基于数值模拟的雨水泵站放江污染控制研究

张 惠，黄志金，张庆民

(1上海市排水管理事务中心，上海 200001；2上海宏波工程咨询管理有限公司，上海 201707； 3 上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061)

前 言

雨水泵站放江污染是近几十年来世界各国城市水环境治理面临的现实难题，泵站放江污染已凸显为影响上海中心城区河道水质稳定的主要瓶颈之一[1-2]。泵站放江污染的原因是错综复杂的，需要考虑降雨、雨水径流面源污染、排水系统管网状况、泵站运行管理等诸多因素，同时还涉及到合流制管网溢流污染、分流制管网雨污混接、管道沉积物冲刷污染、管道积存水等众多因素，仅从泵站放江水质角度无法有效地研究分析出排水系统泵站放江污染问题症结所在[3-4]。欧美等发达国家自20世纪60年代起就对排水系统雨天溢流对水体污染进行了大量研究，包括借助数模科学研究溢流量、溢流频次、调蓄池建设规模等；各个国家针对各自的不同情况，制订了相应的控制措施、政策并应用到实际工程中，取得了显著的效果。国内目前全面系统开展泵站放江污染削减研究的较少，在该领域也缺乏相应的工程建设经验和规范。

本文通过建立水动力-水质模型，采用数值模拟方法对上海市某雨水排水系统的排水过程进行研究，探讨了提升截流能力、雨污混接改造和增加调蓄池等工程措施对泵站放江污染的改善效果。这种采用数值模型模拟评估泵站放江污染控制措施效果的研究方法，一方面使工程效果被量化后更加直观、现实，另一方面基于数学原理的数值模型可以更理性科学地认识泵站放江水质过程的成因，对于泵站放江的日常运行管理和政府部门决策制定泵站放江控制措施具有很好的指导作用，同时也为类似项目的设计和实施提供案例参考。

1 材料与方法

1.1 排水系统概况

选取位于上海市中心城区的田林泵站所在的漕河泾排水系统作为研究对象，见图1。漕河泾排水系统为已建分流制系统，雨水管道建设于20世纪80年代，系统内管道较完整，无积水点。服务范围为东起蒲汇塘，西至上澳塘，南起漕河泾港，北迄蒲汇塘，总服务面积4.56km2，田林泵站位于系统东侧，靠近蒲汇塘。现有雨水管道均已按规划要求建设，按照暴雨重现期1年一遇标准，管道达标率为100%。雨水管道管径为DN450～DN2400，管道总长20.845km，其中DN1000以上总长13.365km，占比约64.11%。

图1 研究范围及田林泵站位置示意图Fig.1 Study area and location diagram of Tianlin pumping station

1.2 数值模型建立

管网数值模型是一种研究管网调度、分析城市内涝及治理方案的普遍工具。Mike urban的排水模型广泛应用于城市排水与防洪，分流制管网的入流、渗流，合流制管网的溢流，受水影响，在线模型，管流、水质监控等。借助Mike urban软件搭建地表径流与管网水动力-水质模型，见图2，结合管道实测水位数据和相关文献研究成果[5～8]对模型参数进行率定。

图2 管网模型Fig.2 Pipe network model

水位率定结果与3次现场实测数据基本符合，雨水泵停止后模拟水位与实测水位趋势一致。地表径流水质参数选用SS、COD、TN和TP作为研究对象，具体参数见表1。 模型中管网内的水质数据采用泵站前池的场次平均浓度来代替，其中SS、COD、TP分别为40mg/L、45mg/L、0.3mg/L；另外，TN采用场次平均浓度(EMC)3mg/L[9]。

表1 累积、冲刷指数参数[5-6]Tab.1 Accumulation and erosion index parameters

采用芝加哥120min雨型作为设计雨型，雨峰位置系数r=0.405，结合暴雨强度公式计算得到相应设计雨型[10]。基于防汛安全第一考虑，设计雨型以1年一遇降雨为上限。由此，分别选取现状降低管道内水位到0m的最大不放江总雨量17mm、雨污混接改造全部实施完成后管道内为非满管时最大不放江雨量25mm和增设调蓄池后最大不放江雨量33mm四种雨型作为设计雨型，用于研究不同措施对泵站污染物削减的影响。其中，17mm、25mm、33mm和1年一遇4种雨型最大降雨强度分别为0.85、1.24、1.65和2.37mm/min。

2 放江量及污染物削减效果分析

2.1 不同雨型条件下放江量分析

根据2020年9月实测水位数据，系统内部管道日常处于满管状态，设定管道内水位为1m。采用SWMM中地表径流污染物指数型计算方式进行计算，可以看出地表污染浓度受降雨强度的影响，变化趋势与设计雨型相似，四种雨型条件下，各污染物的最大浓度见表2。

表2 各雨型时最大污染物浓度Tab.2 Maximum pollutant concentration of each rain type (mg/L)

图3 地表径流、泵站前池污染物浓度变化过程Fig.3 Change process of pollutant concentrations in surface runoff and pumping station forebay

从图3可看出，相对17mm雨型，25mm雨型时地表径流污染物SS、COD、TN、TP的最大浓度分别增加了8%、8%、46%、36%；33mm雨型时分别增加了16%、16%、107%、86%；1年一遇雨型时分别增加了20%、20%、146%、103%。

经模型试算，泵站最大不放江雨量为12mm。泵站前池水体是由排水系统管道沉积物、地表径流、混接污水、地下渗水等各种水体混合而来，由于井点到前池距离的差异导致混合过程存在时间差，最终形成了前池水质达到最大后一定时间内保持稳定的变化过程。各不同雨型条件下，田林泵站放江量计算结果见表3。

表3 现状排水系统不同雨型时放江量对比Tab.3 Comparison of river discharge under different rain patterns in the current drainage system

图4 现状污染物放江量Fig.4 Discharge amount of current pollutants

从图4可看出，污染物放江量与泵站运行时间密切相关，放江量的变化直接由泵站运行规模决定。17mm、25mm、33mm和1年一遇雨型的放江时间分别为1.92h、2.33h、3.25h、4.17h，污染物SS放江量峰值分别为260.82g/s、376.72g/s、577.64g/s、650.2g/s，污染物COD放江量峰值分别为298.46g/s、438.19g/s、723.72g/s、804.65g/s，污染物TN放江量峰值分别为19.39g/s、29.78g/s、67.76g/s、82.69g/s，污染物TP放江量峰值分别为1.96g/s、3.00g/s、6.52g/s、7.72g/s。放江量的大小与降雨强度成正比，雨量越大放江量峰值和放江历时也会越大。

2.2 提升截流能力对污染物削减效果分析

田林泵站日常水位维持在1m的满管状态，雨污混接及其他入流导致系统的设计截流能力对雨水截流作用很小。因此，设计提升日常截流规模，控制管道内部日常水位到0m，经计算，系统所能承受的最大不放江雨量为17mm，具体计算结果见表4。从污染物放江总量上看，降低管道日常水位1m，可以减小放江水量6%～17%，尤其对于雨量较小且降雨强度不高的雨型，截流效果比较好，污染物总量削减多。

表4 提升截流能力后放江量计算结果Tab.4 Results of river discharge after improvement of interception capacity

图5 25mm、33mm、一年一遇雨型时放江量变化过程对比Fig.5 Comparison of variation process of river discharge at 25 mm，33 mm and once a year rain type

从图5可看出，提升截流能力，降低管网内水位到0m后，25mm雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分别为291.9g/s、342.5g/s、24.02g/s、2.42g/s，相对于现状减小22%、22%、19%、19%，放江历时为2.17h，相对于现状缩短了7%；33mm雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分别为584.79g/s、728.49g/s、67.33g/s、6.48g/s，相对于现状增长1%、1%、-1%、-1%，放江历时为3.08h，相对于现状缩短了5%；1年一遇雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分别为699.63g/s、888.69g/s、96.15g/s、8.96g/s，相对于现状增长8%、10%、16%、16%，放江历时为4h，相对于现状缩短了4%。所以，降雨越集中、雨量越大，工程措施的污染物削减效果相对越差。

2.3 雨污混接改造对污染物削减效果分析

鉴于系统内存在多个雨污混接点，混接总入流量约0.18m3/s，且管道日常处于满管状态。考虑雨污混接改造完成后，理想状态下管道内日常处于放空状态，则放江量计算结果见表5。从污染物放江总量上看，雨污混接改造完全实施后，可使污染物的放江量削减达到21%～28%，进一步提高了不放江雨量的上限。

表5 雨污改造后放江量计算结果Tab.5 Results of river discharge after rainwater and sewage reconstruction

图6 33mm、1年一遇雨型时放江量变化过程对比Fig.6 Comparison of variation process of river discharge at 33mm and once a year rain patterns

从图6可看出，雨污混接改造完成后管道内处于放空状态时，33mm雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分别为625.76g/s、795.34g/s、73.47g/s、7.07g/s，相对于现状增长了8%、10%、8%、8%，放江历时为2.5h，相对于现状缩短了23%；1年一遇雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分别为729.86g/s、927.66g/s、100.48g/s、9.3g/s，相对于现状增长了7%、8%、8%、7%，放江历时为3.42h，相对于现状缩短了18%。所以，管道放空状态下，污染物放江量的峰值略有上升，但放江时间大幅减小，放江量削减约20%。

2.4 新建调蓄池对污染物削减效果分析

参考程江[11]等人对于调蓄池削污效应的研究成果，基于上海地区的降雨条件，上海雨水调蓄池要达到80%的溢流污染物削减率的容积应满足约100m3/hm2的控制标准。漕河泾排水系统面积为4.56km2，因此假定系统内部新建调蓄池容积为45600m3，则雨水泵站放江量计算结果见表6。从污染物放江总量上看，新建调蓄池可使污染物放江量削减达到45%～49%，与牟晋铭[12]的研究结果接近，但是与设计标准80%的要求仍存在一定差距。主要原因在于管道前池中的污染物浓度变化没有表现出初雨效应，污染物浓度变化幅度较小，导致削减率低于设计标准。

表6 新建调蓄池后放江量结果Tab.6 Results of river discharge after building a storage tank

图7 1年一遇雨型放江率变化过程对比Fig.7 Comparison of variation process of river discharge rate of once a year rain pattern

从图7可看出，新建调蓄池后，污染物的放江率峰值和放江历时明显减小。其中，1年一遇雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分别为547.42g/s、693.69g/s、71.17g/s、6.68g/s，相对于现状减小了16%、14%、14%、14%，放江历时为2.75h，相对于现状缩短了34%。

3 结 论

选取田林泵站作为典型排水系统泵站的研究对象，通过借助Mike urban软件搭建水动力-水质模型，探讨了提升截流能力、雨污混接改造和新建调蓄池等工程措施对泵站放江污染的改善效果。

(1)通过提升截流能力，降低管道运行水位，25mm至1年一遇降雨时放江水量减小6%～17%，尤其对于雨量较小且降雨强度不高的雨型，截流效果较好，污染物总量削减多。

(2)完全实施雨污混接改造后，可将泵站不放江雨量上限从12mm提升至25mm，33mm至1年一遇降雨下污染物的放江量削减达21%～28%。

(3)从污染物放江总量上看，新建调蓄池可将泵站不放江雨量上限从12mm提升至33mm，1年一遇雨型下可使污染物的放江量削减达45%～49%，由于系统内初雨效应不明显，导致污染物削减效果与设计标准80%的要求仍存在一定差距。

(4)采用数值模型模拟评估泵站放降污染物控制措施成效，一方面工程效果被量化后更加直观、现实，另一方面基于数学原理的数值模型可以更加理性科学的认识泵站放江水质过程的成因，对泵站放江的日常运行管理和政府部门决策制定泵站放江污染控制措施具有很好的指导作用，可有力促进水务行业精细化管理服务能力提升和水务数字化转型。