分流制初雨污染治理類(lèi)項(xiàng)目隨感

徐鋒

（合肥市市政設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

近年來(lái)，水環(huán)境綜合治理成為國(guó)家層面重點(diǎn)關(guān)注和投入的一個(gè)領(lǐng)域，水環(huán)境污染主要包括外部污染和內(nèi)源污染，外部污染主要包括生活污水、工業(yè)廢水、初期雨水和沿河垃圾污染等，內(nèi)源污染主要包括河道底泥釋放和植物腐爛等因素。在大氣污染和地面污染較為嚴(yán)重的區(qū)域，初期雨水的污染沖擊負(fù)荷對(duì)周邊水系的環(huán)境質(zhì)量影響很大，對(duì)水環(huán)境綜合治理有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 水環(huán)境容量概述

水環(huán)境容量計(jì)算三要素。

水環(huán)境容量計(jì)算方式大致如下：根據(jù)《全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》、《水體達(dá)標(biāo)方案技術(shù)指南》和《水域納污能力計(jì)算規(guī)程》（GB/T 25173—2010）相關(guān)規(guī)定，河道計(jì)算一般采用河流零維模型計(jì)算納污能力，計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：W——污染物排放量；Q0——流入河流、湖庫(kù)流量；C0——上游來(lái)水的背景濃度值；K——水質(zhì)降解系數(shù)；V——水體容積；q——旁側(cè)支流流量。

當(dāng) C=Cs時(shí)，W 即代表環(huán)境容量，如式（2）所示。

式中：W——水環(huán)境容量，Kg/d；Q0——進(jìn)口斷面的入流流量，mg/L；C0——進(jìn)口斷面的水質(zhì)濃度，mg/L；q——旁側(cè)入流流量，m3/s；Cs——該水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L；V——水體體積，m3；K——水質(zhì)降解系數(shù)，d-1。

通過(guò)計(jì)算，得到各污染物對(duì)應(yīng)水環(huán)境容量如下：COD 為 291.42t/a；NH3-N 為 17.41t/a；TP 為 9.97t/a。總污染負(fù)荷和環(huán)境容量對(duì)比如表1 所示。

表1 總污染負(fù)荷和環(huán)境容量對(duì)比

根據(jù)上述結(jié)果，各污染指標(biāo)COD、NH3-N、TP 的污染負(fù)荷均高于地表Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)要求下的水環(huán)境容量，即現(xiàn)排污量超出了河道現(xiàn)有納污能力。如果不采取措施，照此污染負(fù)荷排放，則難以達(dá)到Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

考慮到河道水環(huán)境容量計(jì)算復(fù)雜且系統(tǒng)性很強(qiáng)，類(lèi)似于一個(gè)區(qū)域的污水廠排放標(biāo)準(zhǔn)是需要在區(qū)域環(huán)評(píng)中明確一個(gè)道理，鑒于現(xiàn)實(shí)中很少有河道做全流域的水環(huán)境容量分析，也就很難給初期雨水截流量提供一個(gè)清晰明確的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的不明確帶來(lái)的后果就是初雨的過(guò)度截流（可能意味著巨額的投資浪費(fèi)）或截流不足（未達(dá)到建設(shè)目標(biāo)），對(duì)于那些初期雨水排入污水處理廠的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，截流水質(zhì)的高低對(duì)污水廠的正常穩(wěn)定運(yùn)行也會(huì)造成較大的影響。

2 初雨截流量和截流標(biāo)準(zhǔn)的確定

污染物控制總量確定后，下一步就是如何確定初期雨水截流量，初雨截流量的確定當(dāng)前行業(yè)內(nèi)主流的做法主要有兩種。

第1 種是通過(guò)模型分析與計(jì)算來(lái)論證初雨收集的效應(yīng)。首先以我國(guó)的Infoworks ICM 計(jì)算模型結(jié)合筆者主持項(xiàng)目說(shuō)明如下。

模型主要分為兩類(lèi)，即概念性水文模型和數(shù)學(xué)物理水力模型。第一種主要依據(jù)的是水量平衡原理，大多利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析流域當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)流匯流特征，并以此為據(jù)確定模型中的關(guān)鍵參數(shù)。如美國(guó)工程師協(xié)會(huì)開(kāi)發(fā)的“暴雨”模型（STORM），對(duì)透水地面采用的是徑流系數(shù)法。此模型主要適用于規(guī)劃階段，可以對(duì)流域徑流過(guò)程中包括蓄水、處理、溢流等情況進(jìn)行長(zhǎng)期模擬。

第二種模型以物理學(xué)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒與能量守恒定律為依據(jù)，以圣·維南方程組為基礎(chǔ)，模擬并預(yù)測(cè)水流的運(yùn)動(dòng)。模擬過(guò)程包括了地面的產(chǎn)匯流過(guò)程和排水管道中的水流過(guò)程，以及其他設(shè)施中的水流運(yùn)動(dòng)，此模型還具有水質(zhì)模擬的功能。如英國(guó)開(kāi)發(fā)的InfoWorks Collection System（簡(jiǎn)稱InfoWorks CS），丹麥水力學(xué)研究所（DHI）開(kāi)發(fā)的 MOUSE（Modeling Of Urban Sewer）模擬軟件包，不僅可以計(jì)算雨水的徑流過(guò)程、還可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)控和在線分析。

2.1 模型的選用

該模型模擬的是一個(gè)動(dòng)態(tài)的降水-徑流模擬模型，主要用于模擬城市某一單一降水事件或長(zhǎng)期的水量和水質(zhì)模擬。其徑流模塊部分綜合處理各子流域所發(fā)生的降水，徑流和污染負(fù)荷。其匯流模塊部分則通過(guò)管網(wǎng)、渠道、蓄水和處理設(shè)施、水泵、調(diào)節(jié)閘等進(jìn)行水量傳輸。該模型可以跟蹤模擬不同時(shí)間步長(zhǎng)任意時(shí)刻每個(gè)子流域所產(chǎn)生徑流的水質(zhì)和水量，以及每個(gè)管道和河道中水的流量、水深及水質(zhì)等情況。

2.2 模型參數(shù)的確定

（1）匯水子區(qū)域的劃分。匯水子區(qū)域面積嚴(yán)格意義上指的是匯水子區(qū)域的產(chǎn)流面積，不包括非產(chǎn)流面積（如封閉水體等）。如果建模區(qū)域內(nèi)沒(méi)有大面積的非產(chǎn)流區(qū)域，產(chǎn)流面積就可以認(rèn)為等同于匯水子區(qū)域面積。由于該片區(qū)匯水范圍較大，匯水子區(qū)域采用CAD 導(dǎo)入，在模型中利用泰森多邊行方法進(jìn)行劃分。

（2）徑匯流模型參數(shù)設(shè)置——地表徑匯流模擬。城市由不同類(lèi)型的下墊面組成（可滲透/不可滲透），每種表面對(duì)應(yīng)的產(chǎn)匯流規(guī)律都不盡相同，我們利用水文模型的方式去計(jì)算各個(gè)表面的產(chǎn)匯流過(guò)程，每種表面對(duì)應(yīng)了不同的水文模型。水文模型——降雨徑流模型，主要有①初損模型：用于填挖的初期損失；②徑流量模型：決定了多少水量匯入管網(wǎng)；③匯流模型：決定了這些水量以多快的速度匯入管網(wǎng)。模型中設(shè)置路面、屋面和透水表面三種產(chǎn)流表面類(lèi)型。

（3）曼寧粗糙系數(shù)值不透水區(qū)、透水區(qū)以及管道（或渠道）的曼寧粗糙系數(shù)的初始參數(shù)取值或取值范圍均根據(jù)附錄所列經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行確定。

（4）排水管網(wǎng)特征數(shù)據(jù)排水管網(wǎng)特征數(shù)據(jù)，如管道長(zhǎng)度、管道上下游管底高程、管徑，以及檢查井處地面高程、井底高程等均需根據(jù)排水管道調(diào)查資料或排水規(guī)劃確定。

（5）污染物特征數(shù)據(jù)由于缺少實(shí)測(cè)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因?yàn)槟M需驗(yàn)證的結(jié)果為截留效率與調(diào)蓄規(guī)模的關(guān)系，因此選取的水質(zhì)數(shù)據(jù)，本次模型中下墊面污染物濃度參數(shù)可采用ICM 模型中默認(rèn)的數(shù)據(jù)，其對(duì)需驗(yàn)證的結(jié)果并不產(chǎn)生影響。

2.3 降雨事件

在InfoWorksICM 中，降雨數(shù)據(jù)以兩種形式存在，分別是實(shí)測(cè)降雨和設(shè)計(jì)降雨。由于缺少實(shí)際區(qū)域的降雨資料，本次模型中設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度擬采用合肥市暴雨強(qiáng)度公式如式（3）所示。

其中：q——暴雨強(qiáng)度，（L/s·ha）；P——設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期，年，一般區(qū)域采用P=3 年，高架橋及道路路面徑流系數(shù)取0.95，綜合徑流系數(shù)取0.6；t——降雨歷時(shí)，min；t=t1+t2；t1——地面集水時(shí)間，取5～15min；t2——管道內(nèi)流行時(shí)間。

設(shè)計(jì)雨型采用芝加哥雨型，峰值因子為0.4。根據(jù)《巢湖市城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃》，采用歷時(shí)2h的設(shè)計(jì)降雨作為模型輸入條件，分析初雨截流的運(yùn)行工況。

2.4 模型的建立

賈塘圩區(qū)域的總匯水范圍面積約5.4km2，根據(jù)資料將片區(qū)管線輸入模型，為了便于模擬，本次對(duì)管線的信息進(jìn)行了概化。覆蓋管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)共210 個(gè)，管段總長(zhǎng)為39500m。

2.5 模擬結(jié)果

根據(jù)模型對(duì)賈塘圩初雨匯水區(qū)內(nèi)的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)不同截流規(guī)模（4～12mm）進(jìn)行分析，模擬結(jié)果表明當(dāng)截流規(guī)模超過(guò)8.0mm 時(shí)，各污染物削減率增速明顯減緩，則“投資效益比”將越來(lái)越小，其最佳截流規(guī)模為7.5～8.5mm。因此賈塘圩區(qū)域內(nèi)的初期雨水截流規(guī)模取值為8mm。

考慮到初期雨水水質(zhì)受大氣污染、地面污染、降雨強(qiáng)度和間隔、管網(wǎng)系統(tǒng)布置型式等各方面因素影響都很大，模型邊界條件的輸入與現(xiàn)實(shí)難以較好地吻合，故據(jù)此確定初期雨水截流量與實(shí)際需求還是存在一定的偏差。

第2 種是直接根據(jù)當(dāng)?shù)嘏潘罎骋?guī)劃結(jié)合初雨相關(guān)規(guī)范直接確定初雨截流量。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范（2016 年版）》（GB 50014—2006）、《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51174—2017）及《城鎮(zhèn)徑流污染控制調(diào)蓄池技術(shù)規(guī)程》（CECS 416：2015）[1-3]，用于分流制排水系統(tǒng)徑流污染控制時(shí)，雨水調(diào)蓄池調(diào)蓄量可取4mm～8mm（按降雨量計(jì)）。此外，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究表明，一般初期雨水控制量在6～8mm 左右可控制約60%～80%的污染量。

初雨雨水污染控制標(biāo)準(zhǔn)主要有兩種表達(dá)方式：當(dāng)量雨量標(biāo)準(zhǔn)、污染物控制率和溢流次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)外城市初期雨水控制標(biāo)準(zhǔn)是一種經(jīng)驗(yàn)型做法，并未根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)情進(jìn)行充分論證，與現(xiàn)實(shí)需求同樣存在一定的偏差，初雨截流量結(jié)論的不可靠帶來(lái)的結(jié)果就是調(diào)蓄池規(guī)模的或大或小，同樣也意味著投資浪費(fèi)或未達(dá)建設(shè)目標(biāo)。

3 初雨雨水的高效收集

初期雨水截流方式與排水系統(tǒng)的匯水面積、區(qū)域形狀、管道布置等有關(guān)。不同的截流方式，其相應(yīng)的污染物截流效率亦不同。工程實(shí)踐中，截流方式分為兩種：末端截流和多點(diǎn)分散式截流。末端截流方式主要是在一些主要的雨水排放口、支流口或現(xiàn)狀泵站末端建造一定規(guī)模的初期雨水調(diào)蓄設(shè)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)初期雨水的截流，該方式一般適用于服務(wù)范圍較小，匯流時(shí)間較短的雨水排水系統(tǒng)。多點(diǎn)分散式截流方式是通過(guò)敷設(shè)多條平行的截流干管，或結(jié)合現(xiàn)狀雨水管道布置，通過(guò)多處截流井和聯(lián)通管道將初期雨水分散截流至調(diào)蓄設(shè)施。應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，因地制宜選擇合適的截流方式，以充分發(fā)揮調(diào)蓄設(shè)施的效益。

提高初期雨水收集效率，就要盡量縮小每個(gè)初雨截流井的匯水范圍，這必然會(huì)導(dǎo)致為了提高初雨水質(zhì)而大量分散新建截流井，每座截流井內(nèi)部又設(shè)置了水質(zhì)檢測(cè)儀、流量計(jì)和截流閘門(mén)等設(shè)備，截流管網(wǎng)長(zhǎng)度和設(shè)備的大幅增加不僅需要巨額的工程投資，更給后期的施工交通影響（需要在現(xiàn)狀管道上施工截流井，一般均在市政道路上實(shí)施）和運(yùn)行維護(hù)管理帶來(lái)很大的麻煩。那么如何尋求這樣一個(gè)平衡點(diǎn)尤為重要。查閱初期雨水相關(guān)規(guī)范、文獻(xiàn)均無(wú)相關(guān)明確的規(guī)定，僅在全國(guó)注冊(cè)公用設(shè)備師考試教材《排水工程》中略有提及：“深圳市初期雨水控制量為7mm，且初期雨水匯流范圍應(yīng)使得匯水面積最遠(yuǎn)點(diǎn)到排放口的匯流時(shí)間不應(yīng)超過(guò)20～30min，超過(guò)此匯流時(shí)間的區(qū)域，其初期效益已不顯著?！彪m然這不能作為我們?cè)O(shè)計(jì)依據(jù)，但這個(gè)描述至少給了我們一個(gè)大致的設(shè)計(jì)方向，不過(guò)這個(gè)時(shí)間指的是什么降雨強(qiáng)度下的時(shí)間以及確定的依據(jù)又是什么值得繼續(xù)探究。在一定的污染物消減總量前提下，初雨收集方式高效性與初雨收集量是成反比關(guān)系。

4 目前的難點(diǎn)-截流管管徑的計(jì)算與確定

合理的截流量一方面能有效收集初期雨水，另一方面可以減少不必要的工程浪費(fèi)，目前在確定截流管道設(shè)計(jì)流量方面仍然是一個(gè)難題。

4.1 流量計(jì)算方法

目前，截流管道設(shè)計(jì)流量的確定尚無(wú)有效方法，設(shè)計(jì)人員常常根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)確定設(shè)計(jì)流量，該設(shè)計(jì)流量與初期雨水過(guò)程無(wú)定量關(guān)系，無(wú)法判斷設(shè)置該設(shè)計(jì)流量的截流管道能否有效控制所服務(wù)區(qū)域的初期雨水。因此，如何合理確定截流管道的設(shè)計(jì)流量是當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題之一。目前確定截流管流量主要有芝加哥雨型模型法和經(jīng)驗(yàn)公式法。

芝加哥雨型模型法：根據(jù)區(qū)域歷年不少于20 年的降雨資料，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)PⅢ型曲線等方法模擬出該標(biāo)準(zhǔn)下芝加哥雨型降雨曲線，根據(jù)雨型曲線求出相應(yīng)截流標(biāo)準(zhǔn)下的降雨強(qiáng)度，從而確定截流管道的流量。

經(jīng)驗(yàn)公式法：根據(jù)雨水排口截流的初期雨水總量和截流時(shí)間計(jì)算確定，如式（1）所示。

式中：Q——截流管道設(shè)計(jì)流量，（m3/s）；T——初期雨水截流時(shí)間，按照該排口截流井收集范圍內(nèi)的匯流時(shí)間確定，min；V——各排口截流的初期雨水總量，計(jì)算方式同調(diào)蓄設(shè)施容積計(jì)算。

4.2 設(shè)計(jì)流量確定

考慮到芝加哥雨型模擬法在降雨資料收集摘選、降雨標(biāo)準(zhǔn)的確定、曲線擬合方法等方面尚未有明確的規(guī)定且未形成統(tǒng)一，采用此方法設(shè)計(jì)案例較少，目前常用模型來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，故當(dāng)前調(diào)蓄工程常用的經(jīng)驗(yàn)公式法來(lái)確定截流管道流量的做法較多。

5 結(jié)語(yǔ)

從上述分析的幾點(diǎn)來(lái)看，不把這幾個(gè)問(wèn)題解決好想把分流制初雨污染治理類(lèi)項(xiàng)目做好是不太現(xiàn)實(shí)的，對(duì)國(guó)家這么大的支持和投入也是不負(fù)責(zé)任的。解決好這些問(wèn)題個(gè)人覺(jué)得不是哪個(gè)人、哪家設(shè)計(jì)院、哪家科研單位所能完成的，可能需要國(guó)內(nèi)水行業(yè)相關(guān)的權(quán)威專(zhuān)家們?cè)趪?guó)家的組織和指導(dǎo)下以規(guī)范修編或新編技術(shù)導(dǎo)則、標(biāo)準(zhǔn)等形式來(lái)進(jìn)一步的明確和細(xì)化，來(lái)更好地指導(dǎo)后期該類(lèi)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施。