数字模型技术在溢流污染控制上的应用

黄 俊 北京市市政工程设计研究总院有限公司广东分院，广州 510000

以数字模型技术作为重要的技术手段来研究溢流污染控制要追溯到20世纪后期。当时，世界上的发达国家，如美国、日本和欧洲均通过建立水力模型来探索各种有效的溢流污染控制手段。数字模型技术的引入，即通过水力模型软件构建排水管网模型，则能够仿真整个系统在降雨下的动态变化过程，帮助设计人员更为直观地了解系统结构和运行状态，辅助设计人员更快速高效地评估设计方案并进行优化。

1 数字模型技术的应用

1.1 排水管网设计

利用数字模型技术构建城市排水管网模型，通过模型的各种功能模块，分析目前管网存在的问题，确定排水能力不足和可能发生堵塞的管网，同时查看整个排水管网的利用率分布。依照模拟结果，找出管网系统的薄弱环节，确定改造的方案，尽可能充分利用每根管道的容量。模型的好处就在于可以预先测评各种排水管网设计方案对溢流污染控制的实际效果，通过分析对比，做出最经济合理的选择。目前，数字模型技术已在很多国家和地区应用广泛，成为排水管渠设计和管网优化改造方案合理性测评的首选工具。

1.2 调蓄池设计

调蓄池对有效控制合流制溢流污染是一项重要的技术手段。调蓄池有两种形式，一种称为滞留调蓄池，另外一种称为截流调蓄池。滞留调蓄池暂时滞留雨水，待降雨洪峰过后，再将所滞留的雨水排出，主要起调节洪峰流量的作用。截流调蓄池停留时间较长，主要着眼于控制径流污染。通过数字模型技术，可对比研究在排水管网中于何处加入多大尺寸的调蓄池来消减溢流现象，减少溢流频次和溢流总量。且可以评估调蓄池的运行控制方式，如对进水时间点的控制，对放空方式设置等。

1.3 LID设施设计

溢流频次和溢流总量的控制，主要是从水量的角度去考虑溢流污染的后果，除此之外，还应该结合对溢流污染物的控制，才能实现对黑臭水体的治理。首先要从源头上来控制面源污染量，尽量减少进入到管道中的污染物总量，近年的海绵城市建设中所提倡的源头LID设施的应用，是一种极为有效的污染物控制方式。例如雨水花园，生态滞留池，绿色屋顶等。通过数字模型技术，可以评估各种LID设施的组合效果，例如布设位置，面积，连接关系等。即可从大的区域规划尺度上整体评估控制率分配方案的合理性，也可细致到地块尺度上LID详细设计方案的优化。

2 工程实例

下图所示为某黑臭河道的控源截污设计方案，包括设置截污干管和调蓄池措施。在该项目中，设计人员充分利用了数字模型技术手段来评估各种设计方案的溢流污染控制效果，并从细节上对方案进行了优化。

首先，通过传统方法计算了该河道的环境容量，根据计算结果，该河道每年可自纳COD为66.2吨，氨氮为7.1吨。

然后，利用数字模型技术构建了如下四种工况的排水管网模拟，并利用2015年全年降雨数据（间隔5min），评估了四种工况下的溢流污染控制效果。

工况一 工况二 工况三 工况四截污管道 × √ √ √调蓄池 × × 4 0 0 0 m 3 4 5 0 0 m 3

通过模型计算得到如下结果：

（1）工况一，降雨场次97场，溢流次数97次，溢流量1133649m3，COD入河量约为113.4吨/年，氨氮约为13.6吨/年，远大于河道的环境容量。

（2）工况二，降雨场次97场，溢流次数57次，溢流量754252m3，COD入河量约为75.4吨/年，氨氮约为9.1吨/年，不能满足其环境自身消纳。就总体效果而言，相对于工况一，溢流频次削减41.2%，污染物负荷削减33.5%。

（3）工况三，降雨场次97场，溢流次数36次，溢流量624872m3，COD入河量约为62.5吨/年，氨氮约为7.5吨/年，可见氨氮满足不了河道环境容量的要求。总体效果而言，相对于工况一，溢流频次削减62.9%，污染物负荷削减44.9%。

（4）工况四，降雨场次97场，溢流次数32次，溢流量604867.299m3，COD入河量约为59.5吨/年，氨氮约为7.1吨/年，并不能满足其环境自身消纳。总体效果而言，相对于工况一，溢流频次削减67.0%，污染物负荷削减47.5%。

最终，建议采用工况四的设计方案，即设置截污设施以及一座4500m3的调蓄池来控制溢流污染。

3 结语

相对于传统的溢流污染控制设计方法，数字模型技术能够帮助工程师更为直观且详细了解各种工况下系统的运行状态，更能够从整体性上分析和评估各种工况下的控制效果，是一种更为先进也适应时代发展的技术手段。