连续降雨条件下调蓄池对城市面源污染削减的模拟

赵绪峰, 陈 莉, 杨 乐, 李连文, 薛振洲, 刘加强

(1.徐州市宏达土木工程试验室有限责任公司, 江苏 徐州221000; 2.杭州领图信息科技有限公司, 浙江 杭州311200; 3.杭州市城乡建设设计院股份有限公司,浙江 杭州310002;4.徐州工程学院环境工程学院, 江苏 徐州221111)

“十二五”“十三五”期间,国家对水污染防治、黑臭水体整治工作高度重视,经过水环境整治工作的不断开展,我国水环境质量总体稳中向好,特别是城市点源污染控制已取得卓越的成效。 由降雨径流驱动的城镇面源污染负荷比例逐年升高,逐渐成为城镇水环境污染的重要来源,从而诱发城镇水体黑臭和水生态环境恶化,成为制约城市水生态环境质量改善的重要因素[1]。

由于面源污染的启动主要与降雨和降雨所形成的径流有关,因此面源污染具有随机性、潜伏性、滞后性和非连续性等特点,通常是晴天积累,雨天排放[2]。 我国对城市面源污染的研究起步较晚,但是经过近年来的科技攻关,我国在城市面源污染控制方面取得了长足的进步,并在借鉴国外发达国家对城市雨水径流控制方面先进技术和实践经验的基础上提出了低影响开发(LID)的建设模式[3]。 随着SWMM、MIKE URBAN 等模型技术引入国内后,其作为重要的研究手段大大推动了城市面源污染的研究。 雷向东等[4]研究了不同低影响开发(LID)措施在单场降雨情况下的对降雨径流和污染物削减情况,发现3 种LID 组合措施对COD 的削减率在50.51%～60.83%之间。 刘垟等[5]基于SWMM 模型,研究了调蓄池和LID 措施对城市面源污染控制的效果。 然而,目前相关研究多集中于控制措施在单场降雨情况下对污染物削减效果的分析,而缺乏对控制措施在全年或多年时间尺度下污染物削减效果的考虑。 鉴于此,本文通过构建SWMM 模型,探讨了多年实际降雨情况下,末端调蓄池对城市面源污染的控制效果,旨在为城市面源污染治理工作提供参考。

1 模型搭建及降雨数据

1.1 模型搭建

本次研究选取徐州经济技术开发区三八河流域作为研究区域,该区域为雨污分流制,面积约为12.8 km2,包括金龙湖、老房亭河和三八河等水体。SWMM 模型以实际地形数据和管网普查数据为基础进行搭建,模型搭建完成后,包括491 个子汇水区,492 个节点和32 个排出口。 图1 展示了排水管网普查图和SWMM 模型的概化图。

图1 排水管网Fig.1 Drainage network

1.2 模型参数取值

模型中的不渗透系数根据不同的下垫面类型通过加权计算得出。 根据实测地形数据,研究区域下垫面分为绿地、道路、建筑和其他四种类型,其径流系数分别为0.2、0.75、1.0、0.3。 各子汇水区不渗透系数通过GIS 软件计算得出。

SWMM 模型包括水文模型模块和水质模型模块。 水文模型模块中采用了Horton 下渗模型和非线性水库模型;水质模型模块包含污染物累积模型和污染物冲刷模型,均采用EXP 函数,并以COD、TN 作为污染物指标。 具体的水文水质参数取值详见文献[6]。

1.3 降雨数据

为了研究末端调蓄池在多年连续多场降雨情况下污染物削减效果,本次研究采用了2020.01.01～2021.12.31 连续两年多场实测降雨数据,降雨数据时间间隔为1 天。 具体的降雨数据如图2 所示。 根据降雨数据统计,2020 年至2021 年期间,共有162场降雨,其中2020 年和2021 年均为81 场降雨。 在这些降雨事件中,降雨量小于2 mm 的有41 场,而大部分降雨则主要集中在每年的6 月至9 月期间。

图2 2020.01.01～2021.12.31 连续两年实测降雨数据Fig.2 Measured rainfall data for two consecutive years from 2020.01.01 to 2021.12.31

1.4 模型率定

利用2021.8.20 和2021.0901 两场实测降雨数据对模型进行率定,降雨数据时间间隔为1 h。 同时,对两场降雨产生的路面径流雨水水质进行了分析(取样点周围以商业和居民区为主)。 结果表明,径流雨水中CODcr、SS、TN、TP 的浓度分别为24.67～175.39,8.60～589.60,2.21～13.44,0.14～1.22 mg/L,CODcr和TN 最大值分别是GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅴ类水体的4.4 和6.72倍。 可见,雨水冲刷地面携带大量垃圾和污染物进入河道,形成典型的城市降雨径流面源污染,对城市生态环境构成冲击性影响,严重制约城市水环境质量的改善。 率定与验证结果详见文献[7],率定结果满足T/CECS 647—2019《城镇内涝防治系统数学模型构建和应用规程》要求,具有一定的可信度。

2 调蓄池设置及控制逻辑

2.1 调蓄池设置

根据前期现场勘察与调蓄池选址方案论证,研究区域内拟建末端调蓄池6 座,其具体位置如图3所示。 调蓄池对污染物的削减作用是通过降雨结束后将截流的雨水排入污水处理厂处理来实现的,污水处理厂执行江苏省地方标准DB 32/4440—2022《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的A 级排放标准,其中CODcr≤30 mg/L、TN≤10 mg/L。 各调蓄池容积根据GB 51174—2017《城镇雨水调蓄工程技术规范》中分流制排水系统径流污染控制的公式进行确定,各个调蓄池的服务面积及调蓄容积如表1所示。

表1 不同调蓄池的服务面积Tab.1 Service area of different reservoirs

图3 调蓄池设置位置Fig.3 Reservoir setting location

2.2 单场降雨时调蓄池工作逻辑

在进行单场降雨模拟时,SWMM 模型中末端调蓄池自动截流工作方式的实现是控制的关键。 为实现该控制条件,本研究中通过编辑控制语言,并输入到control 编辑模块中,从而实现调蓄池启闭的自动控制。 具体实现原理为:通过孔口分别连接末端调蓄池和排水口,当调蓄池内水深未达到设定深度时,调蓄池孔口全开,排水口孔口关闭,管道内雨水进入调蓄池;当调蓄池内水深达到设定深度时,调蓄池孔口关闭,排水口孔口全开,管道内雨水通过排水口排出。 具体控制条件如图4 所示,控制结果如图5所示。

图4 调蓄池截流的控制条件Fig.4 Reservoir interception setting and control conditions

图5 控制条件下孔口流量Fig.5 Orifice flow under control conditions

由图4 可知,调蓄池与排水口分别通过Or_1 和Or_2 孔口相连,当调蓄池内水位未达到预设深度时,连接调蓄池的Or_1 孔口开启,而连接排水口的Or_2 孔口关闭,此时雨水进入调蓄池而不从排水口排出。 当调节池水位达到预设深度时,连接调蓄池的Or_1 孔口关闭,而连接排水口的Or_2 孔口开启,此时雨水不进入调蓄池而从排水口排出。

2.3 连续降雨时调蓄池工作逻辑

SWMM 模型中,调蓄池中贮存的水量无法自动排出,需要添加控制规则进行工作逻辑的设定来实现[8]。 在本研究中,通过控制水泵的启闭及流量大小,实现了对调蓄池运行规则和排空时间的控制。水泵的开启和关闭是通过模型中control 编辑模块进行的条件控制,而水泵的流量大小则是通过水泵曲线TYPE1 类型进行设置的。 具体原理如下,在每个调蓄池后面加设水泵及排水口,水泵通过调蓄池前管道流量和调蓄池内水位进行条件控制。 当调蓄池前管道流量不大于0.2 m3/s 且调蓄池内水位不小于2 m 时,水泵开启,将调蓄池内雨水排出;当调蓄池前管道流量大于0.2 m3/s 或调蓄池内水位小于0.1 m 时,水泵关闭。 SWMM 模拟中,模拟降雨量按d 统计,持续时间为2 年,调蓄池开启和关闭的逻辑控制如图6 所示。

图6 调蓄池开启和关闭的逻辑控制图Fig.6 Logical control diagram for the opening and closing of the reservoir

未设置和设置运行规则和排空时间的T01 调蓄池水位情况如图7 所示,当未设置调蓄池运行规则和排空时间时,T01 调蓄池仅在第一次降雨时发挥了其调蓄作用,其余时间一直保持最大水深状态,未发挥作用。 然而,当设置调蓄池运行规则和排空时间时,调蓄池会在降雨结束后根据运行规则和排空时间进行自动排空,当再次降雨时,重新接收雨水。这表明设置运行规则和排空时间可以使调蓄池发挥其调蓄作用,使其适应于连续降雨情况。

图7 未设置(左图)和设置(右图)运行规则和排空时间的T01 调蓄池水位情况Fig.7 Water Level of T01 Reservoir without (Left) and with (Right) Operating Rule and Emptying Time

3 模拟结果与分析

为了研究调蓄池在不同运行规则和排空时间下对初期雨水的控制次数和污染物削减率的影响,参考李俊奇等[8]的研究中对调蓄池排水规则的设置,本研究设定了两种运行规则:分别为降雨24 小时和48 小时后开始排水,并设定了两种排空时间规则:分别为调蓄池24 小时和48 小时排空收集的雨水。统计了连续降雨下6 座调蓄池内水位高于1 m 时的平均次数(以下简称调节次数),结果如表2 所示,在相同的运行规则下,调蓄池调蓄深度对调节次数的影响较小。 然而,在相同的运行规则下,不同的排空时间导致调蓄池的调节次数差异较大;调蓄池24 h 排空比48 h 排空,可使调节次数的平均值分别增加11.8 次(降雨24 h 开泵)和12.9 次(降雨48 h开泵)。 这说明排空时间影响调蓄池在连续降雨下的调节次数,调蓄池内的雨水越快排空,越能发挥其调蓄作用;若调蓄池内的雨水停留时间过长,将会影响其在临近降雨时的调蓄作用。 在相同的排空时间下,不同的运行规则也会影响调蓄池的调节次数,调蓄池越早开始排水,调节次数越多;降雨24 h 开泵比48 h 开泵,可使调节次数的平均值分别增加1.9 次(24 h 排空)和2.9 次(48 h 排空)。 这说明调蓄池的调节次数也受运行规则的影响,但影响相对较小。

表2 不同运行规则和排空时间下6 座调蓄池的平均调节次数Tab.2 Average adjustment frequency in six reservoirs under different operating rules and emptying times

调蓄池在不同运行规则和排空时间下对初期雨水污染物削减率的效果如表3 和表4 所示。 在相同的运行规则和排空情况下,调蓄池对COD 的削减效果优于对TN 的削减效果。 在相同的运行规则下,调蓄池的排空时间越短,对污染物的削减率越高。其中,在降雨24 h 开泵的运行规则下,调蓄池24 h排空相比于48 h 排空,COD 和TN 的削减率分别提高了2.28%～2.92%和2.2%～2.59%;而在降雨48 h 开泵的运行规则下,调蓄池24 h 排空相比于48 h排空,COD 和TN 的削减率分别提高了2.2% ～2.94%和2.16%～2.66%。 此外,在相同的排空时间下,调蓄池降雨24 h 开泵的运行规则对COD 和TN 的削减率略高于48 h 开泵的运行规则。 其中,在24 h 排空条件下,降雨24 h 开泵相比于48 h 开泵,COD 和TN 的削减率分别提高了0.27% ～0.35%和0.15%～0.22%;而在48 h 排空条件下,降雨24 h 开泵相比于48 h 开泵,COD 和TN 的削减率分别提高了0.19%～0.36%和0.11%～0.25%。

表3 降雨24 h 开泵污染物削减率Tab.3 Reduction Rate of Pollutants Starting to Drain Water after 24 Hours of Rainfall

表4 降雨48 h 开泵污染物削减率Tab.4 Reduction Rate of Pollutants Starting to Drain Water after 48 Hours of Rainfall

4 结论

① 连续降雨下,调蓄池需要设置运行规则和排空时间,以实现调蓄池中贮存雨水的自动排出,确保其在连续降雨下能够发挥调蓄作用。 运行规则和排空时间的设置可通过控制水泵的启闭和流量大小来实现。

② 末端调蓄池在城市面源污染控制中能够发挥一定的作用,在连续降雨下,调蓄池的运行规则和排空时间能够影响调蓄池的调节次数和对污染物的削减率。 其中,运行规则对调节次数和污染物削减率影响相对较小,而排空时间对调节次数和污染物削减率影响相对较大。 调蓄池越快开始排出雨水,其能在临近降雨中更好发挥调节作用,并提高污染物的削减率。