分流制初雨污染治理類項目隨感

徐鋒

（合肥市市政設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

近年來，水環境綜合治理成為國家層面重點關注和投入的一個領域，水環境污染主要包括外部污染和內源污染，外部污染主要包括生活污水、工業廢水、初期雨水和沿河垃圾污染等，內源污染主要包括河道底泥釋放和植物腐爛等因素。在大氣污染和地面污染較為嚴重的區域，初期雨水的污染沖擊負荷對周邊水系的環境質量影響很大，對水環境綜合治理有重大的現實意義。

1 水環境容量概述

水環境容量計算三要素。

水環境容量計算方式大致如下：根據《全國水環境容量核定技術指南》、《水體達標方案技術指南》和《水域納污能力計算規程》（GB/T 25173—2010）相關規定，河道計算一般采用河流零維模型計算納污能力，計算公式如式（1）所示。

式中：W——污染物排放量；Q0——流入河流、湖庫流量；C0——上游來水的背景濃度值；K——水質降解系數；V——水體容積；q——旁側支流流量。

當 C=Cs時，W 即代表環境容量，如式（2）所示。

式中：W——水環境容量，Kg/d；Q0——進口斷面的入流流量，mg/L；C0——進口斷面的水質濃度，mg/L；q——旁側入流流量，m3/s；Cs——該水體的水質標準，mg/L；V——水體體積，m3；K——水質降解系數，d-1。

通過計算，得到各污染物對應水環境容量如下：COD 為 291.42t/a；NH3-N 為 17.41t/a；TP 為 9.97t/a。總污染負荷和環境容量對比如表1 所示。

表1 總污染負荷和環境容量對比

根據上述結果，各污染指標COD、NH3-N、TP 的污染負荷均高于地表Ⅲ類水標準要求下的水環境容量，即現排污量超出了河道現有納污能力。如果不采取措施，照此污染負荷排放，則難以達到Ⅲ類水標準。

考慮到河道水環境容量計算復雜且系統性很強，類似于一個區域的污水廠排放標準是需要在區域環評中明確一個道理，鑒于現實中很少有河道做全流域的水環境容量分析，也就很難給初期雨水截流量提供一個清晰明確的標準。標準的不明確帶來的后果就是初雨的過度截流（可能意味著巨額的投資浪費）或截流不足（未達到建設目標），對于那些初期雨水排入污水處理廠的項目來說，截流水質的高低對污水廠的正常穩定運行也會造成較大的影響。

2 初雨截流量和截流標準的確定

污染物控制總量確定后，下一步就是如何確定初期雨水截流量，初雨截流量的確定當前行業內主流的做法主要有兩種。

第1 種是通過模型分析與計算來論證初雨收集的效應。首先以我國的Infoworks ICM 計算模型結合筆者主持項目說明如下。

模型主要分為兩類，即概念性水文模型和數學物理水力模型。第一種主要依據的是水量平衡原理，大多利用實測數據來分析流域當地的產流匯流特征，并以此為據確定模型中的關鍵參數。如美國工程師協會開發的“暴雨”模型（STORM），對透水地面采用的是徑流系數法。此模型主要適用于規劃階段，可以對流域徑流過程中包括蓄水、處理、溢流等情況進行長期模擬。

第二種模型以物理學質量守恒、動量守恒與能量守恒定律為依據，以圣·維南方程組為基礎，模擬并預測水流的運動。模擬過程包括了地面的產匯流過程和排水管道中的水流過程，以及其他設施中的水流運動，此模型還具有水質模擬的功能。如英國開發的InfoWorks Collection System（簡稱InfoWorks CS），丹麥水力學研究所（DHI）開發的 MOUSE（Modeling Of Urban Sewer）模擬軟件包，不僅可以計算雨水的徑流過程、還可以做到實時監控和在線分析。

2.1 模型的選用

該模型模擬的是一個動態的降水-徑流模擬模型，主要用于模擬城市某一單一降水事件或長期的水量和水質模擬。其徑流模塊部分綜合處理各子流域所發生的降水，徑流和污染負荷。其匯流模塊部分則通過管網、渠道、蓄水和處理設施、水泵、調節閘等進行水量傳輸。該模型可以跟蹤模擬不同時間步長任意時刻每個子流域所產生徑流的水質和水量，以及每個管道和河道中水的流量、水深及水質等情況。

2.2 模型參數的確定

（1）匯水子區域的劃分。匯水子區域面積嚴格意義上指的是匯水子區域的產流面積，不包括非產流面積（如封閉水體等）。如果建模區域內沒有大面積的非產流區域，產流面積就可以認為等同于匯水子區域面積。由于該片區匯水范圍較大，匯水子區域采用CAD 導入，在模型中利用泰森多邊行方法進行劃分。

（2）徑匯流模型參數設置——地表徑匯流模擬。城市由不同類型的下墊面組成（可滲透/不可滲透），每種表面對應的產匯流規律都不盡相同，我們利用水文模型的方式去計算各個表面的產匯流過程，每種表面對應了不同的水文模型。水文模型——降雨徑流模型，主要有①初損模型：用于填挖的初期損失；②徑流量模型：決定了多少水量匯入管網；③匯流模型：決定了這些水量以多快的速度匯入管網。模型中設置路面、屋面和透水表面三種產流表面類型。

（3）曼寧粗糙系數值不透水區、透水區以及管道（或渠道）的曼寧粗糙系數的初始參數取值或取值范圍均根據附錄所列經驗值進行確定。

（4）排水管網特征數據排水管網特征數據，如管道長度、管道上下游管底高程、管徑，以及檢查井處地面高程、井底高程等均需根據排水管道調查資料或排水規劃確定。

（5）污染物特征數據由于缺少實測的水質監測數據，因為模擬需驗證的結果為截留效率與調蓄規模的關系，因此選取的水質數據，本次模型中下墊面污染物濃度參數可采用ICM 模型中默認的數據，其對需驗證的結果并不產生影響。

2.3 降雨事件

在InfoWorksICM 中，降雨數據以兩種形式存在，分別是實測降雨和設計降雨。由于缺少實際區域的降雨資料，本次模型中設計暴雨強度擬采用合肥市暴雨強度公式如式（3）所示。

其中：q——暴雨強度，（L/s·ha）；P——設計暴雨重現期，年，一般區域采用P=3 年，高架橋及道路路面徑流系數取0.95，綜合徑流系數取0.6；t——降雨歷時，min；t=t1+t2；t1——地面集水時間，取5～15min；t2——管道內流行時間。

設計雨型采用芝加哥雨型，峰值因子為0.4。根據《巢湖市城市排水（雨水）防澇綜合規劃》，采用歷時2h的設計降雨作為模型輸入條件，分析初雨截流的運行工況。

2.4 模型的建立

賈塘圩區域的總匯水范圍面積約5.4km2，根據資料將片區管線輸入模型，為了便于模擬，本次對管線的信息進行了概化。覆蓋管網節點數共210 個，管段總長為39500m。

2.5 模擬結果

根據模型對賈塘圩初雨匯水區內的雨水管網系統不同截流規模（4～12mm）進行分析，模擬結果表明當截流規模超過8.0mm 時，各污染物削減率增速明顯減緩，則“投資效益比”將越來越小，其最佳截流規模為7.5～8.5mm。因此賈塘圩區域內的初期雨水截流規模取值為8mm。

考慮到初期雨水水質受大氣污染、地面污染、降雨強度和間隔、管網系統布置型式等各方面因素影響都很大，模型邊界條件的輸入與現實難以較好地吻合，故據此確定初期雨水截流量與實際需求還是存在一定的偏差。

第2 種是直接根據當地排水防澇規劃結合初雨相關規范直接確定初雨截流量。根據《室外排水設計規范（2016 年版）》（GB 50014—2006）、《城鎮雨水調蓄工程技術規范》（GB 51174—2017）及《城鎮徑流污染控制調蓄池技術規程》（CECS 416：2015）[1-3]，用于分流制排水系統徑流污染控制時，雨水調蓄池調蓄量可取4mm～8mm（按降雨量計）。此外，國內相關研究表明，一般初期雨水控制量在6～8mm 左右可控制約60%～80%的污染量。

初雨雨水污染控制標準主要有兩種表達方式：當量雨量標準、污染物控制率和溢流次數標準。國內外城市初期雨水控制標準是一種經驗型做法，并未根據當地實情進行充分論證，與現實需求同樣存在一定的偏差，初雨截流量結論的不可靠帶來的結果就是調蓄池規模的或大或小，同樣也意味著投資浪費或未達建設目標。

3 初雨雨水的高效收集

初期雨水截流方式與排水系統的匯水面積、區域形狀、管道布置等有關。不同的截流方式，其相應的污染物截流效率亦不同。工程實踐中，截流方式分為兩種：末端截流和多點分散式截流。末端截流方式主要是在一些主要的雨水排放口、支流口或現狀泵站末端建造一定規模的初期雨水調蓄設施，實現對初期雨水的截流，該方式一般適用于服務范圍較小，匯流時間較短的雨水排水系統。多點分散式截流方式是通過敷設多條平行的截流干管，或結合現狀雨水管道布置，通過多處截流井和聯通管道將初期雨水分散截流至調蓄設施。應結合現場實際情況，因地制宜選擇合適的截流方式，以充分發揮調蓄設施的效益。

提高初期雨水收集效率，就要盡量縮小每個初雨截流井的匯水范圍，這必然會導致為了提高初雨水質而大量分散新建截流井，每座截流井內部又設置了水質檢測儀、流量計和截流閘門等設備，截流管網長度和設備的大幅增加不僅需要巨額的工程投資，更給后期的施工交通影響（需要在現狀管道上施工截流井，一般均在市政道路上實施）和運行維護管理帶來很大的麻煩。那么如何尋求這樣一個平衡點尤為重要。查閱初期雨水相關規范、文獻均無相關明確的規定，僅在全國注冊公用設備師考試教材《排水工程》中略有提及：“深圳市初期雨水控制量為7mm，且初期雨水匯流范圍應使得匯水面積最遠點到排放口的匯流時間不應超過20～30min，超過此匯流時間的區域，其初期效益已不顯著。”雖然這不能作為我們設計依據，但這個描述至少給了我們一個大致的設計方向，不過這個時間指的是什么降雨強度下的時間以及確定的依據又是什么值得繼續探究。在一定的污染物消減總量前提下，初雨收集方式高效性與初雨收集量是成反比關系。

4 目前的難點-截流管管徑的計算與確定

合理的截流量一方面能有效收集初期雨水，另一方面可以減少不必要的工程浪費，目前在確定截流管道設計流量方面仍然是一個難題。

4.1 流量計算方法

目前，截流管道設計流量的確定尚無有效方法，設計人員常常根據自身經驗確定設計流量，該設計流量與初期雨水過程無定量關系，無法判斷設置該設計流量的截流管道能否有效控制所服務區域的初期雨水。因此，如何合理確定截流管道的設計流量是當前亟需解決的問題之一。目前確定截流管流量主要有芝加哥雨型模型法和經驗公式法。

芝加哥雨型模型法：根據區域歷年不少于20 年的降雨資料，按照一定的標準通過PⅢ型曲線等方法模擬出該標準下芝加哥雨型降雨曲線，根據雨型曲線求出相應截流標準下的降雨強度，從而確定截流管道的流量。

經驗公式法：根據雨水排口截流的初期雨水總量和截流時間計算確定，如式（1）所示。

式中：Q——截流管道設計流量，（m3/s）；T——初期雨水截流時間，按照該排口截流井收集范圍內的匯流時間確定，min；V——各排口截流的初期雨水總量，計算方式同調蓄設施容積計算。

4.2 設計流量確定

考慮到芝加哥雨型模擬法在降雨資料收集摘選、降雨標準的確定、曲線擬合方法等方面尚未有明確的規定且未形成統一，采用此方法設計案例較少，目前常用模型來進行設計校核，故當前調蓄工程常用的經驗公式法來確定截流管道流量的做法較多。

5 結語

從上述分析的幾點來看，不把這幾個問題解決好想把分流制初雨污染治理類項目做好是不太現實的，對國家這么大的支持和投入也是不負責任的。解決好這些問題個人覺得不是哪個人、哪家設計院、哪家科研單位所能完成的，可能需要國內水行業相關的權威專家們在國家的組織和指導下以規范修編或新編技術導則、標準等形式來進一步的明確和細化，來更好地指導后期該類項目的設計和實施。