排水系統條件對分流制排水系統調蓄池環境效益的影響研究*

徐旻輝

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

由于城市化進程的加速，城市生活、工業用水量和排水量急劇增加，不完善的環保措施導致水資源受到破壞。隨著環保設施的不斷完善，城市生活污水和工業廢水逐步得到治理，水環境質量得到改善。城市點源污染逐步受到控制的同時，面源污染對水環境污染問題進一步突顯。雨水沖刷大氣和地表，因而裹挾大量的懸浮固體、營養物質、好氧物質、重金屬、殺蟲劑、多氯聯苯和多環芳烴等污染物[1]，通過管道或地表漫流排入水體，造成江河湖泊等受納水體的水質在短時間內惡化。常靜[2]等進行了上海城市降雨徑流污染的研究，研究結果表明上海中心城區路面徑流主要污染物為SS 和COD，超過國家地表水Ⅴ類標準4 倍；總磷超過國家地表水Ⅴ類標準2 倍，總氮也有不同程度的污染。

徑流污染控制調蓄池可以收集初期雨水，減少雨水徑流對水體的污染。近年來，我國分流制排水系統在城市排水體制中占據的比例迅速提升，現行分流制排水系統往往缺少截污設施，雨水徑流中攜帶的污染物直排水體，因此有必要對分流制系統中的徑流污染控制調蓄池進行研究。劉洪波[3]等指出上海世博園建設了浦明、后灘、南碼頭和蒙自等4 座分流制調蓄池收集初期雨水，總容積為19800m3，經測算每年可減排初期雨水COD 共1200t。由于為現有排水系統增設調蓄池，因此有必要對分流制排水系統的現狀條件對設置徑流污染控制調蓄池后的截流截污效果進行研究。本文對分流制排水系統的徑流污染控制調蓄池，采用SWMM 軟件進行模擬研究，考察排水系統條件和排水系統運行模式等各因素對雨水徑流的截流截污效率影響，識別影響調蓄池環境效益的主要因素，為優化徑流污染控制調蓄池的設計和運行提供依據。

1 研究方法

1.1 排水系統模型的建立和水文、水力模型

研究選取某分流制排水系統，服務面積3.77km2，雨水泵站規模為58m3/s。根據匯水面特征，將排水系統細分為82 個子匯水區域。下滲模型采用Horton 模型，通過參數設置綜合徑流系數為0.65。地面匯流采用非線性水庫模型，利用動態波模型計算管網匯流。

1.2 污染物模擬

研究選取SS 和COD 作為污染物模擬指標，污染物累積方程采用指數函數形式，沖刷方程也采用指數函數形式，設定清掃間隔時間為1 天。依據用地性質將土地利用類型分為住宅、道路、商業和綠地，水質模型參數參考類似地區的模型參數，并根據實際情況調整[4]，水質模型參數如表1 所示。

表1 水質模型參數

1.3 設計降雨序列

調蓄池污染控制宜采用實際降雨過程建模[5]，本研究降雨時間序列采用一個典型年逐五分鐘降雨數據，該典型年降雨量為1183mm，統計得到，間隔在2h 以上的降雨全年共有131 場。

1.4 調蓄池設置

模型在水泵前增加一處節點作為水泵的前池，初期雨水依靠重力從水泵前流入調蓄池。調蓄池容積依據《城鎮徑流污染控制調蓄池技術規程》[6]計算確定，分流制排水系統初期雨水調蓄量取8mm，計算得到調蓄池體積為20000m3。

2 結果與討論

2.1 排水系統條件對調蓄池效率的分析

調蓄池服務的排水系統情況，如地面集水距離、地面綜合徑流系數、地面坡度、管道坡度等，將影響雨水初期沖刷程度、地面集水時間和管渠內流行時間等，對調蓄池的截流截污效率產生影響[7，8]。

2.1.1 地面集水距離對截流截污效率的影響

研究表明地面集水距離即SWMM 中子匯水區特征寬度，是模型中主要的敏感參數[9]。采用實際排水區域特征寬度，以及設定特征寬度50 和1000 進行模擬。模擬結果如圖1 所示，當子匯水區特征寬度為50、實際值和1000 時，徑流污染控制調蓄池對降雨徑流的截流率為49～52%左右，對降雨徑流中SS 和COD 的截留率為50～52%和46～48%左右。研究結果表明在此排水系統模型中，地面集水距離對調蓄池截污效率影響不大，這可能是由于在較大面積的排水系統中，雨水在管道內流經時間較長，地面集水距離導致集水時間的差異可忽略。

2.1.2 地面綜合徑流系數對截流截污效率的影響

圖1 地面集水距離對截流截污效率的影響

圖2 地面綜合徑流系數對截流截污效率的影響

圖2 顯示了不同地面綜合徑流系數，對徑流污染控制調蓄池截流截污效率的影響。當地面綜合徑流系數為0.5、0.65、0.7 和0.8 時，調蓄池對降雨徑流的截流率分別為59%、51%、49%和45%。隨著徑流系數的增大，調蓄池的截流率逐漸減小，當徑流系數增大時，雨水徑流量增大，在調蓄池容積一定的情況下，調蓄池截流的雨水比例減少。當地面綜合徑流系數為0.5、0.65、0.7 和0.8 時，調蓄池對降雨徑流SS 和COD 的截留率分別為59%、53%、51%、49%和54%、46%、45%、42%。當徑流系數增大時，雨水徑流總量增大，徑流污染總量相應增大，但由于截流率下降，調蓄池對污染物的截留率也呈現下降趨勢。

2.1.3 地面坡度對截流截污效率的影響

由圖3 可知，當地面坡度分別為0.1%、0.5%、1%和2%時，徑流污染控制調蓄池對降雨徑流的截流率均為51%左右，對降雨徑流中SS 和COD 的截留率均為52%和46%左右。當地面坡度不同時，雨水徑流總量保持不變，調蓄池截流率不發生顯著變化；雖然地面坡度增大，增強了初期沖刷效應的強度[10]，但在大面積排水系統中，增強的初期沖刷效應不足以影響調蓄池對污染物的截留率。

圖3 地面坡度對截流截污效率的影響

2.1.4 管道坡度對截流截污效率的影響

在設計充滿度下為保持不淤流速，排水管道設計時要求最小設計坡度。如圖4 所示，當管道坡度分別為實際坡度、0.5‰和1‰時，徑流污染控制調蓄池對降雨徑流的截流率均為51%左右，對降雨徑流中SS 和COD 的截留率均為53%和46%左右。當排水管道流速大于不淤流速時，管道坡度對調蓄池的截流截污效果無顯著影響。

圖4 管道坡度對截流截污效率的影響

2.2 排水系統運行模式對調蓄池效率的分析

調蓄池所在排水系統的運行模式，如管道運行水位、地面清掃頻率等[1]，將是優化調蓄池運行的關鍵參數，對實際調蓄池運行產生重要影響。

2.2.1 地面清掃頻率對截流截污效率的影響

地面清掃頻率影響地表累積的污染物濃度，進而影響徑流污染物的濃度。研究不同的清掃頻率對調蓄池截流截污效率的影響，結果如圖5 所示，當清掃間隔時間為1 天、2 天、3 天和 4 天時，調蓄池對降雨徑流的截流率均為51%，調蓄池對降雨徑流SS 和COD 的截留率分別為50%～53%和43%～46%。清掃頻率對調蓄池的截流控污效率無顯著影響，但清掃頻率較高時，雨水泵站排放水體的污染物總量將顯著降低。

圖5 清掃頻率對截流截污效率的影響

2.2.2 管道運行水位對截流截污效率的影響

由于地下水水位高，或雨水管道存在滲漏的情況，部分地區雨水管道保持高水位運行，模擬研究考察雨水管道運行水位對調蓄池截流截污效率的影響。如圖6 所示，當雨水管道運行水位控制為旱季空管、調蓄池進水管管頂、調蓄池進水管管頂1m 和調蓄池進水管管頂2m 時，調蓄池對降雨徑流的截流率均為48%～51%，調蓄池對降雨徑流SS 和COD 的截留率分別為51%、37%、42%、45%和46%、34%、39%、42%。當排水系統采用旱季空管方式運行時，調蓄池可收集更多初期雨水，截污效率高于帶水位運行的排水系統。周驊[11]對調蓄池功能進行研究時，同樣發現當管道水位高時，管道中的水擠占調蓄池容量，影響調蓄池收集初期雨水，降低調蓄池的效益。帶水位運行的排水系統中，管道運行水位越高，調蓄池對污染物的截留率略高，雨水管道發揮部分調蓄作用，略有利于調蓄池收集徑流污染。

3 結論

（1）地面綜合徑流系數為0.5～0.8 時，徑流系數越大，調蓄池截流截污效率越小。

圖6 管道運行水位對截流截污效率的影響

（2）旱季空管運行的排水系統中，調蓄池截污效率大于帶水位運行系統的調蓄池。

（3）地面集水距離、地面坡度、管道坡度和地面清掃頻率對調蓄池截污效率無顯著影響。