馬方凱 王雪健 高兆波

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010;2.長江生態(tài)環(huán)保集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430062)

經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展推動城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,城市的不斷擴(kuò)張帶來諸多排水問題,如雨水及污水管網(wǎng)不足、雨季城市內(nèi)澇嚴(yán)重和溢流污染頻繁出現(xiàn)等。地表的初期雨水和溢流的污水匯入河流、湖泊等水體后造成水體富營養(yǎng)化甚至黑臭。解決問題的重要方法之一是進(jìn)行雨污分流改造,然而老城區(qū)地下管線密集,雨污水分流改造涉及千家萬戶,改造難度大,改造費(fèi)用高昂,施工周期制約條件多。

針對這一問題,目前國內(nèi)外各大城市采取排水深隧技術(shù)[1],通過排水深隧技術(shù)在城市深層地下空間建設(shè)大型排水隧道解決排水問題。如美國芝加哥深隧工程、新加坡深隧工程和香港深隧工程等[2,3]。此外,隨著城市建設(shè)用地面積的不斷擴(kuò)大,雨水地面徑流的匯水面積增大;城市用地緊張,硬化地面的比例提高,綜合徑流系數(shù)隨之提高[4]。這些均導(dǎo)致雨水管道的設(shè)計流量逐漸增大,相應(yīng)地管道的口徑需要增大,目前大口徑排水管道越來越多地在城市排水系統(tǒng)中應(yīng)用[5]。

借鑒大口徑管道排水應(yīng)用增多的趨勢,對城區(qū)(尤其是地下管線復(fù)雜的老城區(qū))排水系統(tǒng)的改造提出多功能大口徑管道方案,近期攔截CSO溢流污染,遠(yuǎn)期待雨污水分流后,可用作初雨收集管。多功能大口徑管道方案可有效節(jié)約地上空間、規(guī)避地下管道障礙、避免現(xiàn)狀管線大范圍拆改、兼顧治理CSO溢流污染和面源污染。

本文以黃岡市遺愛湖區(qū)域排水管網(wǎng)改造為例,結(jié)合遺愛湖區(qū)域排水和污染現(xiàn)狀,基于模型模擬和不同口徑管道方案比選,結(jié)合多種雨水工況模擬,詳細(xì)論證多功能大口徑管道方案的可行性及有效性。

1 研究區(qū)域概況

圖1 研究區(qū)域范圍

黃岡市位于湖北省東部、長江中游北岸、大別山南麓,是鄂東的重要門戶。遺愛湖位于長江中游北岸,湖北省黃岡市城區(qū)中東部,位于東經(jīng)114°53′7″～114°55′18″、北緯30°25′45″～30°27′39″之間,由東湖、西湖、菱角湖組成,湖泊水面面積3.16km2。

本文研究范圍為黃岡市環(huán)遺愛湖區(qū)域現(xiàn)狀合流制排水體制的區(qū)域,研究區(qū)域范圍見圖1,北至中環(huán)路、西南至長江大堤、東至新港大道以及三臺河,總面積25.18km2,其中水域面積3.25km2(遺愛湖3.16km2、青磚湖0.09km2),陸域面積21.93km2(綠地3.16km2、工業(yè)用地3.05km2、居住用地15.72km2)。

遺愛湖原為城郊的荒野湖泊,隨著城市急劇向東擴(kuò)張,逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘兄行某菂^(qū)內(nèi)湖,同時也變成了承接大量城市污水的“聚污盆”,水質(zhì)惡化為劣Ⅴ類。從2007年起,黃岡市正式啟動遺愛湖水環(huán)境治理工程,先后實施了沿湖截污、退漁還湖、底泥清淤、生態(tài)修復(fù)等工程,一定程度上削減了入湖污染負(fù)荷,但遺愛湖水質(zhì)并未出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn),現(xiàn)狀水質(zhì)仍為劣Ⅴ類,因此遺愛湖迫切需要治理。

遺愛湖片區(qū)管網(wǎng)建設(shè)缺乏系統(tǒng)性,存在大管接小管、部分道路局部路段有多條排水管并行、管徑都比較小的現(xiàn)象;地下排水管網(wǎng)建設(shè)年代較為久遠(yuǎn),地下管線無詳細(xì)準(zhǔn)確的檔案資料。同時,地下管線錯接、混接、漏接等現(xiàn)象普遍存在,部分地下管線年久失修,破損、淤塞嚴(yán)重,且地下管線龐雜。

本文研究范圍河岸線總長度超過29km,排口分散,且部分排口位于河道水面以下,合流區(qū)排口是否有效攔截溢流污染,分流區(qū)排口是否有效攔截初雨,直接決定了遺愛湖治理的效果。同時,早期合流體制的建設(shè)體制,導(dǎo)致從小區(qū)源頭起即存在雨污水混接,剝離合流混接,治理工作量巨大。如何在短期內(nèi),提高截污系統(tǒng)的效能,控制住更多的污染物,為湖泊治理創(chuàng)造治理的基礎(chǔ)條件,是本文研究的重點。

2 總體方案

根據(jù)《黃岡市海綿城市專項規(guī)劃(2016—2030)》《黃岡市老城區(qū)雨、污水分流專項規(guī)劃》(2019.5)及《黃岡市中心城區(qū)污水專項規(guī)劃(2014—2030)》要求,確定本研究范圍內(nèi)旱季污水、合流溢流污染以及城市面源控制目標(biāo),見表1。

表1 研究目標(biāo)

在當(dāng)前全面實施雨污分流難度大,且建設(shè)初雨調(diào)蓄池用地受限的情勢下,應(yīng)用大口徑管道截流、調(diào)蓄、運(yùn)輸并處理溢流污水,成為近期改善遺愛湖水環(huán)境的一種有效選擇。通過測算片區(qū)污水總量,梳理污水系統(tǒng)布局、污水處理設(shè)施,明確面源污染分區(qū)及徑流控制標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合遺愛湖水環(huán)境容量進(jìn)行規(guī)劃。通過調(diào)查、模擬論證合流制區(qū)域截流倍數(shù)、CSO調(diào)蓄處理時間,進(jìn)而提出CSO調(diào)蓄、收集、處理方案,確定研究區(qū)的截污總量及CSO處理站的規(guī)模。結(jié)合截流、調(diào)蓄及處理設(shè)施布局,并與雨水徑流污染控制、內(nèi)澇治理銜接,綜合考慮CSO處理站的處理工藝及效能?？傮w方案思路如圖2所示。

3 模型構(gòu)建

為了模擬、分析并指導(dǎo)大口徑管道設(shè)施截流的實際效果,通過InfoWorks ICM軟件建立模型,驗證方案合流制溢流控制的實際效果和可行性。InfoWorks ICM是英國Wallingford公司研發(fā)的排水模型軟件,是城市排水領(lǐng)域內(nèi)采用最為廣泛的模擬軟件之一。InfoWorks ICM軟件可利用計算機(jī)構(gòu)建排水管網(wǎng)系統(tǒng)水文水力模型,可以精確、細(xì)致地模擬暴雨系統(tǒng)、污水系統(tǒng)、合流制排水系統(tǒng)以及地表漫流系統(tǒng)等。本研究中建模的技術(shù)路線如圖3所示。

圖2 總體方案思路

本文以黃岡市中心城區(qū)污水專項規(guī)劃中的老城區(qū)、城西片區(qū)現(xiàn)狀污水規(guī)劃圖作為基礎(chǔ),以黃岡市老城區(qū)雨、污分流專項規(guī)劃中排水系統(tǒng)現(xiàn)狀圖作為參考,整理管網(wǎng)數(shù)據(jù),對相關(guān)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行概化處理。本文采用黃岡市2012年全年每5min降雨量數(shù)據(jù);以黃岡市老城區(qū)雨、污分流專項規(guī)劃中遺愛湖片區(qū)各系統(tǒng)用地分布圖作為下墊面數(shù)據(jù)參考;由黃岡市中心城區(qū)污水專項規(guī)劃中可知,老城區(qū)近期平均日污水量為3.7萬m3,老城區(qū)近期人口為17.2萬,以此預(yù)測旱季污水水量數(shù)據(jù)。

圖3 InfoWorks ICM建模技術(shù)路線

基于已獲得的數(shù)據(jù),在劃分排水分區(qū)的基礎(chǔ)上建立排水系統(tǒng)水文水力模型,進(jìn)行一維模擬分析,評估管網(wǎng)溢流量及COD溢流量。模型區(qū)排水管道總長89337.1m,包括截流管道15.11km,市政合流制管道74.23km,有檢查井291個。模型區(qū)的管網(wǎng)布置如圖4所示。Infoworks ICM軟件中采用分布式水文模型方法計算集水區(qū)水量,通過系統(tǒng)劃分方式,劃分排水模型的子集水區(qū)共計264塊,其中合流制集水區(qū)233塊,共15.83km2;分流制集水區(qū)31塊,共3.32km2。本研究表面產(chǎn)流分為兩種:一種是硬化面積,主要是路面和屋面,且這部分面積占了大部分;另外一種為非硬化面積,主要是道路綠化以及一些植被草坪。采用固定徑流系數(shù)產(chǎn)流模型,分別模擬不同下墊面的扣損和產(chǎn)流特征;采用SWMM模型非線性水庫法模擬不同集水區(qū)的地形坡度下的匯流特征,進(jìn)行各集水區(qū)的動態(tài)匯流模擬。典型場次降雨總雨量采用27.8mm,設(shè)計典型場次降雨雨量分配參考2012年7月12日全天24h雨型,典型年降雨總雨量采用2012年全年每5min降雨數(shù)據(jù)。關(guān)于水動力計算,InfoWorks ICM中管道明渠流的模擬采用完全求解的圣維南方程,對明渠超負(fù)荷的模擬采用Preissmann Slot方法,以仿真各種復(fù)雜的水利情況。

圖4 模型區(qū)管網(wǎng)布置

4 大口徑方案模型分析比選

利用典型場次降雨,結(jié)合現(xiàn)狀管網(wǎng),模擬計算現(xiàn)狀溢流量和COD溢流量,分析確認(rèn)現(xiàn)狀溢流缺口,見表2。

表2 典型場次降雨現(xiàn)狀溢流量

大口徑管道布置方式都以遺愛清風(fēng)一號港排口為起點,依次通過導(dǎo)流管將遺愛清風(fēng)一號港排口,東坡外灘排口、曹家畈排口以及伊利排口的溢流管與大口徑管道相連,保證溢流管的水流先進(jìn)入大口徑管道,待大口徑管道超負(fù)荷運(yùn)行后,再發(fā)生溢流。大口徑管道末端通過一個恒定流量的泵站與末端處理設(shè)施相連,處理過的水外排。大口徑管道布置方式平面示意圖及縱斷面示意圖如圖5所示,此外以曹家畈排口為例解釋其溢流管與現(xiàn)狀截流管、大口徑管道的連接關(guān)系,如圖6所示。

圖5 大口徑管道布置方式平面示意圖及大口徑管道布置方式縱斷面示意圖

圖6 溢流管與現(xiàn)狀截流管、大口徑管道的連接方式(曹家畈排口)

通過實地踏勘,整理資料及觀察衛(wèi)星地圖,本模型共預(yù)設(shè)3個大口徑管道尺寸方案,管徑分別為2m、3m和4m。通過各方案大口徑管道調(diào)蓄容積,對比現(xiàn)狀溢流缺口,確定大口徑管道末端處理設(shè)施規(guī)模,見表3。

表3 方案估算

利用典型年降雨,結(jié)合各方案管網(wǎng)模型,模擬計算各方案溢流量和COD溢流量,分析截流率和COD截除率,綜合方案估算,選取最佳方案,見表4。

表4 各方案截流率

圖7 曹家畈排口及大口徑管徑全年溢流量

由圖7可知,三種方案中曹家畈排口的年溢流量相對現(xiàn)狀情況都有降低,同時在溢流頻次上也會有所減少,大口徑管道管徑4m的方案年溢流截流率最大。

表5 各方案COD截除率

由圖8可知,三種方案中曹家畈排口的COD年溢流量相對現(xiàn)狀情況都有降低,同時在溢流頻次上也會有所減少,大口徑管徑4m的方案尤為明顯。由表5可知,四個方案中,大口徑管徑4m的方案COD年溢流截除率最大。

綜合各方案估算、截流率以及COD截除率,及工程經(jīng)濟(jì)性、施工的難易程度,得出大口徑管徑為3.0～3.5m、末端處理設(shè)施日處理量為10萬m3/d的方案是最優(yōu)方案,溢流量截流率為52%,COD溢流量截除率為73%,效果顯著。

圖8 曹家畈排口及大口徑管徑方案曹家畈排溢流量

5 溢流控制效果評價

在新建大口徑管道和末端合流制溢流污水處理設(shè)施等基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上,充分挖掘已建和新建設(shè)施潛力,以不增加新的內(nèi)澇風(fēng)險點為原則,利用管網(wǎng)自身調(diào)蓄容積和末端在線處理設(shè)施能力,采用RTC(real time control)智能調(diào)度,進(jìn)一步提高溢流量截流率和年徑流總量控制率15%以上。通過設(shè)置小雨、中雨以及大雨工況來評價大口徑管道方案的控制溢流能力。

小雨、中雨以及大雨工況是通過將2012年全年每5min降雨整合為全年每日降雨,對比優(yōu)化方案全年降雨結(jié)果文件,篩選出完全不發(fā)生溢流的最大日降雨數(shù)據(jù)作為小雨工況,各排口完全溢流的最小日降雨數(shù)據(jù)作為大雨工況,以及在兩者間選取不完全發(fā)生溢流的日降雨數(shù)據(jù)作為中雨工況。

經(jīng)過篩選后,小雨工況為日降雨量不大于23.9mm,最大降雨強(qiáng)度不大于6.48mm/h;中雨工況為日降雨量大于23.9mm小于60.2mm,最大降雨強(qiáng)度大于6.48mm/h小于11.37mm/h;大雨工況為日降雨量不小于60.2mm,最大降雨強(qiáng)度不小于11.37mm/h。經(jīng)模擬分析后發(fā)現(xiàn):小雨工況選用日降雨量為23.9mm的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,結(jié)果顯示各排口溢流量為零,不會發(fā)生溢流;中雨工況選用日降雨量為42mm的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,結(jié)果顯示部分排口發(fā)生少量溢流,少數(shù)排口不發(fā)生溢流;溢流排口溢流量為0.17～4.29m3,總溢流量為11.55m3;大雨工況選用日降雨量為60.2mm的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,結(jié)果顯示各排口都會發(fā)生溢流;溢流排口溢流量為74.63～30582.1m3,總溢流量為176756.48m3。三種情形工況結(jié)果如圖9所示。

圖9 大雨工況下溢流情況

上述模型模擬結(jié)果表明,大口徑管道結(jié)合RTC智能實時調(diào)度,可使遺愛湖片區(qū)年徑流總量控制率為75%,徑流污染削減率為60%。待遠(yuǎn)期遺愛湖污水處理廠擴(kuò)建至15萬m3/d后,遺愛湖老城區(qū)的污水處理規(guī)?？商嵘秊?萬m3/d,該方案效果還可進(jìn)一步提升,COD溢流截除率為81%,年徑流總量控制率為77%,徑流污染削減率為62%。

6 結(jié) 論

本文以黃岡市遺愛湖片區(qū)水環(huán)境治理為例,結(jié)合遺愛湖區(qū)域排水和污染現(xiàn)狀,基于模型模擬,通過設(shè)置不同工況模擬分析,論證了大口徑管道截流方案的可行性,表明大口徑管道截流在城市水環(huán)境治理中,尤其對老城區(qū)管道改造中具有良好的效果,同時大口管道截流方案具有較高經(jīng)濟(jì)性,在市政工程中具有良好的應(yīng)用前景。