下，模擬計(jì)算了重現(xiàn)期P=1 a時(shí)，不同雨峰位置、降雨歷時(shí)、前次降雨與本次降雨的間隔的干渠對城市雨水徑流量以及城市雨水徑流中SS、COD、TN和TP的收集率。

2.3 三因素三水平Box-Benhnken響應(yīng)面法的設(shè)計(jì)

采用Box-Behnken設(shè)計(jì)了三因素三水平共15個(gè)模擬計(jì)算場景(如表1所示)。研究采用多元二次回歸方程擬合因素與響應(yīng)變量之間的函數(shù)關(guān)系，并通過方差分析來判斷回歸方程的顯著性。

(1)

式中：Y為預(yù)測響應(yīng)值;β0、βi和βii分別為偏移項(xiàng)、線性偏移和二階偏移；βij為交互作用系數(shù)；Xi為自變量編碼值，它同自變量實(shí)驗(yàn)水平實(shí)際值xi的換算公式如下:

Xi=(xi-xi,0)/(xi,+-xi,-)

(2)

式中：xi,0，xi,+和xi,-分別為自變量在編碼水平為0，1和-1時(shí)的實(shí)際值。

Box-Behnken設(shè)計(jì)及其模擬計(jì)算結(jié)果如表2所列。

表1 因素水平和編碼

表2 Box-Behnken設(shè)計(jì)及其模擬計(jì)算結(jié)果 %

3 結(jié)果分析與討論

3.1 3種典型降雨參數(shù)對雨水徑流量收集率的影響

利用軟件Minitab，以雨峰位置、降雨歷時(shí)、前場與本場降雨時(shí)間間隔為自變量，以在“TN濃度閾值-液位/TN負(fù)荷通量”調(diào)蓄運(yùn)行模式下雨水徑流收集率為響應(yīng)值，對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，并去除部分明顯不顯著項(xiàng)，增加模型精度，得到多元二次回歸方程(下式均為編碼值)：

雨水收集率= 0.52569-0.01456X1-

0.06323X2+0.01436X3+0.02371X2·X2+

0.01883X1·X3

(3)

式中：X1為雨峰位置；X2為降雨歷時(shí),h；X3為前次與本次降雨間隔時(shí)間,h。

回歸方程的方差分析如表3所示，整體模型P值小于0.001，失擬0.554遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.05，表明該模型失擬不顯著，方程對實(shí)驗(yàn)有較好的擬合性，實(shí)驗(yàn)誤差較?。粡?fù)相關(guān)系數(shù)R-sq以及修正的復(fù)相關(guān)系數(shù)R-sq(調(diào)整)的數(shù)值接近于1，說明模型相關(guān)性較好。模型中，雨峰位置影響顯著，降雨歷時(shí)影響非常顯著，前場與本場降雨時(shí)間間隔影響顯著；二次項(xiàng)中，僅有降雨歷時(shí)的平方影響顯著，其他均不顯著；交互項(xiàng)中，雨峰位置、前次與本次降雨間隔時(shí)間交互影響顯著，其余不顯著。

在相同的降雨重現(xiàn)期下，雨峰位置越靠前，雨水徑流峰值出現(xiàn)越早，干渠前期為空，能收集更多雨水徑流；而降雨歷時(shí)越短，干渠負(fù)荷越小，使得干渠能截留更多雨水徑流；前次與本次降雨間隔時(shí)間越長，干渠容積負(fù)荷得到緩沖，使干渠能截留更多雨水徑流。

雨峰位置、前次與本次降雨間隔時(shí)間交互影響如圖1所示。當(dāng)雨峰位置越靠后、前次與本次降雨間隔時(shí)間越長時(shí)，土壤含水量越低，能對前期雨水徑流起到緩沖作用，干渠有更多空間收集后期徑流雨水峰值，提高干渠雨水收集率。

表3 雨水徑流量收集率回歸模型的方差分析

圖1 雨峰位置與前次與本次降雨間隔時(shí)間的交互影響

3.2 3種典型降雨參數(shù)對雨水徑流中4種典型污染物收集率的影響

利用軟件Minitab，以雨峰位置、降雨歷時(shí)、前場與本場降雨時(shí)間間隔為自變量，以“TN濃度閾值-液位/TN負(fù)荷通量”調(diào)蓄運(yùn)行模式下SS、COD、TN、TP收集率為響應(yīng)值，對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析。結(jié)果顯示，自變量與響應(yīng)值之間僅存在線性關(guān)系(具體如下)：

SS=0.50205-0.04026X1-0.03614X2-

0.02492X3

(4)

COD=0.54833-0.03794X1-0.03080X2-

0.03546X3

(5)

TN=0.62009-0.02783X1-0.01885X2-

0.02453X3

(6)

TP=0.55976-0.03498X1-0.03097X2-

0.03743X3

(7)

式中：X1為雨峰位置；X2為降雨歷時(shí),h；X3為前次與本次降雨間隔時(shí)間,h。

回歸方程的方差分析如表4所示，4個(gè)模型除TN收集率的P值均小于0.001外，TN收集率模型的P值為0.003，說明影響因素影響度均為顯著；失擬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.05，表明4個(gè)模型失擬不顯著；4個(gè)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R-sq以及修正的復(fù)相關(guān)系數(shù)R-sq(調(diào)整)的數(shù)值接近于1，說明4個(gè)模型相關(guān)性較好。

模型中，不同降雨條件對于4種典型污染物收集率的影響，僅存在線性關(guān)系，不存在平方以及雙因子交互作用。對于SS、COD、TN、TP收集率，雨峰位置、降雨歷時(shí)、前次與本次降雨間隔時(shí)間影響均為顯著。SS、COD、TN、TP污染物的收集率與雨峰位置、降雨歷時(shí)、前次與本次降雨間隔時(shí)間4種自變量為負(fù)相關(guān)。

在同一降雨重現(xiàn)期下，隨著雨峰位置增大，雨水徑流量峰值時(shí)間推后，使得干渠在高負(fù)荷下收集峰值雨水徑流，導(dǎo)致干渠對4種污染物的收集率逐漸減少；隨著降雨歷時(shí)的增大，使得干渠處于高負(fù)荷收集狀態(tài)的時(shí)間增加，導(dǎo)致干渠對4種污染物的收集率逐漸減少；而隨著前次與本次降雨間隔時(shí)間的增大，更為干燥的土壤能儲蓄更多雨水，所以干渠收集到的雨水徑流中污染物總量減少，使得4種污染物的收集率減少。

表4 SS、COD、TN、TP 4種污染物收集率回歸模型方差分析

對前述響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，重現(xiàn)期為1 a、雨峰位置為0.25～0.75、降雨歷時(shí)為1～3 h、前次與本次降雨間隔時(shí)間為2～72 h時(shí)，干渠雨水收集率范圍為44.32%～60.63%，SS、COD、TN、TP的收集率范圍分別為42.80%～58.22%、46.42%～63.63%、56.34%～68.54%、47.62%～64.47%。而雨峰位置越靠前，降雨歷時(shí)越短，前次與本次降雨間隔時(shí)間越短，會(huì)使得截污干渠雨水收集率升高，增加截污干渠通量運(yùn)行負(fù)荷；雨峰位置越靠后，降雨歷時(shí)越長，前次與本次降雨間隔時(shí)間越長，使得截污干渠污染物收集率降低，降低截污干渠運(yùn)行效率。當(dāng)雨水收集率高而污染物收集率低，表明干渠收集污染物效率低，不利于截污干渠以及后續(xù)雨污水廠工作。所以，污染物收集率最低和雨水收集率最高時(shí)為干渠最不利運(yùn)行點(diǎn)。最后運(yùn)用軟件Minitab對響應(yīng)面進(jìn)行優(yōu)化，找到響應(yīng)面處于極值點(diǎn)時(shí)即干渠最不利運(yùn)行點(diǎn)的降雨條件：雨峰位置為0.75，降雨歷時(shí)為1.82 h，前次與本次降雨間隔時(shí)間為72 h，此時(shí)SS收集率為42.85%，COD收集率為46.42%，TN收集率為56.34%，TP收集率為47.62%，雨水收集率為51.12%。

4 結(jié) 論

(1)滇池環(huán)湖截污干渠在“TN濃度閾值-液位/TN負(fù)荷通量”調(diào)蓄運(yùn)行模式下，重現(xiàn)期為1 a、雨峰位置為0.25～0.75、降雨歷時(shí)為1～3 h、前次與本次降雨間隔時(shí)間為2～72 h時(shí)，干渠雨水收集率為44.32%～60.63%，SS、COD、TN、TP的收集率分別為42.80%～58.22%、46.42%～63.63%、56.34%～68.54%、47.62%～64.47%。在同一重現(xiàn)期下，不同典型降雨參數(shù)對雨水徑流以及4種典型污染物收集率影響的平均波動(dòng)幅度超過了15%。

(2)對于“TN濃度閾值-液位/TN負(fù)荷通量”調(diào)蓄運(yùn)行模式下干渠的雨水收集率，雨峰位置、降雨歷時(shí)、前次與本次降雨間隔時(shí)間3種降雨因素均影響顯著；二次項(xiàng)中，僅有降雨歷時(shí)的平方影響顯著；交互項(xiàng)中雨峰位置與前次與本次降雨間隔時(shí)間交互影響顯著。對于干渠的SS、COD、TN、TP 4種污染物收集率，僅存在線性關(guān)系，雨峰位置、降雨歷時(shí)、前次與本次降雨間隔時(shí)間3種降雨因素均影響顯著。

(3)本研究建立了“TN濃度閾值-液位/TN負(fù)荷通量”調(diào)蓄運(yùn)行模式下干渠的雨水收集率以及SS、COD、TN、TP 4種污染物收集率與雨峰位置、降雨歷時(shí)、前次與本次降雨間隔時(shí)間3種降雨參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，可以利用該數(shù)學(xué)模型對干渠的雨水收集率以及4種污染物收集率進(jìn)行輔助驗(yàn)證以及預(yù)測，為滇池環(huán)湖截污干渠雨洪管理提供依據(jù)。