关于雨水泵站排放口污染物削减净化区的探讨

王 波

(上海宏波工程咨询管理有限公司，上海 201707)

泵站放江污染控制是一项系统工程，涉及排水系统全链条，包括地表径流面源污染控制、雨污混接调查和改造、管道积泥清淤、末端截流和污水厂处理等多方面[1-2]。这一系统工程前期投入大、建设周期长、见效较慢，对老百姓生活和交通出行存在较大影响，暂时难以全面开展。上海宏波工程咨询管理有限公司对上海市某泵站进行了末端污染物削减试点研究工作，通过在泵站内部狭小空间加装一套高效组合澄清系统对泵站前池进行末端治理，得到该系统对去除颗粒态污染物，提高水体透明度，降低泵站水体COD、TP效果较好[3]。在泵站放江排放口附近构建污染物削减净化区结合曝气复氧技术、生态浮床等水生态修复技术[4-6]可对泵站放江水体污染物削减具有较好的应用推广价值。

本文通过二维数值模型计算研究不同浓度及水量的放江水体对河道的影响，研究雨水泵站放江过程中排口附近污染物随时间在河道中对流扩散的过程，以及污染物浓度随河道沿程变化的范围，提出并探索构建泵站排放口附近污染物削减净化区，从而为生态廊道(在河道边沿程构建一块区域，在其中布置拦截、生物净化设施等综合除去污染物的技术)的布置范围提供理论指导。

1 研究方法

1.1 模型简介

MIKE系列水利模型是由丹麦DHI开发的专业软件，市政雨水泵站放江的受纳水体基本为城市河道，需要模拟河道中污染物对流扩散的过程，故采用MIKE+的水动力和水质模型，泵站排放口采用点源模拟，以氨氮(NH3-N)为水质研究因子。

1.2 网格划分

以上海曹丰泵站为参考，排入河道为西浜，故本研究模拟河段长1000m，河口宽度13m，网格为非结构化三角网格，精度1m，共计17982个网格，如图1所示。地形以上海市一般河道断面为参考，河底高程-0.5m，两岸为垂直护岸，墙前0.5m高程处1∶2坡比接坡，地形如图2所示。

图1 模型网格

图2 模型地形

1.3 参数选择

模型研究中涉及的参数较多，研究从工程最不利角度考虑，并结合上海地区相关研究成果，对水动力主要影响参数及考评水质指标的相关参数的选取进行说明。

1.3.1时间步长

经过试算，模型采用步长为1min，5h后该模型范围可达到对流扩散稳定。

1.3.2底部糙率

如图5所示，设置初始阻抗参数为z=0.2进行髋关节和膝关节实验，第1周期，被测者不施加主动力，按照既定轨迹恒速运动；第2周期开始，被测者施加主动力，机器人采集主动作用力；第3周期开始，根据前1周期主动作用力大小计算新的康复训练速度。从图5中可以看出力2大于力1，其相应的速度也越大，所以当阻抗参数相同时，主动力越大，速度调整量也越大。

糙率选取曼宁值0.025。

1.3.3对流扩散系数

水质模拟中重点针对氨氮的降解系数、对流扩散系数等相关参数。其中，降解系数主要结合最不利情况设计标准和其他类似研究，故不考虑河道对氨氮指标的降解能力；对流扩散系数主要依据上海区域相关研究成果，选取系数为0.01m2/s。不考虑其他微生物、细菌等对有机质的分解。

1.4 边界及工况设置

1.4.1河道边界

河道上游采用固定流量边界，根据该地区其它相关研究成果，河道流速为0.1～0.3m/s；河道常水位为2.5m，13m宽的河道流量取整选择3～9m3/s。河道水体氨氮指标基本满足地表水Ⅴ类水要求，设定为1.8mg/l。

1.4.2排口边界

以点源为边界，经统计全市雨水泵站放江平均值约为50000m3/d，目前污染物削减系统规格为5000～50000m3/d。经调查全市雨水泵站放江和污染物削减系统处理后水体氨氮指标多为5～15mg/l，具体见表1。

表1 不同计算工况下的模型各边界设置

2 排口附近河道水质变化结果与分析

2.1 排水口及特征点分布

图3 排水口及特征点分布示意图

2.2 河道水动力条件、排口排水量及水质浓度对河道水质变化的规律

以工况1～3为例，上游来水流量3m3/s，氨氮1.8mg/l，下游控制水位为2.5m，初始水位2.5m；排水口出水氨氮为5mg/l，排水量分别为1万m3/d、3万m3/d、5万m3/d，各工况下河道氨氮浓度分布情况如图4—6所示，提取各工况对流扩散稳定下对应特征点的氨氮值如图7所示。

图5 工况2河道水质分布情况

图6 工况3河道水质分布情况

图7 工况1～3河道特征点水质沿程变化情况

根据图4～6可以得到排水口水体的水质情况对河道平面的水质分布及不同排水量对河道氨氮分布有明显的不同，根据图7可以看出河道中心线、靠近排口侧和远离排口侧的氨氮在随着河道沿程变化有明显不同，靠近排口侧氨氮浓度在50m范围内有一定的增加，而后逐渐减小趋于稳定；远离排口侧氨氮浓度从河道基底浓度逐渐增加然后趋于稳定；河道中心线则沿程基本上处于均匀稳定；三者在河道某一断面处充分对流扩散达到均匀的水质值。这里，我们将从排水口断面至污染物与水体充分混合的断面之间的河道范围定义为污染物削减净化区。

根据图7可知工况3排口排水量为5万m3/d时河道在距离排口450m处氨氮达到稳定的2.393mg/l，工况2排口排水量为3万m3/d时河道在距离排口400m处氨氮达到稳定的2.166mg/l，工况1排口排水量为1万m3/d时河道在距离排口300m处氨氮达到稳定的1.919mg/l，所以在不同工况下河道污染物削减净化区的长度和河道稳定后的水质情况是不同的。在相同河道水动力条件，相同排水水质浓度，排口排量越大对河道水体的影响越大，满足水质达标的净化区距离越长。当同时满足上游来水量大于3m3/s，氨氮小于1.8mg/l时，排水口出水氨氮小于5mg/l，排出水量小于1万m3/d，经过300m以上对流扩散作用后，氨氮均可满足小于2mg/l，即达到地表水Ⅴ类水要求。

根据上述分析我们可以计算所有工况下河道水质情况，见表2。

表2 各工况河道水动力及水质稳定值

从表2中可知，河道氨氮为1.8mg/l，工况1在上游来水流量为3m3/s，当排口氨氮为5mg/l，排口流量为1万m3/d时，经过300m对流扩散后氨氮可稳定在2mg/l以内，当氨氮总量大于50kg/d，均匀节点处的稳定水质将大于2mg/l，需在污染物削减净化区范围外也设置相关的净水工程措施以减少排口污染物对河道的影响；同理，工况11在上游来水流量为6m3/s，当排口氨氮为5mg/l，排口流量为3万m3/d，经过600m对流扩散后氨氮可稳定在2mg/l以内，当氨氮总量小于150kg/d，均匀节点处的稳定水质均小于2mg/l，河道自身支持的污染物削减净化区最大长度为600m；工况21在上游流量为9m3/s，当排口水质氨氮为5mg/l，排口流量为5万m3/d，经过850m对流扩散后氨氮可稳定在2mg/l以内，故河道在此水动力条件下河道允许的最大污染物放江质量为250kg/d，至少在污染物削减净化区850m范围设置相关的净水工程措施以减少排口污染物对河道的影响。

不同的排口流量和浓度情况下，设定排口氨氮总量均为50kg/d时，河道流量为9m3/s的河道氨氮稳定为1.841mg/l(工况19)，优于河道流量为6m3/s的河道水质(工况10：氨氮=1.861mg/l)，也优于河道流量为3m3/s的河道水质(工况1：氨氮=1.919mg/l)；同样的，对比其他相同氨氮总量下，不同河道水动力条件下均可得出：在河道水质基底较好且稳定不变的情况下，河道水动力对相同总量的污染物入河对河道水质有决定作用，即相同总量的污染物入河，水动力环境越好，河道水质稳定后污染物浓度增量越少。

对比工况1、工况29和工况30可知，河道上游流量相同，排口排出水体浓度及水量相同，河道初始水位及下游控制水位增大30mm对河道水质的影响不大，且影响范围基本相同，当河道初始水位及下游控制水位增大50mm，对河道水质的影响不大，但影响范围略有减少，即：河道常水位2.5～2.80m情况下，排水口排放污染物对河道水体水质的影响程度变化不大。

对比工况1～30河道断面水体水质均匀结点即距离排水口沿程距离至少250m，说明入河氨氮总量为50kg/d，排水口下游至少250m范围内氨氮浓度不能达到地表水Ⅴ类水标准，可通过河道原位或异位设置净化措施削减污染物，缩短对河道影响长度范围。

对比工况1和工况28可知，在相同水动力条件(河道流量均为3m3/s)、相同总量(50kg/d)的氨氮入河，浓度为2.5mg/l的2万m3/d的排水量入河后河道氨氮为1.85mg/l，优于浓度为5mg/l的1万m3/d的排水量，工况20与工况25、工况11与工况16见表3。在河道水动力条件相同，入河污染物总量相同，入河污染物浓度比入河污染物水量对河道水体的影响更为敏感。

表3 上游来水、排放口水量及氨氮浓度敏感分析表

3 结论与建议

(1)将雨水泵站排放口下游一定距离的河道定义为污染物削减净化区，根据排水量、污染物浓度以及河道水文条件综合确定净化区长度，同时可以通过在净化区内采用原位或异位处理改善雨水泵站排放水体对河道的污染。

(2)相同河道水动力条件，相同雨水泵站放江水质浓度，排水量越大，污染物削减净化区越长；相同排量，排水水质浓度越高，污染物削减净化区越长，即雨水泵站放江排放口处污染物削减治理需要具体情况具体分析和设计。

(3)在河道水质基底较好且不变的情况下，河道水动力对相同总量的污染物入河对河道水质有决定作用，即相同总量的污染物入河，水动力环境越好，对河道水质影响越小，污染物削减净化区越短，即改善泵站放江受纳河道的水动力环境对削减泵站放江对河道的污染具有重要的意义。

(4)相同河道水动力条件，相同雨水泵站放江污染物总量，污染物浓度对污染物削减净化区长度的敏感性大于污染物水量对污染物削减净化区长度的敏感性，即控制雨水泵站放江水体的污染物浓度较水量对削减泵站放江对河道的污染有更重要的作用。

(5)泵站出水氨氮总量为50kg/d的情况下，排水口下游至少250m范围内氨氮浓度不能达到地表水V类水标准，建议通过河道原位或异位设置净化措施削减污染物，缩短对河道影响长度范围，同时250m可做为入河氨氮总量为50kg/d时净化廊道设计的最小参考长度。

(6)泵站出水为10000m3/d的情况下，污染物浓度不大于15mg/l，经过一段不超过800m削减缓冲区后，水质基本能稳定在不超过2mg/l，800m可做为泵站出水为10000m3/d时净化廊道设计的最大参考长度。

4 结语

本文首次提出在泵站放江排放口附近构建污染物削减净化区，并运用数值模拟技术定性的研究了污染物削减净化区受河道水动力、水质以及雨水泵站排放水体水质、水量影响的关系，该研究方法和结论可为生态廊道的布置范围提供参考和指导意义。后续可继续搜集和监测更多的试验数据进一步完善污染物削减净化区定量分析的研究。