分流制初雨污染治理类项目随感

徐锋

（合肥市市政设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

近年来，水环境综合治理成为国家层面重点关注和投入的一个领域，水环境污染主要包括外部污染和内源污染，外部污染主要包括生活污水、工业废水、初期雨水和沿河垃圾污染等，内源污染主要包括河道底泥释放和植物腐烂等因素。在大气污染和地面污染较为严重的区域，初期雨水的污染冲击负荷对周边水系的环境质量影响很大，对水环境综合治理有重大的现实意义。

1 水环境容量概述

水环境容量计算三要素。

水环境容量计算方式大致如下：根据《全国水环境容量核定技术指南》、《水体达标方案技术指南》和《水域纳污能力计算规程》（GB/T 25173—2010）相关规定，河道计算一般采用河流零维模型计算纳污能力，计算公式如式（1）所示。

式中：W——污染物排放量；Q0——流入河流、湖库流量；C0——上游来水的背景浓度值；K——水质降解系数；V——水体容积；q——旁侧支流流量。

当 C=Cs时，W 即代表环境容量，如式（2）所示。

式中：W——水环境容量，Kg/d；Q0——进口断面的入流流量，mg/L；C0——进口断面的水质浓度，mg/L；q——旁侧入流流量，m3/s；Cs——该水体的水质标准，mg/L；V——水体体积，m3；K——水质降解系数，d-1。

通过计算，得到各污染物对应水环境容量如下：COD 为 291.42t/a；NH3-N 为 17.41t/a；TP 为 9.97t/a。总污染负荷和环境容量对比如表1 所示。

表1 总污染负荷和环境容量对比

根据上述结果，各污染指标COD、NH3-N、TP 的污染负荷均高于地表Ⅲ类水标准要求下的水环境容量，即现排污量超出了河道现有纳污能力。如果不采取措施，照此污染负荷排放，则难以达到Ⅲ类水标准。

考虑到河道水环境容量计算复杂且系统性很强，类似于一个区域的污水厂排放标准是需要在区域环评中明确一个道理，鉴于现实中很少有河道做全流域的水环境容量分析，也就很难给初期雨水截流量提供一个清晰明确的标准。标准的不明确带来的后果就是初雨的过度截流（可能意味着巨额的投资浪费）或截流不足（未达到建设目标），对于那些初期雨水排入污水处理厂的项目来说，截流水质的高低对污水厂的正常稳定运行也会造成较大的影响。

2 初雨截流量和截流标准的确定

污染物控制总量确定后，下一步就是如何确定初期雨水截流量，初雨截流量的确定当前行业内主流的做法主要有两种。

第1 种是通过模型分析与计算来论证初雨收集的效应。首先以我国的Infoworks ICM 计算模型结合笔者主持项目说明如下。

模型主要分为两类，即概念性水文模型和数学物理水力模型。第一种主要依据的是水量平衡原理，大多利用实测数据来分析流域当地的产流汇流特征，并以此为据确定模型中的关键参数。如美国工程师协会开发的“暴雨”模型（STORM），对透水地面采用的是径流系数法。此模型主要适用于规划阶段，可以对流域径流过程中包括蓄水、处理、溢流等情况进行长期模拟。

第二种模型以物理学质量守恒、动量守恒与能量守恒定律为依据，以圣·维南方程组为基础，模拟并预测水流的运动。模拟过程包括了地面的产汇流过程和排水管道中的水流过程，以及其他设施中的水流运动，此模型还具有水质模拟的功能。如英国开发的InfoWorks Collection System（简称InfoWorks CS），丹麦水力学研究所（DHI）开发的 MOUSE（Modeling Of Urban Sewer）模拟软件包，不仅可以计算雨水的径流过程、还可以做到实时监控和在线分析。

2.1 模型的选用

该模型模拟的是一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟。其径流模块部分综合处理各子流域所发生的降水，径流和污染负荷。其汇流模块部分则通过管网、渠道、蓄水和处理设施、水泵、调节闸等进行水量传输。该模型可以跟踪模拟不同时间步长任意时刻每个子流域所产生径流的水质和水量，以及每个管道和河道中水的流量、水深及水质等情况。

2.2 模型参数的确定

（1）汇水子区域的划分。汇水子区域面积严格意义上指的是汇水子区域的产流面积，不包括非产流面积（如封闭水体等）。如果建模区域内没有大面积的非产流区域，产流面积就可以认为等同于汇水子区域面积。由于该片区汇水范围较大，汇水子区域采用CAD 导入，在模型中利用泰森多边行方法进行划分。

（2）径汇流模型参数设置——地表径汇流模拟。城市由不同类型的下垫面组成（可渗透/不可渗透），每种表面对应的产汇流规律都不尽相同，我们利用水文模型的方式去计算各个表面的产汇流过程，每种表面对应了不同的水文模型。水文模型——降雨径流模型，主要有①初损模型：用于填挖的初期损失；②径流量模型：决定了多少水量汇入管网；③汇流模型：决定了这些水量以多快的速度汇入管网。模型中设置路面、屋面和透水表面三种产流表面类型。

（3）曼宁粗糙系数值不透水区、透水区以及管道（或渠道）的曼宁粗糙系数的初始参数取值或取值范围均根据附录所列经验值进行确定。

（4）排水管网特征数据排水管网特征数据，如管道长度、管道上下游管底高程、管径，以及检查井处地面高程、井底高程等均需根据排水管道调查资料或排水规划确定。

（5）污染物特征数据由于缺少实测的水质监测数据，因为模拟需验证的结果为截留效率与调蓄规模的关系，因此选取的水质数据，本次模型中下垫面污染物浓度参数可采用ICM 模型中默认的数据，其对需验证的结果并不产生影响。

2.3 降雨事件

在InfoWorksICM 中，降雨数据以两种形式存在，分别是实测降雨和设计降雨。由于缺少实际区域的降雨资料，本次模型中设计暴雨强度拟采用合肥市暴雨强度公式如式（3）所示。

其中：q——暴雨强度，（L/s·ha）；P——设计暴雨重现期，年，一般区域采用P=3 年，高架桥及道路路面径流系数取0.95，综合径流系数取0.6；t——降雨历时，min；t=t1+t2；t1——地面集水时间，取5～15min；t2——管道内流行时间。

设计雨型采用芝加哥雨型，峰值因子为0.4。根据《巢湖市城市排水（雨水）防涝综合规划》，采用历时2h的设计降雨作为模型输入条件，分析初雨截流的运行工况。

2.4 模型的建立

贾塘圩区域的总汇水范围面积约5.4km2，根据资料将片区管线输入模型，为了便于模拟，本次对管线的信息进行了概化。覆盖管网节点数共210 个，管段总长为39500m。

2.5 模拟结果

根据模型对贾塘圩初雨汇水区内的雨水管网系统不同截流规模（4～12mm）进行分析，模拟结果表明当截流规模超过8.0mm 时，各污染物削减率增速明显减缓，则“投资效益比”将越来越小，其最佳截流规模为7.5～8.5mm。因此贾塘圩区域内的初期雨水截流规模取值为8mm。

考虑到初期雨水水质受大气污染、地面污染、降雨强度和间隔、管网系统布置型式等各方面因素影响都很大，模型边界条件的输入与现实难以较好地吻合，故据此确定初期雨水截流量与实际需求还是存在一定的偏差。

第2 种是直接根据当地排水防涝规划结合初雨相关规范直接确定初雨截流量。根据《室外排水设计规范（2016 年版）》（GB 50014—2006）、《城镇雨水调蓄工程技术规范》（GB 51174—2017）及《城镇径流污染控制调蓄池技术规程》（CECS 416：2015）[1-3]，用于分流制排水系统径流污染控制时，雨水调蓄池调蓄量可取4mm～8mm（按降雨量计）。此外，国内相关研究表明，一般初期雨水控制量在6～8mm 左右可控制约60%～80%的污染量。

初雨雨水污染控制标准主要有两种表达方式：当量雨量标准、污染物控制率和溢流次数标准。国内外城市初期雨水控制标准是一种经验型做法，并未根据当地实情进行充分论证，与现实需求同样存在一定的偏差，初雨截流量结论的不可靠带来的结果就是调蓄池规模的或大或小，同样也意味着投资浪费或未达建设目标。

3 初雨雨水的高效收集

初期雨水截流方式与排水系统的汇水面积、区域形状、管道布置等有关。不同的截流方式，其相应的污染物截流效率亦不同。工程实践中，截流方式分为两种：末端截流和多点分散式截流。末端截流方式主要是在一些主要的雨水排放口、支流口或现状泵站末端建造一定规模的初期雨水调蓄设施，实现对初期雨水的截流，该方式一般适用于服务范围较小，汇流时间较短的雨水排水系统。多点分散式截流方式是通过敷设多条平行的截流干管，或结合现状雨水管道布置，通过多处截流井和联通管道将初期雨水分散截流至调蓄设施。应结合现场实际情况，因地制宜选择合适的截流方式，以充分发挥调蓄设施的效益。

提高初期雨水收集效率，就要尽量缩小每个初雨截流井的汇水范围，这必然会导致为了提高初雨水质而大量分散新建截流井，每座截流井内部又设置了水质检测仪、流量计和截流闸门等设备，截流管网长度和设备的大幅增加不仅需要巨额的工程投资，更给后期的施工交通影响（需要在现状管道上施工截流井，一般均在市政道路上实施）和运行维护管理带来很大的麻烦。那么如何寻求这样一个平衡点尤为重要。查阅初期雨水相关规范、文献均无相关明确的规定，仅在全国注册公用设备师考试教材《排水工程》中略有提及：“深圳市初期雨水控制量为7mm，且初期雨水汇流范围应使得汇水面积最远点到排放口的汇流时间不应超过20～30min，超过此汇流时间的区域，其初期效益已不显著。”虽然这不能作为我们设计依据，但这个描述至少给了我们一个大致的设计方向，不过这个时间指的是什么降雨强度下的时间以及确定的依据又是什么值得继续探究。在一定的污染物消减总量前提下，初雨收集方式高效性与初雨收集量是成反比关系。

4 目前的难点-截流管管径的计算与确定

合理的截流量一方面能有效收集初期雨水，另一方面可以减少不必要的工程浪费，目前在确定截流管道设计流量方面仍然是一个难题。

4.1 流量计算方法

目前，截流管道设计流量的确定尚无有效方法，设计人员常常根据自身经验确定设计流量，该设计流量与初期雨水过程无定量关系，无法判断设置该设计流量的截流管道能否有效控制所服务区域的初期雨水。因此，如何合理确定截流管道的设计流量是当前亟需解决的问题之一。目前确定截流管流量主要有芝加哥雨型模型法和经验公式法。

芝加哥雨型模型法：根据区域历年不少于20 年的降雨资料，按照一定的标准通过PⅢ型曲线等方法模拟出该标准下芝加哥雨型降雨曲线，根据雨型曲线求出相应截流标准下的降雨强度，从而确定截流管道的流量。

经验公式法：根据雨水排口截流的初期雨水总量和截流时间计算确定，如式（1）所示。

式中：Q——截流管道设计流量，（m3/s）；T——初期雨水截流时间，按照该排口截流井收集范围内的汇流时间确定，min；V——各排口截流的初期雨水总量，计算方式同调蓄设施容积计算。

4.2 设计流量确定

考虑到芝加哥雨型模拟法在降雨资料收集摘选、降雨标准的确定、曲线拟合方法等方面尚未有明确的规定且未形成统一，采用此方法设计案例较少，目前常用模型来进行设计校核，故当前调蓄工程常用的经验公式法来确定截流管道流量的做法较多。

5 结语

从上述分析的几点来看，不把这几个问题解决好想把分流制初雨污染治理类项目做好是不太现实的，对国家这么大的支持和投入也是不负责任的。解决好这些问题个人觉得不是哪个人、哪家设计院、哪家科研单位所能完成的，可能需要国内水行业相关的权威专家们在国家的组织和指导下以规范修编或新编技术导则、标准等形式来进一步的明确和细化，来更好地指导后期该类项目的设计和实施。