上海中心城区两类雨水调蓄池污染减排效应研究_排水系统
导读:：通过对其2010年度污染减排效应的对比分析。上海率先建设和使用雨水调蓄池。合流制排水系统汛期溢流。服务系统名称成都路排水系统新昌平排水系统。
关键词：污染减排，雨水调蓄池，溢流，排水系统
合流制排水系统汛期溢流，已成为城市河流、湖泊和河口等受纳水体的重要污染源，是目前世界城市水环境污染、生态系统健康失衡的重要原因之一[1,2]。雨水调蓄池是一项行之有效的控制和削减城市排水系统暴雨溢流污染的设施，在德国、美国和日本等发达国家已得到较广泛的使用[3,4]。国内，在苏州河环境综合整治二期工程中，上海率先建设和使用雨水调蓄池，至2010年底上海已建成的调蓄池超过10座。目前对调蓄池污染减排效应的研究主要集中于工程设计之初的经验匡算[5]和数学模型模拟计算方面[6]，以及对单座调蓄池――成都路调蓄池环境效应的初步评估[7,8]，系统性的对比研究还未开展。本文选取苏州河沿岸两座不同容积设计方法、进水模式的调蓄池――成都路和新昌平雨水调蓄池，通过对其2010年度污染减排效应的对比分析，尝试对调蓄池的设计建设和运行管理提供参考，并为初期雨水污染为代表的城市面污染治理提供参考。
1 研究区域与方法
1.1 研究区域概况
近30年上海中心城平均降水量为1200.3 mm排水系统，其中约70%集中在汛期(4~9月)[9]。成都路和新昌平雨水调蓄池概况见表1，其中成都路调蓄池是国内第一座投入使用的大型雨水调蓄池，新昌平调蓄池是目前国内投入正常使用的有效容积最大的雨水调蓄池。
表1 成都路和新昌平调蓄池概况
Table 1 Introduction of Chengdulu and Xinchangpingstormwater detention tanks in 2010
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雨水调蓄池名称 |
成都路 |
新昌平 |
|
所在区县 |
上海市静安区 |
上海市静安区 |
|
溢流受纳水体 |
苏州河 |
苏州河 |
|
试运行年份 |
2006 |
2008 |
|
正式开始运行年份 |
2007 |
2009 |
|
服务系统名称 |
成都路排水系统 |
新昌平排水系统 |
|
排水系统类型 |
合流制 |
合流制 |
|
排水系统服务面积 (km2) |
3.06 |
3.77 |
|
系统径流系数 |
0.8 |
0.6 |
|
系统旱流污水配泵流量 |
3.300 |
2.020 |
|
系统雨水配泵流量 |
22.495 |
19.970 |
|
调蓄池设计容积 (m3) |
7400 |
15000 |
|
进水模式 |
雨水泵泵排进水 |
重力自流进水 |
|
调蓄池进水配泵流量 (m3/s) |
4.090 |
— |
|
调蓄池进水配泵台数 |
2 |
— |
1.2 雨水调蓄池设计模式
1.2.1 成都路调蓄池
调蓄池工作原理图解见图1[5,7]。成都路调蓄池容积按德国废水协会制定的《ATV128合流污水系统暴雨削减装置设置指南》方法计算，公式如下[5]：
(1)
式中，V――调蓄池容积，m3;
VSR――每公顷面积需调蓄的雨水量，m3/hm2，12≤VSR≤40，成都路调蓄池取20;
AU――非渗透面积，AU=系统面积×径流系数，hm2。
成都路系统服务面积306 hm2，设计径流系数0.8，代入式(1)计算出的容积为：
，工程建设实际取V成都路=7400 m3，VSR实际为20.15。
所有设备均由成都路泵站PLC控制，运行方式分为：晴天模式、进水模式、满池模式、放空模式和搅拌模式[7,8]。
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图1 合流制排水系统雨水调蓄池流程图(a)与流量图解(b)
Fig.1 Flow chart (a) and graph (b) of stormwaterdetention ombined sewage detention tank
1.1.2 新昌平调蓄池
新昌平调蓄池容积设计采用截流强度法计算[10,11]，根据单位时间截流污水量、截流时间来确定调蓄池的容积，公式如下[11]：
(2)
式中Q截――污水截流强度，m3/s，设计截流污水量为4.034 m3/s;
t――截流时长，min，设计截流时长为60 min。
按(2)计算的新昌平调蓄池容积为：
，工程建设实际取V新昌平=15000 m3。若按式(1)反算VSR，VSR=44.21排水系统，为成都路VSR的2.19倍。
所有设备均由新昌平泵站PLC控制，运行方式分为：晴天模式、进水模式、放空模式、和冲洗模式[10]。
1.3 水样采集与分析
2010年汛期降雨时对成都路和新昌平排水系统进行了近10次管道出流水质变化过程监测。水样采集点位于排水系统泵站集水井，人工手动采样，平均采样间隔为5 min。水样采集后保存于1L的棕色玻璃水样瓶中，未及时分析的水样放入4℃的冰柜中保存。水质分析指标包括：COD、NH4+-N、TP和SS等10项，采用文献[12]方法分析。降雨与管道出流量数据由泵站自动化采集系统获得，采集间隔为5min，系统自动记录泵站各水泵的启、闭时间，并根据各台水泵的铭牌流量和运行时间计算出流量。
2 数据分析
2.1 降雨量
2010年成都路泵站全年降雨量为1122 mm，雨量较近30年平均1200.3 mm的降雨量偏少;新昌平泵站年降雨量为1200 mm，雨量较近30年平均降雨量持平。
2.2 污染物浓度
依据2010年对调蓄池汛期合流污水水质的多次连续跟踪监测数据，以及2006~2009年连续4年运行期间所积累的基础水质监测数据，进成都路调蓄池的降雨初期高浓度污水COD平均浓度高达到453 mg/L、超过排水系统设计排水标准的溢流污水COD平均浓度为259mg/L。进新昌平调蓄池的降雨初期高浓度污水COD事件平均浓度为380 mg/L，超过排水系统设计排水标准的溢流污水COD事件平均浓度为223 mg/L。
2.3 调蓄池污染减排
2010年成都路和新昌平调蓄池对的溢流COD总减排量分别为53.3 t和201.9 t(图2)。其中，成都路调蓄池汛期减排为40.0 t，非汛期减排为13.3 t，汛期和非汛期COD削减比例分别为75.0%和25.0%;新昌平调蓄池汛期和非汛期的COD减排量分别为125.8 t和76.1 t，相应比例分别为62.3%和37.7%(图2)范文。
图2 2010年成都路和新昌平雨水调蓄池COD削减量(t)
Fig.2 COD reduction of Chengdulu and Xinchangping stormwaterdetention tanks in 2010
3 运行效能评价
3.1 成都路调蓄池
成都路调蓄池2010年汛期暴雨溢流量削减、溢流污染物削减分别9.7%和15.9%，较2009年5.7%和8.5%的水平相比，分别提高了4个和7.4个百分点，这主要是由于世博期间，调蓄池的运行管理进一步完善，暴雨溢流事件中调蓄池全部得到使用的原因所致。同时2010年降雨量较近30年平均降雨量偏小约9.4%，大暴雨次数亦偏少也是重要的客观自然原因。成都路调蓄池全年COD削减量较2009年增加2.4 t排水系统，其中非汛期COD削减量较前年增加了4.4 t，增长率达48.9%，这主要是2010年非汛期降雨比例偏高、降雨次数偏多、调蓄池使用次数多的共同原因导致。
表2 2010年成都路和新昌平调蓄池使用状况统计
Table 2Service data statistic ofChengdulu and Xinchangping stormwater detention tanks in 2010
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统计内容 |
成都路雨水调蓄池 |
新昌平雨水调蓄池 |
||
|
汛期* |
全年 |
汛期* |
全年 |
|
|
降雨量 (mm) |
721 |
1122 |
760 |
1200 |
|
降雨使用次数 |
15 |
20 |
41 |
68 |
|
总调蓄水量 (m3) |
88340 |
117787 |
331020 |
531180 |
|
溢流次数 |
11 |
16 |
14 |
20 |
|
总溢流水量 (m3) |
819636 |
979760 |
1128870 |
1303695 |
|
溢流水量削减比例 |
% |
10.7% |
22.7% |
28.9% |
|
溢流COD削减比例 |
15.9% |
17.4% |
33.3% |
41.0% |
|
未使用次数及原因 |
0 |
1次，连续降雨 |
0 |
0 |
*注：配合世博会会期，2010年汛期从5月1日~10月31日，较往年提前二个月开始，延长一个月结束。
3.2 新昌平调蓄池
新昌平调蓄池继2009年强化运行管理以来，降雨期间尽可能多的使用调蓄池，一个降雨日中如果有多场次降雨发生，调蓄池就多次使用。2010全年使用次68次、溢流削减总量为531180 m3，溢流量削减比例28.9%，与2009年使用次数65次、调蓄总量543420、溢流量削减比例30.6%相当，仍然保持了较高水平的使用次数、溢流削减总量和削减比例等污染削减效能。同时，2010年新昌平调蓄池调蓄了更多的高浓度初期降雨径流，使得在调蓄总量略有增加的情况下，COD削减量达到创新高的201.9 t，超过2009年151 t水平高达33.7%。值得关注的是，新昌平非汛期COD削减量达到76.1 t，占到全年溢流COD削减量中的37.7%。
3.3 非汛期效能分析
从两个调蓄池全年和汛期使用情况分类统计的中不难发现(表2)，无论是成都路还是新昌平调蓄池，全年的溢流量减排比例和溢流污染减排比例均高于汛期，这一方面是由于在非汛期，由于降雨强度普遍不大，调蓄池运行效能反而更优排水系统，另一方面也说明了排水公司作为运行管理单位对雨水调蓄池的科学运行管理非常重视，在思想上和工作中已不区分汛期和非汛期，而是进入全年的常态化运行管理，通过及时、高效使用调蓄池，从而大大提高了调蓄池的污染减排效能。
4 调蓄池优化潜力分析
4.1 调蓄池运行潜力分析
4.1.1 进水模式
成都路调蓄池采用雨水泵泵排进水模式，具有进水速度快的优势，但设备故障率高。在2006~2009年的连续运行期间，每年都暴露出因设备故障导致无法正常进水问题，例如：2007年曾出现进水蝶阀严重漏水问题，2008年曾出现因电气仪表设备防腐等级低，导致的因设备故障引起的调蓄池无法进水使用的情况;2009年汛期曾经发生闸门故障，经过运行单位及时解决并加强日常养护工作后，2010年未出现因闸门等电器设备故障导致的调蓄池未使用现象，污染减排效能逐步稳定，但仍有设备腐蚀、老化等隐患，需加强对仪器设备的常态化维护管理，宜在适当的时候，对调蓄池作电器设备等硬件设施进行全面评估，制定适当的保养或更新改造计划。新昌平调蓄池采用是重力自流进水方式，节能环保，不存在调蓄池因闸门故障导致的非正常使用情况。重力自流进水模式避免了因设备故障导致的进水问题，同时节约了设备购置、维护、改造和运行等大量费用，符合节能环保理念。由于重力自流进水速度慢，在雨强较大情况下排水系统，存在调蓄池使用过程中的溢流现象，建议对超出调蓄池进水流量部分配置变频泵，以充分利用调蓄池容积。
4.1.2 放空模式
2010年成都路调蓄池出现了因连续降雨导致调蓄池未及时放空，从而导致调蓄池出现1次降雨溢流未使用现象，影响了调蓄池连续使用。如何应对连续强降雨现象，及时见缝插针地配合污水输送干线放空调蓄池，发挥调蓄池的连续调蓄潜力，值得下一步探讨。
4.2 容积设计标准分析
调蓄池容积设计方法或设计标准的选用直接影响调蓄池暴雨溢流削减量和削减率，成都路和新昌平调蓄池选用的VSR分别为20.15和44.21，这是导致2010年成都路和新昌平溢流污染削减率存在较大差异的主要原因范文。同时，设计方法和标准的确定又和降雨条件和服务系统用地类型关系密切。由于上海地区降雨条件与德国相比，存在较大差异：德国年均降雨量约为700~800 mm，且月均降雨量差别较小，单场降雨历时较长，降雨曲线与美国SCSⅠA型降雨曲线接近，属平均型降雨[7];而上海地区近30年来年均降雨量约1200.3 mm，且70%左右的雨量集中在4~9月的汛期，单场降雨历时较短，降雨曲线与SCSⅡ型降雨曲线接近，属于脉冲型降雨。因此在德国VSR取值20时，可削减约80%的溢流量。邻近德国的在意大利当VSR取值5~35时，服务面积0.096 km2的合流制排水系统调蓄池平均可削减85.0%~93.0%的暴雨溢流污水，另一服务面积0.40 km2的调蓄池对暴雨溢流的平均削减率达到88.0%~99.0%[3,7]。而在上海，选用式(1)德国调蓄池设计方法排水系统，目前运行数据显示，VSR分别取值20.15和44.21时，溢流量削减仅为10.7%和28.9%，溢流污染物削减为17.4%和41.0%。
目前上海中心城区运行的几座调蓄池建造的容积受土地稀缺影响，往往不能依据理论和实际的最优设计。在场地条件不受限制条件下，调蓄池的容积设计应以溢流污染削减率为目标。若要到达类似于德国设计调蓄池需达到80%的溢流污染削减目标，VSR的取值范围建议根据上海地区的降雨特征参照图3而定[11]。
注：上海地区0.5、1、2、3、5、10、20、30、50、100 a一遇暴雨设计重现期(从左至右依次对应每条曲线上的数据点)
图3 上海地区不同VSR的暴雨设计重现期(降雨量)与溢流污染物削减率关系
Fig.3 Relationship between different designstorm return period and stormwater overflow pollutanreduction rate at different VSR condition in Shanghai
5 结论与建议
① 雨水调蓄池是一类重要的控制城市暴雨溢流污染设施，2010年成都路和新昌平调蓄池分别削减10.7%和28.9%的暴雨溢流量，分别削减17.4%和41.0%暴雨溢流COD。
② 在既定服务面积、下垫面类型和降雨等边界条件下，调蓄池的设计方法、设计标准、进水模式和放空模式是调蓄池污染减排效应发挥的重要影响因素。
③ 建议依据雨水调蓄池服务区域的自然地理条件，以溢流污染物削减为目标，容积设计进一步优化，选用适当的容积设计标准充分发挥雨水调蓄池减排暴雨溢流污染的功能。
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