徐旻輝
(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)
由于城市化進(jìn)程的加速,城市生活、工業(yè)用水量和排水量急劇增加,不完善的環(huán)保措施導(dǎo)致水資源受到破壞。隨著環(huán)保設(shè)施的不斷完善,城市生活污水和工業(yè)廢水逐步得到治理,水環(huán)境質(zhì)量得到改善。城市點(diǎn)源污染逐步受到控制的同時(shí),面源污染對(duì)水環(huán)境污染問題進(jìn)一步突顯。雨水沖刷大氣和地表,因而裹挾大量的懸浮固體、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、好氧物質(zhì)、重金屬、殺蟲劑、多氯聯(lián)苯和多環(huán)芳烴等污染物[1],通過管道或地表漫流排入水體,造成江河湖泊等受納水體的水質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)惡化。常靜[2]等進(jìn)行了上海城市降雨徑流污染的研究,研究結(jié)果表明上海中心城區(qū)路面徑流主要污染物為SS 和COD,超過國(guó)家地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)4 倍;總磷超過國(guó)家地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)2 倍,總氮也有不同程度的污染。
徑流污染控制調(diào)蓄池可以收集初期雨水,減少雨水徑流對(duì)水體的污染。近年來,我國(guó)分流制排水系統(tǒng)在城市排水體制中占據(jù)的比例迅速提升,現(xiàn)行分流制排水系統(tǒng)往往缺少截污設(shè)施,雨水徑流中攜帶的污染物直排水體,因此有必要對(duì)分流制系統(tǒng)中的徑流污染控制調(diào)蓄池進(jìn)行研究。劉洪波[3]等指出上海世博園建設(shè)了浦明、后灘、南碼頭和蒙自等4 座分流制調(diào)蓄池收集初期雨水,總?cè)莘e為19800m3,經(jīng)測(cè)算每年可減排初期雨水COD 共1200t。由于為現(xiàn)有排水系統(tǒng)增設(shè)調(diào)蓄池,因此有必要對(duì)分流制排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀條件對(duì)設(shè)置徑流污染控制調(diào)蓄池后的截流截污效果進(jìn)行研究。本文對(duì)分流制排水系統(tǒng)的徑流污染控制調(diào)蓄池,采用SWMM 軟件進(jìn)行模擬研究,考察排水系統(tǒng)條件和排水系統(tǒng)運(yùn)行模式等各因素對(duì)雨水徑流的截流截污效率影響,識(shí)別影響調(diào)蓄池環(huán)境效益的主要因素,為優(yōu)化徑流污染控制調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供依據(jù)。
研究選取某分流制排水系統(tǒng),服務(wù)面積3.77km2,雨水泵站規(guī)模為58m3/s。根據(jù)匯水面特征,將排水系統(tǒng)細(xì)分為82 個(gè)子匯水區(qū)域。下滲模型采用Horton 模型,通過參數(shù)設(shè)置綜合徑流系數(shù)為0.65。地面匯流采用非線性水庫(kù)模型,利用動(dòng)態(tài)波模型計(jì)算管網(wǎng)匯流。
研究選取SS 和COD 作為污染物模擬指標(biāo),污染物累積方程采用指數(shù)函數(shù)形式,沖刷方程也采用指數(shù)函數(shù)形式,設(shè)定清掃間隔時(shí)間為1 天。依據(jù)用地性質(zhì)將土地利用類型分為住宅、道路、商業(yè)和綠地,水質(zhì)模型參數(shù)參考類似地區(qū)的模型參數(shù),并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整[4],水質(zhì)模型參數(shù)如表1 所示。
表1 水質(zhì)模型參數(shù)
調(diào)蓄池污染控制宜采用實(shí)際降雨過程建模[5],本研究降雨時(shí)間序列采用一個(gè)典型年逐五分鐘降雨數(shù)據(jù),該典型年降雨量為1183mm,統(tǒng)計(jì)得到,間隔在2h 以上的降雨全年共有131 場(chǎng)。
模型在水泵前增加一處節(jié)點(diǎn)作為水泵的前池,初期雨水依靠重力從水泵前流入調(diào)蓄池。調(diào)蓄池容積依據(jù)《城鎮(zhèn)徑流污染控制調(diào)蓄池技術(shù)規(guī)程》[6]計(jì)算確定,分流制排水系統(tǒng)初期雨水調(diào)蓄量取8mm,計(jì)算得到調(diào)蓄池體積為20000m3。
調(diào)蓄池服務(wù)的排水系統(tǒng)情況,如地面集水距離、地面綜合徑流系數(shù)、地面坡度、管道坡度等,將影響雨水初期沖刷程度、地面集水時(shí)間和管渠內(nèi)流行時(shí)間等,對(duì)調(diào)蓄池的截流截污效率產(chǎn)生影響[7,8]。
2.1.1 地面集水距離對(duì)截流截污效率的影響
研究表明地面集水距離即SWMM 中子匯水區(qū)特征寬度,是模型中主要的敏感參數(shù)[9]。采用實(shí)際排水區(qū)域特征寬度,以及設(shè)定特征寬度50 和1000 進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果如圖1 所示,當(dāng)子匯水區(qū)特征寬度為50、實(shí)際值和1000 時(shí),徑流污染控制調(diào)蓄池對(duì)降雨徑流的截流率為49~52%左右,對(duì)降雨徑流中SS 和COD 的截留率為50~52%和46~48%左右。研究結(jié)果表明在此排水系統(tǒng)模型中,地面集水距離對(duì)調(diào)蓄池截污效率影響不大,這可能是由于在較大面積的排水系統(tǒng)中,雨水在管道內(nèi)流經(jīng)時(shí)間較長(zhǎng),地面集水距離導(dǎo)致集水時(shí)間的差異可忽略。
2.1.2 地面綜合徑流系數(shù)對(duì)截流截污效率的影響
圖1 地面集水距離對(duì)截流截污效率的影響
圖2 地面綜合徑流系數(shù)對(duì)截流截污效率的影響
圖2 顯示了不同地面綜合徑流系數(shù),對(duì)徑流污染控制調(diào)蓄池截流截污效率的影響。當(dāng)?shù)孛婢C合徑流系數(shù)為0.5、0.65、0.7 和0.8 時(shí),調(diào)蓄池對(duì)降雨徑流的截流率分別為59%、51%、49%和45%。隨著徑流系數(shù)的增大,調(diào)蓄池的截流率逐漸減小,當(dāng)徑流系數(shù)增大時(shí),雨水徑流量增大,在調(diào)蓄池容積一定的情況下,調(diào)蓄池截流的雨水比例減少。當(dāng)?shù)孛婢C合徑流系數(shù)為0.5、0.65、0.7 和0.8 時(shí),調(diào)蓄池對(duì)降雨徑流SS 和COD 的截留率分別為59%、53%、51%、49%和54%、46%、45%、42%。當(dāng)徑流系數(shù)增大時(shí),雨水徑流總量增大,徑流污染總量相應(yīng)增大,但由于截流率下降,調(diào)蓄池對(duì)污染物的截留率也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。
2.1.3 地面坡度對(duì)截流截污效率的影響
由圖3 可知,當(dāng)?shù)孛嫫露确謩e為0.1%、0.5%、1%和2%時(shí),徑流污染控制調(diào)蓄池對(duì)降雨徑流的截流率均為51%左右,對(duì)降雨徑流中SS 和COD 的截留率均為52%和46%左右。當(dāng)?shù)孛嫫露炔煌瑫r(shí),雨水徑流總量保持不變,調(diào)蓄池截流率不發(fā)生顯著變化;雖然地面坡度增大,增強(qiáng)了初期沖刷效應(yīng)的強(qiáng)度[10],但在大面積排水系統(tǒng)中,增強(qiáng)的初期沖刷效應(yīng)不足以影響調(diào)蓄池對(duì)污染物的截留率。
圖3 地面坡度對(duì)截流截污效率的影響
2.1.4 管道坡度對(duì)截流截污效率的影響
在設(shè)計(jì)充滿度下為保持不淤流速,排水管道設(shè)計(jì)時(shí)要求最小設(shè)計(jì)坡度。如圖4 所示,當(dāng)管道坡度分別為實(shí)際坡度、0.5‰和1‰時(shí),徑流污染控制調(diào)蓄池對(duì)降雨徑流的截流率均為51%左右,對(duì)降雨徑流中SS 和COD 的截留率均為53%和46%左右。當(dāng)排水管道流速大于不淤流速時(shí),管道坡度對(duì)調(diào)蓄池的截流截污效果無顯著影響。
圖4 管道坡度對(duì)截流截污效率的影響
調(diào)蓄池所在排水系統(tǒng)的運(yùn)行模式,如管道運(yùn)行水位、地面清掃頻率等[1],將是優(yōu)化調(diào)蓄池運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù),對(duì)實(shí)際調(diào)蓄池運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。
2.2.1 地面清掃頻率對(duì)截流截污效率的影響
地面清掃頻率影響地表累積的污染物濃度,進(jìn)而影響徑流污染物的濃度。研究不同的清掃頻率對(duì)調(diào)蓄池截流截污效率的影響,結(jié)果如圖5 所示,當(dāng)清掃間隔時(shí)間為1 天、2 天、3 天和 4 天時(shí),調(diào)蓄池對(duì)降雨徑流的截流率均為51%,調(diào)蓄池對(duì)降雨徑流SS 和COD 的截留率分別為50%~53%和43%~46%。清掃頻率對(duì)調(diào)蓄池的截流控污效率無顯著影響,但清掃頻率較高時(shí),雨水泵站排放水體的污染物總量將顯著降低。
圖5 清掃頻率對(duì)截流截污效率的影響
2.2.2 管道運(yùn)行水位對(duì)截流截污效率的影響
由于地下水水位高,或雨水管道存在滲漏的情況,部分地區(qū)雨水管道保持高水位運(yùn)行,模擬研究考察雨水管道運(yùn)行水位對(duì)調(diào)蓄池截流截污效率的影響。如圖6 所示,當(dāng)雨水管道運(yùn)行水位控制為旱季空管、調(diào)蓄池進(jìn)水管管頂、調(diào)蓄池進(jìn)水管管頂1m 和調(diào)蓄池進(jìn)水管管頂2m 時(shí),調(diào)蓄池對(duì)降雨徑流的截流率均為48%~51%,調(diào)蓄池對(duì)降雨徑流SS 和COD 的截留率分別為51%、37%、42%、45%和46%、34%、39%、42%。當(dāng)排水系統(tǒng)采用旱季空管方式運(yùn)行時(shí),調(diào)蓄池可收集更多初期雨水,截污效率高于帶水位運(yùn)行的排水系統(tǒng)。周驊[11]對(duì)調(diào)蓄池功能進(jìn)行研究時(shí),同樣發(fā)現(xiàn)當(dāng)管道水位高時(shí),管道中的水?dāng)D占調(diào)蓄池容量,影響調(diào)蓄池收集初期雨水,降低調(diào)蓄池的效益。帶水位運(yùn)行的排水系統(tǒng)中,管道運(yùn)行水位越高,調(diào)蓄池對(duì)污染物的截留率略高,雨水管道發(fā)揮部分調(diào)蓄作用,略有利于調(diào)蓄池收集徑流污染。
(1)地面綜合徑流系數(shù)為0.5~0.8 時(shí),徑流系數(shù)越大,調(diào)蓄池截流截污效率越小。
圖6 管道運(yùn)行水位對(duì)截流截污效率的影響
(2)旱季空管運(yùn)行的排水系統(tǒng)中,調(diào)蓄池截污效率大于帶水位運(yùn)行系統(tǒng)的調(diào)蓄池。
(3)地面集水距離、地面坡度、管道坡度和地面清掃頻率對(duì)調(diào)蓄池截污效率無顯著影響。