钢铁企业厂区初期雨水计算方法的初步探讨

沙娜

（晋中市水利勘察设计院有限公司，山西晋中 030600）

0 前言

钢铁企业生产过程中排放的二氧化硫、烟尘等大气污染物，在降雨开始阶段将被雨水吸收而带回地面，并且在地表径流形成过程中，雨水还会对露天料场、装置等进行冲刷，从而使得初期雨水径流受到污染，如直接排入厂区雨水管网外排，将可能对收纳水体造成污染。国内外研究表明，降雨过程中地表所收集的雨水水质具有显著的规律性，降雨初始阶段雨水中各项污染物浓度相对较高，并出现峰值，之后随着降雨的持续，地表雨水中各项目污染物浓度显著降低，在降雨中后期水质通常较为稳定。现行排水设计规范也明确要求应对受污染的初始阶段降雨进行单独收集处理[1-2]，现行环保排污许可证中也将工矿企业的初期雨水和生产废水、生活污水等一起纳入废水类别进行管理[3]。

现行给排水及环保规范中，对于初期雨水的污染性均予以认同，但对于初期雨水的定义及设计流量的计算尚无统一的规定，而现行《钢铁企业给水排水设计规范》中仅对初期雨水提出了“宜单独收集处理”的要求，对其设计流量如何计算并未做出明确规定，本文拟以山西省晋中市某钢铁企业为例，参考国内其他行业规范要求，对钢铁企业厂区初期雨水的计算方法进行初步探讨，为钢铁企业厂区雨水排水系统和污水处理系统设计提供参考。

1 初期雨水的定义

《给水排水工程基本术语标准》（GB/T50125—2010）中定义“初期雨水”为“降雨后初期产生的一定污染的径流”，是否将收集的降雨径流归为“初期雨水”，主要取决于径流中污染物浓度情况。

降雨径流中的污染物主要来源于地表沉积的各种污染物，在降雨过程中的不断冲刷下，地表污染物含量将逐渐降低，从而降雨径流中的污染物浓度也将降低。国外有研究认为对于屋面，降雨量0.4～1.0mm时，属于初期雨水范畴，而国内研究认为初期雨水的降雨量要更高一些，有研究表明[4]总降雨量为10mm的一次降雨对市政道路进行冲刷时，前2mm降雨量产生的雨水径流中所包含污染物量将占到本次降雨全部雨水径流中污染物总量的70%；也有国内学者对降雨过程中，雨水径流中污染物浓度进行连续监测，分析降雨历时与污染物浓度的相关关系，通过降雨历时来界定初期雨水，如赵剑强等[5]对降雨过程中西安市高速公路路面径流水质的连续监测数据表明，路面径流中各项污染物浓度在20min内即可达到峰值，之后污染物浓度显著降低，并趋于稳定。

目前冶金行业尚未对初期雨水进行明确定义，而化工、石化和市政行业现行设计规范主要是通过降雨量或降雨历时来定义初期雨水，见表1。

表1 现行行业规范中初期雨水的降雨量或降雨历时规定

从表1中可以看出，由于降雨区域污染程度的不同，各行业现行规范中对于初期雨水降雨历时或降雨量的规定存在一定的差异，化工、石化行业要求较高，降雨量30mm以内均作为初期雨水，而市政行业要求相对降低，为降雨量15mm以内。

2 初期雨水的污染特征

初期雨水一方面在降雨过程中，通过洗脱、吸收等作用将工矿企业排放到厂区上空大气环境的粉尘、二氧化硫等污染物携带回地表，另一方面雨水降落到地面后，通过冲刷屋面、道路等汇水面下垫面，将地表沉积的悬浮物、有机物、石油类等污染物带入径流中，从而使得雨水径流，特别是初期雨水径流水质受到污染。因此，初期雨水中污染物浓度和种类与汇水区域污染特征有密切关系。

刘静等[6]对上海市高架道路径流污染物特征研究表明，市政道路初期雨水径流中污染物以有机物、悬浮物和营养类污染物（TN、TP）为主，显著高于普通生活污水；赖后伟等[7]对深圳大工业区初期雨水污染特征研究表明，以汽车制造、电子产品加工等轻工业区初期雨水中污染物种类和浓度相近，均以有机物和悬浮物为主，但污染程度比居住区及商业区低；张翼鹏[8]对重工业厂区（铝工业）雨水径流污染特征研究表明，铝工业厂区雨水排水管道中初期雨水主要污染物为悬浮物，其他污染物浓度较低。各行业初期雨水中污染物浓度详见表2。

表2 各行业初期雨水中污染物浓度 单位：（mg/L）

从表2可以看出，各区域初期雨水中各项污染物浓度均不满足现行排放标准的要求，其中城市商业区和市政道路初期雨水中各项污染物浓度相对较高；以制造业为主的轻工业区域初期雨水中有机物和总氮、总磷等营养性物质浓度相对较高，而悬浮物相对较低；重工业区域初期雨水中有机物和应用性物质浓度相对较低，而悬浮物浓度较高，甚至超过城市商业区和城市道路。

3 初期雨水计算公式

3.1 初期雨水设计流量

初期雨水的设计流量与所在地区的暴雨强度统计数据和汇水面积，设计选择的降雨重现期和降雨历时等参数有关。

式中：Q——设计流量，L/s；ψ——汇水区域的径流系数；F——汇水区域汇水面积，hm2；q——暴雨强度，L/（s·hm2）。

雨水设计流量的主要参数是暴雨强度，而暴雨强度具有明显的地域性，是通过收集、整理和分析当地多年降雨记录资料而获得，通常由地方住建和气象主管部门定期发布。

式中：P——降雨设计重现期，a；t——某次降雨的降雨历时，min；A1、C、b、n——地方暴雨强度参数。

由于地表存在坑洼不平、植被覆盖等因素，雨水在降落到地面后，将有一部分雨水被截流下来，被植物吸收或渗入土壤中，余下一部分才会沿地面汇集形成雨水径流，因此，雨水径流量通常将小于降雨量，降雨量形成为雨水径流量的转化率用径流系数表示。径流系数的大小和汇水区域内下垫面的植被覆盖率、地表硬化率以及地形地貌等因素有关，各类类型地面的径流系数均不同，而汇水区域内通常存在不同类型的地面，因此，工程设计上通常采用各类地面类型加权平均进行计算。

式中：Fi——汇水区域内各种类型地面的面积，hm2；ψi——各类型地面的径流系数。

3.2 初期雨水总量

初期雨水总量主要取决于降雨量和汇水面积。

式中：W——初期雨水总收集量，m3；δ——初期雨水对应的降雨量，mm；ψ——汇水区域的径流系数，现行规范中，通常不予考虑。

初期雨水的降雨量也可通过暴雨强度公式和降雨历时进行推导计算。

3.3 初期雨水调蓄

初期雨水具有污染物浓度较高，且排水较为集中，如直接排入厂区污水处理系统，将对污水系统造成负荷冲击，从影响污水处理系统出水水质的稳定性，因此，工程设计上通常要求在初期雨水收集系统中设计调蓄池，用于存储初期雨水，待降雨结束后，在集中进行处理，起到对水量的调蓄作用。

调蓄池容积按照一次初期雨水总量（W）设计，而对于排空时间的确定，现行行业规范也有所不同，见表3。

表3 现行行业规范中初期雨水调蓄池排空时间规定

4 初期雨水量计算

某钢铁企业位于山西省晋中市，生产工艺包括烧结球团和焦化，厂区总汇水面积约11hm2，绿化率约20%，建筑系数约40%，厂区内地势平坦，均已硬化。

根据《山西省海绵城市技术标准》（DBJ04/T344-2—017），晋中市暴雨强度公式参数A1取10.155，C取0.92，b取10.095，n取0.824。硬化厂区流量径流系数ψ1取0.9，厂区绿地流量径流系数ψ2取0.25。

根据《钢铁企业给水排水设计手册》，钢铁企业厂区内降雨重现期P取3年。

根据公式（1）～公式（5），该厂区内降雨强度随降雨历时变化情况见表4、图1；降雨量、设计流量、降雨总量与降雨历时之间关系见表5、图2。

表4 降雨强度随降雨历时变化关系

表5 初期雨水降雨量、设计流量、降雨总量与降雨历时关系

从表3、表4和图1、图2中可以得出以下结论。

图1 降雨强度随降雨历时变化趋势

图2 降雨量、设计流量和雨水总量随降雨历时变化趋势

（1）随着降雨历时的延长，雨水设计流量逐渐下降，而降雨量与降雨总量逐渐增加。

（2）当降雨历时3.5min时，降雨量即可达到7.04mm；当降雨历时达到5min时，降雨量为9.48mm；当降雨历时达到9min时，降雨量才可达到15mm。

（3）根据市政行业规范要求，初期雨水降雨量取7mm时，该厂区初期雨水总量为775m3，而根据化工、石化行业规范要求，初期雨水降雨量取15mm时，该厂区初期雨水量总量为1664m3，相差较大。

5 结语

由于现行规范对于初期雨水尚无统一的规定，不同行业对于初期雨水降雨量的规定相差较大，而不同地区之间暴雨特征也各不相同，降雨历时和降雨量也不存在固定比例关系。

从污染物特征角度来看，钢铁企业厂区主要生产设施均布设在生产车间内，地表污染物主要为运输、裸露料场等散落的悬浮物和油类物质，与市政道路相类似，可考虑参照市政行业规范，初期雨水降雨量下限取7mm，同时建议考虑汇水面下垫面的雨水截流作用，在计算过程中加入雨量径流系数，以免雨水蓄积池设计过大。

此外，考虑初期雨水的初衷是为了防止降雨初期带来的污染问题，而雨水径流的污染情况和各地降雨强度以及汇水范围工矿企业性质有显著关联。因此，只通过降雨历时或降雨量来界定初期雨水具有一定的局限性，建议在厂区雨水系统设计工程中，在雨水排放口设在线检测设备，实时对降雨过程中厂区地表径流中悬浮物、石油类、COD等特征污染物浓度进行监控，根据污染物浓度变化情况来具体判定是否将雨水径流作为初期雨水进行收集处理。