初期雨水截留池容积计算的优化方案

初期雨水截留池容积计算的优化方案

由于沉积物含量高，原雨已成为城市水源污染的主要组成部分。如果将此雨排除，则可以大大减少水中的污染物，随后的雨水可以直接利用。近年来,很多学者开始研究使用初期雨水截留池来减轻初期雨水对受纳水体造成的污染。而建造初期雨水截留池,关键是要确定其容积,即必须知道所截留的初期雨水量。对于初期雨水,学术界还没有明确统一的界限。有的资料认为是一场降雨的前是6～8mm,也有的认为是前3min或5min降雨。因此,笔者撇开初期雨水概念的争论,从截污效果来研究初期雨水截留池的容积问题。1计算方法的确定由于本文考虑以截污效果来研究初期雨水截留池,因此该截留池宜建设在雨水管网末端,对雨水管网计算无影响,所以在管网计算中不予考虑。本文借鉴国内外其他学者的研究成果,首先对暴雨强度公式进行时程分配,地表产流采用混合区超渗产流模型计算方法,地表汇流计算采用非线性水库法,雨水管道汇流过程采用马斯京根法进行流量过程演算。污染物质的地表冲刷过程采用一阶负荷模型,污染物质的管网输运过程采用对流扩散法进行模拟,通过以上计算后,可得到雨水管网进出口的水质过程线。2原雨水池体积计算2.1期雨水截留池容积在雨水管网主干管的末端设置截留池后,一方面要使初期雨水的面源污染对受纳水体造成的污染最小,即初期雨水截留池截留的污染物质的量尽可能大。另一方面,从经济因素和实际工程考虑,要求截流池的容积应尽可能小。另外,在计算初期雨水截流池容积时,其容积一方面用来截留初期雨水,以减轻初期雨水对天然水体的污染,另一方面可用于减小泵站的规模。因此,本文所设计的初期雨水截留池的工作原理如图1所示。2.2截流池的设计结果根据初期雨水截留池的运行情况,截留池出水存在自排与强排两种方案。当出水为泵吸式强排时,则截流池内累积污染物质的量为:W=∫t0QiCidt(1)W=∫0tQiCidt(1)当出水为重力自排时,则截流池内累积污染物质的量为:W=∫t0(QiCi−Q0C0)dt(2)W=∫0t(QiCi-Q0C0)dt(2)式中:W为截流池累积污染物质的量,mg;Qi为i时刻进入截流池的雨水管流量,L/s;Q0为流出截流池的雨水管流量,L/s;Ci为i时刻进入截流池的污染物浓度,mg/L;C0为流出截流池的污染物浓度,mg/L;t为截流时间,s。分析泵吸强排式初期雨水截留池的污染物累积过程可知,其污染物累积过程线如图2所示。截流池的设计目的是希望收集尽量多的污染物量,因此,当集流时间t等于降雨历时时,W才趋于Wmax。但此时,截流池容积也趋于最大,这对于建造截流池来说,是不经济的。通过观察W曲线可以发现,开始时,曲线上升速度很快,但到某一时刻时,开始趋于平缓,因此本文考虑W的变化速度:对于泵吸强排式截流池,式(1)两边对t求导得:dWdt=QiCi(3)dWdt=QiCi(3)对于重力自排式截流池,式(2)两边对t求导得:dWdt=QiCi−Q0C0(4)dWdt=QiCi-Q0C0(4)此时,重力自排式截流池,其出流流量与调节池内的水位和出流管径有关,计算公式如式(5)。Q0=μ0A2gh−−−√(5)Q0=μ0A2gh(5)式中:μ0为管系流量系数;A为过水断面面积;h为截流池内水深。截流池出流管管径可参考表1进行选择。2.3截流池容积计算本文考虑取dW/dt由大变小趋近于0时为截流池容积的最优时刻进行截流池容积计算。通过式(3)、(4)可计算出截留时间t,此时,泵吸强排式截流池容积可按式(6)进行计算:V=∫t0Qidt1000(6)V=∫0tQidt1000(6)式中:V为调节池体积,m3。本文对重力自排截流池容积暂不进行计算。3排水泵站设计及结果分析根据以上的计算方法,以武汉市黄陂前川城区北部组团的雨水管网作为实例工程,进行泵吸强排式初期雨水截流池的容积计算。该区雨水管网布置见图3。该区暴雨强度公式采用汉口暴雨强度公式。公式为:q=885[1+1.58lg(P+0.06)](t+6.37)0.604(7)q=885[1+1.58lg(Ρ+0.06)](t+6.37)0.604(7)式中:q为设计暴雨强度,L/(s·hm-2);P为设计重现期,a;t为径流时间,min。该工程在原设计中选择重现期为1a,地面径流时间10min,综合径流系数0.65,未考虑设置初期雨水截留池。由于北部组团排水泵站下游1.5km处为该城区的自来水厂,因此,采用雨污分流的分流制排水系统后,只解决了污水对下游水体的污染,初期雨水造成的污染则未考虑。同时,原工程中设计的排水泵站规模为29.3m3/s,泵站规模相当大,但利用率却不高。因此,本文根据上述模拟计算的管网流量过程线与水质过程线,在管网末端设置初期雨水截流池,并对其容积进行模拟计算。末端管段33出口水质过程线及流量过程线如图4与图5与示。截留池截留时间求解结果如图6。从图中可看出截留初期雨水的时间为150min,所截留的污染物质的量为689.5kg,占总污染物量的99.87%。初期雨水截留池容积计算结果如图7所示。从图7可以看出所截留的雨水的量。此时,初期雨水截留池容积为1659.55m3,雨水泵站的规模为4.59m3/s。与原工程中设计的雨水泵站规模相比,规模减小了将近85%。这样一方面可以减小雨水泵站的投资,同时可以大大节约泵站的运行费用。4能降低水土流失,降低运行费用以截污效果来确定初期雨水截留池容积的方法,与一般的通过降雨时间或降雨深度来确认初期雨水相比,一方面可以截留大部分的污染雨水,