關于雨水泵站排放口污染物削減凈化區(qū)的探討

王 波

(上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201707)

泵站放江污染控制是一項系統(tǒng)工程，涉及排水系統(tǒng)全鏈條，包括地表徑流面源污染控制、雨污混接調(diào)查和改造、管道積泥清淤、末端截流和污水廠處理等多方面[1-2]。這一系統(tǒng)工程前期投入大、建設周期長、見效較慢，對老百姓生活和交通出行存在較大影響，暫時難以全面開展。上海宏波工程咨詢管理有限公司對上海市某泵站進行了末端污染物削減試點研究工作，通過在泵站內(nèi)部狹小空間加裝一套高效組合澄清系統(tǒng)對泵站前池進行末端治理，得到該系統(tǒng)對去除顆粒態(tài)污染物，提高水體透明度，降低泵站水體COD、TP效果較好[3]。在泵站放江排放口附近構(gòu)建污染物削減凈化區(qū)結(jié)合曝氣復氧技術、生態(tài)浮床等水生態(tài)修復技術[4-6]可對泵站放江水體污染物削減具有較好的應用推廣價值。

本文通過二維數(shù)值模型計算研究不同濃度及水量的放江水體對河道的影響，研究雨水泵站放江過程中排口附近污染物隨時間在河道中對流擴散的過程，以及污染物濃度隨河道沿程變化的范圍，提出并探索構(gòu)建泵站排放口附近污染物削減凈化區(qū)，從而為生態(tài)廊道(在河道邊沿程構(gòu)建一塊區(qū)域，在其中布置攔截、生物凈化設施等綜合除去污染物的技術)的布置范圍提供理論指導。

1 研究方法

1.1 模型簡介

MIKE系列水利模型是由丹麥DHI開發(fā)的專業(yè)軟件，市政雨水泵站放江的受納水體基本為城市河道，需要模擬河道中污染物對流擴散的過程，故采用MIKE+的水動力和水質(zhì)模型，泵站排放口采用點源模擬，以氨氮(NH3-N)為水質(zhì)研究因子。

1.2 網(wǎng)格劃分

以上海曹豐泵站為參考，排入河道為西浜，故本研究模擬河段長1000m，河口寬度13m，網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格，精度1m，共計17982個網(wǎng)格，如圖1所示。地形以上海市一般河道斷面為參考，河底高程-0.5m，兩岸為垂直護岸，墻前0.5m高程處1∶2坡比接坡，地形如圖2所示。

圖1 模型網(wǎng)格

圖2 模型地形

1.3 參數(shù)選擇

模型研究中涉及的參數(shù)較多，研究從工程最不利角度考慮，并結(jié)合上海地區(qū)相關研究成果，對水動力主要影響參數(shù)及考評水質(zhì)指標的相關參數(shù)的選取進行說明。

1.3.1時間步長

經(jīng)過試算，模型采用步長為1min，5h后該模型范圍可達到對流擴散穩(wěn)定。

1.3.2底部糙率

如圖5所示，設置初始阻抗參數(shù)為z=0.2進行髖關節(jié)和膝關節(jié)實驗，第1周期，被測者不施加主動力，按照既定軌跡恒速運動；第2周期開始，被測者施加主動力，機器人采集主動作用力；第3周期開始，根據(jù)前1周期主動作用力大小計算新的康復訓練速度。從圖5中可以看出力2大于力1，其相應的速度也越大，所以當阻抗參數(shù)相同時，主動力越大，速度調(diào)整量也越大。

糙率選取曼寧值0.025。

1.3.3對流擴散系數(shù)

水質(zhì)模擬中重點針對氨氮的降解系數(shù)、對流擴散系數(shù)等相關參數(shù)。其中，降解系數(shù)主要結(jié)合最不利情況設計標準和其他類似研究，故不考慮河道對氨氮指標的降解能力；對流擴散系數(shù)主要依據(jù)上海區(qū)域相關研究成果，選取系數(shù)為0.01m2/s。不考慮其他微生物、細菌等對有機質(zhì)的分解。

1.4 邊界及工況設置

1.4.1河道邊界

河道上游采用固定流量邊界，根據(jù)該地區(qū)其它相關研究成果，河道流速為0.1～0.3m/s；河道常水位為2.5m，13m寬的河道流量取整選擇3～9m3/s。河道水體氨氮指標基本滿足地表水Ⅴ類水要求，設定為1.8mg/l。

1.4.2排口邊界

以點源為邊界，經(jīng)統(tǒng)計全市雨水泵站放江平均值約為50000m3/d，目前污染物削減系統(tǒng)規(guī)格為5000～50000m3/d。經(jīng)調(diào)查全市雨水泵站放江和污染物削減系統(tǒng)處理后水體氨氮指標多為5～15mg/l，具體見表1。

表1 不同計算工況下的模型各邊界設置

2 排口附近河道水質(zhì)變化結(jié)果與分析

2.1 排水口及特征點分布

圖3 排水口及特征點分布示意圖

2.2 河道水動力條件、排口排水量及水質(zhì)濃度對河道水質(zhì)變化的規(guī)律

以工況1～3為例，上游來水流量3m3/s，氨氮1.8mg/l，下游控制水位為2.5m，初始水位2.5m；排水口出水氨氮為5mg/l，排水量分別為1萬m3/d、3萬m3/d、5萬m3/d，各工況下河道氨氮濃度分布情況如圖4—6所示，提取各工況對流擴散穩(wěn)定下對應特征點的氨氮值如圖7所示。

圖5 工況2河道水質(zhì)分布情況

圖6 工況3河道水質(zhì)分布情況

圖7 工況1～3河道特征點水質(zhì)沿程變化情況

根據(jù)圖4～6可以得到排水口水體的水質(zhì)情況對河道平面的水質(zhì)分布及不同排水量對河道氨氮分布有明顯的不同，根據(jù)圖7可以看出河道中心線、靠近排口側(cè)和遠離排口側(cè)的氨氮在隨著河道沿程變化有明顯不同，靠近排口側(cè)氨氮濃度在50m范圍內(nèi)有一定的增加，而后逐漸減小趨于穩(wěn)定；遠離排口側(cè)氨氮濃度從河道基底濃度逐漸增加然后趨于穩(wěn)定；河道中心線則沿程基本上處于均勻穩(wěn)定；三者在河道某一斷面處充分對流擴散達到均勻的水質(zhì)值。這里，我們將從排水口斷面至污染物與水體充分混合的斷面之間的河道范圍定義為污染物削減凈化區(qū)。

根據(jù)圖7可知工況3排口排水量為5萬m3/d時河道在距離排口450m處氨氮達到穩(wěn)定的2.393mg/l，工況2排口排水量為3萬m3/d時河道在距離排口400m處氨氮達到穩(wěn)定的2.166mg/l，工況1排口排水量為1萬m3/d時河道在距離排口300m處氨氮達到穩(wěn)定的1.919mg/l，所以在不同工況下河道污染物削減凈化區(qū)的長度和河道穩(wěn)定后的水質(zhì)情況是不同的。在相同河道水動力條件，相同排水水質(zhì)濃度，排口排量越大對河道水體的影響越大，滿足水質(zhì)達標的凈化區(qū)距離越長。當同時滿足上游來水量大于3m3/s，氨氮小于1.8mg/l時，排水口出水氨氮小于5mg/l，排出水量小于1萬m3/d，經(jīng)過300m以上對流擴散作用后，氨氮均可滿足小于2mg/l，即達到地表水Ⅴ類水要求。

根據(jù)上述分析我們可以計算所有工況下河道水質(zhì)情況，見表2。

表2 各工況河道水動力及水質(zhì)穩(wěn)定值

從表2中可知，河道氨氮為1.8mg/l，工況1在上游來水流量為3m3/s，當排口氨氮為5mg/l，排口流量為1萬m3/d時，經(jīng)過300m對流擴散后氨氮可穩(wěn)定在2mg/l以內(nèi)，當氨氮總量大于50kg/d，均勻節(jié)點處的穩(wěn)定水質(zhì)將大于2mg/l，需在污染物削減凈化區(qū)范圍外也設置相關的凈水工程措施以減少排口污染物對河道的影響；同理，工況11在上游來水流量為6m3/s，當排口氨氮為5mg/l，排口流量為3萬m3/d，經(jīng)過600m對流擴散后氨氮可穩(wěn)定在2mg/l以內(nèi)，當氨氮總量小于150kg/d，均勻節(jié)點處的穩(wěn)定水質(zhì)均小于2mg/l，河道自身支持的污染物削減凈化區(qū)最大長度為600m；工況21在上游流量為9m3/s，當排口水質(zhì)氨氮為5mg/l，排口流量為5萬m3/d，經(jīng)過850m對流擴散后氨氮可穩(wěn)定在2mg/l以內(nèi)，故河道在此水動力條件下河道允許的最大污染物放江質(zhì)量為250kg/d，至少在污染物削減凈化區(qū)850m范圍設置相關的凈水工程措施以減少排口污染物對河道的影響。

不同的排口流量和濃度情況下，設定排口氨氮總量均為50kg/d時，河道流量為9m3/s的河道氨氮穩(wěn)定為1.841mg/l(工況19)，優(yōu)于河道流量為6m3/s的河道水質(zhì)(工況10：氨氮=1.861mg/l)，也優(yōu)于河道流量為3m3/s的河道水質(zhì)(工況1：氨氮=1.919mg/l)；同樣的，對比其他相同氨氮總量下，不同河道水動力條件下均可得出：在河道水質(zhì)基底較好且穩(wěn)定不變的情況下，河道水動力對相同總量的污染物入河對河道水質(zhì)有決定作用，即相同總量的污染物入河，水動力環(huán)境越好，河道水質(zhì)穩(wěn)定后污染物濃度增量越少。

對比工況1、工況29和工況30可知，河道上游流量相同，排口排出水體濃度及水量相同，河道初始水位及下游控制水位增大30mm對河道水質(zhì)的影響不大，且影響范圍基本相同，當河道初始水位及下游控制水位增大50mm，對河道水質(zhì)的影響不大，但影響范圍略有減少，即：河道常水位2.5～2.80m情況下，排水口排放污染物對河道水體水質(zhì)的影響程度變化不大。

對比工況1～30河道斷面水體水質(zhì)均勻結(jié)點即距離排水口沿程距離至少250m，說明入河氨氮總量為50kg/d，排水口下游至少250m范圍內(nèi)氨氮濃度不能達到地表水Ⅴ類水標準，可通過河道原位或異位設置凈化措施削減污染物，縮短對河道影響長度范圍。

對比工況1和工況28可知，在相同水動力條件(河道流量均為3m3/s)、相同總量(50kg/d)的氨氮入河，濃度為2.5mg/l的2萬m3/d的排水量入河后河道氨氮為1.85mg/l，優(yōu)于濃度為5mg/l的1萬m3/d的排水量，工況20與工況25、工況11與工況16見表3。在河道水動力條件相同，入河污染物總量相同，入河污染物濃度比入河污染物水量對河道水體的影響更為敏感。

表3 上游來水、排放口水量及氨氮濃度敏感分析表

3 結(jié)論與建議

(1)將雨水泵站排放口下游一定距離的河道定義為污染物削減凈化區(qū)，根據(jù)排水量、污染物濃度以及河道水文條件綜合確定凈化區(qū)長度，同時可以通過在凈化區(qū)內(nèi)采用原位或異位處理改善雨水泵站排放水體對河道的污染。

(2)相同河道水動力條件，相同雨水泵站放江水質(zhì)濃度，排水量越大，污染物削減凈化區(qū)越長；相同排量，排水水質(zhì)濃度越高，污染物削減凈化區(qū)越長，即雨水泵站放江排放口處污染物削減治理需要具體情況具體分析和設計。

(3)在河道水質(zhì)基底較好且不變的情況下，河道水動力對相同總量的污染物入河對河道水質(zhì)有決定作用，即相同總量的污染物入河，水動力環(huán)境越好，對河道水質(zhì)影響越小，污染物削減凈化區(qū)越短，即改善泵站放江受納河道的水動力環(huán)境對削減泵站放江對河道的污染具有重要的意義。

(4)相同河道水動力條件，相同雨水泵站放江污染物總量，污染物濃度對污染物削減凈化區(qū)長度的敏感性大于污染物水量對污染物削減凈化區(qū)長度的敏感性，即控制雨水泵站放江水體的污染物濃度較水量對削減泵站放江對河道的污染有更重要的作用。

(5)泵站出水氨氮總量為50kg/d的情況下，排水口下游至少250m范圍內(nèi)氨氮濃度不能達到地表水V類水標準，建議通過河道原位或異位設置凈化措施削減污染物，縮短對河道影響長度范圍，同時250m可做為入河氨氮總量為50kg/d時凈化廊道設計的最小參考長度。

(6)泵站出水為10000m3/d的情況下，污染物濃度不大于15mg/l，經(jīng)過一段不超過800m削減緩沖區(qū)后，水質(zhì)基本能穩(wěn)定在不超過2mg/l，800m可做為泵站出水為10000m3/d時凈化廊道設計的最大參考長度。

4 結(jié)語

本文首次提出在泵站放江排放口附近構(gòu)建污染物削減凈化區(qū)，并運用數(shù)值模擬技術定性的研究了污染物削減凈化區(qū)受河道水動力、水質(zhì)以及雨水泵站排放水體水質(zhì)、水量影響的關系，該研究方法和結(jié)論可為生態(tài)廊道的布置范圍提供參考和指導意義。后續(xù)可繼續(xù)搜集和監(jiān)測更多的試驗數(shù)據(jù)進一步完善污染物削減凈化區(qū)定量分析的研究。