基于EMC目標的調蓄池池容計算方法探討

王 森，韓 群，徐冬喜，朱光遠

(中國市政工程華北設計研究總院有限公司江蘇分公司，江蘇 南京 210019)

0 引言

隨著“江蘇省城鎮污水處理提質增效達標區”的有效推進，達標區內90%的點源污染得到有效控制后，河流水質進一步改善難度加大，其主要原因為雨水中攜帶了大量來源于地表、城市排水管道沉積的污染物排入河道。為有效控制面源污染，20世紀中葉至今，我國與其他國家均對調蓄池進行了大量研究，并已在世界各國得到較為廣泛的應用。

我國目前調蓄池池容的設計規范多采用經驗參數法，基于截流倍數、初雨量、溢流次數等進行確定。以上方法，截流倍數、初雨規模等關鍵參數，實際運行中均很難取得，需依賴經驗確定，溢流次數與河道的水質目標也沒有直接關聯，從而造成調蓄池設計規?；驀乐仄笤斐赏顿Y浪費，或規模不足，達不到控制徑流污染的目標。

本文提出將控制EMC(降雨徑流事件平均濃度,Event Mean Concentration)作為調蓄池容積設計的依據，從而將調蓄池的規模與排入水體水質目標直接掛鉤，宜定量分析，目標明確，在一定程度上彌補了當前方法的不足。

1 研究區概況

五一河位于南京市江北新區泰山街道，屬于朱家山河水系，河道長0.85 km，上口寬15 m～20 m，河底標高1.58 m，常水位2.58 m，最高水位3.58 m，末端通過臨江泵站排入朱家山河，為一條城市內河。匯水范圍總面積1.34 km2，開發程度較高，包括分流、合流和混流三種排水區域。

2 調蓄池容積計算

2.1 河道排水系統概化

五一河總計分為9個排口，其中1號、2號、7號、10號 排口對應匯水范圍為合流制區域，3號、4號、8號、9號 排口匯水范圍為混流制區域，5號排口匯水為分流制區域。根據設計方案，共設置1號～3號三座調蓄池，通過截流井與聯通管將各分區混流污水與初雨截流至調蓄池儲存，待雨后排入污水處理廠。調蓄池滿后，超量雨水排入河道，具體見圖1。

2.2 調蓄池容計算方法

地表降雨徑流中攜帶著大量污染物質，且降雨屬于隨機事件，其污染物濃度受到降雨歷時、降雨強度、地表污染狀況、下墊面特征、管道積泥等多方面影響變化差異很大，通過降雨徑流事件污染物平均濃度(EMC，Event Mean Concentration)，可以對地表徑流總體污染狀況進行計算與評估[1]。

1)無調蓄池控制條件下排入河道的某種污染物的EMC。

(1)

其中，EMC為降雨徑流事件污染物平均濃度，mg/L；M為整個降雨過程總污染物含量，mg；V為相對應總徑流量，L；C(t)為隨時間變化的某種污染物濃度，mg/L；q(t)為隨徑流時間變化的徑流流量，L/min；t為徑流時間，min；T為降雨停止時間。

2)有調蓄池控制條件下某種污染物的EMC。

a.溢流的徑流污染物平均濃度。

(2)

其中，t為徑流時間，min；t1為調蓄池充滿時間。

b.進入調蓄池的污染物平均濃度。

(3)

3)調蓄池容積確定[2]。

按照地表水環境功能分類和保護目標，各條河道水環境質量均有其控制項目及限值規定，降雨前，若目標水體的水環境質量剛好達標，通過調蓄池的建設，維持其在降雨后仍舊達標，需要滿足：

EMC溢≤C目

(4)

其中，C目為水體某種污染物水質目標。

經過換算，可計算得出t1及調蓄池容積。

2.3 有效降雨事件分析

依據氣象部門降雨標準，小雨是指24 h內降水量不超過10 mm，中雨為10 mm～24.9 mm，大雨為25 mm～49.9 mm，超過50 mm的為暴雨，超過100 mm的為大暴雨，超過250 mm的稱為特大暴雨。本研究選取了3場典型降雨，涵蓋了大雨、中雨和小雨，分別處于春、夏與秋季，雨前干期時間5 d～11 d不等，具有一定的代表性，基本信息見表1及圖2。

表1 研究區域降雨事件特征

2.4 排口污染物濃度隨時間變化分析

在以上三場有效降雨事件中，選取OF1，OF3與OF5三個排口進行水質采樣，對水樣的COD，SS，NH3-N三類污染指標進行匯總分析。各污染物濃度隨著降雨時間的延長基本呈先上升再下降的趨勢，或逐步下降趨勢，COD與氨氮峰值濃度大雨時偏高，出峰時間提前，氨氮濃度整體相對平緩，小雨或中雨時反而較大。各污染物峰值濃度，OF1排口最大，OF3次之，OF5最小。具體見圖3。

2.5 降雨徑流事件污染物的平均濃度

不同采樣點、不同降雨場次的COD，SS，NH3-N EMC值都超過了地表Ⅴ類水標準，OF1采樣點各濃度均最高，大于OF3與OF5，NH3-N濃度在4月21日最高，其余污染物濃度EMC值7月6日最高。COD與SS的EMC值大小規律為中雨>小雨>大雨，NH3-N的EMC值大小規律為小雨>中雨>大雨?？傮w來看，降雨徑流污染嚴重，若直接排入受納水體會造成嚴重的污染，見表2～表5。

表2 L01采樣點不同降雨事件污染物EMC值 mg/L

表3 L03采樣點不同降雨事件污染物EMC值 mg/L

表4 L05采樣點不同降雨事件污染物EMC值 mg/L

表5 地表水環境質量標準 mg/L

2.6 調蓄池池容確定

通過PCSWMM模型(見圖4)，以實測數據為依據，對研究區域進行模型構建與率定，并對全年降雨進行降雨量與污染物平均濃度測算。

選擇2019年7月6日降雨事件，L05排口中的流量和水質數據來率定PCSWMM模型中流量和水質參數。采用Nash-Sutcliffe效率系數對模型模擬結果進行評價，通過計算，COD，SS，TN和NH3-N的Nash-Sutcliffe效率系數分別為0.68，0.72，0.76，0.73。研究認為Nash-Sutcliffe效率系數大于0.65，模擬值準確可靠。

在模型中增加調蓄池進行模擬，選取最不利的場次降雨與最不利污染物NH3-N進行分析，使得溢流排水的EMCNH3-N小于水體環境目標CNH3-N，本項目取地表水Ⅴ類標準2.0 mg/L。

根據模擬結果，1號、2號、3號調蓄池規模分別為3 900 m3，550 m3，1 250 m3時，溢流排水的EMCNH3-N<2 mg/L，分別相當于控制6.3 mm，5.7 mm與5.48 mm降雨。其中1號調蓄池為合流制為主的區域，需要控制的降雨量最大，3號調蓄池為分流制區域，需要控制的降雨量最低，2號調蓄為分流制區域，需要控制的降雨量居中。相較于室外排水設計規范中的推薦的4 mm～8 mm降雨更加精細與準確。3號調蓄池排口氨氮濃度-總入流時間濃度曲線詳見圖5。

3 結論

1)不同功能區的污染物濃度隨著降雨時間的延長，整體呈先上升后衰減態勢，且遞減趨勢前陡后緩。2)通過模型對調蓄池系統的運行工況進行模擬，調蓄池系統能夠有效地截流初雨攜帶的污染物，減緩對河道水體污染。通過模型對調蓄池的設計優化研究，1號調蓄池采用3 900 m3，2號調蓄池采用550 m3，3號調蓄池采用1 300 m3的有效容積能夠有效地截流初雨污染物，使得溢流入河NH3-N平均濃度滿足地表水Ⅴ類水標準。3)相較于規范的計算方法，以控制溢流入河污染物平均濃度為目標的方法將調蓄池的規模與排入水體水質目標直接掛鉤，計算出的調蓄池有效容積更加接近實際，在一定程度上彌補了經驗參數法的不足。4)溢流污染物濃度呈現先上升再下降或逐步下降的狀態，且最終濃度小于目標濃度。如果溢流污染物濃度恒定超過目標濃度或者在降雨后期濃度仍然超過目標的時候，不適用于本方法。