应用大口径管道截流老城区溢流污水方案研究

马方凯 王雪健 高兆波

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010;2.长江生态环保集团有限公司，湖北 武汉 430062)

经济的高速发展推动城镇化进程加快,城市的不断扩张带来诸多排水问题,如雨水及污水管网不足、雨季城市内涝严重和溢流污染频繁出现等。地表的初期雨水和溢流的污水汇入河流、湖泊等水体后造成水体富营养化甚至黑臭。解决问题的重要方法之一是进行雨污分流改造,然而老城区地下管线密集,雨污水分流改造涉及千家万户,改造难度大,改造费用高昂,施工周期制约条件多。

针对这一问题,目前国内外各大城市采取排水深隧技术[1],通过排水深隧技术在城市深层地下空间建设大型排水隧道解决排水问题。如美国芝加哥深隧工程、新加坡深隧工程和香港深隧工程等[2,3]。此外,随着城市建设用地面积的不断扩大,雨水地面径流的汇水面积增大;城市用地紧张,硬化地面的比例提高,综合径流系数随之提高[4]。这些均导致雨水管道的设计流量逐渐增大,相应地管道的口径需要增大,目前大口径排水管道越来越多地在城市排水系统中应用[5]。

借鉴大口径管道排水应用增多的趋势,对城区(尤其是地下管线复杂的老城区)排水系统的改造提出多功能大口径管道方案,近期拦截CSO溢流污染,远期待雨污水分流后,可用作初雨收集管。多功能大口径管道方案可有效节约地上空间、规避地下管道障碍、避免现状管线大范围拆改、兼顾治理CSO溢流污染和面源污染。

本文以黄冈市遗爱湖区域排水管网改造为例,结合遗爱湖区域排水和污染现状,基于模型模拟和不同口径管道方案比选,结合多种雨水工况模拟,详细论证多功能大口径管道方案的可行性及有效性。

1 研究区域概况

图1 研究区域范围

黄冈市位于湖北省东部、长江中游北岸、大别山南麓,是鄂东的重要门户。遗爱湖位于长江中游北岸,湖北省黄冈市城区中东部,位于东经114°53′7″～114°55′18″、北纬30°25′45″～30°27′39″之间,由东湖、西湖、菱角湖组成,湖泊水面面积3.16km2。

本文研究范围为黄冈市环遗爱湖区域现状合流制排水体制的区域,研究区域范围见图1,北至中环路、西南至长江大堤、东至新港大道以及三台河,总面积25.18km2,其中水域面积3.25km2(遗爱湖3.16km2、青砖湖0.09km2),陆域面积21.93km2(绿地3.16km2、工业用地3.05km2、居住用地15.72km2)。

遗爱湖原为城郊的荒野湖泊,随着城市急剧向东扩张,逐步转变为城市中心城区内湖,同时也变成了承接大量城市污水的“聚污盆”,水质恶化为劣Ⅴ类。从2007年起,黄冈市正式启动遗爱湖水环境治理工程,先后实施了沿湖截污、退渔还湖、底泥清淤、生态修复等工程,一定程度上削减了入湖污染负荷,但遗爱湖水质并未出现明显好转,现状水质仍为劣Ⅴ类,因此遗爱湖迫切需要治理。

遗爱湖片区管网建设缺乏系统性,存在大管接小管、部分道路局部路段有多条排水管并行、管径都比较小的现象;地下排水管网建设年代较为久远,地下管线无详细准确的档案资料。同时,地下管线错接、混接、漏接等现象普遍存在,部分地下管线年久失修,破损、淤塞严重,且地下管线庞杂。

本文研究范围河岸线总长度超过29km,排口分散,且部分排口位于河道水面以下,合流区排口是否有效拦截溢流污染,分流区排口是否有效拦截初雨,直接决定了遗爱湖治理的效果。同时,早期合流体制的建设体制,导致从小区源头起即存在雨污水混接,剥离合流混接,治理工作量巨大。如何在短期内,提高截污系统的效能,控制住更多的污染物,为湖泊治理创造治理的基础条件,是本文研究的重点。

2 总体方案

根据《黄冈市海绵城市专项规划(2016—2030)》《黄冈市老城区雨、污水分流专项规划》(2019.5)及《黄冈市中心城区污水专项规划(2014—2030)》要求,确定本研究范围内旱季污水、合流溢流污染以及城市面源控制目标,见表1。

表1 研究目标

在当前全面实施雨污分流难度大,且建设初雨调蓄池用地受限的情势下,应用大口径管道截流、调蓄、运输并处理溢流污水,成为近期改善遗爱湖水环境的一种有效选择。通过测算片区污水总量,梳理污水系统布局、污水处理设施,明确面源污染分区及径流控制标准并结合遗爱湖水环境容量进行规划。通过调查、模拟论证合流制区域截流倍数、CSO调蓄处理时间,进而提出CSO调蓄、收集、处理方案,确定研究区的截污总量及CSO处理站的规模。结合截流、调蓄及处理设施布局,并与雨水径流污染控制、内涝治理衔接,综合考虑CSO处理站的处理工艺及效能。总体方案思路如图2所示。

3 模型构建

为了模拟、分析并指导大口径管道设施截流的实际效果,通过InfoWorks ICM软件建立模型,验证方案合流制溢流控制的实际效果和可行性。InfoWorks ICM是英国Wallingford公司研发的排水模型软件,是城市排水领域内采用最为广泛的模拟软件之一。InfoWorks ICM软件可利用计算机构建排水管网系统水文水力模型,可以精确、细致地模拟暴雨系统、污水系统、合流制排水系统以及地表漫流系统等。本研究中建模的技术路线如图3所示。

图2 总体方案思路

本文以黄冈市中心城区污水专项规划中的老城区、城西片区现状污水规划图作为基础,以黄冈市老城区雨、污分流专项规划中排水系统现状图作为参考,整理管网数据,对相关缺失的数据进行概化处理。本文采用黄冈市2012年全年每5min降雨量数据;以黄冈市老城区雨、污分流专项规划中遗爱湖片区各系统用地分布图作为下垫面数据参考;由黄冈市中心城区污水专项规划中可知,老城区近期平均日污水量为3.7万m3,老城区近期人口为17.2万,以此预测旱季污水水量数据。

图3 InfoWorks ICM建模技术路线

基于已获得的数据,在划分排水分区的基础上建立排水系统水文水力模型,进行一维模拟分析,评估管网溢流量及COD溢流量。模型区排水管道总长89337.1m,包括截流管道15.11km,市政合流制管道74.23km,有检查井291个。模型区的管网布置如图4所示。Infoworks ICM软件中采用分布式水文模型方法计算集水区水量,通过系统划分方式,划分排水模型的子集水区共计264块,其中合流制集水区233块,共15.83km2;分流制集水区31块,共3.32km2。本研究表面产流分为两种:一种是硬化面积,主要是路面和屋面,且这部分面积占了大部分;另外一种为非硬化面积,主要是道路绿化以及一些植被草坪。采用固定径流系数产流模型,分别模拟不同下垫面的扣损和产流特征;采用SWMM模型非线性水库法模拟不同集水区的地形坡度下的汇流特征,进行各集水区的动态汇流模拟。典型场次降雨总雨量采用27.8mm,设计典型场次降雨雨量分配参考2012年7月12日全天24h雨型,典型年降雨总雨量采用2012年全年每5min降雨数据。关于水动力计算,InfoWorks ICM中管道明渠流的模拟采用完全求解的圣维南方程,对明渠超负荷的模拟采用Preissmann Slot方法,以仿真各种复杂的水利情况。

图4 模型区管网布置

4 大口径方案模型分析比选

利用典型场次降雨,结合现状管网,模拟计算现状溢流量和COD溢流量,分析确认现状溢流缺口,见表2。

表2 典型场次降雨现状溢流量

大口径管道布置方式都以遗爱清风一号港排口为起点,依次通过导流管将遗爱清风一号港排口,东坡外滩排口、曹家畈排口以及伊利排口的溢流管与大口径管道相连,保证溢流管的水流先进入大口径管道,待大口径管道超负荷运行后,再发生溢流。大口径管道末端通过一个恒定流量的泵站与末端处理设施相连,处理过的水外排。大口径管道布置方式平面示意图及纵断面示意图如图5所示,此外以曹家畈排口为例解释其溢流管与现状截流管、大口径管道的连接关系,如图6所示。

图5 大口径管道布置方式平面示意图及大口径管道布置方式纵断面示意图

图6 溢流管与现状截流管、大口径管道的连接方式(曹家畈排口)

通过实地踏勘,整理资料及观察卫星地图,本模型共预设3个大口径管道尺寸方案,管径分别为2m、3m和4m。通过各方案大口径管道调蓄容积,对比现状溢流缺口,确定大口径管道末端处理设施规模,见表3。

表3 方案估算

利用典型年降雨,结合各方案管网模型,模拟计算各方案溢流量和COD溢流量,分析截流率和COD截除率,综合方案估算,选取最佳方案,见表4。

表4 各方案截流率

图7 曹家畈排口及大口径管径全年溢流量

由图7可知,三种方案中曹家畈排口的年溢流量相对现状情况都有降低,同时在溢流频次上也会有所减少,大口径管道管径4m的方案年溢流截流率最大。

表5 各方案COD截除率

由图8可知,三种方案中曹家畈排口的COD年溢流量相对现状情况都有降低,同时在溢流频次上也会有所减少,大口径管径4m的方案尤为明显。由表5可知,四个方案中,大口径管径4m的方案COD年溢流截除率最大。

综合各方案估算、截流率以及COD截除率,及工程经济性、施工的难易程度,得出大口径管径为3.0～3.5m、末端处理设施日处理量为10万m3/d的方案是最优方案,溢流量截流率为52%,COD溢流量截除率为73%,效果显著。

图8 曹家畈排口及大口径管径方案曹家畈排溢流量

5 溢流控制效果评价

在新建大口径管道和末端合流制溢流污水处理设施等基础设施的基础上,充分挖掘已建和新建设施潜力,以不增加新的内涝风险点为原则,利用管网自身调蓄容积和末端在线处理设施能力,采用RTC(real time control)智能调度,进一步提高溢流量截流率和年径流总量控制率15%以上。通过设置小雨、中雨以及大雨工况来评价大口径管道方案的控制溢流能力。

小雨、中雨以及大雨工况是通过将2012年全年每5min降雨整合为全年每日降雨,对比优化方案全年降雨结果文件,筛选出完全不发生溢流的最大日降雨数据作为小雨工况,各排口完全溢流的最小日降雨数据作为大雨工况,以及在两者间选取不完全发生溢流的日降雨数据作为中雨工况。

经过筛选后,小雨工况为日降雨量不大于23.9mm,最大降雨强度不大于6.48mm/h;中雨工况为日降雨量大于23.9mm小于60.2mm,最大降雨强度大于6.48mm/h小于11.37mm/h;大雨工况为日降雨量不小于60.2mm,最大降雨强度不小于11.37mm/h。经模拟分析后发现:小雨工况选用日降雨量为23.9mm的降雨数据进行模拟,结果显示各排口溢流量为零,不会发生溢流;中雨工况选用日降雨量为42mm的降雨数据进行模拟,结果显示部分排口发生少量溢流,少数排口不发生溢流;溢流排口溢流量为0.17～4.29m3,总溢流量为11.55m3;大雨工况选用日降雨量为60.2mm的降雨数据进行模拟,结果显示各排口都会发生溢流;溢流排口溢流量为74.63～30582.1m3,总溢流量为176756.48m3。三种情形工况结果如图9所示。

图9 大雨工况下溢流情况

上述模型模拟结果表明,大口径管道结合RTC智能实时调度,可使遗爱湖片区年径流总量控制率为75%,径流污染削减率为60%。待远期遗爱湖污水处理厂扩建至15万m3/d后,遗爱湖老城区的污水处理规模可提升为5万m3/d,该方案效果还可进一步提升,COD溢流截除率为81%,年径流总量控制率为77%,径流污染削减率为62%。

6 结 论

本文以黄冈市遗爱湖片区水环境治理为例,结合遗爱湖区域排水和污染现状,基于模型模拟,通过设置不同工况模拟分析,论证了大口径管道截流方案的可行性,表明大口径管道截流在城市水环境治理中,尤其对老城区管道改造中具有良好的效果,同时大口管道截流方案具有较高经济性,在市政工程中具有良好的应用前景。