徐鋒

（合肥市市政設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

近年來，水環(huán)境綜合治理成為國家層面重點(diǎn)關(guān)注和投入的一個領(lǐng)域，水環(huán)境污染主要包括外部污染和內(nèi)源污染，外部污染主要包括生活污水、工業(yè)廢水、初期雨水和沿河垃圾污染等，內(nèi)源污染主要包括河道底泥釋放和植物腐爛等因素。在大氣污染和地面污染較為嚴(yán)重的區(qū)域，初期雨水的污染沖擊負(fù)荷對周邊水系的環(huán)境質(zhì)量影響很大，對水環(huán)境綜合治理有重大的現(xiàn)實意義。

1 水環(huán)境容量概述

水環(huán)境容量計算三要素。

水環(huán)境容量計算方式大致如下：根據(jù)《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》、《水體達(dá)標(biāo)方案技術(shù)指南》和《水域納污能力計算規(guī)程》（GB/T 25173—2010）相關(guān)規(guī)定，河道計算一般采用河流零維模型計算納污能力，計算公式如式（1）所示。

式中：W——污染物排放量；Q0——流入河流、湖庫流量；C0——上游來水的背景濃度值；K——水質(zhì)降解系數(shù)；V——水體容積；q——旁側(cè)支流流量。

當(dāng) C=Cs時，W 即代表環(huán)境容量，如式（2）所示。

式中：W——水環(huán)境容量，Kg/d；Q0——進(jìn)口斷面的入流流量，mg/L；C0——進(jìn)口斷面的水質(zhì)濃度，mg/L；q——旁側(cè)入流流量，m3/s；Cs——該水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L；V——水體體積，m3；K——水質(zhì)降解系數(shù)，d-1。

通過計算，得到各污染物對應(yīng)水環(huán)境容量如下：COD 為 291.42t/a；NH3-N 為 17.41t/a；TP 為 9.97t/a?？偽廴矩?fù)荷和環(huán)境容量對比如表1 所示。

表1 總污染負(fù)荷和環(huán)境容量對比

根據(jù)上述結(jié)果，各污染指標(biāo)COD、NH3-N、TP 的污染負(fù)荷均高于地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)要求下的水環(huán)境容量，即現(xiàn)排污量超出了河道現(xiàn)有納污能力。如果不采取措施，照此污染負(fù)荷排放，則難以達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

考慮到河道水環(huán)境容量計算復(fù)雜且系統(tǒng)性很強(qiáng)，類似于一個區(qū)域的污水廠排放標(biāo)準(zhǔn)是需要在區(qū)域環(huán)評中明確一個道理，鑒于現(xiàn)實中很少有河道做全流域的水環(huán)境容量分析，也就很難給初期雨水截流量提供一個清晰明確的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的不明確帶來的后果就是初雨的過度截流（可能意味著巨額的投資浪費(fèi)）或截流不足（未達(dá)到建設(shè)目標(biāo)），對于那些初期雨水排入污水處理廠的項目來說，截流水質(zhì)的高低對污水廠的正常穩(wěn)定運(yùn)行也會造成較大的影響。

2 初雨截流量和截流標(biāo)準(zhǔn)的確定

污染物控制總量確定后，下一步就是如何確定初期雨水截流量，初雨截流量的確定當(dāng)前行業(yè)內(nèi)主流的做法主要有兩種。

第1 種是通過模型分析與計算來論證初雨收集的效應(yīng)。首先以我國的Infoworks ICM 計算模型結(jié)合筆者主持項目說明如下。

模型主要分為兩類，即概念性水文模型和數(shù)學(xué)物理水力模型。第一種主要依據(jù)的是水量平衡原理，大多利用實測數(shù)據(jù)來分析流域當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)流匯流特征，并以此為據(jù)確定模型中的關(guān)鍵參數(shù)。如美國工程師協(xié)會開發(fā)的“暴雨”模型（STORM），對透水地面采用的是徑流系數(shù)法。此模型主要適用于規(guī)劃階段，可以對流域徑流過程中包括蓄水、處理、溢流等情況進(jìn)行長期模擬。

第二種模型以物理學(xué)質(zhì)量守恒、動量守恒與能量守恒定律為依據(jù)，以圣·維南方程組為基礎(chǔ)，模擬并預(yù)測水流的運(yùn)動。模擬過程包括了地面的產(chǎn)匯流過程和排水管道中的水流過程，以及其他設(shè)施中的水流運(yùn)動，此模型還具有水質(zhì)模擬的功能。如英國開發(fā)的InfoWorks Collection System（簡稱InfoWorks CS），丹麥水力學(xué)研究所（DHI）開發(fā)的 MOUSE（Modeling Of Urban Sewer）模擬軟件包，不僅可以計算雨水的徑流過程、還可以做到實時監(jiān)控和在線分析。

2.1 模型的選用

該模型模擬的是一個動態(tài)的降水-徑流模擬模型，主要用于模擬城市某一單一降水事件或長期的水量和水質(zhì)模擬。其徑流模塊部分綜合處理各子流域所發(fā)生的降水，徑流和污染負(fù)荷。其匯流模塊部分則通過管網(wǎng)、渠道、蓄水和處理設(shè)施、水泵、調(diào)節(jié)閘等進(jìn)行水量傳輸。該模型可以跟蹤模擬不同時間步長任意時刻每個子流域所產(chǎn)生徑流的水質(zhì)和水量，以及每個管道和河道中水的流量、水深及水質(zhì)等情況。

2.2 模型參數(shù)的確定

（1）匯水子區(qū)域的劃分。匯水子區(qū)域面積嚴(yán)格意義上指的是匯水子區(qū)域的產(chǎn)流面積，不包括非產(chǎn)流面積（如封閉水體等）。如果建模區(qū)域內(nèi)沒有大面積的非產(chǎn)流區(qū)域，產(chǎn)流面積就可以認(rèn)為等同于匯水子區(qū)域面積。由于該片區(qū)匯水范圍較大，匯水子區(qū)域采用CAD 導(dǎo)入，在模型中利用泰森多邊行方法進(jìn)行劃分。

（2）徑匯流模型參數(shù)設(shè)置——地表徑匯流模擬。城市由不同類型的下墊面組成（可滲透/不可滲透），每種表面對應(yīng)的產(chǎn)匯流規(guī)律都不盡相同，我們利用水文模型的方式去計算各個表面的產(chǎn)匯流過程，每種表面對應(yīng)了不同的水文模型。水文模型——降雨徑流模型，主要有①初損模型：用于填挖的初期損失；②徑流量模型：決定了多少水量匯入管網(wǎng)；③匯流模型：決定了這些水量以多快的速度匯入管網(wǎng)。模型中設(shè)置路面、屋面和透水表面三種產(chǎn)流表面類型。

（3）曼寧粗糙系數(shù)值不透水區(qū)、透水區(qū)以及管道（或渠道）的曼寧粗糙系數(shù)的初始參數(shù)取值或取值范圍均根據(jù)附錄所列經(jīng)驗值進(jìn)行確定。

（4）排水管網(wǎng)特征數(shù)據(jù)排水管網(wǎng)特征數(shù)據(jù)，如管道長度、管道上下游管底高程、管徑，以及檢查井處地面高程、井底高程等均需根據(jù)排水管道調(diào)查資料或排水規(guī)劃確定。

（5）污染物特征數(shù)據(jù)由于缺少實測的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，因為模擬需驗證的結(jié)果為截留效率與調(diào)蓄規(guī)模的關(guān)系，因此選取的水質(zhì)數(shù)據(jù)，本次模型中下墊面污染物濃度參數(shù)可采用ICM 模型中默認(rèn)的數(shù)據(jù)，其對需驗證的結(jié)果并不產(chǎn)生影響。

2.3 降雨事件

在InfoWorksICM 中，降雨數(shù)據(jù)以兩種形式存在，分別是實測降雨和設(shè)計降雨。由于缺少實際區(qū)域的降雨資料，本次模型中設(shè)計暴雨強(qiáng)度擬采用合肥市暴雨強(qiáng)度公式如式（3）所示。

其中：q——暴雨強(qiáng)度，（L/s·ha）；P——設(shè)計暴雨重現(xiàn)期，年，一般區(qū)域采用P=3 年，高架橋及道路路面徑流系數(shù)取0.95，綜合徑流系數(shù)取0.6；t——降雨歷時，min；t=t1+t2；t1——地面集水時間，取5～15min；t2——管道內(nèi)流行時間。

設(shè)計雨型采用芝加哥雨型，峰值因子為0.4。根據(jù)《巢湖市城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃》，采用歷時2h的設(shè)計降雨作為模型輸入條件，分析初雨截流的運(yùn)行工況。

2.4 模型的建立

賈塘圩區(qū)域的總匯水范圍面積約5.4km2，根據(jù)資料將片區(qū)管線輸入模型，為了便于模擬，本次對管線的信息進(jìn)行了概化。覆蓋管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)共210 個，管段總長為39500m。

2.5 模擬結(jié)果

根據(jù)模型對賈塘圩初雨匯水區(qū)內(nèi)的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)不同截流規(guī)模（4～12mm）進(jìn)行分析，模擬結(jié)果表明當(dāng)截流規(guī)模超過8.0mm 時，各污染物削減率增速明顯減緩，則“投資效益比”將越來越小，其最佳截流規(guī)模為7.5～8.5mm。因此賈塘圩區(qū)域內(nèi)的初期雨水截流規(guī)模取值為8mm。

考慮到初期雨水水質(zhì)受大氣污染、地面污染、降雨強(qiáng)度和間隔、管網(wǎng)系統(tǒng)布置型式等各方面因素影響都很大，模型邊界條件的輸入與現(xiàn)實難以較好地吻合，故據(jù)此確定初期雨水截流量與實際需求還是存在一定的偏差。

第2 種是直接根據(jù)當(dāng)?shù)嘏潘罎骋?guī)劃結(jié)合初雨相關(guān)規(guī)范直接確定初雨截流量。根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范（2016 年版）》（GB 50014—2006）、《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51174—2017）及《城鎮(zhèn)徑流污染控制調(diào)蓄池技術(shù)規(guī)程》（CECS 416：2015）[1-3]，用于分流制排水系統(tǒng)徑流污染控制時，雨水調(diào)蓄池調(diào)蓄量可取4mm～8mm（按降雨量計）。此外，國內(nèi)相關(guān)研究表明，一般初期雨水控制量在6～8mm 左右可控制約60%～80%的污染量。

初雨雨水污染控制標(biāo)準(zhǔn)主要有兩種表達(dá)方式：當(dāng)量雨量標(biāo)準(zhǔn)、污染物控制率和溢流次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外城市初期雨水控制標(biāo)準(zhǔn)是一種經(jīng)驗型做法，并未根據(jù)當(dāng)?shù)貙嵡檫M(jìn)行充分論證，與現(xiàn)實需求同樣存在一定的偏差，初雨截流量結(jié)論的不可靠帶來的結(jié)果就是調(diào)蓄池規(guī)模的或大或小，同樣也意味著投資浪費(fèi)或未達(dá)建設(shè)目標(biāo)。

3 初雨雨水的高效收集

初期雨水截流方式與排水系統(tǒng)的匯水面積、區(qū)域形狀、管道布置等有關(guān)。不同的截流方式，其相應(yīng)的污染物截流效率亦不同。工程實踐中，截流方式分為兩種：末端截流和多點(diǎn)分散式截流。末端截流方式主要是在一些主要的雨水排放口、支流口或現(xiàn)狀泵站末端建造一定規(guī)模的初期雨水調(diào)蓄設(shè)施，實現(xiàn)對初期雨水的截流，該方式一般適用于服務(wù)范圍較小，匯流時間較短的雨水排水系統(tǒng)。多點(diǎn)分散式截流方式是通過敷設(shè)多條平行的截流干管，或結(jié)合現(xiàn)狀雨水管道布置，通過多處截流井和聯(lián)通管道將初期雨水分散截流至調(diào)蓄設(shè)施。應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況，因地制宜選擇合適的截流方式，以充分發(fā)揮調(diào)蓄設(shè)施的效益。

提高初期雨水收集效率，就要盡量縮小每個初雨截流井的匯水范圍，這必然會導(dǎo)致為了提高初雨水質(zhì)而大量分散新建截流井，每座截流井內(nèi)部又設(shè)置了水質(zhì)檢測儀、流量計和截流閘門等設(shè)備，截流管網(wǎng)長度和設(shè)備的大幅增加不僅需要巨額的工程投資，更給后期的施工交通影響（需要在現(xiàn)狀管道上施工截流井，一般均在市政道路上實施）和運(yùn)行維護(hù)管理帶來很大的麻煩。那么如何尋求這樣一個平衡點(diǎn)尤為重要。查閱初期雨水相關(guān)規(guī)范、文獻(xiàn)均無相關(guān)明確的規(guī)定，僅在全國注冊公用設(shè)備師考試教材《排水工程》中略有提及：“深圳市初期雨水控制量為7mm，且初期雨水匯流范圍應(yīng)使得匯水面積最遠(yuǎn)點(diǎn)到排放口的匯流時間不應(yīng)超過20～30min，超過此匯流時間的區(qū)域，其初期效益已不顯著。”雖然這不能作為我們設(shè)計依據(jù)，但這個描述至少給了我們一個大致的設(shè)計方向，不過這個時間指的是什么降雨強(qiáng)度下的時間以及確定的依據(jù)又是什么值得繼續(xù)探究。在一定的污染物消減總量前提下，初雨收集方式高效性與初雨收集量是成反比關(guān)系。

4 目前的難點(diǎn)-截流管管徑的計算與確定

合理的截流量一方面能有效收集初期雨水，另一方面可以減少不必要的工程浪費(fèi)，目前在確定截流管道設(shè)計流量方面仍然是一個難題。

4.1 流量計算方法

目前，截流管道設(shè)計流量的確定尚無有效方法，設(shè)計人員常常根據(jù)自身經(jīng)驗確定設(shè)計流量，該設(shè)計流量與初期雨水過程無定量關(guān)系，無法判斷設(shè)置該設(shè)計流量的截流管道能否有效控制所服務(wù)區(qū)域的初期雨水。因此，如何合理確定截流管道的設(shè)計流量是當(dāng)前亟需解決的問題之一。目前確定截流管流量主要有芝加哥雨型模型法和經(jīng)驗公式法。

芝加哥雨型模型法：根據(jù)區(qū)域歷年不少于20 年的降雨資料，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)通過PⅢ型曲線等方法模擬出該標(biāo)準(zhǔn)下芝加哥雨型降雨曲線，根據(jù)雨型曲線求出相應(yīng)截流標(biāo)準(zhǔn)下的降雨強(qiáng)度，從而確定截流管道的流量。

經(jīng)驗公式法：根據(jù)雨水排口截流的初期雨水總量和截流時間計算確定，如式（1）所示。

式中：Q——截流管道設(shè)計流量，（m3/s）；T——初期雨水截流時間，按照該排口截流井收集范圍內(nèi)的匯流時間確定，min；V——各排口截流的初期雨水總量，計算方式同調(diào)蓄設(shè)施容積計算。

4.2 設(shè)計流量確定

考慮到芝加哥雨型模擬法在降雨資料收集摘選、降雨標(biāo)準(zhǔn)的確定、曲線擬合方法等方面尚未有明確的規(guī)定且未形成統(tǒng)一，采用此方法設(shè)計案例較少，目前常用模型來進(jìn)行設(shè)計校核，故當(dāng)前調(diào)蓄工程常用的經(jīng)驗公式法來確定截流管道流量的做法較多。

5 結(jié)語

從上述分析的幾點(diǎn)來看，不把這幾個問題解決好想把分流制初雨污染治理類項目做好是不太現(xiàn)實的，對國家這么大的支持和投入也是不負(fù)責(zé)任的。解決好這些問題個人覺得不是哪個人、哪家設(shè)計院、哪家科研單位所能完成的，可能需要國內(nèi)水行業(yè)相關(guān)的權(quán)威專家們在國家的組織和指導(dǎo)下以規(guī)范修編或新編技術(shù)導(dǎo)則、標(biāo)準(zhǔn)等形式來進(jìn)一步的明確和細(xì)化，來更好地指導(dǎo)后期該類項目的設(shè)計和實施。