天津市初期雨水污染控制方案初探

天津市初期雨水污染控制方案初探李彦伟1，尤学一1，季民1，王秀朵2，赵乐军2天津大学环境科学与工程学院，天津3000722.天津市市政工程设计研究院，天津300051）摘要：根据天津市降雨径流实测资料及经验系数构建了基于SWMM(StormWaterManagementModel)的天津市赤龙河泵站服务区的非点源污染负荷计算模型。分析了不同降雨强度下污染物的冲刷情况，提出了通过蓄水池进行管网末端截流、分散截流、区域内部截流的初期雨水污染控制措施。结果显示，通过这些工程措施不仅达到了控制初期雨水污染水体的目的，还提高了排水系统的服务标准，减少了溢流。进一步分析了城市绿化对于截流雨水径流污染物的影响，为城市水体污染控制与治理提供了技术支持，具有理论指导意义。关键词：排水系统；SWMM；蓄水池；初期雨水；污染物1.引言水资源危机已经成为世界上一个十分尖锐的社会问题，不仅表现在水资源量的不足，更反映在水质的污染和恶化。随着城市化进程的加快，不透水地面面积迅速增加，对地表水文产生了深刻的影响，在雨季特别是暴雨时期，降水在不透水地面上迅速转化为径流，冲刷和携带大量污染物进入水体，形成典型的非点源污染，成为城市受纳水体水质下降的重要因素[1]。因此，研究城市降雨径流污染特点,为水体污染控制和治理提供科学依据,是一件十分紧迫和必要的事情。欧美等发达国家早在20世纪七八十年代就已经将水环境保护的注意力投向城市雨水径流等非点源污染领域。德国在20世纪70年代就开始对合流制溢流的调蓄展开研究，并且广泛研究。美国也在20世纪70年达开始对雨水径流污染和合流制溢流污染进行研究。美国环保局（EPA）提出了“雨水的最优化管理方法”（BMPs）,目标是从源头开始控制径流水量及其污染负荷，通过工程措施与管理相结合的方法，降低初期雨水的污染，减少系统改建的投资费用。我国初期雨水的治理研究起步较晚，上海等城市在20世纪80年代中期才开始对初期雨水污染进行研究。徐贵泉[2]等人提出通过建立调蓄池来控制溢流污染对苏州河水质的影响。邓志光[3]等提出从源头减量、收集调蓄处理、加强维护管理三方面治理初期雨水污染物。目前国内的研究也仅限于合流制区域，而分流制区域的初期雨水同样携带大量的污染物，直接排放对水体造成了严重污染。因此，本研究选取天津市改造后的分流制区域，试图找到控制天津市初期雨水污染的措施。2.天津市初期雨水径流污染特性及其收集处理的必要性天津作为中国4大直辖市之一，随着城市的发展，对环境的要求也日益提高。为完成2003年天津市启动的“海河两岸综合开发改造工程”的专项规划，对部分整体拆建改造的旧区如老城厢、南市等地区的合流管网进行了分流改造，废除了两座合流泵站，封堵了12座合流排水出口，新建、改建了3座雨水泵站，配套建设了56公里的雨、污水管道。虽取得了一定的成绩，但是随着道路、桥梁、建筑物等不可渗透表面比例的增长，雨水径流污染愈加严重。沥青油毡屋面、沥青混凝土道路、融雪剂、农药等的使用均使径流雨水中含有大量有机物、病原体、油等污染物。尤其是污染最严重的初期雨水，径流中所携带污染物几乎都集中在初期几毫米雨水中，其污染负荷远高于中后期雨水，这部分径流的直接排放，给地表水造成了巨大污染。表1和表2分别为天津市南开区2009年6、7月降雨径流的检测结果[4]。基金项目：水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07314-004）表12009年天津市南开区降雨径流调查表[4]（单位:mg/L）功能区污染因子商业区居民区文教区地表水V类标准0-30min平均0-30min平均0-30min平均CODcr110-226652432-3354038-23010440SS82-194674728-94829686-532198-BOD561-23615283-18104-281710总氮1.6-5.74.02.2-11.821.5-9.45.22Cr6+0.114-0.2160.1140.004-0.4070.10.005-0.1890.1220.1铅0.001-0.1280.0560.016-0.1380.10.018-0.1980.0900.1表2六月份降雨径流对卫津河水质的影响[4]（单位:mg/L）检测时间污染因子雨前背景值雨后实测值溶解氧8.30.43化学需氧量5098BOD5169.27氨氮0.190.29总磷1.35-总氮8.087.23粪大肠菌群7.00E+042.60E+05注：表1中-表示为规定，表2中表示未监测到。分析以上数据，天津市南开区的初期雨水中COD的污染程度是国家地表水环境V类标准的3～13倍，BOD为7～53倍，其污染程度相当惊人。降雨结束后，虽然氨氮、总氮的指标由于水的稀释作用有所下降，但是CODcr、氨氮、粪大肠菌群等水质指标值都有明显的增加，并且溶解氧急剧下降。总体来说，降雨径流对卫津河受纳水体的水质还是有较大影响的。综上，说明对城市初期地表径流进行处理是十分必要的。3．案例概况与模型建立3.1案例概况选取天津市南开区赤龙河泵站服务区为研究对象，该区域面积为114公顷，地面标高在3米左右，管道的最小埋深为1.5m。地面多为沥青地面，建筑物多为商业区和住宅区，各汇水区的不透水面积率为70%—90%；排水体制为由合流制改造成的分流制，共有雨水干管21条，总长4800余米。雨水汇流至城市雨水管网中，流向区域排水口O（见图1），然后排至河流。区域和管网的概化图分别见图1和图2。图1区域概化模型图2管网概化图3.2模型建立根据目前研究区域内受纳水体较为受关注的水质指标，本研究选择径流冲刷地表污染物产生的主要污染因子——TSS、COD、TN、TP四个指标进行模拟。汇水区模型通过ArcGIS建立，过程如下：管网概化——生成DEM图——汇水区划分——导入到SWMM中，如图1、2所示。地表污染物累积模型，借鉴国外模拟[5]经验,采用饱和函数模型模拟，该模型能较好的反映地表污染物累积情况以及最大累积量，适合模拟城市地区地表污染物累积量。借鉴美国芝加哥[6]和中国长沙[7]对城市内各个功能区的地表累积物负荷试验研究成果，确定本研究中的污染物累积参数，见表3。径流冲刷模型，采用指数函数模型，相关参数根据天津市对2009年6、7月份的降雨径流资料[4]，利用SWMM中的指数函数[8]确定，见表4。街道清扫模型，借鉴郭琳的研究成果[7]以及实地调查，街道清扫频率采用一天一次，地表累积物去除效率采用70%。计算中渗透采用Horton模型，最大入渗率、最小渗透率和入渗递减率分别取天津的粘土、亚粘土实验结果，为76.2mm/h、3.81mm/h和0.0006/hr[8-9]；模拟过程采用动力波法进行流量计算；降雨历时采用2小时，时间步长为1min。表3不同土地利用地表的污染物累积参数[7]污染因子地面状况TSSCODTNTP交通道路最大累积量(kg/ha)27017060.2半饱和累计时间(d)10101010屋面最大累积量(kg/ha)1408040.2半饱和累计时间(d)10101010绿地最大累积量(kg/ha)6040100.6半饱和累计时间(d)10101010表4不同土地利用地表污染因子的冲刷系数污染因子地面状况TSSCODTNTP道路冲刷系数0.0410.030.0110.0092冲刷指数0.580.580.580.58屋面冲刷系数0.0450.0210.010.0085冲刷指数0.720.721.121.12绿地冲刷系数0.7070.2450.0050.0042冲刷指数1.121.120.720.724．初期雨水径流污染考虑暴雨重现期为0.5a、1a、2a、5a分别模拟区域的径流情况。结果显示，排水口径流雨水污染物浓度随径流时间逐渐减小，经过初期时段后，浓度趋于稳定。初期时段的长短不仅与降雨强度的大小，地面污染程度有关，还与雨前干旱时间及管网的维护状况有关。关于初期时段的界定，无统一的标准，主要通过出口雨水的污染物浓度来确定。图3重现期1年时，排水口TSS图3重现期1年时，排水口TSS和COD浓度随时间的变化图4重现期1年时，排水口TN和TP浓度随时间的变化由图3、4得知，在一年一遇降雨强度下，当降雨历时达到35分钟时，出口的COD、TN、TP浓度分别降低至40mg/l、1.99mg/l、0.08mg/l，根据中华人民共和国国家标准（GB3838-2002）天津市河流允许的排放标准（V类）为：COD、TN、TP的浓度分别为40mg/l、2mg/l、0.4mg/l，即将降雨开始35分钟内的初期雨水截流，即可满足河流水的排放标准。5.初期雨水污染控制由于初期雨水污染与点源污染相比具有：随机性、广泛性、复杂性、时空性等特点[10]。目前比较公认的治理初期雨水的思路是美国BMPs：目标是从源头开始控制径流水量及污染负荷，通过减少不透水下垫面面积、增加渗透设施、滞留、截留调节池、湿地与渗透性铺面等措施，降低初期雨水的污染，缓解暴雨积水。本研究主要考虑通过蓄水池实现截流——末端截流、分散截流、区域截流，以及增加绿化的工程措施。5.1末端截流的措施蓄水池的容积计算，目前国内尚无统一的标准，国际上常用的计算方法主要有两种[11]：1.德国计算方法：蓄水池容积（V）=1.5×Vsr×Au（其中Vsr指每公顷面积需调蓄水量，Au指固化面积），如以此法计算，本研究中的蓄水池容积应为2800m3；2.日本的计算方法:V=截流面积×5mm（(即100ha泄水面积建1座5000m3的蓄水池)），如以此法计算，蓄水池容积应为5700m3。为了适合天津市的实际情况，本研究中蓄水池的容积以污染物浓度的变化确定，以截流35分钟内初期雨水为标准，设计蓄水池的容积为3800m3,将初期雨水截流，待降雨结束后通过截流管送入污水处理厂进行处理。由图5可以看出,在0.5、1、2、5年一遇降雨强度下，污染物浓度达到允许的排放标准（V类）所需要的时间分别为：43、35、30、26分钟，而所设计蓄水池蓄满所需要的时间分别为：42、35、32、28分钟。表明，随着降雨强度的增大，冲刷强度增大，污染物浓度衰减加快，蓄水池能够实现将所有超标初期雨水全部截流的功能。图6为不同降雨强度下，蓄水池对污染物的截留作用。图5蓄水池蓄满时间与需要截流时间图6不同降雨强度下蓄水池截留污染物比例结果显示，随着重现期的增大，冲刷到排水口的污染物总量成增大趋势，但由图5看出，蓄水池截留污染物的比例呈下降趋势，这是由于降雨强度增大，溢流加剧，部分污染物溢流，所以截留比下降。2年、5年重现期时部分检查井存在溢流现象，拟考虑通过分散截流的方式解决这一问题。5.2分散截流增设蓄水池时，由于水泵的抽吸作用，能够缓解蓄水池周围检查井的溢流状况，但是对于较远区域的溢流状况缓解作用不明显。在五年一遇时，部分区域的溢流仍十分严重，部分初期雨水溢流，不仅造成污染，还影响居民的生活和出行，相关节点溢流情况见表5。表5五年一遇时部分节点溢流情况节点重现期J7J10J24总溢流时间/h总溢流流量/m3总溢流时间/h总溢流流量/m3总溢流时间/h总溢流流量/m35a1.7164771.7637091.832615拟考虑分散布置蓄水池，将节点7、10、24分别概化成4500m3、5100m3、2170m3的蓄水池，待管网有足够的排水能力时再将雨水送入管网，用于缓解节点7、10和24周围的溢流状况。结果显示，节点7、10、24及其周围区域的溢流状况基本上得到了缓解，重现期为5年和10年时，系统的总溢量分别由14834m3减少至209m3，由24228m3减小至8092m3。不同降雨强度下，概化蓄水池前后系统溢流污染物情况见表6。由于蓄水池暂时存储的雨水所含污染物浓度不是很高，再加上管网中低浓度雨水的稀释作用，所以蓄水池暂时存储的雨水送入管网时，虽然污染物浓度会有小幅度的增大，但仍低于国家地表水V类水的排放标准，如图7所示，最后污染物浓度增幅更大是由于管网中沉积的淤泥排出的作用。TSS、TN、TP的变化过程线与COD的趋势相同。图7五年一遇时排水口COD浓度随时间变化表6概化蓄水池前后系统溢流污染物量的变化情况（单位：kg）污染物重现期TSSCODTNTP概化前概化后概化前概化后概化前概化后概化前概化后1a14.406.200.600.0302a213.00.0496.60.024.900.2005a588.38.2278.03.512.60.20.600.0110a867.8257.8416.81224.518.75.60.900.30由上表看出，在分散布置蓄水池时，减小系统的溢流量，提高排水区域的服务标准的同时；减小了溢流的污染物量，降低了污染。5.3功能区域截流由于不同功能区的土地使用情况不同，其污染程度不同，径流冲刷特点也就不同。现对典型区域的径流冲刷污染物量进行分析，选择三种有代表性的土地利用类型：商业区、居民区、公园，分别与图1中的汇水区8、14、27对应，其不透水面积率分别90%、70%、30%。表7不同功能区单位面积径流冲刷污染物（单位:kg/ha）功能区污染因子1年一遇2小时降雨商业区居民区公园TSS36.8530.5115.58COD18.3515.527.12TN0.770.650.36TP0.0360.0290.018分析上表,商业区单位面积土地径流冲刷各污染物总量分别是居民区的1.18-1.24倍，是公园的2.00-2.58倍；说明公园的产污能力明显低于商业区和居民区，主要原因有两个:（1）透水下垫面与不透水下垫面的比例大；（2）绿地对污染物的固定作用。因此，降雨径流冲刷入河的非点源污染物主要来自商业区和居民区。由于管网末端截流初期雨水时，截流了所有功能区的来流雨水，考虑到公园、文教区等污染较轻区域的初期雨水污染较轻，可以不进行截流，只将商业区、居民区等污染严重的初期雨水和地表冲洗水进行截流而后处理。此方案是有针对性的截流，不仅达到了保护受纳水体的目的，而且减小了截留量，降低了建造蓄水池的造价。5.4增加绿化从5.3节研究结果可知，透水面积所占比例对不同功能区的非点源污染物负荷的影响较大。现研究整个赤龙河泵站服务区的非点源污染负荷受绿化面积的影响程度。假设研究区域内各个子汇水区的绿化面积分别增加5%和10%，为了简化计算，分别将屋面面积和道路面积都减小2.5%和5%。在1年一遇2小时降雨条件下，三种不同地表状况产污总量对比情况见表9。表8不同地表状况的径流污染物总量对比污染因子土地类型原来状况增加5%绿化增加10%绿化TSS410338393575COD243022692108TN94.793.792.6TP3.93.83.7从上表可知，增加绿化面积能够有效地减小径流污染物总量。这是由于增加绿化面积使透水与不透水下垫面的比例增大，滞蓄量相对增大，径流减小；同时，绿地对径流的形成起到延缓和固定地表累积物作用，也拦截了随径流产生的污染物。因此，增大绿化面积能有效降低污染物的浓度，达到保护受纳水体水质的目的，是减少城市非点源污染的有效措施。6.结论与不足（1）基于天津市降雨径流的实测资料以及经验系数建立了基于SWMM的天津市赤龙河泵站服务区的非点源污染负荷计算模型，为解决天津市径流污染提供了技术支持。（2）分析天津市降雨径流的特点，提出了控制初期雨水径流污染的工程措施：管网末端截流、分散截流、区域内部截流、增加绿化。其中在管网末端建立3800m3的蓄水池，在一年一遇雨情下，能够实现将所有超标雨水全部收集的功能；分散建立蓄水池不仅能够收集溢流污染物，而且达到了缓解暴雨积水的目的，提高了现有排水系统的服务标准；区域内部截流不仅实现了截流高污染径流雨水的目的，同时减小了末端蓄水池容积，减低了工程造价；而增大绿化的措施不仅能够截留径流污染物，同时具有美化市容的功能。（3）由于缺乏相关工程参数，没有对末端截流和分散截流进行经济可行性比较，没有进行污水厂收集处理截流初期雨水的可行性研究，这是下一步研究工作的重点。参考文献：[1]汪慧贞，李宪法.北京城区雨水径流的污染及控制[J].城市环境与城市生态，2002，15(2)：16-18．[2]徐贵泉，陈长太,林卫青等.初期雨水调蓄池控制溢流污染研究[J].中国给水排水,2006，22：18-21.[3]邓志光,吴宗义,蒋卫列.城市初期雨水的处理技术路线初探[J].中国给水排水,2009,25（10）:11-14.[4]南开大学水专项课题组.北方大