基于數(shù)值模擬的雨水泵站放江污染控制研究

張 惠，黃志金，張慶民

(1上海市排水管理事務(wù)中心，上海 200001；2上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201707； 3 上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061)

前 言

雨水泵站放江污染是近幾十年來(lái)世界各國(guó)城市水環(huán)境治理面臨的現(xiàn)實(shí)難題，泵站放江污染已凸顯為影響上海中心城區(qū)河道水質(zhì)穩(wěn)定的主要瓶頸之一[1-2]。泵站放江污染的原因是錯(cuò)綜復(fù)雜的，需要考慮降雨、雨水徑流面源污染、排水系統(tǒng)管網(wǎng)狀況、泵站運(yùn)行管理等諸多因素，同時(shí)還涉及到合流制管網(wǎng)溢流污染、分流制管網(wǎng)雨污混接、管道沉積物沖刷污染、管道積存水等眾多因素，僅從泵站放江水質(zhì)角度無(wú)法有效地研究分析出排水系統(tǒng)泵站放江污染問(wèn)題癥結(jié)所在[3-4]。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家自20世紀(jì)60年代起就對(duì)排水系統(tǒng)雨天溢流對(duì)水體污染進(jìn)行了大量研究，包括借助數(shù)模科學(xué)研究溢流量、溢流頻次、調(diào)蓄池建設(shè)規(guī)模等；各個(gè)國(guó)家針對(duì)各自的不同情況，制訂了相應(yīng)的控制措施、政策并應(yīng)用到實(shí)際工程中，取得了顯著的效果。國(guó)內(nèi)目前全面系統(tǒng)開(kāi)展泵站放江污染削減研究的較少，在該領(lǐng)域也缺乏相應(yīng)的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范。

本文通過(guò)建立水動(dòng)力-水質(zhì)模型，采用數(shù)值模擬方法對(duì)上海市某雨水排水系統(tǒng)的排水過(guò)程進(jìn)行研究，探討了提升截流能力、雨污混接改造和增加調(diào)蓄池等工程措施對(duì)泵站放江污染的改善效果。這種采用數(shù)值模型模擬評(píng)估泵站放江污染控制措施效果的研究方法，一方面使工程效果被量化后更加直觀、現(xiàn)實(shí)，另一方面基于數(shù)學(xué)原理的數(shù)值模型可以更理性科學(xué)地認(rèn)識(shí)泵站放江水質(zhì)過(guò)程的成因，對(duì)于泵站放江的日常運(yùn)行管理和政府部門(mén)決策制定泵站放江控制措施具有很好的指導(dǎo)作用，同時(shí)也為類(lèi)似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施提供案例參考。

1 材料與方法

1.1 排水系統(tǒng)概況

選取位于上海市中心城區(qū)的田林泵站所在的漕河涇排水系統(tǒng)作為研究對(duì)象，見(jiàn)圖1。漕河涇排水系統(tǒng)為已建分流制系統(tǒng)，雨水管道建設(shè)于20世紀(jì)80年代，系統(tǒng)內(nèi)管道較完整，無(wú)積水點(diǎn)。服務(wù)范圍為東起蒲匯塘，西至上澳塘，南起漕河涇港，北迄蒲匯塘，總服務(wù)面積4.56km2，田林泵站位于系統(tǒng)東側(cè)，靠近蒲匯塘?，F(xiàn)有雨水管道均已按規(guī)劃要求建設(shè)，按照暴雨重現(xiàn)期1年一遇標(biāo)準(zhǔn)，管道達(dá)標(biāo)率為100%。雨水管道管徑為DN450～DN2400，管道總長(zhǎng)20.845km，其中DN1000以上總長(zhǎng)13.365km，占比約64.11%。

圖1 研究范圍及田林泵站位置示意圖Fig.1 Study area and location diagram of Tianlin pumping station

1.2 數(shù)值模型建立

管網(wǎng)數(shù)值模型是一種研究管網(wǎng)調(diào)度、分析城市內(nèi)澇及治理方案的普遍工具。Mike urban的排水模型廣泛應(yīng)用于城市排水與防洪，分流制管網(wǎng)的入流、滲流，合流制管網(wǎng)的溢流，受水影響，在線模型，管流、水質(zhì)監(jiān)控等。借助Mike urban軟件搭建地表徑流與管網(wǎng)水動(dòng)力-水質(zhì)模型，見(jiàn)圖2，結(jié)合管道實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)和相關(guān)文獻(xiàn)研究成果[5～8]對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定。

圖2 管網(wǎng)模型Fig.2 Pipe network model

水位率定結(jié)果與3次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本符合，雨水泵停止后模擬水位與實(shí)測(cè)水位趨勢(shì)一致。地表徑流水質(zhì)參數(shù)選用SS、COD、TN和TP作為研究對(duì)象，具體參數(shù)見(jiàn)表1。 模型中管網(wǎng)內(nèi)的水質(zhì)數(shù)據(jù)采用泵站前池的場(chǎng)次平均濃度來(lái)代替，其中SS、COD、TP分別為40mg/L、45mg/L、0.3mg/L；另外，TN采用場(chǎng)次平均濃度(EMC)3mg/L[9]。

表1 累積、沖刷指數(shù)參數(shù)[5-6]Tab.1 Accumulation and erosion index parameters

采用芝加哥120min雨型作為設(shè)計(jì)雨型，雨峰位置系數(shù)r=0.405，結(jié)合暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算得到相應(yīng)設(shè)計(jì)雨型[10]?；诜姥窗踩谝豢紤]，設(shè)計(jì)雨型以1年一遇降雨為上限。由此，分別選取現(xiàn)狀降低管道內(nèi)水位到0m的最大不放江總雨量17mm、雨污混接改造全部實(shí)施完成后管道內(nèi)為非滿管時(shí)最大不放江雨量25mm和增設(shè)調(diào)蓄池后最大不放江雨量33mm四種雨型作為設(shè)計(jì)雨型，用于研究不同措施對(duì)泵站污染物削減的影響。其中，17mm、25mm、33mm和1年一遇4種雨型最大降雨強(qiáng)度分別為0.85、1.24、1.65和2.37mm/min。

2 放江量及污染物削減效果分析

2.1 不同雨型條件下放江量分析

根據(jù)2020年9月實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)內(nèi)部管道日常處于滿管狀態(tài)，設(shè)定管道內(nèi)水位為1m。采用SWMM中地表徑流污染物指數(shù)型計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算，可以看出地表污染濃度受降雨強(qiáng)度的影響，變化趨勢(shì)與設(shè)計(jì)雨型相似，四種雨型條件下，各污染物的最大濃度見(jiàn)表2。

表2 各雨型時(shí)最大污染物濃度Tab.2 Maximum pollutant concentration of each rain type (mg/L)

圖3 地表徑流、泵站前池污染物濃度變化過(guò)程Fig.3 Change process of pollutant concentrations in surface runoff and pumping station forebay

從圖3可看出，相對(duì)17mm雨型，25mm雨型時(shí)地表徑流污染物SS、COD、TN、TP的最大濃度分別增加了8%、8%、46%、36%；33mm雨型時(shí)分別增加了16%、16%、107%、86%；1年一遇雨型時(shí)分別增加了20%、20%、146%、103%。

經(jīng)模型試算，泵站最大不放江雨量為12mm。泵站前池水體是由排水系統(tǒng)管道沉積物、地表徑流、混接污水、地下滲水等各種水體混合而來(lái)，由于井點(diǎn)到前池距離的差異導(dǎo)致混合過(guò)程存在時(shí)間差，最終形成了前池水質(zhì)達(dá)到最大后一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的變化過(guò)程。各不同雨型條件下，田林泵站放江量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 現(xiàn)狀排水系統(tǒng)不同雨型時(shí)放江量對(duì)比Tab.3 Comparison of river discharge under different rain patterns in the current drainage system

圖4 現(xiàn)狀污染物放江量Fig.4 Discharge amount of current pollutants

從圖4可看出，污染物放江量與泵站運(yùn)行時(shí)間密切相關(guān)，放江量的變化直接由泵站運(yùn)行規(guī)模決定。17mm、25mm、33mm和1年一遇雨型的放江時(shí)間分別為1.92h、2.33h、3.25h、4.17h，污染物SS放江量峰值分別為260.82g/s、376.72g/s、577.64g/s、650.2g/s，污染物COD放江量峰值分別為298.46g/s、438.19g/s、723.72g/s、804.65g/s，污染物TN放江量峰值分別為19.39g/s、29.78g/s、67.76g/s、82.69g/s，污染物TP放江量峰值分別為1.96g/s、3.00g/s、6.52g/s、7.72g/s。放江量的大小與降雨強(qiáng)度成正比，雨量越大放江量峰值和放江歷時(shí)也會(huì)越大。

2.2 提升截流能力對(duì)污染物削減效果分析

田林泵站日常水位維持在1m的滿管狀態(tài)，雨污混接及其他入流導(dǎo)致系統(tǒng)的設(shè)計(jì)截流能力對(duì)雨水截流作用很小。因此，設(shè)計(jì)提升日常截流規(guī)模，控制管道內(nèi)部日常水位到0m，經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)所能承受的最大不放江雨量為17mm，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。從污染物放江總量上看，降低管道日常水位1m，可以減小放江水量6%～17%，尤其對(duì)于雨量較小且降雨強(qiáng)度不高的雨型，截流效果比較好，污染物總量削減多。

表4 提升截流能力后放江量計(jì)算結(jié)果Tab.4 Results of river discharge after improvement of interception capacity

圖5 25mm、33mm、一年一遇雨型時(shí)放江量變化過(guò)程對(duì)比Fig.5 Comparison of variation process of river discharge at 25 mm，33 mm and once a year rain type

從圖5可看出，提升截流能力，降低管網(wǎng)內(nèi)水位到0m后，25mm雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分別為291.9g/s、342.5g/s、24.02g/s、2.42g/s，相對(duì)于現(xiàn)狀減小22%、22%、19%、19%，放江歷時(shí)為2.17h，相對(duì)于現(xiàn)狀縮短了7%；33mm雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分別為584.79g/s、728.49g/s、67.33g/s、6.48g/s，相對(duì)于現(xiàn)狀增長(zhǎng)1%、1%、-1%、-1%，放江歷時(shí)為3.08h，相對(duì)于現(xiàn)狀縮短了5%；1年一遇雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分別為699.63g/s、888.69g/s、96.15g/s、8.96g/s，相對(duì)于現(xiàn)狀增長(zhǎng)8%、10%、16%、16%，放江歷時(shí)為4h，相對(duì)于現(xiàn)狀縮短了4%。所以，降雨越集中、雨量越大，工程措施的污染物削減效果相對(duì)越差。

2.3 雨污混接改造對(duì)污染物削減效果分析

鑒于系統(tǒng)內(nèi)存在多個(gè)雨污混接點(diǎn)，混接總?cè)肓髁考s0.18m3/s，且管道日常處于滿管狀態(tài)?？紤]雨污混接改造完成后，理想狀態(tài)下管道內(nèi)日常處于放空狀態(tài)，則放江量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。從污染物放江總量上看，雨污混接改造完全實(shí)施后，可使污染物的放江量削減達(dá)到21%～28%，進(jìn)一步提高了不放江雨量的上限。

表5 雨污改造后放江量計(jì)算結(jié)果Tab.5 Results of river discharge after rainwater and sewage reconstruction

圖6 33mm、1年一遇雨型時(shí)放江量變化過(guò)程對(duì)比Fig.6 Comparison of variation process of river discharge at 33mm and once a year rain patterns

從圖6可看出，雨污混接改造完成后管道內(nèi)處于放空狀態(tài)時(shí)，33mm雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分別為625.76g/s、795.34g/s、73.47g/s、7.07g/s，相對(duì)于現(xiàn)狀增長(zhǎng)了8%、10%、8%、8%，放江歷時(shí)為2.5h，相對(duì)于現(xiàn)狀縮短了23%；1年一遇雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分別為729.86g/s、927.66g/s、100.48g/s、9.3g/s，相對(duì)于現(xiàn)狀增長(zhǎng)了7%、8%、8%、7%，放江歷時(shí)為3.42h，相對(duì)于現(xiàn)狀縮短了18%。所以，管道放空狀態(tài)下，污染物放江量的峰值略有上升，但放江時(shí)間大幅減小，放江量削減約20%。

2.4 新建調(diào)蓄池對(duì)污染物削減效果分析

參考程江[11]等人對(duì)于調(diào)蓄池削污效應(yīng)的研究成果，基于上海地區(qū)的降雨條件，上海雨水調(diào)蓄池要達(dá)到80%的溢流污染物削減率的容積應(yīng)滿足約100m3/hm2的控制標(biāo)準(zhǔn)。漕河涇排水系統(tǒng)面積為4.56km2，因此假定系統(tǒng)內(nèi)部新建調(diào)蓄池容積為45600m3，則雨水泵站放江量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。從污染物放江總量上看，新建調(diào)蓄池可使污染物放江量削減達(dá)到45%～49%，與牟晉銘[12]的研究結(jié)果接近，但是與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)80%的要求仍存在一定差距。主要原因在于管道前池中的污染物濃度變化沒(méi)有表現(xiàn)出初雨效應(yīng)，污染物濃度變化幅度較小，導(dǎo)致削減率低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

表6 新建調(diào)蓄池后放江量結(jié)果Tab.6 Results of river discharge after building a storage tank

圖7 1年一遇雨型放江率變化過(guò)程對(duì)比Fig.7 Comparison of variation process of river discharge rate of once a year rain pattern

從圖7可看出，新建調(diào)蓄池后，污染物的放江率峰值和放江歷時(shí)明顯減小。其中，1年一遇雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分別為547.42g/s、693.69g/s、71.17g/s、6.68g/s，相對(duì)于現(xiàn)狀減小了16%、14%、14%、14%，放江歷時(shí)為2.75h，相對(duì)于現(xiàn)狀縮短了34%。

3 結(jié) 論

選取田林泵站作為典型排水系統(tǒng)泵站的研究對(duì)象，通過(guò)借助Mike urban軟件搭建水動(dòng)力-水質(zhì)模型，探討了提升截流能力、雨污混接改造和新建調(diào)蓄池等工程措施對(duì)泵站放江污染的改善效果。

(1)通過(guò)提升截流能力，降低管道運(yùn)行水位，25mm至1年一遇降雨時(shí)放江水量減小6%～17%，尤其對(duì)于雨量較小且降雨強(qiáng)度不高的雨型，截流效果較好，污染物總量削減多。

(2)完全實(shí)施雨污混接改造后，可將泵站不放江雨量上限從12mm提升至25mm，33mm至1年一遇降雨下污染物的放江量削減達(dá)21%～28%。

(3)從污染物放江總量上看，新建調(diào)蓄池可將泵站不放江雨量上限從12mm提升至33mm，1年一遇雨型下可使污染物的放江量削減達(dá)45%～49%，由于系統(tǒng)內(nèi)初雨效應(yīng)不明顯，導(dǎo)致污染物削減效果與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)80%的要求仍存在一定差距。

(4)采用數(shù)值模型模擬評(píng)估泵站放降污染物控制措施成效，一方面工程效果被量化后更加直觀、現(xiàn)實(shí)，另一方面基于數(shù)學(xué)原理的數(shù)值模型可以更加理性科學(xué)的認(rèn)識(shí)泵站放江水質(zhì)過(guò)程的成因，對(duì)泵站放江的日常運(yùn)行管理和政府部門(mén)決策制定泵站放江污染控制措施具有很好的指導(dǎo)作用，可有力促進(jìn)水務(wù)行業(yè)精細(xì)化管理服務(wù)能力提升和水務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。