基于水力模型的合流制溢流调蓄池运行效能评估

阎轶婧

(上海市政工程设计研究总院〈集团〉有限公司，上海 200092)

奎河是淮北地区跨苏皖两省的骨干排水河道，发源于徐州市区云龙山，在铜山县三堡镇进入安徽境内，于江苏省泗洪县汇入洪泽湖的栗河洼。奎河上游穿越徐州市老城区，现状为合流制排水系统，沿线建有34处截污闸，控制支河和排水暗涵溢流污染。

合流制系统雨天溢流污染是城市水体主要的污染来源[1]。徐州市老城区现状合流制排水系统截流倍数偏低，溢流频率较高，加之奎河自净能力不足，一旦雨季溢流，奎河河道水质恶化严重。为改善奎河污染现状，在奎河沿线拟建3座合流制溢流(combined sewer overflow，CSO)调蓄池，分别控制八一大沟排水片、建国路以北片、泰奎大沟排水片溢流污染。CSO调蓄池在国内外广泛用于合流制系统提标改造[2]和黑臭水体治理中，削减合流溢流污染物总量，提升合流制系统截污能力。但受到上游管网布置、片区气象水文条件、生活生产污水浓度和排放规律等因素的影响[3]，难以通过单一理论公式准确计算调蓄池径流量和径流污染削减效能[4]，使得设计调蓄池实施效能和目标可达性无法量化核准[5]，是调蓄池工程建设决策的主要难题。

本文以八一大沟排水片设计调蓄池为例，借助InfoWorks ICM水力模型，构建基于管网、设计降雨、污染物积累冲刷、调蓄池进出水实时控制的多模块耦合水力模型，对所设计调蓄池溢流污染控制的效能进行评估，为确定CSO调蓄池规模、量化评估截污效能提供技术支撑。

1 模型建立与应用

1.1 八一大沟排水片调蓄池规划

八一大沟排水片位于徐州市老城区西侧，服务面积为6.82 km2，片区内基本为居住和商业用地。区内沿奎河已建DN1000截污干管，经核算截流倍数n0=1.4。根据《徐州市区奎河综合整治工程勘察设计可行性研究报告》，考虑合流主管、场地、道路等因素，拟建调蓄池布置在如意湖公园绿地内。

拟建调蓄池采用线外调蓄模式，紧靠合流主干管，采用重力进水，调蓄池设计进水时间取1 h，根据污染物控制总体目标，本工程调蓄设施建成运行后截流倍数n1=5，根据《城镇雨水调蓄工程技术规范》(GB 51174—2017)计算调蓄池设计规模为9 000 m3。

1.2 管网模型

利用InfoWorks ICM构建八一大沟排水系统管网模型(图1)，根据排水片内现状管线和地形资料，将排水片划分为124个子汇水区域，各子汇水区面积为0.044～0.012 km2。地表产汇流模型采用固定净流系数法和Horton渗透公式以及SWMM汇流模型进行管网水力计算。水力水质耦合模型如图2所示。

图1 八一大沟排水系统模型Fig.1 Drainage System Model of Bayidagou Area

图2 水力水质耦合模型Fig.2 Coupling Model of Hydraulics and Water Quality

1.3 设计降雨

徐州市2015年新修订暴雨强度计算如式(1)。

(1)

其中：q——降雨强度，L/(s·hm2);

P——重现期，a；

t——降雨历时，min。

采用芝加哥雨型作为设计降雨，雨峰系数r=0.38。为研究调蓄池在不同降雨条件下的运行效能，选取10、15、18、20、25、30、40、50、60、70、80 mm降雨进行模拟，各降雨的峰值降雨强度、设计降雨历时、对应重现期如表1所示。

表1 设计降水量及降雨强度Tab.1 Design Precipitation and Rainfall Intensity

1.4 合流制系统污染物输入、积累与冲刷模型

合流制排水系统的溢流污染的模拟，是基于系统污染物的输入、积累和冲刷过程。合流制排水系统的水质模型，包括地表累积模型(surface build-up model，模拟大气沉降、道路清扫、无组织排放漏损等在汇水范围内累积形成地表污染物过程)、污水排放模型(waste & trade water profile model，模拟旱天伴随生活生产污水排入管道，经沉淀形成管道沉积物)、地表冲刷模型(surface wash-off model，模拟雨天通过径流冲刷，将地表污染物侵蚀冲刷，随径流排入排水管道)、管网冲刷模型(pipe sediment flushing model，模拟雨天管道中径流冲刷，将管道沉积物侵蚀冲刷、扬起，随径流向下游转输)、点源污染物曲线(inflow & pollutant graph，模拟如污水处理厂等点源污染的排放)。模型参数取值如表2、表3所示。

表2 地表累积模型及冲刷模型参数Tab.2 Surface Accumulation Model and Scour Model Parameters

1.5 调蓄池进出水实时控制

调蓄池进水和放空通过软件实时控制模块(RTC)实现。根据调蓄池放空采用水泵。综合考虑系统溢流特征、下游截污管和污水处理厂能力、历史降水强度和频率、独立降雨事件、汇水范围大小等因素，确定本工程两场独立CSO事件的最小间隔时间(MIET)[3]为18 h，则调蓄池设计放空时间为18 h。

表3 污水排放模型及管网沉积模型参数Tab.3 Sewage Discharge Model and Deposition Model Parameters of Pipe liness Network

1.6 模型率定

利用2018年1月—2019年4月降水量，及八一大沟排水片截污闸处奎河断面水质监测数据，率定模型(模型率定期间未加入调蓄池)，采用纳什效率系数评价模拟结果与监测数据的吻合程度[2]。通过调整地表累积因子、降雨侵蚀校核系数和径汇流参数，使得模型纳什系数>0.7，模型对径流和水质模拟可信。模型率定污染物模拟和实测值如图3所示。

图3 模型率定污染物模拟和实测值Fig.3 Model Calibration and Pollutants Simulation and Measured Values

2 结果与分析

2.1 调蓄池污染控制率与降雨量的关系

在不同降雨量条件下，设置调蓄池前后溢流量和溢流污染总量(以COD计)如图4所示。

图4 系统建设调蓄池前后溢流污染物过程线Fig.4 Process Line of Overflow Pollutant before and after System Construction

未建调蓄池时，系统溢流污染出现时刻和峰值时刻随降雨强度增强由开始降雨后1 h逐渐提前至开始降雨后10 min；溢流污染峰值随降雨强度增强由0.03 kg COD/s显著增加至1.44 kg COD/s。20 mm的降雨工况下，污染峰值初步呈现双峰形式，50 mm已出现明显的溢流污染双峰，主要因为距离溢流口较近的汇水区排入系统，初期降雨带来高浓度污染物溢流；随着降雨强度增大，管道内径流流速显著提高，由径流冲刷管道沉积物引起污染物再悬浮，导致污染浓度再次出现峰值。降雨导致的汇水面冲刷和流经雨水管道的冲刷规律,与车伍等[7]的研究结论一致。

与传统理论计算相比，水力模型将地表汇流和管网流行时间、地表冲刷和管道冲刷等过程纳入计算过程，能够相对更真实的反映因汇水范围的大小、下垫面、污染物沉积和再悬浮等过程的不同，对合流制系统溢流产生的影响。

增加调蓄池后，在降雨小于15 mm时，系统未发生溢流；降雨量为18 mm时，调蓄池开始出现超负荷运行，系统开始发生溢流，溢流污染控制率93.2%。随着降雨量的增大，调蓄池进水流量增大，充满时间缩短，溢流污染出现的时间提前，调蓄池的溢流污染控制率逐步降低，对于溢流污染的削峰和延缓作用逐渐减弱[8]。降雨量达到50 mm后，调蓄池对溢流污染的控制率仅仅20%，溢流污染物峰值流量和时间均逐步趋向未设调蓄池的工况。因此，新增调蓄池后，可提升合流制系统截流能力，有效延后调蓄池溢流时间，根据多年降水资料统计(图5)，可控制83%降雨事件不发生溢流。

图5 降雨频率曲线Fig.5 Frequency Curve of the Rainfall

2.2 设计调蓄池溢流污染控制效能特性曲线

不同降雨条件下，调蓄池进水闸和系统溢流井处溢流堰流量和污染物流量过程线如图6所示。对比系统溢流堰的流量和COD质量流量过程曲线，新建调蓄池后，降雨初期污染物浓度较高的合流污水优先被调蓄池截流，调蓄池蓄满后并超过截污干管排水能力后，系统开始发生溢流，系统初始溢流时间随降雨强度增大而不断提前，溢流持续时间显著增加(表4)。由于八一大沟排水区范围较大，并受管道沉积物再悬浮的影响，径流污染初期效应不显著，呈现双峰特征(图4)。根据《城镇雨水调蓄工程技术规范》(GB 51174—2017)，进水时间取1 h计算调蓄池进水管道管径坡度。经模拟不同降雨条件下，调蓄池进水时间为62～93 min，调蓄池对2次径流污染峰值进行了有效截流。各降雨条件下系统运行情况和溢流事件统计如表4所示。

图6 不同降雨下调蓄池蓄水和系统溢流过程线Fig.6 Storage Tank and System Overflow Curve during Different Rainfall Event

表4 系统运行时间和污染物量统计Tab.4 Statistics of System Operation Time and Pollutant Quantity

根据模拟结果，绘制调蓄池溢流污染控制效能曲线如图7所示。随着降雨量的增加，调蓄池对于溢流污染的控制率逐渐下降。在22 mm以下降雨时，即87%的降雨事件下调蓄池均可保证50%以上的溢流污染被有效截留。

图7 溢流污染控制效能特性曲线Fig.7 Characteristic Curve of Overflow Pollution Control Efficiency

根据奎河沿线截污闸历史运行资料，奎河口门在降雨量大于10 mm时发生溢流，年平均溢流22次。根据调蓄池溢流污染控制效能特性曲线，新增调蓄池后，系统截流能力增加，溢流次数可降低至17次/年，年污染物削减率可达43%，水质不达标日由76 d/年降至31 d/年；大雨溢流后3～5 d可恢复目标水质，削减合流污水入河量84万m3/年。

3 结论

合流制溢流调蓄池是合流制系统控制溢流污染的有效手段，受排水系统特殊性、CSO水量、水质传输规律复杂性、降雨的随机性等因素影响，难以通过理论计算核准控污效益。借助排水系统水力模型模拟，通过构建调蓄池溢流污染控制效能特性曲线，可用于评估预期调蓄池溢流污染控制率、系统溢流次数、污染物削减总量、水质达标天数等实施效能，确定调蓄池的实施效能，可指导反馈合流制溢流污染调蓄池的设计和实施。此外作为项目决策和工程设计中的技术手段，具有较强的应用价值。