雨水調(diào)蓄池優(yōu)化及污染物削減情況分析

唐樹平

（深圳市南山區(qū)水污染治理中心,廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著城市化進程的加速和人口的不斷增長,城市面臨著越來越多的環(huán)境挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的城市雨水管理方法往往采用集中排放的方式,不僅會對城市排水系統(tǒng)造成壓力,還會導(dǎo)致水質(zhì)污染問題[1]。

近年來,雨水調(diào)蓄池的應(yīng)用越來越廣泛。在許多城市的雨水管理中,雨水調(diào)蓄池已被證明是一種可行且有效的解決方案。熊子鷹等[2]利用多目標(biāo)優(yōu)化方法對調(diào)蓄池的大小、深度和出水口位置進行優(yōu)化,可以提高調(diào)蓄效率和污染物去除率。李連文等[3]利用模擬降雨實驗和實地監(jiān)測數(shù)據(jù),研究了不同污染物在調(diào)蓄池中的去除規(guī)律,提出了一些新的污染物控制策略,如利用植物對水中污染物進行吸附和降解等。

本文以某河調(diào)蓄池為研究對象,對其雨水管網(wǎng)規(guī)劃進行概化分析,將有助于為城市雨水管理提供更加科學(xué)和可持續(xù)的解決方案。

1 工程概況

某河是位于某市東部的一條重要季節(jié)性河流的支流。它的全長為28 km,流域面積為136 km2。某河的水質(zhì)受到上游湖水的影響,湖水質(zhì)仍處于劣V 類,含有高濃度的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì),導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化和藍藻水華的發(fā)生。為了改善某河的水環(huán)境質(zhì)量,市政府計劃實施某河引水（綜合整治）工程,建設(shè)雨水調(diào)蓄池,減少初期雨水徑流的污染,并將其收集錯峰送至污水處理廠處理；建設(shè)水文監(jiān)測站,實時監(jiān)測水質(zhì)變化。該工程的目的是穩(wěn)定某湖水質(zhì),保護湖水源地,提高某市城市防洪標(biāo)準(zhǔn),打造清水穿城、綠色長廊的良好人居環(huán)境。

2 模型構(gòu)建

2.1 概化研究區(qū)域

本文對某工業(yè)區(qū)的雨水管網(wǎng)規(guī)劃進行了分析和概化,以提高雨水排放的效率和安全性。該工業(yè)區(qū)占地967 m2。根據(jù)雨水管網(wǎng)和土地利用圖,該區(qū)域的雨水管網(wǎng)總長度為28.969 m,由140 個節(jié)點和140 段管道組成,被劃分為17 個子匯水區(qū),見圖1。

圖1 概化模型

2.2 參數(shù)設(shè)定

為了模擬某市的短歷時降雨過程,本次研究采用了芝加哥雨型作為設(shè)計降雨方法。在產(chǎn)流計算方面,本次研究選擇了霍頓公式法作為產(chǎn)流模型。它根據(jù)土壤入滲能力、降雨強度和土壤含水量等因素,計算出產(chǎn)流量和產(chǎn)流系數(shù)[4]。在參數(shù)確定方面,本次研究通過模型自動獲取或CAD 量測的方式,得到了匯水子區(qū)域的面積（967 m2）,并通過現(xiàn)狀地形圖上的標(biāo)高、高差和距離等數(shù)據(jù),計算出了地表平均坡度（0.5%）。

2.3 模型率定

為了評估城市雨水模型的性能,需要對模型參數(shù)進行校準(zhǔn),使其能夠較好地反映實際的流量和水質(zhì)變化。本文選取了陶沖湖流域內(nèi)的一個雨水排放點作為校準(zhǔn)對象,根據(jù)現(xiàn)場測試的水質(zhì)數(shù)據(jù)和模型計算結(jié)果進行比較。對于結(jié)果的評估采用納什效率系數(shù)（NSE）,通常情況下,當(dāng)NSE 大于0.7 時,表示模型模擬與實測數(shù)據(jù)有較高的一致性。圖2 展示了流量監(jiān)測值與模擬值之間的比較情況。

圖2 流量監(jiān)測值與模擬值之間的比較

3 結(jié)果與分析

3.1 污染負荷分析

本文利用某河雨量站2018 年～2019 年的降雨數(shù)據(jù),分析項目區(qū)域的長期和短期降雨特征。根據(jù)安徽省水利廳的數(shù)據(jù),兩年內(nèi)總降雨量達到2083 mm,平均每年降雨量為1041.5 mm。

為了研究短期降雨對水環(huán)境的影響,本文采用某市降雨強度公式得出,短期降雨量為52.7 mm?；陂L期和短期降雨數(shù)據(jù),本文建立水質(zhì)模型,通過對項目區(qū)域的雨水管網(wǎng)和湖口排水口的實地調(diào)查,發(fā)現(xiàn)在陶沖湖上游的匯水區(qū)域內(nèi),沒有發(fā)現(xiàn)有污水進入雨水管道,也沒有發(fā)現(xiàn)有明顯的淤積現(xiàn)象。

3.2 污染物削減效果

本文雨水調(diào)蓄池采用分流制研究某市的降雨特征,可選取4 mm、5 mm、6 mm、8 mm 的調(diào)蓄量。本次研究將在長時間（2018 年～2019 年）和短時間的條件下,比較這些不同調(diào)蓄量的主要污染物削減率和經(jīng)濟效益,用來確定調(diào)蓄池最佳調(diào)蓄量和有效容積。

根據(jù)分流制公式, 調(diào)蓄池的有效容積可排水體積V=10 DFψβ,V 是由徑流深度D、排水面積F、綜合徑流系數(shù)ψ和安全系數(shù)β決定的。在2018 年～2019 年降雨期,D 為10mm,F 為1000 m2,ψ為0.67,β為1.1,這意味著降雨期間儲存74050 m3的雨水,并在降雨結(jié)束后逐漸排放到湖泊中。通過這種方式,可以減少末端入湖排口的污染物濃度,如COD、NH3-N、TP 等。圖3 顯示了不同調(diào)蓄量對污染物削減率的影響,可以看出,隨著調(diào)蓄量的增加,削減率也相應(yīng)提高。為了達到最佳的水質(zhì)改善效果,應(yīng)盡可能增加調(diào)蓄池的有效容積可排水體積。

圖3 長歷時對污染物削減率的影響

本文研究在短歷時（兩年一遇,2 小時）降雨情況下,根據(jù)不同調(diào)蓄量,分析末端入湖排口的NH3-N、TP 以及COD的削減效果。計算經(jīng)規(guī)模不同調(diào)蓄后,計算得到的污染物削減效益繪制在圖4 中。長歷時和短歷時工況下,三種污染物的削減趨勢變化基本相同。當(dāng)調(diào)蓄量達到5 mm 以上時,污染物的削減效果逐漸降低。當(dāng)調(diào)蓄量剛好等于5 mm 時,污染物TP 去除效率最高。不同工況條件下, 發(fā)現(xiàn)調(diào)蓄量為5 mm 最佳,COD 的削減量和削減率最高。

圖4 短歷時對污染物削減率的影響

從上面的分析結(jié)果可以看出,調(diào)蓄量越大,污染物去除率越高。這表明,調(diào)蓄池的有效容積對于提高雨水徑流水質(zhì)有重要作用。但是,當(dāng)調(diào)蓄量繼續(xù)增加時,污染物去除率的增長速度會逐漸減小。在雨水調(diào)蓄池的設(shè)計過程中,有效容積是一個關(guān)鍵因素。如果容積過大,會造成經(jīng)濟上的浪費；若容積太小,則會導(dǎo)致去除污染效果和雨量截留下降。因此,考慮到經(jīng)濟性和工程去污性能,選擇調(diào)蓄量5 mm 綜合效益最佳。

3.3 降雨特征分析

根據(jù)某河雨量站兩年的數(shù)據(jù),該站有221 天有降雨,其中196 天的雨水徑流會流入湖泊,最大流量峰值為76.1 m3/s。降雨特征分析表明,初期的雨水徑流很容易流入湖泊,并且初雨污染效應(yīng)隨著降雨量的增加而加劇。表1 顯示了不同調(diào)蓄量下,雨水徑流流入湖泊的天數(shù)變化情況。結(jié)果表明,調(diào)蓄量越大,流入湖泊的天數(shù)越少,但是減少的幅度也越小。當(dāng)調(diào)蓄量為5 mm 時,流入湖泊的天數(shù)從196 天減少到91 天,占比為46.43%,可以有效地降低近一半的初雨污染物質(zhì)。綜合3.1 節(jié)的分析結(jié)果,因此本次設(shè)計的調(diào)蓄池蓄量為5 mm。

表1 雨水徑流流入湖泊的天數(shù)變化情況

3.4 調(diào)蓄池參數(shù)分析

為探討雨水調(diào)蓄池的綜合效益,本文分析了調(diào)蓄池的容積、位置和數(shù)量的關(guān)系。研究區(qū)域流域面積較大,雨水管網(wǎng)從上游到下游入湖口的距離也較長。目前只在下游設(shè)置了一個調(diào)蓄池,這樣在上游開始降雨時,調(diào)蓄池就會很快充滿,無法有效截留初期雨水,不能達到收集雨水的效果。

為了改善這種情況,本文以一次短時強降雨為例進行模擬,設(shè)計三種調(diào)蓄方案,分析每種方案對污染物的減少效果以及調(diào)蓄池容量達到有效容量后各個雨水監(jiān)測點位的污染物濃度變化情況。

根據(jù)模型分析結(jié)果,在入湖最末端建立一個調(diào)蓄點作為基礎(chǔ)工況一,它的有效容積是36000 m3。通過在徑流入口末端設(shè)置一個雨水調(diào)蓄池,可以暫緩雨水徑流的高峰,并延長其流出時間,從而有效地減少初期雨水對排放水體的污染量。因此,雨水調(diào)蓄池是一種簡便而高效的初期雨水污染控制措施。

在降雨約1 小時后,調(diào)蓄液位達到最大值,剩余雨水流入湖體。工況二,調(diào)蓄點設(shè)置在上游和末端,有效容積區(qū)30500 m3和5300 m3。當(dāng)降雨開始后,上游的調(diào)蓄池先滿水,然后末端的調(diào)蓄池滿水,之后剩余的降雨徑流直接進入湖體。工況三,四個調(diào)蓄點沿雨水干管分布,有效容積分別為12100 m3、12700 m3、5800 m3、5300 m3。當(dāng)降雨開始后,四個調(diào)蓄池依次滿水,之后剩余的降雨徑流直接進入下游河道。圖5 中展示了不同工況污染物削減率。

圖5 不同工況污染物削減率

只在末端設(shè)置一個雨水調(diào)蓄池,就可以有效地降低污染物的排放量,其中COD、SS、TN 和TP 的削減率分別為28.12%、28.67%和28.35%。這說明雨水污染可以通過雨水調(diào)蓄有效減少。若最上游位置增設(shè)一個調(diào)蓄點,水中污染物的削減率雖然可以進一步提高,但是增幅較小,不超過5%。這是因為雨水管道距離下游入湖排口較遠,上游的調(diào)蓄點對整個系統(tǒng)的初雨收集率的影響較小。但是,如果沿著雨水主干管將收集范圍分成四個區(qū)域,每個區(qū)域設(shè)置一個調(diào)蓄點,那么污染物的削減率都可以達到40%以上,尤其是對COD的去除效果最好,可以達到55.43%。因此,工況三將作為目標(biāo)設(shè)計工況。

4 總結(jié)

本文以某河調(diào)蓄池為研究對象,對其雨水管網(wǎng)規(guī)劃進行了分析和概化,討論了提高雨水排放的效率和安全性的影響因素,通過研究雨水調(diào)蓄池的優(yōu)化方案和污染物削減效果進行分析,得出如下結(jié)論：

（1）隨著蓄水池調(diào)蓄量的增加,污染物削減率也相應(yīng)提高。為了達到最佳的水質(zhì)改善效果,應(yīng)盡可能增加調(diào)蓄池的有效容積可排水體積。

（2）調(diào)蓄量越大,污染物去除率越高。這表明,調(diào)蓄池的有效容積對于提高雨水徑流水質(zhì)有重要作用。

（3）通過在徑流入口末端設(shè)置一個雨水調(diào)蓄池,可以暫緩雨水徑流的高峰,并延長其流出時間,從而有效地減少初期雨水對排放水體的污染量。