鋼鐵企業(yè)廠區(qū)初期雨水計(jì)算方法的初步探討

沙娜

（晉中市水利勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西晉中 030600）

0 前言

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的二氧化硫、煙塵等大氣污染物，在降雨開(kāi)始階段將被雨水吸收而帶回地面，并且在地表徑流形成過(guò)程中，雨水還會(huì)對(duì)露天料場(chǎng)、裝置等進(jìn)行沖刷，從而使得初期雨水徑流受到污染，如直接排入廠區(qū)雨水管網(wǎng)外排，將可能對(duì)收納水體造成污染。國(guó)內(nèi)外研究表明，降雨過(guò)程中地表所收集的雨水水質(zhì)具有顯著的規(guī)律性，降雨初始階段雨水中各項(xiàng)污染物濃度相對(duì)較高，并出現(xiàn)峰值，之后隨著降雨的持續(xù)，地表雨水中各項(xiàng)目污染物濃度顯著降低，在降雨中后期水質(zhì)通常較為穩(wěn)定。現(xiàn)行排水設(shè)計(jì)規(guī)范也明確要求應(yīng)對(duì)受污染的初始階段降雨進(jìn)行單獨(dú)收集處理[1-2]，現(xiàn)行環(huán)保排污許可證中也將工礦企業(yè)的初期雨水和生產(chǎn)廢水、生活污水等一起納入廢水類別進(jìn)行管理[3]。

現(xiàn)行給排水及環(huán)保規(guī)范中，對(duì)于初期雨水的污染性均予以認(rèn)同，但對(duì)于初期雨水的定義及設(shè)計(jì)流量的計(jì)算尚無(wú)統(tǒng)一的規(guī)定，而現(xiàn)行《鋼鐵企業(yè)給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中僅對(duì)初期雨水提出了“宜單獨(dú)收集處理”的要求，對(duì)其設(shè)計(jì)流量如何計(jì)算并未做出明確規(guī)定，本文擬以山西省晉中市某鋼鐵企業(yè)為例，參考國(guó)內(nèi)其他行業(yè)規(guī)范要求，對(duì)鋼鐵企業(yè)廠區(qū)初期雨水的計(jì)算方法進(jìn)行初步探討，為鋼鐵企業(yè)廠區(qū)雨水排水系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 初期雨水的定義

《給水排水工程基本術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50125—2010）中定義“初期雨水”為“降雨后初期產(chǎn)生的一定污染的徑流”，是否將收集的降雨徑流歸為“初期雨水”，主要取決于徑流中污染物濃度情況。

降雨徑流中的污染物主要來(lái)源于地表沉積的各種污染物，在降雨過(guò)程中的不斷沖刷下，地表污染物含量將逐漸降低，從而降雨徑流中的污染物濃度也將降低。國(guó)外有研究認(rèn)為對(duì)于屋面，降雨量0.4～1.0mm時(shí)，屬于初期雨水范疇，而國(guó)內(nèi)研究認(rèn)為初期雨水的降雨量要更高一些，有研究表明[4]總降雨量為10mm的一次降雨對(duì)市政道路進(jìn)行沖刷時(shí)，前2mm降雨量產(chǎn)生的雨水徑流中所包含污染物量將占到本次降雨全部雨水徑流中污染物總量的70%；也有國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)降雨過(guò)程中，雨水徑流中污染物濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，分析降雨歷時(shí)與污染物濃度的相關(guān)關(guān)系，通過(guò)降雨歷時(shí)來(lái)界定初期雨水，如趙劍強(qiáng)等[5]對(duì)降雨過(guò)程中西安市高速公路路面徑流水質(zhì)的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，路面徑流中各項(xiàng)污染物濃度在20min內(nèi)即可達(dá)到峰值，之后污染物濃度顯著降低，并趨于穩(wěn)定。

目前冶金行業(yè)尚未對(duì)初期雨水進(jìn)行明確定義，而化工、石化和市政行業(yè)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范主要是通過(guò)降雨量或降雨歷時(shí)來(lái)定義初期雨水，見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范中初期雨水的降雨量或降雨歷時(shí)規(guī)定

從表1中可以看出，由于降雨區(qū)域污染程度的不同，各行業(yè)現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)于初期雨水降雨歷時(shí)或降雨量的規(guī)定存在一定的差異，化工、石化行業(yè)要求較高，降雨量30mm以內(nèi)均作為初期雨水，而市政行業(yè)要求相對(duì)降低，為降雨量15mm以內(nèi)。

2 初期雨水的污染特征

初期雨水一方面在降雨過(guò)程中，通過(guò)洗脫、吸收等作用將工礦企業(yè)排放到廠區(qū)上空大氣環(huán)境的粉塵、二氧化硫等污染物攜帶回地表，另一方面雨水降落到地面后，通過(guò)沖刷屋面、道路等匯水面下墊面，將地表沉積的懸浮物、有機(jī)物、石油類等污染物帶入徑流中，從而使得雨水徑流，特別是初期雨水徑流水質(zhì)受到污染。因此，初期雨水中污染物濃度和種類與匯水區(qū)域污染特征有密切關(guān)系。

劉靜等[6]對(duì)上海市高架道路徑流污染物特征研究表明，市政道路初期雨水徑流中污染物以有機(jī)物、懸浮物和營(yíng)養(yǎng)類污染物（TN、TP）為主，顯著高于普通生活污水；賴后偉等[7]對(duì)深圳大工業(yè)區(qū)初期雨水污染特征研究表明，以汽車制造、電子產(chǎn)品加工等輕工業(yè)區(qū)初期雨水中污染物種類和濃度相近，均以有機(jī)物和懸浮物為主，但污染程度比居住區(qū)及商業(yè)區(qū)低；張翼鵬[8]對(duì)重工業(yè)廠區(qū)（鋁工業(yè)）雨水徑流污染特征研究表明，鋁工業(yè)廠區(qū)雨水排水管道中初期雨水主要污染物為懸浮物，其他污染物濃度較低。各行業(yè)初期雨水中污染物濃度詳見(jiàn)表2。

表2 各行業(yè)初期雨水中污染物濃度 單位：（mg/L）

從表2可以看出，各區(qū)域初期雨水中各項(xiàng)污染物濃度均不滿足現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，其中城市商業(yè)區(qū)和市政道路初期雨水中各項(xiàng)污染物濃度相對(duì)較高；以制造業(yè)為主的輕工業(yè)區(qū)域初期雨水中有機(jī)物和總氮、總磷等營(yíng)養(yǎng)性物質(zhì)濃度相對(duì)較高，而懸浮物相對(duì)較低；重工業(yè)區(qū)域初期雨水中有機(jī)物和應(yīng)用性物質(zhì)濃度相對(duì)較低，而懸浮物濃度較高，甚至超過(guò)城市商業(yè)區(qū)和城市道路。

3 初期雨水計(jì)算公式

3.1 初期雨水設(shè)計(jì)流量

初期雨水的設(shè)計(jì)流量與所在地區(qū)的暴雨強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和匯水面積，設(shè)計(jì)選擇的降雨重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)等參數(shù)有關(guān)。

式中：Q——設(shè)計(jì)流量，L/s；ψ——匯水區(qū)域的徑流系數(shù)；F——匯水區(qū)域匯水面積，hm2；q——暴雨強(qiáng)度，L/（s·hm2）。

雨水設(shè)計(jì)流量的主要參數(shù)是暴雨強(qiáng)度，而暴雨強(qiáng)度具有明顯的地域性，是通過(guò)收集、整理和分析當(dāng)?shù)囟嗄杲涤暧涗涃Y料而獲得，通常由地方住建和氣象主管部門定期發(fā)布。

式中：P——降雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a；t——某次降雨的降雨歷時(shí)，min；A1、C、b、n——地方暴雨強(qiáng)度參數(shù)。

由于地表存在坑洼不平、植被覆蓋等因素，雨水在降落到地面后，將有一部分雨水被截流下來(lái)，被植物吸收或滲入土壤中，余下一部分才會(huì)沿地面匯集形成雨水徑流，因此，雨水徑流量通常將小于降雨量，降雨量形成為雨水徑流量的轉(zhuǎn)化率用徑流系數(shù)表示。徑流系數(shù)的大小和匯水區(qū)域內(nèi)下墊面的植被覆蓋率、地表硬化率以及地形地貌等因素有關(guān)，各類類型地面的徑流系數(shù)均不同，而匯水區(qū)域內(nèi)通常存在不同類型的地面，因此，工程設(shè)計(jì)上通常采用各類地面類型加權(quán)平均進(jìn)行計(jì)算。

式中：Fi——匯水區(qū)域內(nèi)各種類型地面的面積，hm2；ψi——各類型地面的徑流系數(shù)。

3.2 初期雨水總量

初期雨水總量主要取決于降雨量和匯水面積。

式中：W——初期雨水總收集量，m3；δ——初期雨水對(duì)應(yīng)的降雨量，mm；ψ——匯水區(qū)域的徑流系數(shù)，現(xiàn)行規(guī)范中，通常不予考慮。

初期雨水的降雨量也可通過(guò)暴雨強(qiáng)度公式和降雨歷時(shí)進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算。

3.3 初期雨水調(diào)蓄

初期雨水具有污染物濃度較高，且排水較為集中，如直接排入廠區(qū)污水處理系統(tǒng)，將對(duì)污水系統(tǒng)造成負(fù)荷沖擊，從影響污水處理系統(tǒng)出水水質(zhì)的穩(wěn)定性，因此，工程設(shè)計(jì)上通常要求在初期雨水收集系統(tǒng)中設(shè)計(jì)調(diào)蓄池，用于存儲(chǔ)初期雨水，待降雨結(jié)束后，在集中進(jìn)行處理，起到對(duì)水量的調(diào)蓄作用。

調(diào)蓄池容積按照一次初期雨水總量（W）設(shè)計(jì)，而對(duì)于排空時(shí)間的確定，現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范也有所不同，見(jiàn)表3。

表3 現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范中初期雨水調(diào)蓄池排空時(shí)間規(guī)定

4 初期雨水量計(jì)算

某鋼鐵企業(yè)位于山西省晉中市，生產(chǎn)工藝包括燒結(jié)球團(tuán)和焦化，廠區(qū)總匯水面積約11hm2，綠化率約20%，建筑系數(shù)約40%，廠區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，均已硬化。

根據(jù)《山西省海綿城市技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DBJ04/T344-2—017），晉中市暴雨強(qiáng)度公式參數(shù)A1取10.155，C取0.92，b取10.095，n取0.824。硬化廠區(qū)流量徑流系數(shù)ψ1取0.9，廠區(qū)綠地流量徑流系數(shù)ψ2取0.25。

根據(jù)《鋼鐵企業(yè)給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》，鋼鐵企業(yè)廠區(qū)內(nèi)降雨重現(xiàn)期P取3年。

根據(jù)公式（1）～公式（5），該廠區(qū)內(nèi)降雨強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)變化情況見(jiàn)表4、圖1；降雨量、設(shè)計(jì)流量、降雨總量與降雨歷時(shí)之間關(guān)系見(jiàn)表5、圖2。

表4 降雨強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)變化關(guān)系

表5 初期雨水降雨量、設(shè)計(jì)流量、降雨總量與降雨歷時(shí)關(guān)系

從表3、表4和圖1、圖2中可以得出以下結(jié)論。

圖1 降雨強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)變化趨勢(shì)

圖2 降雨量、設(shè)計(jì)流量和雨水總量隨降雨歷時(shí)變化趨勢(shì)

（1）隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，雨水設(shè)計(jì)流量逐漸下降，而降雨量與降雨總量逐漸增加。

（2）當(dāng)降雨歷時(shí)3.5min時(shí)，降雨量即可達(dá)到7.04mm；當(dāng)降雨歷時(shí)達(dá)到5min時(shí)，降雨量為9.48mm；當(dāng)降雨歷時(shí)達(dá)到9min時(shí)，降雨量才可達(dá)到15mm。

（3）根據(jù)市政行業(yè)規(guī)范要求，初期雨水降雨量取7mm時(shí)，該廠區(qū)初期雨水總量為775m3，而根據(jù)化工、石化行業(yè)規(guī)范要求，初期雨水降雨量取15mm時(shí)，該廠區(qū)初期雨水量總量為1664m3，相差較大。

5 結(jié)語(yǔ)

由于現(xiàn)行規(guī)范對(duì)于初期雨水尚無(wú)統(tǒng)一的規(guī)定，不同行業(yè)對(duì)于初期雨水降雨量的規(guī)定相差較大，而不同地區(qū)之間暴雨特征也各不相同，降雨歷時(shí)和降雨量也不存在固定比例關(guān)系。

從污染物特征角度來(lái)看，鋼鐵企業(yè)廠區(qū)主要生產(chǎn)設(shè)施均布設(shè)在生產(chǎn)車間內(nèi)，地表污染物主要為運(yùn)輸、裸露料場(chǎng)等散落的懸浮物和油類物質(zhì)，與市政道路相類似，可考慮參照市政行業(yè)規(guī)范，初期雨水降雨量下限取7mm，同時(shí)建議考慮匯水面下墊面的雨水截流作用，在計(jì)算過(guò)程中加入雨量徑流系數(shù)，以免雨水蓄積池設(shè)計(jì)過(guò)大。

此外，考慮初期雨水的初衷是為了防止降雨初期帶來(lái)的污染問(wèn)題，而雨水徑流的污染情況和各地降雨強(qiáng)度以及匯水范圍工礦企業(yè)性質(zhì)有顯著關(guān)聯(lián)。因此，只通過(guò)降雨歷時(shí)或降雨量來(lái)界定初期雨水具有一定的局限性，建議在廠區(qū)雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程中，在雨水排放口設(shè)在線檢測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)對(duì)降雨過(guò)程中廠區(qū)地表徑流中懸浮物、石油類、COD等特征污染物濃度進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)污染物濃度變化情況來(lái)具體判定是否將雨水徑流作為初期雨水進(jìn)行收集處理。