閻軼婧

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院〈集團(tuán)〉有限公司，上海 200092)

奎河是淮北地區(qū)跨蘇皖兩省的骨干排水河道，發(fā)源于徐州市區(qū)云龍山，在銅山縣三堡鎮(zhèn)進(jìn)入安徽境內(nèi)，于江蘇省泗洪縣匯入洪澤湖的栗河洼?？由嫌未┰叫熘菔欣铣菂^(qū)，現(xiàn)狀為合流制排水系統(tǒng)，沿線建有34處截污閘，控制支河和排水暗涵溢流污染。

合流制系統(tǒng)雨天溢流污染是城市水體主要的污染來(lái)源[1]。徐州市老城區(qū)現(xiàn)狀合流制排水系統(tǒng)截流倍數(shù)偏低，溢流頻率較高，加之奎河自凈能力不足，一旦雨季溢流，奎河河道水質(zhì)惡化嚴(yán)重。為改善奎河污染現(xiàn)狀，在奎河沿線擬建3座合流制溢流(combined sewer overflow，CSO)調(diào)蓄池，分別控制八一大溝排水片、建國(guó)路以北片、泰奎大溝排水片溢流污染。CSO調(diào)蓄池在國(guó)內(nèi)外廣泛用于合流制系統(tǒng)提標(biāo)改造[2]和黑臭水體治理中，削減合流溢流污染物總量，提升合流制系統(tǒng)截污能力。但受到上游管網(wǎng)布置、片區(qū)氣象水文條件、生活生產(chǎn)污水濃度和排放規(guī)律等因素的影響[3]，難以通過(guò)單一理論公式準(zhǔn)確計(jì)算調(diào)蓄池徑流量和徑流污染削減效能[4]，使得設(shè)計(jì)調(diào)蓄池實(shí)施效能和目標(biāo)可達(dá)性無(wú)法量化核準(zhǔn)[5]，是調(diào)蓄池工程建設(shè)決策的主要難題。

本文以八一大溝排水片設(shè)計(jì)調(diào)蓄池為例，借助InfoWorks ICM水力模型，構(gòu)建基于管網(wǎng)、設(shè)計(jì)降雨、污染物積累沖刷、調(diào)蓄池進(jìn)出水實(shí)時(shí)控制的多模塊耦合水力模型，對(duì)所設(shè)計(jì)調(diào)蓄池溢流污染控制的效能進(jìn)行評(píng)估，為確定CSO調(diào)蓄池規(guī)模、量化評(píng)估截污效能提供技術(shù)支撐。

1 模型建立與應(yīng)用

1.1 八一大溝排水片調(diào)蓄池規(guī)劃

八一大溝排水片位于徐州市老城區(qū)西側(cè)，服務(wù)面積為6.82 km2，片區(qū)內(nèi)基本為居住和商業(yè)用地。區(qū)內(nèi)沿奎河已建DN1000截污干管，經(jīng)核算截流倍數(shù)n0=1.4。根據(jù)《徐州市區(qū)奎河綜合整治工程勘察設(shè)計(jì)可行性研究報(bào)告》，考慮合流主管、場(chǎng)地、道路等因素，擬建調(diào)蓄池布置在如意湖公園綠地內(nèi)。

擬建調(diào)蓄池采用線外調(diào)蓄模式，緊靠合流主干管，采用重力進(jìn)水，調(diào)蓄池設(shè)計(jì)進(jìn)水時(shí)間取1 h，根據(jù)污染物控制總體目標(biāo)，本工程調(diào)蓄設(shè)施建成運(yùn)行后截流倍數(shù)n1=5，根據(jù)《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51174—2017)計(jì)算調(diào)蓄池設(shè)計(jì)規(guī)模為9 000 m3。

1.2 管網(wǎng)模型

利用InfoWorks ICM構(gòu)建八一大溝排水系統(tǒng)管網(wǎng)模型(圖1)，根據(jù)排水片內(nèi)現(xiàn)狀管線和地形資料，將排水片劃分為124個(gè)子匯水區(qū)域，各子匯水區(qū)面積為0.044～0.012 km2。地表產(chǎn)匯流模型采用固定凈流系數(shù)法和Horton滲透公式以及SWMM匯流模型進(jìn)行管網(wǎng)水力計(jì)算。水力水質(zhì)耦合模型如圖2所示。

圖1 八一大溝排水系統(tǒng)模型Fig.1 Drainage System Model of Bayidagou Area

圖2 水力水質(zhì)耦合模型Fig.2 Coupling Model of Hydraulics and Water Quality

1.3 設(shè)計(jì)降雨

徐州市2015年新修訂暴雨強(qiáng)度計(jì)算如式(1)。

(1)

其中：q——降雨強(qiáng)度，L/(s·hm2);

P——重現(xiàn)期，a；

t——降雨歷時(shí)，min。

采用芝加哥雨型作為設(shè)計(jì)降雨，雨峰系數(shù)r=0.38。為研究調(diào)蓄池在不同降雨條件下的運(yùn)行效能，選取10、15、18、20、25、30、40、50、60、70、80 mm降雨進(jìn)行模擬，各降雨的峰值降雨強(qiáng)度、設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)、對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)降水量及降雨強(qiáng)度Tab.1 Design Precipitation and Rainfall Intensity

1.4 合流制系統(tǒng)污染物輸入、積累與沖刷模型

合流制排水系統(tǒng)的溢流污染的模擬，是基于系統(tǒng)污染物的輸入、積累和沖刷過(guò)程。合流制排水系統(tǒng)的水質(zhì)模型，包括地表累積模型(surface build-up model，模擬大氣沉降、道路清掃、無(wú)組織排放漏損等在匯水范圍內(nèi)累積形成地表污染物過(guò)程)、污水排放模型(waste & trade water profile model，模擬旱天伴隨生活生產(chǎn)污水排入管道，經(jīng)沉淀形成管道沉積物)、地表沖刷模型(surface wash-off model，模擬雨天通過(guò)徑流沖刷，將地表污染物侵蝕沖刷，隨徑流排入排水管道)、管網(wǎng)沖刷模型(pipe sediment flushing model，模擬雨天管道中徑流沖刷，將管道沉積物侵蝕沖刷、揚(yáng)起，隨徑流向下游轉(zhuǎn)輸)、點(diǎn)源污染物曲線(inflow & pollutant graph，模擬如污水處理廠等點(diǎn)源污染的排放)。模型參數(shù)取值如表2、表3所示。

表2 地表累積模型及沖刷模型參數(shù)Tab.2 Surface Accumulation Model and Scour Model Parameters

1.5 調(diào)蓄池進(jìn)出水實(shí)時(shí)控制

調(diào)蓄池進(jìn)水和放空通過(guò)軟件實(shí)時(shí)控制模塊(RTC)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)調(diào)蓄池放空采用水泵。綜合考慮系統(tǒng)溢流特征、下游截污管和污水處理廠能力、歷史降水強(qiáng)度和頻率、獨(dú)立降雨事件、匯水范圍大小等因素，確定本工程兩場(chǎng)獨(dú)立CSO事件的最小間隔時(shí)間(MIET)[3]為18 h，則調(diào)蓄池設(shè)計(jì)放空時(shí)間為18 h。

表3 污水排放模型及管網(wǎng)沉積模型參數(shù)Tab.3 Sewage Discharge Model and Deposition Model Parameters of Pipe liness Network

1.6 模型率定

利用2018年1月—2019年4月降水量，及八一大溝排水片截污閘處奎河斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，率定模型(模型率定期間未加入調(diào)蓄池)，采用納什效率系數(shù)評(píng)價(jià)模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的吻合程度[2]。通過(guò)調(diào)整地表累積因子、降雨侵蝕校核系數(shù)和徑匯流參數(shù)，使得模型納什系數(shù)>0.7，模型對(duì)徑流和水質(zhì)模擬可信。模型率定污染物模擬和實(shí)測(cè)值如圖3所示。

圖3 模型率定污染物模擬和實(shí)測(cè)值Fig.3 Model Calibration and Pollutants Simulation and Measured Values

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)蓄池污染控制率與降雨量的關(guān)系

在不同降雨量條件下，設(shè)置調(diào)蓄池前后溢流量和溢流污染總量(以COD計(jì))如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)建設(shè)調(diào)蓄池前后溢流污染物過(guò)程線Fig.4 Process Line of Overflow Pollutant before and after System Construction

未建調(diào)蓄池時(shí)，系統(tǒng)溢流污染出現(xiàn)時(shí)刻和峰值時(shí)刻隨降雨強(qiáng)度增強(qiáng)由開始降雨后1 h逐漸提前至開始降雨后10 min；溢流污染峰值隨降雨強(qiáng)度增強(qiáng)由0.03 kg COD/s顯著增加至1.44 kg COD/s。20 mm的降雨工況下，污染峰值初步呈現(xiàn)雙峰形式，50 mm已出現(xiàn)明顯的溢流污染雙峰，主要因?yàn)榫嚯x溢流口較近的匯水區(qū)排入系統(tǒng)，初期降雨帶來(lái)高濃度污染物溢流；隨著降雨強(qiáng)度增大，管道內(nèi)徑流流速顯著提高，由徑流沖刷管道沉積物引起污染物再懸浮，導(dǎo)致污染濃度再次出現(xiàn)峰值。降雨導(dǎo)致的匯水面沖刷和流經(jīng)雨水管道的沖刷規(guī)律,與車伍等[7]的研究結(jié)論一致。

與傳統(tǒng)理論計(jì)算相比，水力模型將地表匯流和管網(wǎng)流行時(shí)間、地表沖刷和管道沖刷等過(guò)程納入計(jì)算過(guò)程，能夠相對(duì)更真實(shí)的反映因匯水范圍的大小、下墊面、污染物沉積和再懸浮等過(guò)程的不同，對(duì)合流制系統(tǒng)溢流產(chǎn)生的影響。

增加調(diào)蓄池后，在降雨小于15 mm時(shí)，系統(tǒng)未發(fā)生溢流；降雨量為18 mm時(shí)，調(diào)蓄池開始出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行，系統(tǒng)開始發(fā)生溢流，溢流污染控制率93.2%。隨著降雨量的增大，調(diào)蓄池進(jìn)水流量增大，充滿時(shí)間縮短，溢流污染出現(xiàn)的時(shí)間提前，調(diào)蓄池的溢流污染控制率逐步降低，對(duì)于溢流污染的削峰和延緩作用逐漸減弱[8]。降雨量達(dá)到50 mm后，調(diào)蓄池對(duì)溢流污染的控制率僅僅20%，溢流污染物峰值流量和時(shí)間均逐步趨向未設(shè)調(diào)蓄池的工況。因此，新增調(diào)蓄池后，可提升合流制系統(tǒng)截流能力，有效延后調(diào)蓄池溢流時(shí)間，根據(jù)多年降水資料統(tǒng)計(jì)(圖5)，可控制83%降雨事件不發(fā)生溢流。

圖5 降雨頻率曲線Fig.5 Frequency Curve of the Rainfall

2.2 設(shè)計(jì)調(diào)蓄池溢流污染控制效能特性曲線

不同降雨條件下，調(diào)蓄池進(jìn)水閘和系統(tǒng)溢流井處溢流堰流量和污染物流量過(guò)程線如圖6所示。對(duì)比系統(tǒng)溢流堰的流量和COD質(zhì)量流量過(guò)程曲線，新建調(diào)蓄池后，降雨初期污染物濃度較高的合流污水優(yōu)先被調(diào)蓄池截流，調(diào)蓄池蓄滿后并超過(guò)截污干管排水能力后，系統(tǒng)開始發(fā)生溢流，系統(tǒng)初始溢流時(shí)間隨降雨強(qiáng)度增大而不斷提前，溢流持續(xù)時(shí)間顯著增加(表4)。由于八一大溝排水區(qū)范圍較大，并受管道沉積物再懸浮的影響，徑流污染初期效應(yīng)不顯著，呈現(xiàn)雙峰特征(圖4)。根據(jù)《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51174—2017)，進(jìn)水時(shí)間取1 h計(jì)算調(diào)蓄池進(jìn)水管道管徑坡度。經(jīng)模擬不同降雨條件下，調(diào)蓄池進(jìn)水時(shí)間為62～93 min，調(diào)蓄池對(duì)2次徑流污染峰值進(jìn)行了有效截流。各降雨條件下系統(tǒng)運(yùn)行情況和溢流事件統(tǒng)計(jì)如表4所示。

圖6 不同降雨下調(diào)蓄池蓄水和系統(tǒng)溢流過(guò)程線Fig.6 Storage Tank and System Overflow Curve during Different Rainfall Event

表4 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和污染物量統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of System Operation Time and Pollutant Quantity

根據(jù)模擬結(jié)果，繪制調(diào)蓄池溢流污染控制效能曲線如圖7所示。隨著降雨量的增加，調(diào)蓄池對(duì)于溢流污染的控制率逐漸下降。在22 mm以下降雨時(shí)，即87%的降雨事件下調(diào)蓄池均可保證50%以上的溢流污染被有效截留。

圖7 溢流污染控制效能特性曲線Fig.7 Characteristic Curve of Overflow Pollution Control Efficiency

根據(jù)奎河沿線截污閘歷史運(yùn)行資料，奎河口門在降雨量大于10 mm時(shí)發(fā)生溢流，年平均溢流22次。根據(jù)調(diào)蓄池溢流污染控制效能特性曲線，新增調(diào)蓄池后，系統(tǒng)截流能力增加，溢流次數(shù)可降低至17次/年，年污染物削減率可達(dá)43%，水質(zhì)不達(dá)標(biāo)日由76 d/年降至31 d/年；大雨溢流后3～5 d可恢復(fù)目標(biāo)水質(zhì)，削減合流污水入河量84萬(wàn)m3/年。

3 結(jié)論

合流制溢流調(diào)蓄池是合流制系統(tǒng)控制溢流污染的有效手段，受排水系統(tǒng)特殊性、CSO水量、水質(zhì)傳輸規(guī)律復(fù)雜性、降雨的隨機(jī)性等因素影響，難以通過(guò)理論計(jì)算核準(zhǔn)控污效益。借助排水系統(tǒng)水力模型模擬，通過(guò)構(gòu)建調(diào)蓄池溢流污染控制效能特性曲線，可用于評(píng)估預(yù)期調(diào)蓄池溢流污染控制率、系統(tǒng)溢流次數(shù)、污染物削減總量、水質(zhì)達(dá)標(biāo)天數(shù)等實(shí)施效能，確定調(diào)蓄池的實(shí)施效能，可指導(dǎo)反饋合流制溢流污染調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)和實(shí)施。此外作為項(xiàng)目決策和工程設(shè)計(jì)中的技術(shù)手段，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。