連續(xù)降雨條件下調(diào)蓄池對(duì)城市面源污染削減的模擬

趙緒峰, 陳 莉, 楊 樂, 李連文, 薛振洲, 劉加強(qiáng)

(1.徐州市宏達(dá)土木工程試驗(yàn)室有限責(zé)任公司, 江蘇 徐州221000; 2.杭州領(lǐng)圖信息科技有限公司, 浙江 杭州311200; 3.杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計(jì)院股份有限公司,浙江 杭州310002;4.徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院, 江蘇 徐州221111)

“十二五”“十三五”期間,國家對(duì)水污染防治、黑臭水體整治工作高度重視,經(jīng)過水環(huán)境整治工作的不斷開展,我國水環(huán)境質(zhì)量總體穩(wěn)中向好,特別是城市點(diǎn)源污染控制已取得卓越的成效。 由降雨徑流驅(qū)動(dòng)的城鎮(zhèn)面源污染負(fù)荷比例逐年升高,逐漸成為城鎮(zhèn)水環(huán)境污染的重要來源,從而誘發(fā)城鎮(zhèn)水體黑臭和水生態(tài)環(huán)境惡化,成為制約城市水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的重要因素[1]。

由于面源污染的啟動(dòng)主要與降雨和降雨所形成的徑流有關(guān),因此面源污染具有隨機(jī)性、潛伏性、滯后性和非連續(xù)性等特點(diǎn),通常是晴天積累,雨天排放[2]。 我國對(duì)城市面源污染的研究起步較晚,但是經(jīng)過近年來的科技攻關(guān),我國在城市面源污染控制方面取得了長足的進(jìn)步,并在借鑒國外發(fā)達(dá)國家對(duì)城市雨水徑流控制方面先進(jìn)技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了低影響開發(fā)(LID)的建設(shè)模式[3]。 隨著SWMM、MIKE URBAN 等模型技術(shù)引入國內(nèi)后,其作為重要的研究手段大大推動(dòng)了城市面源污染的研究。 雷向東等[4]研究了不同低影響開發(fā)(LID)措施在單場降雨情況下的對(duì)降雨徑流和污染物削減情況,發(fā)現(xiàn)3 種LID 組合措施對(duì)COD 的削減率在50.51%～60.83%之間。 劉垟?shù)萚5]基于SWMM 模型,研究了調(diào)蓄池和LID 措施對(duì)城市面源污染控制的效果。 然而,目前相關(guān)研究多集中于控制措施在單場降雨情況下對(duì)污染物削減效果的分析,而缺乏對(duì)控制措施在全年或多年時(shí)間尺度下污染物削減效果的考慮。 鑒于此,本文通過構(gòu)建SWMM 模型,探討了多年實(shí)際降雨情況下,末端調(diào)蓄池對(duì)城市面源污染的控制效果,旨在為城市面源污染治理工作提供參考。

1 模型搭建及降雨數(shù)據(jù)

1.1 模型搭建

本次研究選取徐州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)三八河流域作為研究區(qū)域,該區(qū)域?yàn)橛晡鄯至髦?面積約為12.8 km2,包括金龍湖、老房亭河和三八河等水體。SWMM 模型以實(shí)際地形數(shù)據(jù)和管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行搭建,模型搭建完成后,包括491 個(gè)子匯水區(qū),492 個(gè)節(jié)點(diǎn)和32 個(gè)排出口。 圖1 展示了排水管網(wǎng)普查圖和SWMM 模型的概化圖。

圖1 排水管網(wǎng)Fig.1 Drainage network

1.2 模型參數(shù)取值

模型中的不滲透系數(shù)根據(jù)不同的下墊面類型通過加權(quán)計(jì)算得出。 根據(jù)實(shí)測地形數(shù)據(jù),研究區(qū)域下墊面分為綠地、道路、建筑和其他四種類型,其徑流系數(shù)分別為0.2、0.75、1.0、0.3。 各子匯水區(qū)不滲透系數(shù)通過GIS 軟件計(jì)算得出。

SWMM 模型包括水文模型模塊和水質(zhì)模型模塊。 水文模型模塊中采用了Horton 下滲模型和非線性水庫模型;水質(zhì)模型模塊包含污染物累積模型和污染物沖刷模型,均采用EXP 函數(shù),并以COD、TN 作為污染物指標(biāo)。 具體的水文水質(zhì)參數(shù)取值詳見文獻(xiàn)[6]。

1.3 降雨數(shù)據(jù)

為了研究末端調(diào)蓄池在多年連續(xù)多場降雨情況下污染物削減效果,本次研究采用了2020.01.01～2021.12.31 連續(xù)兩年多場實(shí)測降雨數(shù)據(jù),降雨數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為1 天。 具體的降雨數(shù)據(jù)如圖2 所示。 根據(jù)降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),2020 年至2021 年期間,共有162場降雨,其中2020 年和2021 年均為81 場降雨。 在這些降雨事件中,降雨量小于2 mm 的有41 場,而大部分降雨則主要集中在每年的6 月至9 月期間。

圖2 2020.01.01～2021.12.31 連續(xù)兩年實(shí)測降雨數(shù)據(jù)Fig.2 Measured rainfall data for two consecutive years from 2020.01.01 to 2021.12.31

1.4 模型率定

利用2021.8.20 和2021.0901 兩場實(shí)測降雨數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定,降雨數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為1 h。 同時(shí),對(duì)兩場降雨產(chǎn)生的路面徑流雨水水質(zhì)進(jìn)行了分析(取樣點(diǎn)周圍以商業(yè)和居民區(qū)為主)。 結(jié)果表明,徑流雨水中CODcr、SS、TN、TP 的濃度分別為24.67～175.39,8.60～589.60,2.21～13.44,0.14～1.22 mg/L,CODcr和TN 最大值分別是GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅴ類水體的4.4 和6.72倍。 可見,雨水沖刷地面攜帶大量垃圾和污染物進(jìn)入河道,形成典型的城市降雨徑流面源污染,對(duì)城市生態(tài)環(huán)境構(gòu)成沖擊性影響,嚴(yán)重制約城市水環(huán)境質(zhì)量的改善。 率定與驗(yàn)證結(jié)果詳見文獻(xiàn)[7],率定結(jié)果滿足T/CECS 647—2019《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建和應(yīng)用規(guī)程》要求,具有一定的可信度。

2 調(diào)蓄池設(shè)置及控制邏輯

2.1 調(diào)蓄池設(shè)置

根據(jù)前期現(xiàn)場勘察與調(diào)蓄池選址方案論證,研究區(qū)域內(nèi)擬建末端調(diào)蓄池6 座,其具體位置如圖3所示。 調(diào)蓄池對(duì)污染物的削減作用是通過降雨結(jié)束后將截流的雨水排入污水處理廠處理來實(shí)現(xiàn)的,污水處理廠執(zhí)行江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 32/4440—2022《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的A 級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn),其中CODcr≤30 mg/L、TN≤10 mg/L。 各調(diào)蓄池容積根據(jù)GB 51174—2017《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》中分流制排水系統(tǒng)徑流污染控制的公式進(jìn)行確定,各個(gè)調(diào)蓄池的服務(wù)面積及調(diào)蓄容積如表1所示。

表1 不同調(diào)蓄池的服務(wù)面積Tab.1 Service area of different reservoirs

圖3 調(diào)蓄池設(shè)置位置Fig.3 Reservoir setting location

2.2 單場降雨時(shí)調(diào)蓄池工作邏輯

在進(jìn)行單場降雨模擬時(shí),SWMM 模型中末端調(diào)蓄池自動(dòng)截流工作方式的實(shí)現(xiàn)是控制的關(guān)鍵。 為實(shí)現(xiàn)該控制條件,本研究中通過編輯控制語言,并輸入到control 編輯模塊中,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)蓄池啟閉的自動(dòng)控制。 具體實(shí)現(xiàn)原理為:通過孔口分別連接末端調(diào)蓄池和排水口,當(dāng)調(diào)蓄池內(nèi)水深未達(dá)到設(shè)定深度時(shí),調(diào)蓄池孔口全開,排水口孔口關(guān)閉,管道內(nèi)雨水進(jìn)入調(diào)蓄池;當(dāng)調(diào)蓄池內(nèi)水深達(dá)到設(shè)定深度時(shí),調(diào)蓄池孔口關(guān)閉,排水口孔口全開,管道內(nèi)雨水通過排水口排出。 具體控制條件如圖4 所示,控制結(jié)果如圖5所示。

圖4 調(diào)蓄池截流的控制條件Fig.4 Reservoir interception setting and control conditions

圖5 控制條件下孔口流量Fig.5 Orifice flow under control conditions

由圖4 可知,調(diào)蓄池與排水口分別通過Or_1 和Or_2 孔口相連,當(dāng)調(diào)蓄池內(nèi)水位未達(dá)到預(yù)設(shè)深度時(shí),連接調(diào)蓄池的Or_1 孔口開啟,而連接排水口的Or_2 孔口關(guān)閉,此時(shí)雨水進(jìn)入調(diào)蓄池而不從排水口排出。 當(dāng)調(diào)節(jié)池水位達(dá)到預(yù)設(shè)深度時(shí),連接調(diào)蓄池的Or_1 孔口關(guān)閉,而連接排水口的Or_2 孔口開啟,此時(shí)雨水不進(jìn)入調(diào)蓄池而從排水口排出。

2.3 連續(xù)降雨時(shí)調(diào)蓄池工作邏輯

SWMM 模型中,調(diào)蓄池中貯存的水量無法自動(dòng)排出,需要添加控制規(guī)則進(jìn)行工作邏輯的設(shè)定來實(shí)現(xiàn)[8]。 在本研究中,通過控制水泵的啟閉及流量大小,實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)蓄池運(yùn)行規(guī)則和排空時(shí)間的控制。水泵的開啟和關(guān)閉是通過模型中control 編輯模塊進(jìn)行的條件控制,而水泵的流量大小則是通過水泵曲線TYPE1 類型進(jìn)行設(shè)置的。 具體原理如下,在每個(gè)調(diào)蓄池后面加設(shè)水泵及排水口,水泵通過調(diào)蓄池前管道流量和調(diào)蓄池內(nèi)水位進(jìn)行條件控制。 當(dāng)調(diào)蓄池前管道流量不大于0.2 m3/s 且調(diào)蓄池內(nèi)水位不小于2 m 時(shí),水泵開啟,將調(diào)蓄池內(nèi)雨水排出;當(dāng)調(diào)蓄池前管道流量大于0.2 m3/s 或調(diào)蓄池內(nèi)水位小于0.1 m 時(shí),水泵關(guān)閉。 SWMM 模擬中,模擬降雨量按d 統(tǒng)計(jì),持續(xù)時(shí)間為2 年,調(diào)蓄池開啟和關(guān)閉的邏輯控制如圖6 所示。

圖6 調(diào)蓄池開啟和關(guān)閉的邏輯控制圖Fig.6 Logical control diagram for the opening and closing of the reservoir

未設(shè)置和設(shè)置運(yùn)行規(guī)則和排空時(shí)間的T01 調(diào)蓄池水位情況如圖7 所示,當(dāng)未設(shè)置調(diào)蓄池運(yùn)行規(guī)則和排空時(shí)間時(shí),T01 調(diào)蓄池僅在第一次降雨時(shí)發(fā)揮了其調(diào)蓄作用,其余時(shí)間一直保持最大水深狀態(tài),未發(fā)揮作用。 然而,當(dāng)設(shè)置調(diào)蓄池運(yùn)行規(guī)則和排空時(shí)間時(shí),調(diào)蓄池會(huì)在降雨結(jié)束后根據(jù)運(yùn)行規(guī)則和排空時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)排空,當(dāng)再次降雨時(shí),重新接收雨水。這表明設(shè)置運(yùn)行規(guī)則和排空時(shí)間可以使調(diào)蓄池發(fā)揮其調(diào)蓄作用,使其適應(yīng)于連續(xù)降雨情況。

圖7 未設(shè)置(左圖)和設(shè)置(右圖)運(yùn)行規(guī)則和排空時(shí)間的T01 調(diào)蓄池水位情況Fig.7 Water Level of T01 Reservoir without (Left) and with (Right) Operating Rule and Emptying Time

3 模擬結(jié)果與分析

為了研究調(diào)蓄池在不同運(yùn)行規(guī)則和排空時(shí)間下對(duì)初期雨水的控制次數(shù)和污染物削減率的影響,參考李俊奇等[8]的研究中對(duì)調(diào)蓄池排水規(guī)則的設(shè)置,本研究設(shè)定了兩種運(yùn)行規(guī)則:分別為降雨24 小時(shí)和48 小時(shí)后開始排水,并設(shè)定了兩種排空時(shí)間規(guī)則:分別為調(diào)蓄池24 小時(shí)和48 小時(shí)排空收集的雨水。統(tǒng)計(jì)了連續(xù)降雨下6 座調(diào)蓄池內(nèi)水位高于1 m 時(shí)的平均次數(shù)(以下簡稱調(diào)節(jié)次數(shù)),結(jié)果如表2 所示,在相同的運(yùn)行規(guī)則下,調(diào)蓄池調(diào)蓄深度對(duì)調(diào)節(jié)次數(shù)的影響較小。 然而,在相同的運(yùn)行規(guī)則下,不同的排空時(shí)間導(dǎo)致調(diào)蓄池的調(diào)節(jié)次數(shù)差異較大;調(diào)蓄池24 h 排空比48 h 排空,可使調(diào)節(jié)次數(shù)的平均值分別增加11.8 次(降雨24 h 開泵)和12.9 次(降雨48 h開泵)。 這說明排空時(shí)間影響調(diào)蓄池在連續(xù)降雨下的調(diào)節(jié)次數(shù),調(diào)蓄池內(nèi)的雨水越快排空,越能發(fā)揮其調(diào)蓄作用;若調(diào)蓄池內(nèi)的雨水停留時(shí)間過長,將會(huì)影響其在臨近降雨時(shí)的調(diào)蓄作用。 在相同的排空時(shí)間下,不同的運(yùn)行規(guī)則也會(huì)影響調(diào)蓄池的調(diào)節(jié)次數(shù),調(diào)蓄池越早開始排水,調(diào)節(jié)次數(shù)越多;降雨24 h 開泵比48 h 開泵,可使調(diào)節(jié)次數(shù)的平均值分別增加1.9 次(24 h 排空)和2.9 次(48 h 排空)。 這說明調(diào)蓄池的調(diào)節(jié)次數(shù)也受運(yùn)行規(guī)則的影響,但影響相對(duì)較小。

表2 不同運(yùn)行規(guī)則和排空時(shí)間下6 座調(diào)蓄池的平均調(diào)節(jié)次數(shù)Tab.2 Average adjustment frequency in six reservoirs under different operating rules and emptying times

調(diào)蓄池在不同運(yùn)行規(guī)則和排空時(shí)間下對(duì)初期雨水污染物削減率的效果如表3 和表4 所示。 在相同的運(yùn)行規(guī)則和排空情況下,調(diào)蓄池對(duì)COD 的削減效果優(yōu)于對(duì)TN 的削減效果。 在相同的運(yùn)行規(guī)則下,調(diào)蓄池的排空時(shí)間越短,對(duì)污染物的削減率越高。其中,在降雨24 h 開泵的運(yùn)行規(guī)則下,調(diào)蓄池24 h排空相比于48 h 排空,COD 和TN 的削減率分別提高了2.28%～2.92%和2.2%～2.59%;而在降雨48 h 開泵的運(yùn)行規(guī)則下,調(diào)蓄池24 h 排空相比于48 h排空,COD 和TN 的削減率分別提高了2.2% ～2.94%和2.16%～2.66%。 此外,在相同的排空時(shí)間下,調(diào)蓄池降雨24 h 開泵的運(yùn)行規(guī)則對(duì)COD 和TN 的削減率略高于48 h 開泵的運(yùn)行規(guī)則。 其中,在24 h 排空條件下,降雨24 h 開泵相比于48 h 開泵,COD 和TN 的削減率分別提高了0.27% ～0.35%和0.15%～0.22%;而在48 h 排空條件下,降雨24 h 開泵相比于48 h 開泵,COD 和TN 的削減率分別提高了0.19%～0.36%和0.11%～0.25%。

表3 降雨24 h 開泵污染物削減率Tab.3 Reduction Rate of Pollutants Starting to Drain Water after 24 Hours of Rainfall

表4 降雨48 h 開泵污染物削減率Tab.4 Reduction Rate of Pollutants Starting to Drain Water after 48 Hours of Rainfall

4 結(jié)論

① 連續(xù)降雨下,調(diào)蓄池需要設(shè)置運(yùn)行規(guī)則和排空時(shí)間,以實(shí)現(xiàn)調(diào)蓄池中貯存雨水的自動(dòng)排出,確保其在連續(xù)降雨下能夠發(fā)揮調(diào)蓄作用。 運(yùn)行規(guī)則和排空時(shí)間的設(shè)置可通過控制水泵的啟閉和流量大小來實(shí)現(xiàn)。

② 末端調(diào)蓄池在城市面源污染控制中能夠發(fā)揮一定的作用,在連續(xù)降雨下,調(diào)蓄池的運(yùn)行規(guī)則和排空時(shí)間能夠影響調(diào)蓄池的調(diào)節(jié)次數(shù)和對(duì)污染物的削減率。 其中,運(yùn)行規(guī)則對(duì)調(diào)節(jié)次數(shù)和污染物削減率影響相對(duì)較小,而排空時(shí)間對(duì)調(diào)節(jié)次數(shù)和污染物削減率影響相對(duì)較大。 調(diào)蓄池越快開始排出雨水,其能在臨近降雨中更好發(fā)揮調(diào)節(jié)作用,并提高污染物的削減率。