雨水调蓄池优化及污染物削减情况分析

唐树平

（深圳市南山区水污染治理中心,广东 深圳 518000）

0 引言

随着城市化进程的加速和人口的不断增长,城市面临着越来越多的环境挑战。传统的城市雨水管理方法往往采用集中排放的方式,不仅会对城市排水系统造成压力,还会导致水质污染问题[1]。

近年来,雨水调蓄池的应用越来越广泛。在许多城市的雨水管理中,雨水调蓄池已被证明是一种可行且有效的解决方案。熊子鹰等[2]利用多目标优化方法对调蓄池的大小、深度和出水口位置进行优化,可以提高调蓄效率和污染物去除率。李连文等[3]利用模拟降雨实验和实地监测数据,研究了不同污染物在调蓄池中的去除规律,提出了一些新的污染物控制策略,如利用植物对水中污染物进行吸附和降解等。

本文以某河调蓄池为研究对象,对其雨水管网规划进行概化分析,将有助于为城市雨水管理提供更加科学和可持续的解决方案。

1 工程概况

某河是位于某市东部的一条重要季节性河流的支流。它的全长为28 km,流域面积为136 km2。某河的水质受到上游湖水的影响,湖水质仍处于劣V 类,含有高浓度的氮、磷等营养物质,导致水体富营养化和蓝藻水华的发生。为了改善某河的水环境质量,市政府计划实施某河引水（综合整治）工程,建设雨水调蓄池,减少初期雨水径流的污染,并将其收集错峰送至污水处理厂处理；建设水文监测站,实时监测水质变化。该工程的目的是稳定某湖水质,保护湖水源地,提高某市城市防洪标准,打造清水穿城、绿色长廊的良好人居环境。

2 模型构建

2.1 概化研究区域

本文对某工业区的雨水管网规划进行了分析和概化,以提高雨水排放的效率和安全性。该工业区占地967 m2。根据雨水管网和土地利用图,该区域的雨水管网总长度为28.969 m,由140 个节点和140 段管道组成,被划分为17 个子汇水区,见图1。

图1 概化模型

2.2 参数设定

为了模拟某市的短历时降雨过程,本次研究采用了芝加哥雨型作为设计降雨方法。在产流计算方面,本次研究选择了霍顿公式法作为产流模型。它根据土壤入渗能力、降雨强度和土壤含水量等因素,计算出产流量和产流系数[4]。在参数确定方面,本次研究通过模型自动获取或CAD 量测的方式,得到了汇水子区域的面积（967 m2）,并通过现状地形图上的标高、高差和距离等数据,计算出了地表平均坡度（0.5%）。

2.3 模型率定

为了评估城市雨水模型的性能,需要对模型参数进行校准,使其能够较好地反映实际的流量和水质变化。本文选取了陶冲湖流域内的一个雨水排放点作为校准对象,根据现场测试的水质数据和模型计算结果进行比较。对于结果的评估采用纳什效率系数（NSE）,通常情况下,当NSE 大于0.7 时,表示模型模拟与实测数据有较高的一致性。图2 展示了流量监测值与模拟值之间的比较情况。

图2 流量监测值与模拟值之间的比较

3 结果与分析

3.1 污染负荷分析

本文利用某河雨量站2018 年～2019 年的降雨数据,分析项目区域的长期和短期降雨特征。根据安徽省水利厅的数据,两年内总降雨量达到2083 mm,平均每年降雨量为1041.5 mm。

为了研究短期降雨对水环境的影响,本文采用某市降雨强度公式得出,短期降雨量为52.7 mm。基于长期和短期降雨数据,本文建立水质模型,通过对项目区域的雨水管网和湖口排水口的实地调查,发现在陶冲湖上游的汇水区域内,没有发现有污水进入雨水管道,也没有发现有明显的淤积现象。

3.2 污染物削减效果

本文雨水调蓄池采用分流制研究某市的降雨特征,可选取4 mm、5 mm、6 mm、8 mm 的调蓄量。本次研究将在长时间（2018 年～2019 年）和短时间的条件下,比较这些不同调蓄量的主要污染物削减率和经济效益,用来确定调蓄池最佳调蓄量和有效容积。

根据分流制公式, 调蓄池的有效容积可排水体积V=10 DFψβ,V 是由径流深度D、排水面积F、综合径流系数ψ和安全系数β决定的。在2018 年～2019 年降雨期,D 为10mm,F 为1000 m2,ψ为0.67,β为1.1,这意味着降雨期间储存74050 m3的雨水,并在降雨结束后逐渐排放到湖泊中。通过这种方式,可以减少末端入湖排口的污染物浓度,如COD、NH3-N、TP 等。图3 显示了不同调蓄量对污染物削减率的影响,可以看出,随着调蓄量的增加,削减率也相应提高。为了达到最佳的水质改善效果,应尽可能增加调蓄池的有效容积可排水体积。

图3 长历时对污染物削减率的影响

本文研究在短历时（两年一遇,2 小时）降雨情况下,根据不同调蓄量,分析末端入湖排口的NH3-N、TP 以及COD的削减效果。计算经规模不同调蓄后,计算得到的污染物削减效益绘制在图4 中。长历时和短历时工况下,三种污染物的削减趋势变化基本相同。当调蓄量达到5 mm 以上时,污染物的削减效果逐渐降低。当调蓄量刚好等于5 mm 时,污染物TP 去除效率最高。不同工况条件下, 发现调蓄量为5 mm 最佳,COD 的削减量和削减率最高。

图4 短历时对污染物削减率的影响

从上面的分析结果可以看出,调蓄量越大,污染物去除率越高。这表明,调蓄池的有效容积对于提高雨水径流水质有重要作用。但是,当调蓄量继续增加时,污染物去除率的增长速度会逐渐减小。在雨水调蓄池的设计过程中,有效容积是一个关键因素。如果容积过大,会造成经济上的浪费；若容积太小,则会导致去除污染效果和雨量截留下降。因此,考虑到经济性和工程去污性能,选择调蓄量5 mm 综合效益最佳。

3.3 降雨特征分析

根据某河雨量站两年的数据,该站有221 天有降雨,其中196 天的雨水径流会流入湖泊,最大流量峰值为76.1 m3/s。降雨特征分析表明,初期的雨水径流很容易流入湖泊,并且初雨污染效应随着降雨量的增加而加剧。表1 显示了不同调蓄量下,雨水径流流入湖泊的天数变化情况。结果表明,调蓄量越大,流入湖泊的天数越少,但是减少的幅度也越小。当调蓄量为5 mm 时,流入湖泊的天数从196 天减少到91 天,占比为46.43%,可以有效地降低近一半的初雨污染物质。综合3.1 节的分析结果,因此本次设计的调蓄池蓄量为5 mm。

表1 雨水径流流入湖泊的天数变化情况

3.4 调蓄池参数分析

为探讨雨水调蓄池的综合效益,本文分析了调蓄池的容积、位置和数量的关系。研究区域流域面积较大,雨水管网从上游到下游入湖口的距离也较长。目前只在下游设置了一个调蓄池,这样在上游开始降雨时,调蓄池就会很快充满,无法有效截留初期雨水,不能达到收集雨水的效果。

为了改善这种情况,本文以一次短时强降雨为例进行模拟,设计三种调蓄方案,分析每种方案对污染物的减少效果以及调蓄池容量达到有效容量后各个雨水监测点位的污染物浓度变化情况。

根据模型分析结果,在入湖最末端建立一个调蓄点作为基础工况一,它的有效容积是36000 m3。通过在径流入口末端设置一个雨水调蓄池,可以暂缓雨水径流的高峰,并延长其流出时间,从而有效地减少初期雨水对排放水体的污染量。因此,雨水调蓄池是一种简便而高效的初期雨水污染控制措施。

在降雨约1 小时后,调蓄液位达到最大值,剩余雨水流入湖体。工况二,调蓄点设置在上游和末端,有效容积区30500 m3和5300 m3。当降雨开始后,上游的调蓄池先满水,然后末端的调蓄池满水,之后剩余的降雨径流直接进入湖体。工况三,四个调蓄点沿雨水干管分布,有效容积分别为12100 m3、12700 m3、5800 m3、5300 m3。当降雨开始后,四个调蓄池依次满水,之后剩余的降雨径流直接进入下游河道。图5 中展示了不同工况污染物削减率。

图5 不同工况污染物削减率

只在末端设置一个雨水调蓄池,就可以有效地降低污染物的排放量,其中COD、SS、TN 和TP 的削减率分别为28.12%、28.67%和28.35%。这说明雨水污染可以通过雨水调蓄有效减少。若最上游位置增设一个调蓄点,水中污染物的削减率虽然可以进一步提高,但是增幅较小,不超过5%。这是因为雨水管道距离下游入湖排口较远,上游的调蓄点对整个系统的初雨收集率的影响较小。但是,如果沿着雨水主干管将收集范围分成四个区域,每个区域设置一个调蓄点,那么污染物的削减率都可以达到40%以上,尤其是对COD的去除效果最好,可以达到55.43%。因此,工况三将作为目标设计工况。

4 总结

本文以某河调蓄池为研究对象,对其雨水管网规划进行了分析和概化,讨论了提高雨水排放的效率和安全性的影响因素,通过研究雨水调蓄池的优化方案和污染物削减效果进行分析,得出如下结论：

（1）随着蓄水池调蓄量的增加,污染物削减率也相应提高。为了达到最佳的水质改善效果,应尽可能增加调蓄池的有效容积可排水体积。

（2）调蓄量越大,污染物去除率越高。这表明,调蓄池的有效容积对于提高雨水径流水质有重要作用。

（3）通过在径流入口末端设置一个雨水调蓄池,可以暂缓雨水径流的高峰,并延长其流出时间,从而有效地减少初期雨水对排放水体的污染量。