排水系统条件对分流制排水系统调蓄池环境效益的影响研究*

2021-01-24徐旻辉

科技创新与应用 2021年4期

徐旻辉

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

由于城市化进程的加速，城市生活、工业用水量和排水量急剧增加，不完善的环保措施导致水资源受到破坏。随着环保设施的不断完善，城市生活污水和工业废水逐步得到治理，水环境质量得到改善。城市点源污染逐步受到控制的同时，面源污染对水环境污染问题进一步突显。雨水冲刷大气和地表，因而裹挟大量的悬浮固体、营养物质、好氧物质、重金属、杀虫剂、多氯联苯和多环芳烃等污染物[1]，通过管道或地表漫流排入水体，造成江河湖泊等受纳水体的水质在短时间内恶化。常静[2]等进行了上海城市降雨径流污染的研究，研究结果表明上海中心城区路面径流主要污染物为SS 和COD，超过国家地表水Ⅴ类标准4 倍；总磷超过国家地表水Ⅴ类标准2 倍，总氮也有不同程度的污染。

径流污染控制调蓄池可以收集初期雨水，减少雨水径流对水体的污染。近年来，我国分流制排水系统在城市排水体制中占据的比例迅速提升，现行分流制排水系统往往缺少截污设施，雨水径流中携带的污染物直排水体，因此有必要对分流制系统中的径流污染控制调蓄池进行研究。刘洪波[3]等指出上海世博园建设了浦明、后滩、南码头和蒙自等4 座分流制调蓄池收集初期雨水，总容积为19800m3，经测算每年可减排初期雨水COD 共1200t。由于为现有排水系统增设调蓄池，因此有必要对分流制排水系统的现状条件对设置径流污染控制调蓄池后的截流截污效果进行研究。本文对分流制排水系统的径流污染控制调蓄池，采用SWMM 软件进行模拟研究，考察排水系统条件和排水系统运行模式等各因素对雨水径流的截流截污效率影响，识别影响调蓄池环境效益的主要因素，为优化径流污染控制调蓄池的设计和运行提供依据。

1 研究方法

1.1 排水系统模型的建立和水文、水力模型

研究选取某分流制排水系统，服务面积3.77km2，雨水泵站规模为58m3/s。根据汇水面特征，将排水系统细分为82 个子汇水区域。下渗模型采用Horton 模型，通过参数设置综合径流系数为0.65。地面汇流采用非线性水库模型，利用动态波模型计算管网汇流。

1.2 污染物模拟

研究选取SS 和COD 作为污染物模拟指标，污染物累积方程采用指数函数形式，冲刷方程也采用指数函数形式，设定清扫间隔时间为1 天。依据用地性质将土地利用类型分为住宅、道路、商业和绿地，水质模型参数参考类似地区的模型参数，并根据实际情况调整[4]，水质模型参数如表1 所示。

表1 水质模型参数

1.3 设计降雨序列

调蓄池污染控制宜采用实际降雨过程建模[5]，本研究降雨时间序列采用一个典型年逐五分钟降雨数据，该典型年降雨量为1183mm，统计得到，间隔在2h 以上的降雨全年共有131 场。

1.4 调蓄池设置

模型在水泵前增加一处节点作为水泵的前池，初期雨水依靠重力从水泵前流入调蓄池。调蓄池容积依据《城镇径流污染控制调蓄池技术规程》[6]计算确定，分流制排水系统初期雨水调蓄量取8mm，计算得到调蓄池体积为20000m3。

2 结果与讨论

2.1 排水系统条件对调蓄池效率的分析

调蓄池服务的排水系统情况，如地面集水距离、地面综合径流系数、地面坡度、管道坡度等，将影响雨水初期冲刷程度、地面集水时间和管渠内流行时间等，对调蓄池的截流截污效率产生影响[7，8]。

2.1.1 地面集水距离对截流截污效率的影响

研究表明地面集水距离即SWMM 中子汇水区特征宽度，是模型中主要的敏感参数[9]。采用实际排水区域特征宽度，以及设定特征宽度50 和1000 进行模拟。模拟结果如图1 所示，当子汇水区特征宽度为50、实际值和1000 时，径流污染控制调蓄池对降雨径流的截流率为49～52%左右，对降雨径流中SS 和COD 的截留率为50～52%和46～48%左右。研究结果表明在此排水系统模型中，地面集水距离对调蓄池截污效率影响不大，这可能是由于在较大面积的排水系统中，雨水在管道内流经时间较长，地面集水距离导致集水时间的差异可忽略。

2.1.2 地面综合径流系数对截流截污效率的影响

图1 地面集水距离对截流截污效率的影响

图2 地面综合径流系数对截流截污效率的影响

图2 显示了不同地面综合径流系数，对径流污染控制调蓄池截流截污效率的影响。当地面综合径流系数为0.5、0.65、0.7 和0.8 时，调蓄池对降雨径流的截流率分别为59%、51%、49%和45%。随着径流系数的增大，调蓄池的截流率逐渐减小，当径流系数增大时，雨水径流量增大，在调蓄池容积一定的情况下，调蓄池截流的雨水比例减少。当地面综合径流系数为0.5、0.65、0.7 和0.8 时，调蓄池对降雨径流SS 和COD 的截留率分别为59%、53%、51%、49%和54%、46%、45%、42%。当径流系数增大时，雨水径流总量增大，径流污染总量相应增大，但由于截流率下降，调蓄池对污染物的截留率也呈现下降趋势。

2.1.3 地面坡度对截流截污效率的影响

由图3 可知，当地面坡度分别为0.1%、0.5%、1%和2%时，径流污染控制调蓄池对降雨径流的截流率均为51%左右，对降雨径流中SS 和COD 的截留率均为52%和46%左右。当地面坡度不同时，雨水径流总量保持不变，调蓄池截流率不发生显著变化；虽然地面坡度增大，增强了初期冲刷效应的强度[10]，但在大面积排水系统中，增强的初期冲刷效应不足以影响调蓄池对污染物的截留率。

图3 地面坡度对截流截污效率的影响

2.1.4 管道坡度对截流截污效率的影响

在设计充满度下为保持不淤流速，排水管道设计时要求最小设计坡度。如图4 所示，当管道坡度分别为实际坡度、0.5‰和1‰时，径流污染控制调蓄池对降雨径流的截流率均为51%左右，对降雨径流中SS 和COD 的截留率均为53%和46%左右。当排水管道流速大于不淤流速时，管道坡度对调蓄池的截流截污效果无显著影响。

图4 管道坡度对截流截污效率的影响

2.2 排水系统运行模式对调蓄池效率的分析

调蓄池所在排水系统的运行模式，如管道运行水位、地面清扫频率等[1]，将是优化调蓄池运行的关键参数，对实际调蓄池运行产生重要影响。

2.2.1 地面清扫频率对截流截污效率的影响

地面清扫频率影响地表累积的污染物浓度，进而影响径流污染物的浓度。研究不同的清扫频率对调蓄池截流截污效率的影响，结果如图5 所示，当清扫间隔时间为1 天、2 天、3 天和 4 天时，调蓄池对降雨径流的截流率均为51%，调蓄池对降雨径流SS 和COD 的截留率分别为50%～53%和43%～46%。清扫频率对调蓄池的截流控污效率无显著影响，但清扫频率较高时，雨水泵站排放水体的污染物总量将显著降低。

图5 清扫频率对截流截污效率的影响

2.2.2 管道运行水位对截流截污效率的影响

由于地下水水位高，或雨水管道存在渗漏的情况，部分地区雨水管道保持高水位运行，模拟研究考察雨水管道运行水位对调蓄池截流截污效率的影响。如图6 所示，当雨水管道运行水位控制为旱季空管、调蓄池进水管管顶、调蓄池进水管管顶1m 和调蓄池进水管管顶2m 时，调蓄池对降雨径流的截流率均为48%～51%，调蓄池对降雨径流SS 和COD 的截留率分别为51%、37%、42%、45%和46%、34%、39%、42%。当排水系统采用旱季空管方式运行时，调蓄池可收集更多初期雨水，截污效率高于带水位运行的排水系统。周骅[11]对调蓄池功能进行研究时，同样发现当管道水位高时，管道中的水挤占调蓄池容量，影响调蓄池收集初期雨水，降低调蓄池的效益。带水位运行的排水系统中，管道运行水位越高，调蓄池对污染物的截留率略高，雨水管道发挥部分调蓄作用，略有利于调蓄池收集径流污染。