排水系統(tǒng)條件對分流制排水系統(tǒng)調(diào)蓄池環(huán)境效益的影響研究*

徐旻輝

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

由于城市化進(jìn)程的加速，城市生活、工業(yè)用水量和排水量急劇增加，不完善的環(huán)保措施導(dǎo)致水資源受到破壞。隨著環(huán)保設(shè)施的不斷完善，城市生活污水和工業(yè)廢水逐步得到治理，水環(huán)境質(zhì)量得到改善。城市點(diǎn)源污染逐步受到控制的同時(shí)，面源污染對水環(huán)境污染問題進(jìn)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(yǎng)物質(zhì)、好氧物質(zhì)、重金屬、殺蟲劑、多氯聯(lián)苯和多環(huán)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(zhì)在短時(shí)間內(nèi)惡化。常靜[2]等進(jìn)行了上海城市降雨徑流污染的研究，研究結(jié)果表明上海中心城區(qū)路面徑流主要污染物為SS 和COD，超過國家地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)4 倍；總磷超過國家地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)2 倍，總氮也有不同程度的污染。

徑流污染控制調(diào)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(tǒng)在城市排水體制中占據(jù)的比例迅速提升，現(xiàn)行分流制排水系統(tǒng)往往缺少截污設(shè)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(tǒng)中的徑流污染控制調(diào)蓄池進(jìn)行研究。劉洪波[3]等指出上海世博園建設(shè)了浦明、后灘、南碼頭和蒙自等4 座分流制調(diào)蓄池收集初期雨水，總?cè)莘e為19800m3，經(jīng)測算每年可減排初期雨水COD 共1200t。由于為現(xiàn)有排水系統(tǒng)增設(shè)調(diào)蓄池，因此有必要對分流制排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀條件對設(shè)置徑流污染控制調(diào)蓄池后的截流截污效果進(jìn)行研究。本文對分流制排水系統(tǒng)的徑流污染控制調(diào)蓄池，采用SWMM 軟件進(jìn)行模擬研究，考察排水系統(tǒng)條件和排水系統(tǒng)運(yùn)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(diào)蓄池環(huán)境效益的主要因素，為優(yōu)化徑流污染控制調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 排水系統(tǒng)模型的建立和水文、水力模型

研究選取某分流制排水系統(tǒng)，服務(wù)面積3.77km2，雨水泵站規(guī)模為58m3/s。根據(jù)匯水面特征，將排水系統(tǒng)細(xì)分為82 個(gè)子匯水區(qū)域。下滲模型采用Horton 模型，通過參數(shù)設(shè)置綜合徑流系數(shù)為0.65。地面匯流采用非線性水庫模型，利用動(dòng)態(tài)波模型計(jì)算管網(wǎng)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(biāo)，污染物累積方程采用指數(shù)函數(shù)形式，沖刷方程也采用指數(shù)函數(shù)形式，設(shè)定清掃間隔時(shí)間為1 天。依據(jù)用地性質(zhì)將土地利用類型分為住宅、道路、商業(yè)和綠地，水質(zhì)模型參數(shù)參考類似地區(qū)的模型參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整[4]，水質(zhì)模型參數(shù)如表1 所示。

表1 水質(zhì)模型參數(shù)

1.3 設(shè)計(jì)降雨序列

調(diào)蓄池污染控制宜采用實(shí)際降雨過程建模[5]，本研究降雨時(shí)間序列采用一個(gè)典型年逐五分鐘降雨數(shù)據(jù)，該典型年降雨量為1183mm，統(tǒng)計(jì)得到，間隔在2h 以上的降雨全年共有131 場。

1.4 調(diào)蓄池設(shè)置

模型在水泵前增加一處節(jié)點(diǎn)作為水泵的前池，初期雨水依靠重力從水泵前流入調(diào)蓄池。調(diào)蓄池容積依據(jù)《城鎮(zhèn)徑流污染控制調(diào)蓄池技術(shù)規(guī)程》[6]計(jì)算確定，分流制排水系統(tǒng)初期雨水調(diào)蓄量取8mm，計(jì)算得到調(diào)蓄池體積為20000m3。

2 結(jié)果與討論

2.1 排水系統(tǒng)條件對調(diào)蓄池效率的分析

調(diào)蓄池服務(wù)的排水系統(tǒng)情況，如地面集水距離、地面綜合徑流系數(shù)、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(shí)間和管渠內(nèi)流行時(shí)間等，對調(diào)蓄池的截流截污效率產(chǎn)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(qū)特征寬度，是模型中主要的敏感參數(shù)[9]。采用實(shí)際排水區(qū)域特征寬度，以及設(shè)定特征寬度50 和1000 進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果如圖1 所示，當(dāng)子匯水區(qū)特征寬度為50、實(shí)際值和1000 時(shí)，徑流污染控制調(diào)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(jié)果表明在此排水系統(tǒng)模型中，地面集水距離對調(diào)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(tǒng)中，雨水在管道內(nèi)流經(jīng)時(shí)間較長，地面集水距離導(dǎo)致集水時(shí)間的差異可忽略。

2.1.2 地面綜合徑流系數(shù)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(shù)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(shù)，對徑流污染控制調(diào)蓄池截流截污效率的影響。當(dāng)?shù)孛婢C合徑流系數(shù)為0.5、0.65、0.7 和0.8 時(shí)，調(diào)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(shù)的增大，調(diào)蓄池的截流率逐漸減小，當(dāng)徑流系數(shù)增大時(shí)，雨水徑流量增大，在調(diào)蓄池容積一定的情況下，調(diào)蓄池截流的雨水比例減少。當(dāng)?shù)孛婢C合徑流系數(shù)為0.5、0.65、0.7 和0.8 時(shí)，調(diào)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(dāng)徑流系數(shù)增大時(shí)，雨水徑流總量增大，徑流污染總量相應(yīng)增大，但由于截流率下降，調(diào)蓄池對污染物的截留率也呈現(xiàn)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(dāng)?shù)孛嫫露确謩e為0.1%、0.5%、1%和2%時(shí)，徑流污染控制調(diào)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(dāng)?shù)孛嫫露炔煌瑫r(shí)，雨水徑流總量保持不變，調(diào)蓄池截流率不發(fā)生顯著變化；雖然地面坡度增大，增強(qiáng)了初期沖刷效應(yīng)的強(qiáng)度[10]，但在大面積排水系統(tǒng)中，增強(qiáng)的初期沖刷效應(yīng)不足以影響調(diào)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(shè)計(jì)充滿度下為保持不淤流速，排水管道設(shè)計(jì)時(shí)要求最小設(shè)計(jì)坡度。如圖4 所示，當(dāng)管道坡度分別為實(shí)際坡度、0.5‰和1‰時(shí)，徑流污染控制調(diào)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(dāng)排水管道流速大于不淤流速時(shí)，管道坡度對調(diào)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(tǒng)運(yùn)行模式對調(diào)蓄池效率的分析

調(diào)蓄池所在排水系統(tǒng)的運(yùn)行模式，如管道運(yùn)行水位、地面清掃頻率等[1]，將是優(yōu)化調(diào)蓄池運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，對實(shí)際調(diào)蓄池運(yùn)行產(chǎn)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(jìn)而影響徑流污染物的濃度。研究不同的清掃頻率對調(diào)蓄池截流截污效率的影響，結(jié)果如圖5 所示，當(dāng)清掃間隔時(shí)間為1 天、2 天、3 天和 4 天時(shí)，調(diào)蓄池對降雨徑流的截流率均為51%，調(diào)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(diào)蓄池的截流控污效率無顯著影響，但清掃頻率較高時(shí)，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(yùn)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(qū)雨水管道保持高水位運(yùn)行，模擬研究考察雨水管道運(yùn)行水位對調(diào)蓄池截流截污效率的影響。如圖6 所示，當(dāng)雨水管道運(yùn)行水位控制為旱季空管、調(diào)蓄池進(jìn)水管管頂、調(diào)蓄池進(jìn)水管管頂1m 和調(diào)蓄池進(jìn)水管管頂2m 時(shí)，調(diào)蓄池對降雨徑流的截流率均為48%～51%，調(diào)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(dāng)排水系統(tǒng)采用旱季空管方式運(yùn)行時(shí)，調(diào)蓄池可收集更多初期雨水，截污效率高于帶水位運(yùn)行的排水系統(tǒng)。周驊[11]對調(diào)蓄池功能進(jìn)行研究時(shí)，同樣發(fā)現(xiàn)當(dāng)管道水位高時(shí)，管道中的水?dāng)D占調(diào)蓄池容量，影響調(diào)蓄池收集初期雨水，降低調(diào)蓄池的效益。帶水位運(yùn)行的排水系統(tǒng)中，管道運(yùn)行水位越高，調(diào)蓄池對污染物的截留率略高，雨水管道發(fā)揮部分調(diào)蓄作用，略有利于調(diào)蓄池收集徑流污染。

3 結(jié)論

（1）地面綜合徑流系數(shù)為0.5～0.8 時(shí)，徑流系數(shù)越大，調(diào)蓄池截流截污效率越小。

圖6 管道運(yùn)行水位對截流截污效率的影響

（2）旱季空管運(yùn)行的排水系統(tǒng)中，調(diào)蓄池截污效率大于帶水位運(yùn)行系統(tǒng)的調(diào)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(diào)蓄池截污效率無顯著影響。