雨水調蓄池優化及污染物削減情況分析

唐樹平

（深圳市南山區水污染治理中心,廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著城市化進程的加速和人口的不斷增長,城市面臨著越來越多的環境挑戰。傳統的城市雨水管理方法往往采用集中排放的方式,不僅會對城市排水系統造成壓力,還會導致水質污染問題[1]。

近年來,雨水調蓄池的應用越來越廣泛。在許多城市的雨水管理中,雨水調蓄池已被證明是一種可行且有效的解決方案。熊子鷹等[2]利用多目標優化方法對調蓄池的大小、深度和出水口位置進行優化,可以提高調蓄效率和污染物去除率。李連文等[3]利用模擬降雨實驗和實地監測數據,研究了不同污染物在調蓄池中的去除規律,提出了一些新的污染物控制策略,如利用植物對水中污染物進行吸附和降解等。

本文以某河調蓄池為研究對象,對其雨水管網規劃進行概化分析,將有助于為城市雨水管理提供更加科學和可持續的解決方案。

1 工程概況

某河是位于某市東部的一條重要季節性河流的支流。它的全長為28 km,流域面積為136 km2。某河的水質受到上游湖水的影響,湖水質仍處于劣V 類,含有高濃度的氮、磷等營養物質,導致水體富營養化和藍藻水華的發生。為了改善某河的水環境質量,市政府計劃實施某河引水（綜合整治）工程,建設雨水調蓄池,減少初期雨水徑流的污染,并將其收集錯峰送至污水處理廠處理；建設水文監測站,實時監測水質變化。該工程的目的是穩定某湖水質,保護湖水源地,提高某市城市防洪標準,打造清水穿城、綠色長廊的良好人居環境。

2 模型構建

2.1 概化研究區域

本文對某工業區的雨水管網規劃進行了分析和概化,以提高雨水排放的效率和安全性。該工業區占地967 m2。根據雨水管網和土地利用圖,該區域的雨水管網總長度為28.969 m,由140 個節點和140 段管道組成,被劃分為17 個子匯水區,見圖1。

圖1 概化模型

2.2 參數設定

為了模擬某市的短歷時降雨過程,本次研究采用了芝加哥雨型作為設計降雨方法。在產流計算方面,本次研究選擇了霍頓公式法作為產流模型。它根據土壤入滲能力、降雨強度和土壤含水量等因素,計算出產流量和產流系數[4]。在參數確定方面,本次研究通過模型自動獲取或CAD 量測的方式,得到了匯水子區域的面積（967 m2）,并通過現狀地形圖上的標高、高差和距離等數據,計算出了地表平均坡度（0.5%）。

2.3 模型率定

為了評估城市雨水模型的性能,需要對模型參數進行校準,使其能夠較好地反映實際的流量和水質變化。本文選取了陶沖湖流域內的一個雨水排放點作為校準對象,根據現場測試的水質數據和模型計算結果進行比較。對于結果的評估采用納什效率系數（NSE）,通常情況下,當NSE 大于0.7 時,表示模型模擬與實測數據有較高的一致性。圖2 展示了流量監測值與模擬值之間的比較情況。

圖2 流量監測值與模擬值之間的比較

3 結果與分析

3.1 污染負荷分析

本文利用某河雨量站2018 年～2019 年的降雨數據,分析項目區域的長期和短期降雨特征。根據安徽省水利廳的數據,兩年內總降雨量達到2083 mm,平均每年降雨量為1041.5 mm。

為了研究短期降雨對水環境的影響,本文采用某市降雨強度公式得出,短期降雨量為52.7 mm。基于長期和短期降雨數據,本文建立水質模型,通過對項目區域的雨水管網和湖口排水口的實地調查,發現在陶沖湖上游的匯水區域內,沒有發現有污水進入雨水管道,也沒有發現有明顯的淤積現象。

3.2 污染物削減效果

本文雨水調蓄池采用分流制研究某市的降雨特征,可選取4 mm、5 mm、6 mm、8 mm 的調蓄量。本次研究將在長時間（2018 年～2019 年）和短時間的條件下,比較這些不同調蓄量的主要污染物削減率和經濟效益,用來確定調蓄池最佳調蓄量和有效容積。

根據分流制公式, 調蓄池的有效容積可排水體積V=10 DFψβ,V 是由徑流深度D、排水面積F、綜合徑流系數ψ和安全系數β決定的。在2018 年～2019 年降雨期,D 為10mm,F 為1000 m2,ψ為0.67,β為1.1,這意味著降雨期間儲存74050 m3的雨水,并在降雨結束后逐漸排放到湖泊中。通過這種方式,可以減少末端入湖排口的污染物濃度,如COD、NH3-N、TP 等。圖3 顯示了不同調蓄量對污染物削減率的影響,可以看出,隨著調蓄量的增加,削減率也相應提高。為了達到最佳的水質改善效果,應盡可能增加調蓄池的有效容積可排水體積。

圖3 長歷時對污染物削減率的影響

本文研究在短歷時（兩年一遇,2 小時）降雨情況下,根據不同調蓄量,分析末端入湖排口的NH3-N、TP 以及COD的削減效果。計算經規模不同調蓄后,計算得到的污染物削減效益繪制在圖4 中。長歷時和短歷時工況下,三種污染物的削減趨勢變化基本相同。當調蓄量達到5 mm 以上時,污染物的削減效果逐漸降低。當調蓄量剛好等于5 mm 時,污染物TP 去除效率最高。不同工況條件下, 發現調蓄量為5 mm 最佳,COD 的削減量和削減率最高。

圖4 短歷時對污染物削減率的影響

從上面的分析結果可以看出,調蓄量越大,污染物去除率越高。這表明,調蓄池的有效容積對于提高雨水徑流水質有重要作用。但是,當調蓄量繼續增加時,污染物去除率的增長速度會逐漸減小。在雨水調蓄池的設計過程中,有效容積是一個關鍵因素。如果容積過大,會造成經濟上的浪費；若容積太小,則會導致去除污染效果和雨量截留下降。因此,考慮到經濟性和工程去污性能,選擇調蓄量5 mm 綜合效益最佳。

3.3 降雨特征分析

根據某河雨量站兩年的數據,該站有221 天有降雨,其中196 天的雨水徑流會流入湖泊,最大流量峰值為76.1 m3/s。降雨特征分析表明,初期的雨水徑流很容易流入湖泊,并且初雨污染效應隨著降雨量的增加而加劇。表1 顯示了不同調蓄量下,雨水徑流流入湖泊的天數變化情況。結果表明,調蓄量越大,流入湖泊的天數越少,但是減少的幅度也越小。當調蓄量為5 mm 時,流入湖泊的天數從196 天減少到91 天,占比為46.43%,可以有效地降低近一半的初雨污染物質。綜合3.1 節的分析結果,因此本次設計的調蓄池蓄量為5 mm。

表1 雨水徑流流入湖泊的天數變化情況

3.4 調蓄池參數分析

為探討雨水調蓄池的綜合效益,本文分析了調蓄池的容積、位置和數量的關系。研究區域流域面積較大,雨水管網從上游到下游入湖口的距離也較長。目前只在下游設置了一個調蓄池,這樣在上游開始降雨時,調蓄池就會很快充滿,無法有效截留初期雨水,不能達到收集雨水的效果。

為了改善這種情況,本文以一次短時強降雨為例進行模擬,設計三種調蓄方案,分析每種方案對污染物的減少效果以及調蓄池容量達到有效容量后各個雨水監測點位的污染物濃度變化情況。

根據模型分析結果,在入湖最末端建立一個調蓄點作為基礎工況一,它的有效容積是36000 m3。通過在徑流入口末端設置一個雨水調蓄池,可以暫緩雨水徑流的高峰,并延長其流出時間,從而有效地減少初期雨水對排放水體的污染量。因此,雨水調蓄池是一種簡便而高效的初期雨水污染控制措施。

在降雨約1 小時后,調蓄液位達到最大值,剩余雨水流入湖體。工況二,調蓄點設置在上游和末端,有效容積區30500 m3和5300 m3。當降雨開始后,上游的調蓄池先滿水,然后末端的調蓄池滿水,之后剩余的降雨徑流直接進入湖體。工況三,四個調蓄點沿雨水干管分布,有效容積分別為12100 m3、12700 m3、5800 m3、5300 m3。當降雨開始后,四個調蓄池依次滿水,之后剩余的降雨徑流直接進入下游河道。圖5 中展示了不同工況污染物削減率。

圖5 不同工況污染物削減率

只在末端設置一個雨水調蓄池,就可以有效地降低污染物的排放量,其中COD、SS、TN 和TP 的削減率分別為28.12%、28.67%和28.35%。這說明雨水污染可以通過雨水調蓄有效減少。若最上游位置增設一個調蓄點,水中污染物的削減率雖然可以進一步提高,但是增幅較小,不超過5%。這是因為雨水管道距離下游入湖排口較遠,上游的調蓄點對整個系統的初雨收集率的影響較小。但是,如果沿著雨水主干管將收集范圍分成四個區域,每個區域設置一個調蓄點,那么污染物的削減率都可以達到40%以上,尤其是對COD的去除效果最好,可以達到55.43%。因此,工況三將作為目標設計工況。

4 總結

本文以某河調蓄池為研究對象,對其雨水管網規劃進行了分析和概化,討論了提高雨水排放的效率和安全性的影響因素,通過研究雨水調蓄池的優化方案和污染物削減效果進行分析,得出如下結論：

（1）隨著蓄水池調蓄量的增加,污染物削減率也相應提高。為了達到最佳的水質改善效果,應盡可能增加調蓄池的有效容積可排水體積。

（2）調蓄量越大,污染物去除率越高。這表明,調蓄池的有效容積對于提高雨水徑流水質有重要作用。

（3）通過在徑流入口末端設置一個雨水調蓄池,可以暫緩雨水徑流的高峰,并延長其流出時間,從而有效地減少初期雨水對排放水體的污染量。