基于水力模型的合流制溢流調蓄池運行效能評估

閻軼婧

(上海市政工程設計研究總院〈集團〉有限公司，上海 200092)

奎河是淮北地區(qū)跨蘇皖兩省的骨干排水河道，發(fā)源于徐州市區(qū)云龍山，在銅山縣三堡鎮(zhèn)進入安徽境內，于江蘇省泗洪縣匯入洪澤湖的栗河洼。奎河上游穿越徐州市老城區(qū)，現狀為合流制排水系統(tǒng)，沿線建有34處截污閘，控制支河和排水暗涵溢流污染。

合流制系統(tǒng)雨天溢流污染是城市水體主要的污染來源[1]。徐州市老城區(qū)現狀合流制排水系統(tǒng)截流倍數偏低，溢流頻率較高，加之奎河自凈能力不足，一旦雨季溢流，奎河河道水質惡化嚴重。為改善奎河污染現狀，在奎河沿線擬建3座合流制溢流(combined sewer overflow，CSO)調蓄池，分別控制八一大溝排水片、建國路以北片、泰奎大溝排水片溢流污染。CSO調蓄池在國內外廣泛用于合流制系統(tǒng)提標改造[2]和黑臭水體治理中，削減合流溢流污染物總量，提升合流制系統(tǒng)截污能力。但受到上游管網布置、片區(qū)氣象水文條件、生活生產污水濃度和排放規(guī)律等因素的影響[3]，難以通過單一理論公式準確計算調蓄池徑流量和徑流污染削減效能[4]，使得設計調蓄池實施效能和目標可達性無法量化核準[5]，是調蓄池工程建設決策的主要難題。

本文以八一大溝排水片設計調蓄池為例，借助InfoWorks ICM水力模型，構建基于管網、設計降雨、污染物積累沖刷、調蓄池進出水實時控制的多模塊耦合水力模型，對所設計調蓄池溢流污染控制的效能進行評估，為確定CSO調蓄池規(guī)模、量化評估截污效能提供技術支撐。

1 模型建立與應用

1.1 八一大溝排水片調蓄池規(guī)劃

八一大溝排水片位于徐州市老城區(qū)西側，服務面積為6.82 km2，片區(qū)內基本為居住和商業(yè)用地。區(qū)內沿奎河已建DN1000截污干管，經核算截流倍數n0=1.4。根據《徐州市區(qū)奎河綜合整治工程勘察設計可行性研究報告》，考慮合流主管、場地、道路等因素，擬建調蓄池布置在如意湖公園綠地內。

擬建調蓄池采用線外調蓄模式，緊靠合流主干管，采用重力進水，調蓄池設計進水時間取1 h，根據污染物控制總體目標，本工程調蓄設施建成運行后截流倍數n1=5，根據《城鎮(zhèn)雨水調蓄工程技術規(guī)范》(GB 51174—2017)計算調蓄池設計規(guī)模為9 000 m3。

1.2 管網模型

利用InfoWorks ICM構建八一大溝排水系統(tǒng)管網模型(圖1)，根據排水片內現狀管線和地形資料，將排水片劃分為124個子匯水區(qū)域，各子匯水區(qū)面積為0.044～0.012 km2。地表產匯流模型采用固定凈流系數法和Horton滲透公式以及SWMM匯流模型進行管網水力計算。水力水質耦合模型如圖2所示。

圖1 八一大溝排水系統(tǒng)模型Fig.1 Drainage System Model of Bayidagou Area

圖2 水力水質耦合模型Fig.2 Coupling Model of Hydraulics and Water Quality

1.3 設計降雨

徐州市2015年新修訂暴雨強度計算如式(1)。

(1)

其中：q——降雨強度，L/(s·hm2);

P——重現期，a；

t——降雨歷時，min。

采用芝加哥雨型作為設計降雨，雨峰系數r=0.38。為研究調蓄池在不同降雨條件下的運行效能，選取10、15、18、20、25、30、40、50、60、70、80 mm降雨進行模擬，各降雨的峰值降雨強度、設計降雨歷時、對應重現期如表1所示。

表1 設計降水量及降雨強度Tab.1 Design Precipitation and Rainfall Intensity

1.4 合流制系統(tǒng)污染物輸入、積累與沖刷模型

合流制排水系統(tǒng)的溢流污染的模擬，是基于系統(tǒng)污染物的輸入、積累和沖刷過程。合流制排水系統(tǒng)的水質模型，包括地表累積模型(surface build-up model，模擬大氣沉降、道路清掃、無組織排放漏損等在匯水范圍內累積形成地表污染物過程)、污水排放模型(waste & trade water profile model，模擬旱天伴隨生活生產污水排入管道，經沉淀形成管道沉積物)、地表沖刷模型(surface wash-off model，模擬雨天通過徑流沖刷，將地表污染物侵蝕沖刷，隨徑流排入排水管道)、管網沖刷模型(pipe sediment flushing model，模擬雨天管道中徑流沖刷，將管道沉積物侵蝕沖刷、揚起，隨徑流向下游轉輸)、點源污染物曲線(inflow & pollutant graph，模擬如污水處理廠等點源污染的排放)。模型參數取值如表2、表3所示。

表2 地表累積模型及沖刷模型參數Tab.2 Surface Accumulation Model and Scour Model Parameters

1.5 調蓄池進出水實時控制

調蓄池進水和放空通過軟件實時控制模塊(RTC)實現。根據調蓄池放空采用水泵。綜合考慮系統(tǒng)溢流特征、下游截污管和污水處理廠能力、歷史降水強度和頻率、獨立降雨事件、匯水范圍大小等因素，確定本工程兩場獨立CSO事件的最小間隔時間(MIET)[3]為18 h，則調蓄池設計放空時間為18 h。

表3 污水排放模型及管網沉積模型參數Tab.3 Sewage Discharge Model and Deposition Model Parameters of Pipe liness Network

1.6 模型率定

利用2018年1月—2019年4月降水量，及八一大溝排水片截污閘處奎河斷面水質監(jiān)測數據，率定模型(模型率定期間未加入調蓄池)，采用納什效率系數評價模擬結果與監(jiān)測數據的吻合程度[2]。通過調整地表累積因子、降雨侵蝕校核系數和徑匯流參數，使得模型納什系數>0.7，模型對徑流和水質模擬可信。模型率定污染物模擬和實測值如圖3所示。

圖3 模型率定污染物模擬和實測值Fig.3 Model Calibration and Pollutants Simulation and Measured Values

2 結果與分析

2.1 調蓄池污染控制率與降雨量的關系

在不同降雨量條件下，設置調蓄池前后溢流量和溢流污染總量(以COD計)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)建設調蓄池前后溢流污染物過程線Fig.4 Process Line of Overflow Pollutant before and after System Construction

未建調蓄池時，系統(tǒng)溢流污染出現時刻和峰值時刻隨降雨強度增強由開始降雨后1 h逐漸提前至開始降雨后10 min；溢流污染峰值隨降雨強度增強由0.03 kg COD/s顯著增加至1.44 kg COD/s。20 mm的降雨工況下，污染峰值初步呈現雙峰形式，50 mm已出現明顯的溢流污染雙峰，主要因為距離溢流口較近的匯水區(qū)排入系統(tǒng)，初期降雨帶來高濃度污染物溢流；隨著降雨強度增大，管道內徑流流速顯著提高，由徑流沖刷管道沉積物引起污染物再懸浮，導致污染濃度再次出現峰值。降雨導致的匯水面沖刷和流經雨水管道的沖刷規(guī)律,與車伍等[7]的研究結論一致。

與傳統(tǒng)理論計算相比，水力模型將地表匯流和管網流行時間、地表沖刷和管道沖刷等過程納入計算過程，能夠相對更真實的反映因匯水范圍的大小、下墊面、污染物沉積和再懸浮等過程的不同，對合流制系統(tǒng)溢流產生的影響。

增加調蓄池后，在降雨小于15 mm時，系統(tǒng)未發(fā)生溢流；降雨量為18 mm時，調蓄池開始出現超負荷運行，系統(tǒng)開始發(fā)生溢流，溢流污染控制率93.2%。隨著降雨量的增大，調蓄池進水流量增大，充滿時間縮短，溢流污染出現的時間提前，調蓄池的溢流污染控制率逐步降低，對于溢流污染的削峰和延緩作用逐漸減弱[8]。降雨量達到50 mm后，調蓄池對溢流污染的控制率僅僅20%，溢流污染物峰值流量和時間均逐步趨向未設調蓄池的工況。因此，新增調蓄池后，可提升合流制系統(tǒng)截流能力，有效延后調蓄池溢流時間，根據多年降水資料統(tǒng)計(圖5)，可控制83%降雨事件不發(fā)生溢流。

圖5 降雨頻率曲線Fig.5 Frequency Curve of the Rainfall

2.2 設計調蓄池溢流污染控制效能特性曲線

不同降雨條件下，調蓄池進水閘和系統(tǒng)溢流井處溢流堰流量和污染物流量過程線如圖6所示。對比系統(tǒng)溢流堰的流量和COD質量流量過程曲線，新建調蓄池后，降雨初期污染物濃度較高的合流污水優(yōu)先被調蓄池截流，調蓄池蓄滿后并超過截污干管排水能力后，系統(tǒng)開始發(fā)生溢流，系統(tǒng)初始溢流時間隨降雨強度增大而不斷提前，溢流持續(xù)時間顯著增加(表4)。由于八一大溝排水區(qū)范圍較大，并受管道沉積物再懸浮的影響，徑流污染初期效應不顯著，呈現雙峰特征(圖4)。根據《城鎮(zhèn)雨水調蓄工程技術規(guī)范》(GB 51174—2017)，進水時間取1 h計算調蓄池進水管道管徑坡度。經模擬不同降雨條件下，調蓄池進水時間為62～93 min，調蓄池對2次徑流污染峰值進行了有效截流。各降雨條件下系統(tǒng)運行情況和溢流事件統(tǒng)計如表4所示。

圖6 不同降雨下調蓄池蓄水和系統(tǒng)溢流過程線Fig.6 Storage Tank and System Overflow Curve during Different Rainfall Event

表4 系統(tǒng)運行時間和污染物量統(tǒng)計Tab.4 Statistics of System Operation Time and Pollutant Quantity

根據模擬結果，繪制調蓄池溢流污染控制效能曲線如圖7所示。隨著降雨量的增加，調蓄池對于溢流污染的控制率逐漸下降。在22 mm以下降雨時，即87%的降雨事件下調蓄池均可保證50%以上的溢流污染被有效截留。

圖7 溢流污染控制效能特性曲線Fig.7 Characteristic Curve of Overflow Pollution Control Efficiency

根據奎河沿線截污閘歷史運行資料，奎河口門在降雨量大于10 mm時發(fā)生溢流，年平均溢流22次。根據調蓄池溢流污染控制效能特性曲線，新增調蓄池后，系統(tǒng)截流能力增加，溢流次數可降低至17次/年，年污染物削減率可達43%，水質不達標日由76 d/年降至31 d/年；大雨溢流后3～5 d可恢復目標水質，削減合流污水入河量84萬m3/年。

3 結論

合流制溢流調蓄池是合流制系統(tǒng)控制溢流污染的有效手段，受排水系統(tǒng)特殊性、CSO水量、水質傳輸規(guī)律復雜性、降雨的隨機性等因素影響，難以通過理論計算核準控污效益。借助排水系統(tǒng)水力模型模擬，通過構建調蓄池溢流污染控制效能特性曲線，可用于評估預期調蓄池溢流污染控制率、系統(tǒng)溢流次數、污染物削減總量、水質達標天數等實施效能，確定調蓄池的實施效能，可指導反饋合流制溢流污染調蓄池的設計和實施。此外作為項目決策和工程設計中的技術手段，具有較強的應用價值。