王生愿,余 黎,陳小龍,鄭 濤,馮 江

北京清控人居環(huán)境研究院有限公司,北京 海淀 100083

合流制溢流污染兼具雨水與污水的雙重特征,雨水與污水攜帶的污染物進入下游受納水體,會使城市水環(huán)境質(zhì)量受到嚴峻挑戰(zhàn)[1-5]。 針對合流制溢流污染問題,國內(nèi)外學者開展了大量工程實踐,美國、德國、日本均已將低影響開發(fā)(LID)模式作為控制合流制溢流污染的重要手段[6-8]。近年來,隨著海綿城市建設的興起[9],許多學者將海綿城市理念與城市排水系統(tǒng)相結(jié)合,提出了基于海綿城市的合流制排水體制綜合整治方案[10-15]。 開展合流制排水體制綜合整治的前提是合理進行方案評估,目前主要的評估方法有在線監(jiān)測評估法、數(shù)值模擬評估法。 在線監(jiān)測評估法是通過對溢流口開展實時在線監(jiān)測進行定量化反演[16-18],是評估系統(tǒng)化方案對合流制排水體制提升效果的重要手段。 該方法能夠獲取一手監(jiān)測資料,評估結(jié)果具有現(xiàn)實性,但限于人力物力,無法實現(xiàn)大面積開展,存在數(shù)據(jù)不足等問題[19]。 因此,基于數(shù)學模型進行模擬評估成為另一個重要選擇。 數(shù)學模型評估法主要利用SWMM(Storm Water Management Model)、MIKE、InfoWorks 等模型,構(gòu)建相同降雨特征下的不同改造方案、不同降雨特征下的單一改造方案等工況,能有效開展方案效益分析和項目建設成效評估。 目前,這類方法在LID 方案比選、截流倍數(shù)確定、污染源復核分析等方面得到了一定應用[20-23]。 但是,單純依靠數(shù)學模型進行評估仍然存在以下幾個問題:①資料缺失或不全導致的輸入數(shù)據(jù)不確定性問題[24];②由于缺乏實測資料,模擬過程所需水力水質(zhì)參數(shù)都是參考文獻資料和模型手冊確定的,沒有對參數(shù)進行率定驗證,導致參數(shù)不確定性問題[25];③受歷史和現(xiàn)場因素影響,基礎資料和實測資料難以收集完全,模擬結(jié)果的可靠性存疑[26]。 因此,綜合利用在線監(jiān)測評估法和數(shù)學模型評估法開展對整個排水系統(tǒng)的診斷評估,既能解決在線監(jiān)測適用性受現(xiàn)場工況條件限制的問題,以及在線監(jiān)測設備在運行和維護過程中需要投入較多人力、物力等引起的成本較高問題,又能解決單純依靠數(shù)學模型面臨的輸入數(shù)據(jù)、模型參數(shù)與模擬結(jié)果的不確定性問題,具有重要意義。

浙江省嘉興市作為平原河網(wǎng)城市的典型代表,是國家第一批海綿城市建設試點城市之一。以試點建設為契機,嘉興市制定了立足于改善水環(huán)境、重點控制雨水徑流污染的海綿城市系統(tǒng)化提升方案(以下簡稱系統(tǒng)化方案)[27]。 本文以嘉興市老城區(qū)為研究對象,分別采用在線監(jiān)測技術(shù)和數(shù)學模型技術(shù)開展系統(tǒng)化方案對城市合流制排水體制提升效果的評估,以期為海綿城市建設背景下的本底參數(shù)積累和技術(shù)可復制、可推廣提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

嘉興市老城區(qū)是嘉興舊城區(qū)的主要組成部分,四周以環(huán)城河為界,是典型的江南水鄉(xiāng),南北最長約2.3 km,東西最寬約1.5 km,形似橢圓,總占地面積253.74 hm2。 區(qū)內(nèi)下墊面類型包括屋面 ( 30.96%)、 道路 ( 13.35%)、 植被(17.69%)、水系(6.14%)、其他(31.87%),綜合徑流系數(shù)為0.76。 整個區(qū)域現(xiàn)存8 個溢流口(編號分別為1#、2#、3#、4#、6#、7#、9#、10#)、1 個外排泵站(文華園泵站)和2 個外部污水輸入泵站(城南路泵站和洪興路泵站),具體如圖1 所示。

圖1 嘉興市老城區(qū)各排口(泵站)位置分布Fig.1 Distribution of outlets (pumping stations) in the old urban areas of Jiaxing City

嘉興市老城區(qū)的排水體制為截流式合流制,沿環(huán)城路敷設有DN500 ～DN1 800 的截流式合流管,截流倍數(shù)為4。 嘉興市老城區(qū)每天產(chǎn)生污水約0.80 萬m3,洪興路泵站(實際污水量0.68 萬m3/d)和城南路泵站(實際污水量0.57 萬m3/d)兩個分流制系統(tǒng)的污水也通過老城區(qū)環(huán)城路截流干管排放,即環(huán)城路截流干管的旱季總輸送污水量約為2.05 萬m3/d。 根據(jù)“十二五”水專項課題[27]對嘉興市老城區(qū)排水系統(tǒng)管道及泵站規(guī)模的核算結(jié)果可知:在一年一遇降雨工況下,嘉興市老城區(qū)徑流雨量為142.87 萬m3/d,生活污水量約為2.05 萬m3/d,截流干管最大輸水能力和調(diào)蓄能力之和為65.76 萬m3/d。 文華園合流制污水泵站的輸水規(guī)模為22.80 萬m3/d,較合流制截流干管的輸水規(guī)模小21.36 萬m3/d。 另外,嘉興1#泵站預留給老城區(qū)的污水規(guī)模為4.08 萬m3/d,較文華園合流制污水泵站小18.72 萬m3/d。 因此,在一年一遇降雨工況下,老城區(qū)沿環(huán)城河溢流口的溢流污水量約為119.24 萬m3/d。 老城區(qū)管網(wǎng)及泵站核算結(jié)果如圖2 所示。

圖2 老城區(qū)排水系統(tǒng)管道及泵站規(guī)模核算Fig.2 Calculation of the scale of the pipeline and pump station of the drainage system in old urban areas

另外,根據(jù)嘉興水文站的記錄,嘉興市內(nèi)河多年平均水位為0.94 m(黃海高程系,下同),歷史最高水位為2.50 m (1954 年), 最低水位為-0.29 m(1934 年),河道常水位為1.1 ～1.5 m,而老城區(qū)合流制溢流口管底標高分布在0.65 ～1.2 m,易發(fā)生河水倒灌事件。

針對老城區(qū)合流制溢流污染問題,嘉興市充分整合區(qū)域內(nèi)外各種資源,采取了內(nèi)部控制與外部處理相結(jié)合的系統(tǒng)整治方案。 在片區(qū)內(nèi)部,制定了源頭、中途、末端三級系統(tǒng)化方案,開展源頭項目、市政管網(wǎng)(泵站)、溢流口等各方面整治;在片區(qū)外部,依托再生水廠和聯(lián)合污水處理廠,實現(xiàn)了片區(qū)污水的全覆蓋收集處理。 詳細技術(shù)路線如圖3 所示。

圖3 老城區(qū)系統(tǒng)化治理方案技術(shù)路線Fig.3 Technical route of systematic governance scheme for old urban areas

在源頭項目、市政管網(wǎng)(泵站)、溢流口改造過程中,通過采用LID 設施改造、管網(wǎng)(泵站)提升改造、增加溢流口標高、安裝物理處理設施(滾刷)、設置調(diào)蓄池等措施(表1),共計改造了30%的區(qū)域面積、7 條市政雨水管道,修建了1.6 萬m3的調(diào)蓄池,并將溢流口標高從1.25 m 提升至1.35 m。 在區(qū)域外,新建城東再生水廠,并在引水途中設置污水調(diào)蓄設施(2 萬m3),用于接納旱季及雨季污水。

表1 老城區(qū)系統(tǒng)化治理方案工程措施Table 1 Engineering measures of systematic governance scheme for old urban areas

2 材料與方法

采用在線監(jiān)測和SWMM 模擬兩種方法對系統(tǒng)化方案的提升效果進行評估。 其中,在線監(jiān)測方法主要基于在合流制溢流管網(wǎng)末端(溢流口)安裝在線監(jiān)測設備,獲取溢流口實時流量數(shù)據(jù),統(tǒng)計分析各溢流口溢流頻次和溢流量,在此不再贅述。文中重點介紹模型方法的構(gòu)建及率定驗證過程。

2.1 研究方法

依據(jù)嘉興市排水系統(tǒng)普查資料,將土地類型、LID 設施、干管、連接管、檢查井納入模型范圍,利用SWMM 軟件建立排水系統(tǒng)數(shù)學模型。 其中,地表產(chǎn)流采用下滲曲線法,地表匯流采用線性水庫法,管網(wǎng)匯流采用動力波法。

地表產(chǎn)流計算公式如下:

式中:R 為有效降雨或徑流量,mm;P 為降雨強度,mm/h;f 為下滲率,mm/h;Ir為冠層截留量,mm; IL為地表洼蓄量,mm;Es為蒸散發(fā)量,mm。

地表匯流計算公式如下:

式中: V 為地表集水量,m3; h 為子流域水深,m; t為時間,s; A 為子流域面積,m2;i 為凈雨強度,mm/s;Q 為子流域出口流量,m3/s;L 為集水區(qū)寬度,m;n 為曼寧糙率系數(shù),無量綱;hp為填洼深度,m; So為地面坡度,%。

管網(wǎng)匯流計算公式如下:

式中:Q 為流量,m3/s;A 為水流橫斷面的面積,m2;t 為時間,s; x 為距離,m; Sf為摩阻坡度,%;So為管底坡度,%; g 為重力加速度, 取值9.8 m/s2; v 為流速,m/s; h 為管道水深,m; q 為單位長度旁側(cè)入流量,m3/s。

2.2 率定驗證

本研究數(shù)學模型涉及的水文、水力參數(shù)基本可歸結(jié)為物理參數(shù)和經(jīng)驗參數(shù)兩類。 其中,物理參數(shù)的取值可以通過資料查詢、空間分析計算等手段獲取,包括面積、平均坡度、特征寬度、不透水面積比例、進水節(jié)點、出水節(jié)點、形狀、長度、最大深度等;經(jīng)驗參數(shù)通常為優(yōu)化調(diào)整所得的經(jīng)驗值,包括下滲率、曼寧糙率系數(shù)、冠層截留量、蒸散發(fā)量、填洼量等[28-29]。

通過對研究區(qū)歷史降雨數(shù)據(jù)進行分析,選擇與本區(qū)域降雨特征較為相符的2017 年9 月30 日和10 月15 日兩次降雨作為輸入條件,結(jié)合實測數(shù)據(jù)(建國南路與禾興路南兩個積水點)對模型進行率定驗證,并核算納什效率系數(shù)(NSE)。 結(jié)果顯示(圖4、圖5 及表2),兩個積水點兩次降雨的NSE 均超過0.5,表明模型符合應用需求。

圖4 2017 年9 月30 日模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比Fig.4 Comparison of simulated and monitored data on September 30,2017

圖5 2017 年10 月15 日模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比Fig.5 Comparison of simulated and monitored data on October 15,2017

表2 模型率定驗證NSE 計算結(jié)果Table 2 NSE results for model calibration verification

3 分析評估

3.1 監(jiān)測評估

為精確評估溢流口溢流量和溢流頻次,在8 個溢流口分別安裝流量計(北京清控人居,SmartWater)。2018 年8 月1 日—2019 年3 月15 日,老城區(qū)各溢流口日累計出流量統(tǒng)計結(jié)果如圖6 所示。

2018 年8 月1 日—2019 年3 月15 日,嘉興市老城區(qū)共經(jīng)歷降雨111 次,累計降雨量為1 114.6 mm。 其中,小雨85 次,中雨15 次,大雨9 次,暴雨2 次。

不同降雨等級下的各溢流口溢流頻次及比例如表3 所示。 通過統(tǒng)計分析可知,改造完成后,研究區(qū)域在研究期內(nèi)的溢流頻次為26 次,溢流比例為23%,累計溢流量為41.72 萬m3。

圖6 老城區(qū)各溢流口不同降雨量下的日累計出流量統(tǒng)計結(jié)果Fig.6 Statistical results of daily accumulated discharge under different rainfall at overflow ports in old urban areas

表3 各溢流口溢流頻次及比例Table 3 Overflow frequency and proportion of each overflow outlet

3.2 模擬評估

采用2010—2014 年降雨數(shù)據(jù)(年均降雨天數(shù)為137 d,年均降雨量為1 289.06 mm),模擬計算海綿城市改造前后的老城區(qū)溢流口溢流情況,計算結(jié)果如表4 所示。

由表4 可知,改造完成后,溢流量明顯降低,8處溢流口的年均溢流量合計降低91.10 萬m3,降幅達70.64%。 除10#溢流口外,所有溢流口的降幅均超過了60%,1#、6#、9#溢流口的降幅超過了90%。 其中,3#溢流口在改造前的年均溢流量為69.12 萬m3,約占8 處溢流口改造前總溢流量的53.6%,改造后的年均溢流量減少至24.12 萬m3,降幅為65.10%,其削減量約占8 處溢流口總削減量的50%。

表4 2010—2014 年合流制區(qū)域溢流量統(tǒng)計結(jié)果Table 4 Statistical results of overflow in combined system regions from 2010 to 2014

統(tǒng)計海綿城市改造前后不同降雨量(日累計降雨量)情景下的溢流頻率(表5),發(fā)現(xiàn)日累計降雨量在30 mm 以下時,改善效果明顯:日累計降雨量為＞0～10 mm 時,溢流頻率減少了98.8 次/a;為＞10 ～30 mm 時,溢流頻率減少了27.6 次/a。日累計降雨量為＞30 ～50 mm 時,溢流頻率減少了4.2 次/a。 日累計降雨量在50 mm 以上時,溢流頻率較海綿城市改造前略有減少。 整體來說,相較于改造前的137.2 次/a,完成海綿城市改造后,老城區(qū)合流制溢流口溢流頻率降低了132.2 次/a。

表5 改造前后合流制區(qū)域溢流頻率變化情況Table 5 Variation of overflow frequency in old urban areas before and after reconstruction

3.3 結(jié)果與討論

1)在線監(jiān)測及模型模擬評估顯示,系統(tǒng)化方案對合流制溢流污染的控制效果顯著。 2010—2014 年,研究區(qū)年均降雨137.2 次,年均降雨量1 289.06 mm,而監(jiān)測期間(2018 年8 月1 日—2019 年3 月15 日,監(jiān)測時長227 d)共計降雨111次,累計降雨量1 114.6 mm,時間跨度占全年的62%,降雨場次占多年平均的81%,降雨量占多年平均的86%,表明區(qū)域年際降雨差異較大,如采用監(jiān)測數(shù)據(jù)評估方法對系統(tǒng)化方案的效果進行評估,需要較長時間的數(shù)據(jù)積累。 模型方法可以選取較長時間段的歷史降雨數(shù)據(jù)進行模擬分析,從而快速、有效地實現(xiàn)對方案的評估。 但通過實測數(shù)據(jù)對模型進行率定驗證發(fā)現(xiàn),NSE 均分布在0.56 ～0.63,表明在實時反演系統(tǒng)化方案的過程中,還需要繼續(xù)提升模型對數(shù)據(jù)潛在價值的挖掘能力。

2)相較傳統(tǒng)的末端治理技術(shù),系統(tǒng)化方案對合流制溢流污染的控制效果更加突出。 傳統(tǒng)合流制溢流污染的末端治理集中在增大截流倍數(shù)、建設調(diào)蓄池等工程措施,對于末端設施的規(guī)模和處理設施的能力都有較高要求。 張勤等[30]依據(jù)昆明市1995—2009 年小時降雨數(shù)據(jù),推算出截留量達到全年降雨量70%時的截流倍數(shù)為18;徐貴泉等[31-32]通過構(gòu)建水系水量水質(zhì)模型和排水系統(tǒng)概化管網(wǎng)水力模型,對蘇州河5 座調(diào)蓄池(總計7.52 萬m3)在設計降雨條件下(8 種1 ～12 h 降雨工況)的溢流量進行了模擬評估,評估結(jié)果顯示的總削減率為12.18%～21.13%,豐水年、偏豐水年、平水年溢流總量削減率分別為 22.8%、30.3%、37.7%。 上述研究表明,傳統(tǒng)的單一型溢流污染治理措施對場地和設施的要求較高,在城市高度集約化區(qū)域的實用性有限。 嘉興市基于海綿城市的系統(tǒng)化方案突破了單一的末端治理思路,將溢流問題的解決分解到雨污水產(chǎn)生、收集的全過程。 首先,通過采用源頭LID 設施削減了約4.57 萬m3/d 徑流量,即控制了老城區(qū)18 mm 降雨深度所產(chǎn)生的徑流,基本實現(xiàn)了小雨不產(chǎn)流;其次,在雨水收集過程中,針對硬化地面產(chǎn)流系數(shù)較高、產(chǎn)流量大、匯流快的問題,在局部適合施工的區(qū)域開展分流制改造,削減了該區(qū)域雨水對合流制排水系統(tǒng)的沖擊;最后,采用末端調(diào)蓄池收集污水及剩余雨水,并輸送至再生水廠進行處理,合計收集量約為1.60 萬m3/d。 經(jīng)模擬評估,年均溢流量減少了91.10 萬m3,降幅達70.64%,年溢流頻次從137.2 次減少至5.0 次,降幅達96%,實現(xiàn)了對合流制溢流的控制。 相對于傳統(tǒng)的末端治理技術(shù),不僅節(jié)約了末端工程的占地面積,減少了工程量,而且具有較好的溢流污染控制效果,保障了污水處理設施的高效運轉(zhuǎn)。

3)采用在線監(jiān)測技術(shù)結(jié)合模型技術(shù)的評估方法,能夠更加精準地評估合流制排水方案對溢流污染的控制效果。 于盼等[13]基于SWMM 構(gòu)建了區(qū)域排水數(shù)值模型,模擬分析出北京海綿城市試點區(qū)域源頭措施對合流制排水分區(qū)溢流的削減率約為24%;張穎等[33]的研究表明,結(jié)合LID 設施、截流干管和調(diào)蓄池等治理措施,合肥市老城區(qū)杏花排水系統(tǒng)溢流量的削減率可達73.33%。 但僅僅通過構(gòu)建水力模型采用設計降雨工況的方法,未能考慮區(qū)域降雨的時間差異,且沒有基于實測數(shù)據(jù)對比分析。 本研究采用在線監(jiān)測與數(shù)學模型相結(jié)合的方法,充分發(fā)揮了數(shù)據(jù)的定量反演作用和對模型的率定驗證功能,并以長歷時降雨數(shù)據(jù)為輸入條件,充分考慮了降雨的時間差異,能夠精確地定量評估系統(tǒng)化方案的實施效果。

4 結(jié)論

本文以嘉興市老城區(qū)為例,分別采用在線監(jiān)測和數(shù)學模型技術(shù),對基于海綿城市理念的合流制排水體制系統(tǒng)化方案在提升老城區(qū)合流制排水體制方面的效果進行了評估。 評估結(jié)果顯示,基于海綿城市理念的系統(tǒng)化方案突破了傳統(tǒng)末端治理措施對場地和處理設施的高要求,將末端集中治理分攤到雨污水產(chǎn)生、收集的全過程,將源頭LID 設施應用于提升合流制排水體制,在解決老城區(qū)合流制溢流污染方面效果明顯。 改造后的嘉興市老城區(qū)年均溢流量較海綿城市試點建設前減少了91. 10 萬m3,溢流頻率降低了132. 2 次/a,基本實現(xiàn)了小雨不溢流。

采用在線監(jiān)測技術(shù)與數(shù)學模型技術(shù)相結(jié)合的方式,能夠突破在線監(jiān)測易受現(xiàn)場工況和經(jīng)濟因素等限制的問題,同時又可以基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型模擬精度進行校準,充分發(fā)揮數(shù)學模型技術(shù)在方案評估中的作用,為本底參數(shù)和經(jīng)驗的積累提供數(shù)據(jù)支撐。

受工程建設影響,本研究未收集溢流口歷史監(jiān)測數(shù)據(jù),且監(jiān)測時長較短,缺少對監(jiān)測數(shù)據(jù)的比較分析,LID 設施所發(fā)揮作用的持續(xù)性還需要通過進一步的監(jiān)測和模擬分析進行驗證,這也是未來的研究重點。