基于雨洪管理的城市湖泊污染控制及調(diào)蓄研究

【摘要】城市中的湖泊是城市重要的水體形態(tài)和資源，具有調(diào)蓄洪水、改善城市生態(tài)環(huán)境和提供水資源等功能。為實(shí)現(xiàn)雨水的統(tǒng)籌管理調(diào)度和資源化利用。文中以合肥工業(yè)大學(xué)勵(lì)人湖入水污染控制與調(diào)蓄改造工程為研究對(duì)象，通過(guò)構(gòu)建勵(lì)人湖生態(tài)濾池凈化系統(tǒng)和激活湖體的調(diào)蓄空間，解決湖體水質(zhì)差、片區(qū)內(nèi)澇和河道生態(tài)基流不足等問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】水環(huán)境質(zhì)量；湖泊治理；污染控制；調(diào)蓄改造

【中圖分類號(hào)】TU992" " " 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" " " "【文章編號(hào)】1673-6028（2024）01-0026-03

0 引言

近年來(lái)，極端強(qiáng)降雨天氣頻繁，暴雨引發(fā)的城市內(nèi)澇、機(jī)能癱瘓問(wèn)題，已引起公眾的普遍關(guān)注，雨洪水的調(diào)蓄、利用已逐漸成為雨洪管理中的新熱點(diǎn)。勵(lì)人湖入水污染控制與調(diào)蓄改造工程構(gòu)建勵(lì)人湖生態(tài)濾池凈化系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)利用湖體的調(diào)蓄空間，控制徑流污染、緩解洪澇災(zāi)害、利用雨水資源等。

1 概況

勵(lì)人湖是合肥工業(yè)大學(xué)翡翠湖校區(qū)內(nèi)的自然湖泊，根據(jù)校區(qū)排水管網(wǎng)總體布置，勵(lì)人湖承擔(dān)了整個(gè)校區(qū)的排水和調(diào)蓄，總集水面積為62.4hm2。北湖水通過(guò)排水管道和箱涵進(jìn)入南湖，最后排至東支1箱涵。

由于東支1現(xiàn)狀箱涵排水能力不足，合肥工業(yè)大學(xué)東門處存在內(nèi)澇問(wèn)題 ；同時(shí)，因初期雨水經(jīng)歷污染，湖體水質(zhì)波動(dòng)較大，屬于IV類或V類水。

2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與參數(shù)

2.1 初期雨水截流和處理標(biāo)準(zhǔn)

（1）初期雨水截流標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于初雨截流系統(tǒng)規(guī)模的計(jì)算方法，目前國(guó)內(nèi)尚缺乏統(tǒng)一的確定。有研究認(rèn)為，1h雨量達(dá)到12.7mm的降雨能沖刷掉90%以上的地表污染物；同濟(jì)大學(xué)對(duì)上海芙蓉江、水城路等地區(qū)的雨水地面徑流研究表明，在降雨量達(dá)到10mm時(shí)，徑流水質(zhì)已基本穩(wěn)定；國(guó)內(nèi)還有研究認(rèn)為一般控制量在6～8mm可控制60%～80%的污染量。因此，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，截流及調(diào)蓄標(biāo)準(zhǔn)可取4～8mm，地面污染程度較嚴(yán)重的區(qū)域宜取上限[1]。

依據(jù)合肥市中心城區(qū)初期雨水污染治理專項(xiàng)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于合流制地區(qū)（老城區(qū)）截流標(biāo)準(zhǔn)為14mm降雨；對(duì)于分流制地區(qū)，混接嚴(yán)重地區(qū)截流標(biāo)準(zhǔn)為8mm降雨，新建區(qū)截流標(biāo)準(zhǔn)為5mm降雨[2]。

綜上考慮，本工程采用截流標(biāo)準(zhǔn)為5mm。

（2）初期雨水處理標(biāo)準(zhǔn)。徑流污染控制是低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)的控制目標(biāo)之一，既要控制分流制徑流污染物總量，同時(shí)也要控制合流制區(qū)域的溢流頻次和污染物總量。

根據(jù)相關(guān)研究，地表徑流污染指標(biāo)中的SS和COD的濃度和去除率有線性關(guān)系。而通常SS的去除效果在一般的海綿措施中都能達(dá)到＞50%，相對(duì)COD去除而言比較好控制。為了更好保障湖體水體的水質(zhì)，切實(shí)提高水環(huán)境，本工程對(duì)每個(gè)雨水排口進(jìn)入水體的COD負(fù)荷總量進(jìn)行控制。根據(jù)德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，分流制系統(tǒng)下雨水排口的COD年均排出負(fù)荷應(yīng)小于250kgCOD/hm2。

2.2 內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)

本項(xiàng)目區(qū)域地形地貌以丘陵崗地為主，澇水順地勢(shì)匯集于片區(qū)低洼處，致使低洼處積澇嚴(yán)重。根據(jù)《合肥市城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃》，結(jié)合合肥市本地情況，內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)確定為：有效應(yīng)對(duì)50年一遇24h設(shè)計(jì)暴雨，居民住宅和工商業(yè)建筑物的底層不進(jìn)水；保證道路中單向至少一條車道的積水深度不超過(guò)15cm[3]。

3 湖泊入水污染控制工程

3.1 總體設(shè)計(jì)

勵(lì)人湖水面面積約4.8hm2，根據(jù)地勢(shì)分為北湖和南湖，由分隔壩隔開，北湖面積1.8hm2，南湖3.0hm2。根據(jù)校區(qū)排水管網(wǎng)總體布置以及物探結(jié)果，進(jìn)入勵(lì)人湖湖體的管網(wǎng)排口總共有11處。結(jié)合集水區(qū)劃分，共劃分為8個(gè)集水區(qū)，總集水面積為62.1hm2。其中直接進(jìn)入北湖集水面積為16.50hm2，直接進(jìn)入南湖集水面45.90hm2，北湖水通過(guò)溢流堰和限流管道進(jìn)入南湖，然后通過(guò)溢流堰排至東支1箱涵。

由于北湖東側(cè)綠地空間狹小，與主路間隔較近，無(wú)法利用現(xiàn)有綠地設(shè)置凈化設(shè)施，因此方案中考慮將東側(cè)沿線排口進(jìn)行初雨截流，截流至南側(cè)有較大綠地空間，E02―E04集水區(qū)通過(guò)初雨截流統(tǒng)一匯入南側(cè)末端的01#生態(tài)濾池進(jìn)行處理；南部的E05―E06集水區(qū)通過(guò)初雨截流后進(jìn)入西側(cè)02#生態(tài)濾池進(jìn)行處理；中部的E07集水區(qū)通過(guò)初雨截流后進(jìn)入03#生態(tài)濾池進(jìn)行處理；北側(cè)的E08和E01集水區(qū)進(jìn)入04#生態(tài)濾池處理，生態(tài)濾池規(guī)模如表1所示。

通過(guò)對(duì)入湖的雨水管網(wǎng)進(jìn)行初雨截流和處理，初雨凈化工藝采用預(yù)沉淀+生態(tài)濾池處理工藝，對(duì)入湖徑流污染進(jìn)行控制和消減，為湖體水環(huán)境質(zhì)量提升提供保障。

小雨時(shí)，將初雨雨水通過(guò)分流構(gòu)筑物截流至雨水沉淀池，雨水沉淀池預(yù)處理后進(jìn)入生態(tài)濾池進(jìn)行處理，處理后進(jìn)入湖體，根據(jù)出水標(biāo)高與水體水位標(biāo)高的關(guān)系，考慮是否自流出水或者用泵提升出水。

大雨時(shí)，超過(guò)截流雨水或翻越分流構(gòu)筑物的溢流直接進(jìn)入湖體，同時(shí)生態(tài)濾池也有可能超負(fù)荷進(jìn)水，這時(shí)超過(guò)生態(tài)濾池進(jìn)水負(fù)荷的水則在沉淀池和生態(tài)濾池簡(jiǎn)單沉淀后，通過(guò)生態(tài)濾池溢流堰溢流進(jìn)入湖體，此時(shí)水體的污染濃度已經(jīng)降至很低，為確保上游管網(wǎng)排水安全，只能溢流進(jìn)入湖體。

雨后，生態(tài)濾池會(huì)繼續(xù)處理管網(wǎng)和生態(tài)濾池蓄留的雨水，可以繼續(xù)處理，通過(guò)滲管排出，延緩了徑流時(shí)長(zhǎng)，提高勵(lì)人湖水體常水位的保證率。

3.2 生態(tài)濾池

生態(tài)濾池是深度凈化雨水的設(shè)施。雨水在生態(tài)濾池中可以滯留并被儲(chǔ)存（調(diào)蓄），生態(tài)濾池中儲(chǔ)存的雨水通過(guò)沙濾層滲透后排空。雨水在下滲過(guò)程中被過(guò)濾凈化，各種不同機(jī)理協(xié)作進(jìn)行凈化。一方面，污染物通過(guò)砂礫表面的過(guò)濾作用，固體物質(zhì)被物理分離；另一方面，溶解物與過(guò)濾濾料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從水中長(zhǎng)期或暫時(shí)地被去除。在過(guò)濾濾料的顆粒表面生長(zhǎng)的細(xì)菌，以水中的污染物質(zhì)為養(yǎng)分。細(xì)菌通過(guò)消耗氧氣將有機(jī)污染物（COD）分解為二氧化碳和水。因此，營(yíng)養(yǎng)物（排入受污染雨水）和氧氣（降雨結(jié)束后不進(jìn)水）的充足供應(yīng)，是保障良好凈化效果的必備條件。

4 湖泊調(diào)蓄改造工程

充分利用勵(lì)人湖體大水面的調(diào)蓄空間，激活潛在調(diào)蓄能力，對(duì)工大校區(qū)自身集水區(qū)進(jìn)行調(diào)蓄，減輕對(duì)東支1下游的排水壓力，同時(shí)，將調(diào)蓄的雨水資源引入王建溝河道，作為王建溝的基流。

（1）勵(lì)人湖南湖溢流堰改造。勵(lì)人湖現(xiàn)狀水體通過(guò)湖體最南端溢流堰時(shí)，通過(guò)現(xiàn)狀DN1800排水管連接至王建溝東一支DN2000主排，雨天，工大雨水通過(guò)雨水管道排至勵(lì)人湖，勵(lì)人湖水面上漲，發(fā)生溢流，經(jīng)DN1800雨水管道排至東一支主排通過(guò)。

設(shè)計(jì)在DN1800溢流管道上增加一個(gè)自動(dòng)水位調(diào)節(jié)的溢流構(gòu)筑物。構(gòu)筑物內(nèi)設(shè)置電動(dòng)下開式堰門，堰門設(shè)置最低高程為27.00m，最高高程為28.30m，通常固定高程為28.00m。根據(jù)湖體水位控制情況以及東支1水位情況靈活調(diào)節(jié)堰的高度。既可以防止東支1的水反灌至工大湖，又可以有效激活工大湖的調(diào)蓄空間。

（2）勵(lì)人湖限流構(gòu)筑物和限流出水管。限流構(gòu)筑物設(shè)置于工大勵(lì)人湖南湖現(xiàn)狀溢流平臺(tái)西側(cè)，構(gòu)筑物采用鋼混結(jié)構(gòu)，設(shè)有高程為27m的溢流堰和限流閘門，限流流量為0.374m3/s，通過(guò)設(shè)置開啟度為40%，將高程超過(guò)27m的水限流排出。同時(shí)設(shè)有預(yù)降放空管，在特大暴雨來(lái)臨前，水位提前從27m預(yù)降至26.80m，騰出調(diào)蓄空間。在特大暴雨預(yù)報(bào)提前2個(gè)小時(shí)開啟電動(dòng)閥門，提前預(yù)降湖水水位。

新建限流出水管DN400接至西側(cè)翡翠湖壩下的王建溝主河道，作為王建溝的基流。

（3）勵(lì)人湖分隔壩溢流改造?，F(xiàn)狀工大勵(lì)人湖水面面積約4.8hm2，由分隔壩分隔為北湖和南湖，分隔壩位于湖中間偏北，北湖面積1.8hm2，南湖3.0hm2。北湖水通過(guò)分隔壩的溢流堰和限流管道進(jìn)入南湖，然后通過(guò)溢流堰排至東支1主排。分隔壩上共有4根DN300限流管和2道1500×1500排水涵。

為了保證南北湖激活相同的1m調(diào)蓄空間，需要對(duì)現(xiàn)有分隔壩的限流管和溢流管進(jìn)行調(diào)整。主要調(diào)整內(nèi)容為現(xiàn)狀4根限流管DN300改成1根，限流能力為DN300，在溢流箱涵內(nèi)設(shè)置疊梁閘，疊梁閘設(shè)置高程為29.53m，保證1m的調(diào)蓄空間，同時(shí)，疊梁閘可以通過(guò)檢修孔，根據(jù)運(yùn)行情況靈活調(diào)整。

隔斷壩上游湖常水位28.6m，降雨后水位上升開始限流出水，限流出水量120L/s。

為了進(jìn)一步提高工大勵(lì)人湖排水安全性，應(yīng)對(duì)超過(guò)50年一遇標(biāo)準(zhǔn)增加超過(guò)28m水位的溢流通道，在極端大暴雨時(shí)，通過(guò)溢流通道確保工大湖排水安全。工大湖溢流通道可以和限流出水DN400管道共用，沿翡翠路北側(cè)新建DN1000排水管涵至翡翠湖壩下處。

5 模型結(jié)果驗(yàn)證

（1）基于KOSIM模型對(duì)入湖污染控制模擬驗(yàn)證。為了評(píng)估雨水通過(guò)凈化設(shè)施處理后，進(jìn)入湖體的污染物削減程度以及凈化效果，對(duì)采取的凈化措施進(jìn)行了KOSIM模擬，基于KOSIM模型對(duì)凈化設(shè)施的有效性和工程可達(dá)性進(jìn)行驗(yàn)證。

以單元集水區(qū)為基本模塊，根據(jù)排水系統(tǒng)之間水力聯(lián)系以及多級(jí)海綿設(shè)施的水力關(guān)系，構(gòu)建工大勵(lì)人湖生態(tài)濾池凈化系統(tǒng)的KOSIM水文模型，模擬結(jié)果得到污染物除去效率如表2所示。

從污染負(fù)荷量來(lái)看，進(jìn)入生態(tài)濾池的污染物負(fù)荷分別為：COD16786kg/a、SS21262kg/a、NH3-N168kg/a、TP56kg/a。經(jīng)生態(tài)濾池處理后，出水污染物負(fù)荷量分別為：COD4559kg/a、SS2426kg/a、NH3-N20kg/a、TP23kg/a。污染物去除率分別為：COD72.84%、SS88.59%、NH3-N88.10%、TP58.93%。入湖單位面積平均的COD負(fù)荷為256.7kg/（hm2·a），接近于要求的250kg/（hm2·a），各集水區(qū)單元都達(dá)到了污染物消減目標(biāo)要求，對(duì)勵(lì)人湖水體水環(huán)境質(zhì)量保障有積極意義。

（2）基于TALSIM模型對(duì)湖體調(diào)蓄改造模擬驗(yàn)證。為了評(píng)估湖體調(diào)蓄溢流改造后，在不用降雨工況下湖體洪水位的變化情況下，對(duì)降雨—徑流—調(diào)蓄進(jìn)行了TALSI模擬，基于TALSI模型對(duì)調(diào)蓄設(shè)施的有效性和工程可達(dá)性進(jìn)行驗(yàn)證。

通過(guò)對(duì)勵(lì)人湖調(diào)蓄改造的建模分析，在不同降雨工況下，湖體的最高蓄水位如表3所示。

通過(guò)地形分析及不同降雨工況下的最高蓄水位，繪制勵(lì)人湖的淹沒(méi)范圍，分析周邊岸線的淹沒(méi)頻次。通過(guò)提前預(yù)降0.2m的水位，10年一遇降雨工況下，湖體周邊的游步道不發(fā)生淹沒(méi)；50年一遇降雨工況下，蓄水位最高達(dá)到1m，北湖水位達(dá)到29.532m，南湖水位達(dá)到28.000m，湖體周邊的游步道發(fā)生淹沒(méi)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)初雨截流、沉淀和生態(tài)濾池組成的多級(jí)分流凈化體系，實(shí)現(xiàn)了徑流污染物消減的總體目標(biāo)，對(duì)勵(lì)人湖的水質(zhì)保障有積極作用；同時(shí)，通過(guò)提高和激活勵(lì)人湖的調(diào)蓄能力，增加了約4.8萬(wàn)m3的調(diào)蓄空間，大大削減了東支1主排水箱涵排水壓力，解決了城市片區(qū)內(nèi)澇問(wèn)題。

本文以勵(lì)人湖入水污染控制與調(diào)蓄改造為研究對(duì)象，利用構(gòu)建生態(tài)濾池凈化系統(tǒng)改善湖體的水環(huán)境質(zhì)量，通過(guò)湖體調(diào)蓄空間的改造解決城市內(nèi)澇問(wèn)題，并采用模型進(jìn)行了驗(yàn)證與分析，對(duì)同類城市湖泊治理具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] GB51174 ―2017，城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范[S].

中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2017.

[2] 合肥市中心城區(qū)初期雨水污染治理專項(xiàng)規(guī)劃[S].上

海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，2014.

[3] GB51222―2017，城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范[S].中華人

民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2017.

[作者簡(jiǎn)介]黃永偉（1985—），男，安徽宣城人，碩士，工程師。