基于Digital Water的初期雨水徑流污染控制措施研究

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(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033)

1 研究背景

城市化的發(fā)展導(dǎo)致城市的不透水性增加，硬化的下墊面使得降雨徑流總量增加，城市密集程度增加的同時(shí)，下墊面污染物積累量增加，積累速率加大。污染物通過雨水及人工沖刷后經(jīng)由城市排水管網(wǎng)進(jìn)入受納水體，致使初期雨水面源污染成為城市水環(huán)境最大的威脅。初期雨水中包含降雨過程空氣中的顆粒物質(zhì)、重金屬和徑流過程中散落在下墊面上的污染物，這些污染物來源于大氣干濕沉降、機(jī)動(dòng)車排放物和固體碎屑等[1]。美國環(huán)保署研究發(fā)現(xiàn)以初期雨水為主的城市非點(diǎn)源污染在河湖污染中所占的比例越來越高，已由20世紀(jì)90年代的9%提高到了18%[2-3]。城市初期雨水污染來源較為復(fù)雜，污染的形成具有潛伏性，污染的程度不確定性大，所以研究和控制難度比相對集中的點(diǎn)源污染要大很多[4]，初期雨水污染是目前亟待解決的環(huán)境問題。

2 初期雨水徑流污染控制措施

初期雨水徑流污染控制措施從控制位置上分為源頭削減、過程控制和末端控制。分別從地表徑流開始前、雨水進(jìn)入管網(wǎng)中和雨水排放前對初期雨水污染進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以期達(dá)到在雨水進(jìn)入受納水體前削減污染物總量和污染物濃度的目的。

2.1 初期雨水的源頭控制

初期雨水的源頭削減主要以低影響開發(fā)(Low Impact Development,LID)為主，目前該方法已在國內(nèi)外得到應(yīng)用[5]。LID采用因地制宜的方法，盡可能地減少開發(fā)建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響，采用生物滯留池、綠色屋頂、滲渠、透水路面、雨水花園和植被草溝等方式[6]，改變下墊面條件，使下墊面具有減少徑流量削減污染物的功能。LID相較初期雨水截流設(shè)施及調(diào)蓄池等有增加下墊面透水性、美觀、管理方便和不影響污水系統(tǒng)的優(yōu)勢，但在一些已建成的建筑屋頂和行車道上無法實(shí)施應(yīng)用，而屋面及路面的污染程度相較綠地等下墊面污染程度更高[7-8]。

2.2 初期雨水的過程控制

初期雨水的過程控制主要是指初期雨水的截流控制，即在雨水管網(wǎng)中設(shè)置初期雨水截留裝置，利用裝置將污染較為嚴(yán)重初期雨水分離出來進(jìn)入城市污水處理廠等處理單位進(jìn)行處理，后期較潔凈的雨水進(jìn)行收集或排放。初期雨水截流設(shè)施主要設(shè)置在屋面落水管下方、道路雨水口內(nèi)或雨水管網(wǎng)排放口處[9]，截流設(shè)施按照截流方式分為定容式、定速式和定量式，部分設(shè)施可完全利用水力控制啟閉，不需要電力。截流設(shè)施可以設(shè)置在已經(jīng)建好的建筑落水管和道路雨水口上，以替代LID設(shè)施設(shè)置條件限制的問題，且占地面積小，可以用于已建成且城市化高度發(fā)展的地區(qū)。

2.3 初期雨水的末端控制

初期雨水的末端控制主要是指在雨水管網(wǎng)排水口附近設(shè)置調(diào)蓄池或滯蓄池，傳統(tǒng)的雨水調(diào)蓄設(shè)施是為了削減洪峰流量而設(shè)置的，現(xiàn)有的調(diào)蓄池具有截留污染物的作用。徐貴泉等[10]研究發(fā)現(xiàn)，增加凈化作用的調(diào)蓄池對COD的去除率可達(dá)60%，通過設(shè)置調(diào)蓄池的孔板可以適應(yīng)不同的暴雨強(qiáng)度。調(diào)蓄池或滯蓄池一般設(shè)置在受納水體附近，有較為充足的建設(shè)和改造空間，且維護(hù)管理方便。

3 下墊面污染物積累與初期雨水沖刷

初期雨水的污染物濃度與下墊面的污染物積累程度有關(guān)。Digital Water是由清控人居環(huán)境研究院開發(fā)的具有排水管網(wǎng)設(shè)施數(shù)據(jù)收集與編輯、降雨水文水力水質(zhì)模擬的二次開發(fā)軟件。Digital Water中污染物的積累由冪增長、指數(shù)增長和飽和增長3種積累函數(shù)來模擬，這3種函數(shù)均通過一定的積累速度達(dá)到最大積累量。積累速度可以通過修訂相關(guān)參數(shù)來確定，降雨前的最大積累量與干旱天數(shù)、積累速率、道路清掃和土地利用類型有關(guān)。污染物積累函數(shù)對比見表1。

表1 污染物積累函數(shù)對比Table 1 Comparison of pollutant accumulation functions

注：C1為最大積累值,C2為積累速率常數(shù),C3為時(shí)間指數(shù),C4為半飽和常數(shù)

初期雨水的沖刷是指在降雨過程中通過侵蝕和溶解，將污染物從下墊面帶入雨水管網(wǎng)的過程，初期徑流污染最嚴(yán)重,而后污染物濃度隨降雨趨于穩(wěn)定[11]。Digital Water通過指數(shù)函數(shù)、等級曲線函數(shù)和事件平均濃度來模擬污染物的沖刷過程[12]，其中只有指數(shù)函數(shù)涉及了污染物積累量的影響，也是應(yīng)用最廣泛的函數(shù)模型[13]。污染物沖刷函數(shù)對比見表2。

表2 污染物沖刷函數(shù)對比Table 2 Comparison of pollutant washout functions

注：C1為沖刷系數(shù),C2為沖刷指數(shù)

4 初期雨水污染控制模擬分析

Digital Water中已經(jīng)有LID及調(diào)蓄池的相關(guān)模擬，國內(nèi)外對初期雨水截流設(shè)施研究較少，還未有相關(guān)模擬模塊。利用Digital Water針對LID與調(diào)蓄池的組合方案展開研究，在研究區(qū)域加入生物滯留池、雨水花園和透水路面3種LID措施，雨水管網(wǎng)排放口前加入調(diào)蓄池，期望達(dá)到削減初期雨水污染的問題。Digital Water將GIS技術(shù)與EPA SWMM相結(jié)合，提供了CAD及excel管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入、管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系查詢、降雨時(shí)間序列自動(dòng)輸入、動(dòng)態(tài)模擬和結(jié)果動(dòng)態(tài)表達(dá)、多模擬情景對比等功能，將管網(wǎng)普查、數(shù)據(jù)整合、管網(wǎng)模擬等集為一體。可進(jìn)行管網(wǎng)現(xiàn)狀評估、風(fēng)險(xiǎn)分析、清淤分析、事故分析、設(shè)計(jì)分析、內(nèi)澇分析和雨洪分析等，可操作性強(qiáng)[14]。Digital Water與其他降雨排水模擬軟件對比見表3。

表3 排水模擬軟件對比Table 3 Comparison of drainage simulation software

4.1 研究區(qū)域概況

選擇青島市某雨水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，研究區(qū)域總面積約1 322.74 ha(1 ha=104m2)，下墊面主要為屋面、路面及綠地，不透水面積占總面積的62.75%，管網(wǎng)信息概化后包括192個(gè)節(jié)點(diǎn)、192條管段、183個(gè)子匯水區(qū)面積，如圖1所示。

圖1 管網(wǎng)概化圖Fig.1 Generalization of pipe network

4.2 模擬參數(shù)選定

圖2 降雨時(shí)間序列Fig.2 Time series of rainfall

Digital Water水文參數(shù)包括：子集水區(qū)坡度、不透水率、非滲透N值、滲透性N值等。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料和研究區(qū)域相關(guān)測繪資料、土地利用情況等，確定不同子集水區(qū)坡度取值范圍為0.1～0.5、不透水率取值25%、非滲透N值和滲透性N值分別取值0.01和0.1。

本研究選擇4種污染物指標(biāo)(COD，TSS，TN，TP)為研究對象，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)可以較好地模擬污染物變化情況。目前多數(shù)研究結(jié)果表明，指數(shù)函數(shù)考慮了污染物積累對沖刷的影響，可以較好地模擬實(shí)際情況，能較好地?cái)M合城市污染物變化情況，并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)的0～30 min內(nèi)的變化情況，率定其參數(shù)。COD，TSS，TN和TP四種污染物濃度屬于水體水質(zhì)常用指標(biāo)，基本可以顯示匯水區(qū)域污染物的動(dòng)態(tài)變化。

將匯水區(qū)域按照實(shí)際情況劃分為綠地、屋面和道路3種土地利用類型。雨水沖刷模型采用指數(shù)函數(shù)，根據(jù)不同的土地利用類型，沖刷系數(shù)取0.05～0.01，沖刷指數(shù)取1.8～2.2。對污染物積累函數(shù)參數(shù)進(jìn)行率定，選取綠地、屋面和道路3種土地利用類型的最大積累量和積累速率常數(shù)6個(gè)參數(shù)進(jìn)行擾動(dòng)分析，其結(jié)果如表4所示。

表4 污染物積累函數(shù)參數(shù)率定結(jié)果Table 4 Calibrated parameters of pollutantaccumulation function

2016年6月23日6時(shí)至24日6時(shí)降雨期間對某排放口的流量和COD濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行比對，可以發(fā)現(xiàn)模擬獲得的流量和COD濃度與實(shí)測值具有相似的變化規(guī)律，誤差均控制在18%以內(nèi)，參數(shù)設(shè)置較為準(zhǔn)確，模擬值可信，如圖3所示。

圖3 流量和COD變化曲線Fig.3 Curves of flow rate and COD against time

4.3 研究區(qū)域的開發(fā)設(shè)計(jì)

采用雨水花園和透水路面2種LID措施與調(diào)蓄池組合的方案對研究區(qū)域進(jìn)行模擬，研究方案對污染物削減的作用。

由調(diào)蓄池在管網(wǎng)中設(shè)置位置的不同可以分為中部調(diào)蓄池和末端調(diào)蓄池。中部調(diào)蓄池設(shè)置在管網(wǎng)中部，由調(diào)蓄池將管網(wǎng)分割為數(shù)個(gè)小系統(tǒng)；末端調(diào)蓄池設(shè)置在管網(wǎng)末端雨水出水口前，可以調(diào)節(jié)整個(gè)管網(wǎng)的水質(zhì)水量。本研究根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況選擇末端調(diào)蓄池，末端調(diào)蓄池建設(shè)在出水口河道附近的空地上，造價(jià)較低，施工方便，可以直接調(diào)蓄整個(gè)系統(tǒng)。由Guo等[15]提出的水質(zhì)控制體積(water quality capture volume，WQCV)是在沒有充足資料的條件下估算調(diào)蓄池容積的簡單方法，計(jì)算得總水質(zhì)控制量為8 653 m3，取調(diào)蓄池容積為9 000 m3。

雨水花園和透水路面設(shè)置方式較為簡單，有充足的改造條件，較適合老城居住區(qū)的低影響開發(fā)。開發(fā)區(qū)域設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 開發(fā)區(qū)域設(shè)計(jì)圖Fig.4 Design of the development region

表5 開發(fā)前后模擬結(jié)果Table 5 Simulation results before and after development

注：削減率為開發(fā)后的方案相對于開發(fā)前方案的減少率；LID貢獻(xiàn)率為增加LID方案的削減率除以組合方案的削減率的百分?jǐn)?shù)

4.4 研究區(qū)域的開發(fā)結(jié)果與討論

經(jīng)模擬得出排放口在未開發(fā)、僅增加LID設(shè)施和增加LID設(shè)施與末端調(diào)蓄池組合方案后徑流量及污染物濃度的變化曲線，如圖5所示。

圖5 開發(fā)前后各參數(shù)的變化曲線Fig.5 Variation of parameters before and after development

由圖5(a)可知，增加雨水花園和透水路面2種LID設(shè)施在降雨初期可以明顯削減徑流量，但在后期2種設(shè)施的蓄水能力達(dá)到極限，無法對雨水進(jìn)行儲蓄。降雨初期徑流域水還未到達(dá)末端調(diào)蓄池，調(diào)蓄池對徑流的削減作用很?。欢涤旰笃谀┒苏{(diào)蓄池對水量的調(diào)蓄作用明顯，可在LID設(shè)施蓄水能力飽和后起到大幅削減峰值流量和徑流總量的作用，可見組合方案對徑流量的削減作用十分顯著。

由圖5(b)—圖5(e)可以看出，設(shè)置雨水花園和透水路面2種LID措施與調(diào)蓄池組合后研究區(qū)域污染物濃度削減明顯。降雨初期污染物削減主要源于LID設(shè)施，后期調(diào)蓄池的削減作用明顯，二者組合應(yīng)用效果較好，對污染物總量的削減效果顯著。

通過初期雨水的LID源頭控制措施和調(diào)蓄池的末端控制措施組合，綜合雨水徑流量和污染物濃度削減結(jié)果，各個(gè)污染物總量的削減率均在50%以上，其中雨水花園和透水路面2種LID措施對污染物削減的貢獻(xiàn)率在70%以上。雨水平均流量削減率達(dá)30%以上，LID措施和調(diào)蓄池的削減作用平分秋色，最大流量的削減率約為60%，其中LID措施的貢獻(xiàn)率>70%。徑流系數(shù)削減率為13.71%。開發(fā)前后的模擬結(jié)果見表5。

5 結(jié) 論

初期雨水的污染問題已經(jīng)得到國內(nèi)外的重視，但是實(shí)際應(yīng)用方面還有待研究。借助Digital Water對研究區(qū)域進(jìn)行開發(fā)研究，在添加雨水花園和透水路面2種LID措施與調(diào)蓄池后對徑流量及污染物濃度進(jìn)行比對。研究發(fā)現(xiàn)：

(1)以LID為主的初期雨水的源頭控制措施和以調(diào)蓄池為主的初期雨水的末端控制措施對徑流量和污染物濃度的削減率很高，且組合效果比單純采用一種污染控制措施要好，2種措施在不同時(shí)期起著削減徑流量和污染物的作用，應(yīng)在未來的工程建設(shè)中予以推廣。而以初期雨水截留設(shè)施為主的初期雨水的過程控制措施研究還不是很多，尚未有雨水系統(tǒng)模擬軟件可以模擬初期雨水截留設(shè)施，這也是未來研究和開發(fā)的方向。

(2)在控制初期雨水徑流污染的問題上，應(yīng)從多個(gè)方面組合開發(fā)，才能達(dá)到理想的徑流量及污染物削減率，以保障城市水環(huán)境安全。