上海中心城區(qū)兩類雨水調(diào)蓄池污染減排效應(yīng)研究_排水系統(tǒng)
導(dǎo)讀:：通過對(duì)其2010年度污染減排效應(yīng)的對(duì)比分析。上海率先建設(shè)和使用雨水調(diào)蓄池。合流制排水系統(tǒng)汛期溢流。服務(wù)系統(tǒng)名稱成都路排水系統(tǒng)新昌平排水系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：污染減排，雨水調(diào)蓄池，溢流，排水系統(tǒng)
合流制排水系統(tǒng)汛期溢流，已成為城市河流、湖泊和河口等受納水體的重要污染源，是目前世界城市水環(huán)境污染、生態(tài)系統(tǒng)健康失衡的重要原因之一[1,2]。雨水調(diào)蓄池是一項(xiàng)行之有效的控制和削減城市排水系統(tǒng)暴雨溢流污染的設(shè)施，在德國、美國和日本等發(fā)達(dá)國家已得到較廣泛的使用[3,4]。國內(nèi)，在蘇州河環(huán)境綜合整治二期工程中，上海率先建設(shè)和使用雨水調(diào)蓄池，至2010年底上海已建成的調(diào)蓄池超過10座。目前對(duì)調(diào)蓄池污染減排效應(yīng)的研究主要集中于工程設(shè)計(jì)之初的經(jīng)驗(yàn)匡算[5]和數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算方面[6]，以及對(duì)單座調(diào)蓄池――成都路調(diào)蓄池環(huán)境效應(yīng)的初步評(píng)估[7,8]，系統(tǒng)性的對(duì)比研究還未開展。本文選取蘇州河沿岸兩座不同容積設(shè)計(jì)方法、進(jìn)水模式的調(diào)蓄池――成都路和新昌平雨水調(diào)蓄池，通過對(duì)其2010年度污染減排效應(yīng)的對(duì)比分析，嘗試對(duì)調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)建設(shè)和運(yùn)行管理提供參考，并為初期雨水污染為代表的城市面污染治理提供參考。
1 研究區(qū)域與方法
1.1 研究區(qū)域概況
近30年上海中心城平均降水量為1200.3 mm排水系統(tǒng)，其中約70%集中在汛期(4~9月)[9]。成都路和新昌平雨水調(diào)蓄池概況見表1，其中成都路調(diào)蓄池是國內(nèi)第一座投入使用的大型雨水調(diào)蓄池，新昌平調(diào)蓄池是目前國內(nèi)投入正常使用的有效容積最大的雨水調(diào)蓄池。
表1 成都路和新昌平調(diào)蓄池概況
Table 1 Introduction of Chengdulu and Xinchangpingstormwater detention tanks in 2010
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雨水調(diào)蓄池名稱 |
成都路 |
新昌平 |
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所在區(qū)縣 |
上海市靜安區(qū) |
上海市靜安區(qū) |
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溢流受納水體 |
蘇州河 |
蘇州河 |
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試運(yùn)行年份 |
2006 |
2008 |
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正式開始運(yùn)行年份 |
2007 |
2009 |
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服務(wù)系統(tǒng)名稱 |
成都路排水系統(tǒng) |
新昌平排水系統(tǒng) |
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排水系統(tǒng)類型 |
合流制 |
合流制 |
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排水系統(tǒng)服務(wù)面積 (km2) |
3.06 |
3.77 |
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系統(tǒng)徑流系數(shù) |
0.8 |
0.6 |
|
系統(tǒng)旱流污水配泵流量 |
3.300 |
2.020 |
|
系統(tǒng)雨水配泵流量 |
22.495 |
19.970 |
|
調(diào)蓄池設(shè)計(jì)容積 (m3) |
7400 |
15000 |
|
進(jìn)水模式 |
雨水泵泵排進(jìn)水 |
重力自流進(jìn)水 |
|
調(diào)蓄池進(jìn)水配泵流量 (m3/s) |
4.090 |
— |
|
調(diào)蓄池進(jìn)水配泵臺(tái)數(shù) |
2 |
— |
1.2 雨水調(diào)蓄池設(shè)計(jì)模式
1.2.1 成都路調(diào)蓄池
調(diào)蓄池工作原理圖解見圖1[5,7]。成都路調(diào)蓄池容積按德國廢水協(xié)會(huì)制定的《ATV128合流污水系統(tǒng)暴雨削減裝置設(shè)置指南》方法計(jì)算，公式如下[5]：
(1)
式中，V――調(diào)蓄池容積，m3;
VSR――每公頃面積需調(diào)蓄的雨水量，m3/hm2，12≤VSR≤40，成都路調(diào)蓄池取20;
AU――非滲透面積，AU=系統(tǒng)面積×徑流系數(shù)，hm2。
成都路系統(tǒng)服務(wù)面積306 hm2，設(shè)計(jì)徑流系數(shù)0.8，代入式(1)計(jì)算出的容積為：
，工程建設(shè)實(shí)際取V成都路=7400 m3，VSR實(shí)際為20.15。
所有設(shè)備均由成都路泵站PLC控制，運(yùn)行方式分為：晴天模式、進(jìn)水模式、滿池模式、放空模式和攪拌模式[7,8]。
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#FormatImgID_3# |
圖1 合流制排水系統(tǒng)雨水調(diào)蓄池流程圖(a)與流量圖解(b)
Fig.1 Flow chart (a) and graph (b) of stormwaterdetention ombined sewage detention tank
1.1.2 新昌平調(diào)蓄池
新昌平調(diào)蓄池容積設(shè)計(jì)采用截流強(qiáng)度法計(jì)算[10,11]，根據(jù)單位時(shí)間截流污水量、截流時(shí)間來確定調(diào)蓄池的容積，公式如下[11]：
(2)
式中Q截――污水截流強(qiáng)度，m3/s，設(shè)計(jì)截流污水量為4.034 m3/s;
t――截流時(shí)長，min，設(shè)計(jì)截流時(shí)長為60 min。
按(2)計(jì)算的新昌平調(diào)蓄池容積為：
，工程建設(shè)實(shí)際取V新昌平=15000 m3。若按式(1)反算VSR，VSR=44.21排水系統(tǒng)，為成都路VSR的2.19倍。
所有設(shè)備均由新昌平泵站PLC控制，運(yùn)行方式分為：晴天模式、進(jìn)水模式、放空模式、和沖洗模式[10]。
1.3 水樣采集與分析
2010年汛期降雨時(shí)對(duì)成都路和新昌平排水系統(tǒng)進(jìn)行了近10次管道出流水質(zhì)變化過程監(jiān)測(cè)。水樣采集點(diǎn)位于排水系統(tǒng)泵站集水井，人工手動(dòng)采樣，平均采樣間隔為5 min。水樣采集后保存于1L的棕色玻璃水樣瓶中，未及時(shí)分析的水樣放入4℃的冰柜中保存。水質(zhì)分析指標(biāo)包括：COD、NH4+-N、TP和SS等10項(xiàng)，采用文獻(xiàn)[12]方法分析。降雨與管道出流量數(shù)據(jù)由泵站自動(dòng)化采集系統(tǒng)獲得，采集間隔為5min，系統(tǒng)自動(dòng)記錄泵站各水泵的啟、閉時(shí)間，并根據(jù)各臺(tái)水泵的銘牌流量和運(yùn)行時(shí)間計(jì)算出流量。
2 數(shù)據(jù)分析
2.1 降雨量
2010年成都路泵站全年降雨量為1122 mm，雨量較近30年平均1200.3 mm的降雨量偏少;新昌平泵站年降雨量為1200 mm，雨量較近30年平均降雨量持平。
2.2 污染物濃度
依據(jù)2010年對(duì)調(diào)蓄池汛期合流污水水質(zhì)的多次連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及2006~2009年連續(xù)4年運(yùn)行期間所積累的基礎(chǔ)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)成都路調(diào)蓄池的降雨初期高濃度污水COD平均濃度高達(dá)到453 mg/L、超過排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)排水標(biāo)準(zhǔn)的溢流污水COD平均濃度為259mg/L。進(jìn)新昌平調(diào)蓄池的降雨初期高濃度污水COD事件平均濃度為380 mg/L，超過排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)排水標(biāo)準(zhǔn)的溢流污水COD事件平均濃度為223 mg/L。
2.3 調(diào)蓄池污染減排
2010年成都路和新昌平調(diào)蓄池對(duì)的溢流COD總減排量分別為53.3 t和201.9 t(圖2)。其中，成都路調(diào)蓄池汛期減排為40.0 t，非汛期減排為13.3 t，汛期和非汛期COD削減比例分別為75.0%和25.0%;新昌平調(diào)蓄池汛期和非汛期的COD減排量分別為125.8 t和76.1 t，相應(yīng)比例分別為62.3%和37.7%(圖2)范文。
圖2 2010年成都路和新昌平雨水調(diào)蓄池COD削減量(t)
Fig.2 COD reduction of Chengdulu and Xinchangping stormwaterdetention tanks in 2010
3 運(yùn)行效能評(píng)價(jià)
3.1 成都路調(diào)蓄池
成都路調(diào)蓄池2010年汛期暴雨溢流量削減、溢流污染物削減分別9.7%和15.9%，較2009年5.7%和8.5%的水平相比，分別提高了4個(gè)和7.4個(gè)百分點(diǎn)，這主要是由于世博期間，調(diào)蓄池的運(yùn)行管理進(jìn)一步完善，暴雨溢流事件中調(diào)蓄池全部得到使用的原因所致。同時(shí)2010年降雨量較近30年平均降雨量偏小約9.4%，大暴雨次數(shù)亦偏少也是重要的客觀自然原因。成都路調(diào)蓄池全年COD削減量較2009年增加2.4 t排水系統(tǒng)，其中非汛期COD削減量較前年增加了4.4 t，增長率達(dá)48.9%，這主要是2010年非汛期降雨比例偏高、降雨次數(shù)偏多、調(diào)蓄池使用次數(shù)多的共同原因?qū)е隆?/p>
表2 2010年成都路和新昌平調(diào)蓄池使用狀況統(tǒng)計(jì)
Table 2Service data statistic ofChengdulu and Xinchangping stormwater detention tanks in 2010
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統(tǒng)計(jì)內(nèi)容 |
成都路雨水調(diào)蓄池 |
新昌平雨水調(diào)蓄池 |
||
|
汛期* |
全年 |
汛期* |
全年 |
|
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降雨量 (mm) |
721 |
1122 |
760 |
1200 |
|
降雨使用次數(shù) |
15 |
20 |
41 |
68 |
|
總調(diào)蓄水量 (m3) |
88340 |
117787 |
331020 |
531180 |
|
溢流次數(shù) |
11 |
16 |
14 |
20 |
|
總溢流水量 (m3) |
819636 |
979760 |
1128870 |
1303695 |
|
溢流水量削減比例 |
% |
10.7% |
22.7% |
28.9% |
|
溢流COD削減比例 |
15.9% |
17.4% |
33.3% |
41.0% |
|
未使用次數(shù)及原因 |
0 |
1次，連續(xù)降雨 |
0 |
0 |
*注：配合世博會(huì)會(huì)期，2010年汛期從5月1日~10月31日，較往年提前二個(gè)月開始，延長一個(gè)月結(jié)束。
3.2 新昌平調(diào)蓄池
新昌平調(diào)蓄池繼2009年強(qiáng)化運(yùn)行管理以來，降雨期間盡可能多的使用調(diào)蓄池，一個(gè)降雨日中如果有多場(chǎng)次降雨發(fā)生，調(diào)蓄池就多次使用。2010全年使用次68次、溢流削減總量為531180 m3，溢流量削減比例28.9%，與2009年使用次數(shù)65次、調(diào)蓄總量543420、溢流量削減比例30.6%相當(dāng)，仍然保持了較高水平的使用次數(shù)、溢流削減總量和削減比例等污染削減效能。同時(shí)，2010年新昌平調(diào)蓄池調(diào)蓄了更多的高濃度初期降雨徑流，使得在調(diào)蓄總量略有增加的情況下，COD削減量達(dá)到創(chuàng)新高的201.9 t，超過2009年151 t水平高達(dá)33.7%。值得關(guān)注的是，新昌平非汛期COD削減量達(dá)到76.1 t，占到全年溢流COD削減量中的37.7%。
3.3 非汛期效能分析
從兩個(gè)調(diào)蓄池全年和汛期使用情況分類統(tǒng)計(jì)的中不難發(fā)現(xiàn)(表2)，無論是成都路還是新昌平調(diào)蓄池，全年的溢流量減排比例和溢流污染減排比例均高于汛期，這一方面是由于在非汛期，由于降雨強(qiáng)度普遍不大，調(diào)蓄池運(yùn)行效能反而更優(yōu)排水系統(tǒng)，另一方面也說明了排水公司作為運(yùn)行管理單位對(duì)雨水調(diào)蓄池的科學(xué)運(yùn)行管理非常重視，在思想上和工作中已不區(qū)分汛期和非汛期，而是進(jìn)入全年的常態(tài)化運(yùn)行管理，通過及時(shí)、高效使用調(diào)蓄池，從而大大提高了調(diào)蓄池的污染減排效能。
4 調(diào)蓄池優(yōu)化潛力分析
4.1 調(diào)蓄池運(yùn)行潛力分析
4.1.1 進(jìn)水模式
成都路調(diào)蓄池采用雨水泵泵排進(jìn)水模式，具有進(jìn)水速度快的優(yōu)勢(shì)，但設(shè)備故障率高。在2006~2009年的連續(xù)運(yùn)行期間，每年都暴露出因設(shè)備故障導(dǎo)致無法正常進(jìn)水問題，例如：2007年曾出現(xiàn)進(jìn)水蝶閥嚴(yán)重漏水問題，2008年曾出現(xiàn)因電氣儀表設(shè)備防腐等級(jí)低，導(dǎo)致的因設(shè)備故障引起的調(diào)蓄池?zé)o法進(jìn)水使用的情況;2009年汛期曾經(jīng)發(fā)生閘門故障，經(jīng)過運(yùn)行單位及時(shí)解決并加強(qiáng)日常養(yǎng)護(hù)工作后，2010年未出現(xiàn)因閘門等電器設(shè)備故障導(dǎo)致的調(diào)蓄池未使用現(xiàn)象，污染減排效能逐步穩(wěn)定，但仍有設(shè)備腐蝕、老化等隱患，需加強(qiáng)對(duì)儀器設(shè)備的常態(tài)化維護(hù)管理，宜在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，對(duì)調(diào)蓄池作電器設(shè)備等硬件設(shè)施進(jìn)行全面評(píng)估，制定適當(dāng)?shù)谋ｐB(yǎng)或更新改造計(jì)劃。新昌平調(diào)蓄池采用是重力自流進(jìn)水方式，節(jié)能環(huán)保，不存在調(diào)蓄池因閘門故障導(dǎo)致的非正常使用情況。重力自流進(jìn)水模式避免了因設(shè)備故障導(dǎo)致的進(jìn)水問題，同時(shí)節(jié)約了設(shè)備購置、維護(hù)、改造和運(yùn)行等大量費(fèi)用，符合節(jié)能環(huán)保理念。由于重力自流進(jìn)水速度慢，在雨強(qiáng)較大情況下排水系統(tǒng)，存在調(diào)蓄池使用過程中的溢流現(xiàn)象，建議對(duì)超出調(diào)蓄池進(jìn)水流量部分配置變頻泵，以充分利用調(diào)蓄池容積。
4.1.2 放空模式
2010年成都路調(diào)蓄池出現(xiàn)了因連續(xù)降雨導(dǎo)致調(diào)蓄池未及時(shí)放空，從而導(dǎo)致調(diào)蓄池出現(xiàn)1次降雨溢流未使用現(xiàn)象，影響了調(diào)蓄池連續(xù)使用。如何應(yīng)對(duì)連續(xù)強(qiáng)降雨現(xiàn)象，及時(shí)見縫插針地配合污水輸送干線放空調(diào)蓄池，發(fā)揮調(diào)蓄池的連續(xù)調(diào)蓄潛力，值得下一步探討。
4.2 容積設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分析
調(diào)蓄池容積設(shè)計(jì)方法或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選用直接影響調(diào)蓄池暴雨溢流削減量和削減率，成都路和新昌平調(diào)蓄池選用的VSR分別為20.15和44.21，這是導(dǎo)致2010年成都路和新昌平溢流污染削減率存在較大差異的主要原因范文。同時(shí)，設(shè)計(jì)方法和標(biāo)準(zhǔn)的確定又和降雨條件和服務(wù)系統(tǒng)用地類型關(guān)系密切。由于上海地區(qū)降雨條件與德國相比，存在較大差異：德國年均降雨量約為700~800 mm，且月均降雨量差別較小，單場(chǎng)降雨歷時(shí)較長，降雨曲線與美國SCSⅠA型降雨曲線接近，屬平均型降雨[7];而上海地區(qū)近30年來年均降雨量約1200.3 mm，且70%左右的雨量集中在4~9月的汛期，單場(chǎng)降雨歷時(shí)較短，降雨曲線與SCSⅡ型降雨曲線接近，屬于脈沖型降雨。因此在德國VSR取值20時(shí)，可削減約80%的溢流量。鄰近德國的在意大利當(dāng)VSR取值5~35時(shí)，服務(wù)面積0.096 km2的合流制排水系統(tǒng)調(diào)蓄池平均可削減85.0%~93.0%的暴雨溢流污水，另一服務(wù)面積0.40 km2的調(diào)蓄池對(duì)暴雨溢流的平均削減率達(dá)到88.0%~99.0%[3,7]。而在上海，選用式(1)德國調(diào)蓄池設(shè)計(jì)方法排水系統(tǒng)，目前運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，VSR分別取值20.15和44.21時(shí)，溢流量削減僅為10.7%和28.9%，溢流污染物削減為17.4%和41.0%。
目前上海中心城區(qū)運(yùn)行的幾座調(diào)蓄池建造的容積受土地稀缺影響，往往不能依據(jù)理論和實(shí)際的最優(yōu)設(shè)計(jì)。在場(chǎng)地條件不受限制條件下，調(diào)蓄池的容積設(shè)計(jì)應(yīng)以溢流污染削減率為目標(biāo)。若要到達(dá)類似于德國設(shè)計(jì)調(diào)蓄池需達(dá)到80%的溢流污染削減目標(biāo)，VSR的取值范圍建議根據(jù)上海地區(qū)的降雨特征參照?qǐng)D3而定[11]。
注：上海地區(qū)0.5、1、2、3、5、10、20、30、50、100 a一遇暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期(從左至右依次對(duì)應(yīng)每條曲線上的數(shù)據(jù)點(diǎn))
圖3 上海地區(qū)不同VSR的暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期(降雨量)與溢流污染物削減率關(guān)系
Fig.3 Relationship between different designstorm return period and stormwater overflow pollutanreduction rate at different VSR condition in Shanghai
5 結(jié)論與建議
① 雨水調(diào)蓄池是一類重要的控制城市暴雨溢流污染設(shè)施，2010年成都路和新昌平調(diào)蓄池分別削減10.7%和28.9%的暴雨溢流量，分別削減17.4%和41.0%暴雨溢流COD。
② 在既定服務(wù)面積、下墊面類型和降雨等邊界條件下，調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、進(jìn)水模式和放空模式是調(diào)蓄池污染減排效應(yīng)發(fā)揮的重要影響因素。
③ 建議依據(jù)雨水調(diào)蓄池服務(wù)區(qū)域的自然地理?xiàng)l件，以溢流污染物削減為目標(biāo)，容積設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化，選用適當(dāng)?shù)娜莘e設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)充分發(fā)揮雨水調(diào)蓄池減排暴雨溢流污染的功能。
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