雄安新区安州特色小镇初期雨水弃流量浅析

卢洋暘，胡希佳

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市300384）

1 研究背景

初期雨水，是指降雨初期时雨水溶解了空气中的大量污染性气体，降落地面后形成明显的径流冲刷作用，使得前期雨水中含有大量的污染物质经市政雨水管道排入河道水体，对环境造成了一定程度的污染。越来越多的城市利用初期雨水调蓄池收集初雨，输送至污水处理厂集中处理以降低初雨对地表水体的污染。初期雨水弃流量直接关系到雨水调蓄池的规模，而初期雨水弃流量的影响因素有着随机性和复杂性的特征，主要包括：下垫面类型、降雨量、降雨雨型、冲刷特征、降雨初期污染物浓度等。因此决定了初期雨水弃流量尤为重要。

2 工程概况

河北雄安新区安州特色小城镇，属温带大陆性季风气候，全年平均气温11.9℃，平均年降水量为522.9mm。本区构建全过程雨水径流污染控制系统。排水体制采用雨污分流制。雨水就近排入河道，为避免初期水质较差的雨水排入河道后污染河水，雨水入河之前将初期雨水弃流，并通过沿河新建d400~d600初雨截流管道输送至初期雨水调蓄池进行储存调蓄，最终将其排入污水管道并送入下游污水处理厂处理。在河道排口之前共设置11座分流井，收集初期雨水进入调蓄池。分流井的工作原理为：晴天时无降雨，分流井不工作。降雨开始时，雨量计会判断初期雨水的降雨量，同时井内设置污染物在线检测仪，判断水质污染物浓度，让初期雨水通过初期雨水截流管进入初雨调蓄池，当雨量计判断初雨结束后，SCADA控制中心控制分流井闸门关闭，同时打开堰门，后期雨水直接排入自然水体。初期雨水经过分流井分流至调蓄池后，有效削减了初期雨水携带的污染物对河道的污染（见图1～图3）。

图1 初期雨水截流管网布置平面图

依据《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》（试行），该地区属Ⅰ区，规划年径流总量控制率不低于85%，年径流污染控制率（以SS计），不低于70%。

3 计算方法

本次研究采用以下三种计算方法，进行比对互校，最终确定本地区的初期雨水弃流量。

图2 初期雨水截流系统服务范围图

图3 初期雨水截流工艺流程图

3.1 方法一

采用调蓄容积法，依据《城镇雨水调蓄工程技术规范》（GB51174），调蓄容积一般以单位面积调蓄深度为计算基础，本工程调蓄容积由式（1）计算：

式中：V为有效调蓄总容积，m3；H为初期雨水弃流量，mm；F为汇水面积，hm2；Ψ为径流系数，取0.6。

一般初期降雨前4～6mm属于重度污染，6～10mm属于中度污染，10mm以后属于轻度污染，一般控制量在4～8mm可控制60%～80%的污染量[1]。国内研究得出，建立在极限强度理论假设条件的基础上，受区域下垫面不同、管道流行时间不同，造成区域内各点的初期雨水到达调蓄池的时间不同，可能掺杂洁净雨水也有可能初期雨水并未收集完全[4]，研究认为在初期雨水汇流时间t内，η曲线表示弃流的初期雨水占初期雨水总量的百分比，其随t增加而增大，见式（2）；ζ曲线表示调蓄池的有效利用率，其随t增加而降低，见式（3）。η和ζ曲线的交点可得出初期雨水去除率与初期雨水收集率相等时的汇流时间t1。初期雨水量W1见式（4）；洁净雨水量化W2见式（5）。W1和W2曲线的交点得出汇流时间t2，超过该时刻，W1将增速缓慢，而W2将明显增大[4]。

式中：h为初期雨水厚度，mm；tb为汇流面积F上最远端的雨水集流到末端排出口所需时间，min；t为某降雨强度i下，初期雨水厚度h降落时间，min，一般情况下，tb＞t；τ为降雨时间内，调蓄池贮存雨水时间，min；W1为初期雨水量，m3；W2为洁净雨水量，m3；Qs为初期雨水厚度h降落时间k内，初期雨水总汇流时间T和场地的雨水设计总流量，m3/s。

雄安安州地区为新建城区，污染程度不严重，采用试算法，计算参数取初期雨水厚度4mm，3a重现期，地面集流时间tb=15min，以1#排河口处分流井为例，汇水面积2.01hm2，利用计算机编程计算得，t1发生在7.38min时刻，污染物去除率为65.4%，t2发生在8.61min时刻，污染物去除率为71.3%。而t1时刻为弃流池去除率的下限值，t2时刻为弃流池去除率的上限值。经计算，取初期雨水弃流量为4mm，当t2=8.61min时，符合年径流污染控制率（以SS计），不低于70%的要求。因此整个排水系统需要的初期雨水调蓄池有效容积为V=3552.00m3，各排河口处分流井的初期雨水量见表1。

表1 各排河口处分流井的初期雨水量

3.2 方法二

采用暴雨强度法，在平均降雨量较大的7月～8月中的某一天，对区域内进行采样，采样点分布于11处雨水排河口处。监测污染物SS、TP、TN、MH3-N浓度[3]，监测方法采用虹吸式雨量计置于空阔草地中进行雨水采集，按降雨历时2，5，10，15，20，25，30，35，40，50min，在实验室内进行试剂滴定得出各种污染物浓度，从而得出上述4类雨水中的污染物浓度随降雨历时变化的规律。得出各类污染物随降雨历时的变化各有差别，但总体上，在降雨初期10～15min呈现快速下降趋势，而后的15～25min有微小上升趋势，最终趋于稳定[2]，见图4、图5。

图4 TP、NH3-N、TN随降雨历时变化趋势

图5 SS随降雨历时变化趋势

因此，综合考虑，取前10min雨水量作为初期雨水，进入调蓄池。

（1）雨水设计流量计算公式式中：Q为雨水设计流量（L/s）；Q为设计暴雨强度（L/s·hm2）；Ψ为径流系数；F为汇水面积（hm2）。

（2）暴雨强度公式采用雄县暴雨强度公式

当设计重现期P取3a一遇时，暴雨强度为162.54L/s.hm2，取前10min雨水量为初期雨水，进入调蓄池。由此，计算初期雨水弃流量为6495.07m3。

3.3 方法三

利用SWMM模型分析法，依托鸿业暴雨排水及低影响开发模拟系统V5.0的污染物积累模块、土地性质细分模块、污染物冲刷模块模拟单次降雨时段内，对指定土地利用类型污染物的冲刷过程，实时模拟产流、汇流过程中地表产生的水污染负荷量。

本次针对安州地区服务范围内11个排河口，将其划分为11个汇水分区，雨水管网定义为124个雨水检查井和66条雨水管线。以SS为例，采用雄县暴雨强度公式及芝加哥雨型、输入污染物表达式和演算步长，通过软件内置指数衰减函数，生成每个排河口的污染物浓度随降雨量的变化衰减曲线，从而定量初期径流弃流量。单元定义界面见图6。

图6 单元定义界面

对方法一、二的调蓄池容积不同结果进行演算校核，拟定调蓄池的规模为0.20；0.35；0.40；0.50；0.65；0.80万m3，通过这6种不同工况下的SWMM模型模拟初期雨水截流流态，保证图1所示的截流干管中的初期雨水顺畅的排入至调蓄池内。选取3a一遇2h累计降雨量为95.70mm，得出这6种调蓄池规模各自对应的蓄水曲线和污染物曲线，从而生成调蓄容积和污染物去除率的变化趋势图，见图7。由图7可知，污染物去除率随调蓄池容积的增大而显著增大，当调蓄容积超过0.46万m时，污染物去除率满足70%的要求。当调蓄容积超过0.6万m3时，污染物去除率的增长趋势趋于平稳。当调蓄容积为0.46万m3时，调蓄池SS污染物浓度在约15～20min时到达峰值，见图8。

图7 调蓄池容积与污染物去除率的变化趋势

4 初期雨水调蓄池容积的确定

图8 调蓄容积为0.46万m3的污染物去除率变化趋势

通过三种方法分别得出调蓄池容积分别为3552.00m3、6495.07m3、4600.00m3。方法一结果偏小，原因是每个排口处的分流井分别达到去除效率的最佳值，但未计截污干管内流行时间，导致各排口排入截留干管再排入到调蓄池时，SS污染物浓度峰值约延后到15～20min时才到达；方法二结果偏大，原因是设计降雨历时内用平均的降雨强度，而实践证明极限强度理论在小流域是更为适用的。因此，最终确定，采用方法三按照雄县暴雨强度公式，取3a一遇2h雨强，雨水调蓄池容积为4600.00m3，初期雨水弃流量为5.18mm。

5 结语

通过上述三种方法，得出以下结论：

（1）污染物实测浓度与模拟浓度变化趋势大致一致。模型算法可更准确的反映水质变化趋势。

（2）采用swmm模型分析法，一定程度减小了调蓄规模，具有明显的经济效益和社会效益，此方法为截流调蓄系统的规划与设计提供科学参考。

本文对初期雨水的弃流量进行浅析，在实际工程中影响初期雨水弃流量的因素更为复杂，降雨季节性强，空间分布差异大。应因地制宜，结合各城市的排水防涝综合规划、海绵城市建设专项规划，根据区域所处下垫面实际情况，多点布控，长期监测，从而掌握雨水过程中各类污染物质在不同时段不同区域的变化规律，从而分析合理的初期雨水弃流量。