導讀:：通過對其2010年度污染減排效應的對比分析。上海率先建設和使用雨水調(diào)蓄池。合流制排水系統(tǒng)汛期溢流。服務系統(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)暴雨溢流污染的設施，在德國、美國和日本等發(fā)達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。目前對調(diào)蓄池污染減排效應的研究主要集中于工程設計之初的經(jīng)驗匡算[5]和數(shù)學模型模擬計算方面[6]，以及對單座調(diào)蓄池――成都路調(diào)蓄池環(huán)境效應的初步評估[7,8]，系統(tǒng)性的對比研究還未開展。本文選取蘇州河沿岸兩座不同容積設計方法、進水模式的調(diào)蓄池――成都路和新昌平雨水調(diào)蓄池，通過對其2010年度污染減排效應的對比分析，嘗試對調(diào)蓄池的設計建設和運行管理提供參考，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

雨水調(diào)蓄池名稱	成都路	新昌平
所在區(qū)縣	上海市靜安區(qū)	上海市靜安區(qū)
溢流受納水體	蘇州河	蘇州河
試運行年份	2006	2008
正式開始運行年份	2007	2009
服務系統(tǒng)名稱	成都路排水系統(tǒng)	新昌平排水系統(tǒng)
排水系統(tǒng)類型	合流制	合流制
排水系統(tǒng)服務面積 (km2)	3.06	3.77
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)蓄池設計容積 (m3)	7400	15000
進水模式	雨水泵泵排進水	重力自流進水
調(diào)蓄池進水配泵流量 (m3/s)	4.090	—
調(diào)蓄池進水配泵臺數(shù)	2	—

1.2 雨水調(diào)蓄池設計模式

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)會制定的《ATV128合流污水系統(tǒng)暴雨削減裝置設置指南》方法計算，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)服務面積306 hm2，設計徑流系數(shù)0.8，代入式(1)計算出的容積為：

，工程建設實際取V成都路=7400 m3，VSR實際為20.15。

所有設備均由成都路泵站PLC控制，運行方式分為：晴天模式、進水模式、滿池模式、放空模式和攪拌模式[7,8]。

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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)蓄池容積設計采用截流強度法計算[10,11]，根據(jù)單位時間截流污水量、截流時間來確定調(diào)蓄池的容積，公式如下[11]：

(2)

式中Q截――污水截流強度，m3/s，設計截流污水量為4.034 m3/s;

t――截流時長，min，設計截流時長為60 min。

按(2)計算的新昌平調(diào)蓄池容積為：

，工程建設實際取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。

所有設備均由新昌平泵站PLC控制，運行方式分為：晴天模式、進水模式、放空模式、和沖洗模式[10]。

1.3 水樣采集與分析

2010年汛期降雨時對成都路和新昌平排水系統(tǒng)進行了近10次管道出流水質(zhì)變化過程監(jiān)測。水樣采集點位于排水系統(tǒng)泵站集水井，人工手動采樣，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，未及時分析的水樣放入4℃的冰柜中保存。水質(zhì)分析指標包括：COD、NH4+-N、TP和SS等10項，采用文獻[12]方法分析。降雨與管道出流量數(shù)據(jù)由泵站自動化采集系統(tǒng)獲得，采集間隔為5min，系統(tǒng)自動記錄泵站各水泵的啟、閉時間，并根據(jù)各臺水泵的銘牌流量和運行時間計算出流量。

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年對調(diào)蓄池汛期合流污水水質(zhì)的多次連續(xù)跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及2006~2009年連續(xù)4年運行期間所積累的基礎(chǔ)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，進成都路調(diào)蓄池的降雨初期高濃度污水COD平均濃度高達到453 mg/L、超過排水系統(tǒng)設計排水標準的溢流污水COD平均濃度為259mg/L。進新昌平調(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)設計排水標準的溢流污水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 運行效能評價

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個和7.4個百分點，這主要是由于世博期間，調(diào)蓄池的運行管理進一步完善，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

Table 2Service data statistic ofChengdulu and Xinchangping stormwater detention tanks in 2010

統(tǒng)計內(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
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：配合世博會會期，2010年汛期從5月1日~10月31日，較往年提前二個月開始，延長一個月結(jié)束。

3.2 新昌平調(diào)蓄池

新昌平調(diào)蓄池繼2009年強化運行管理以來，降雨期間盡可能多的使用調(diào)蓄池，一個降雨日中如果有多場次降雨發(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，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，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削減量達到創(chuàng)新高的201.9 t，超過2009年151 t水平高達33.7%。值得關(guān)注的是，新昌平非汛期COD削減量達到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

從兩個調(diào)蓄池全年和汛期使用情況分類統(tǒng)計的中不難發(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，由于降雨強度普遍不大，調(diào)蓄池運行效能反而更優(yōu)排水系統(tǒng)，另一方面也說明了排水公司作為運行管理單位對雨水調(diào)蓄池的科學運行管理非常重視，在思想上和工作中已不區(qū)分汛期和非汛期，而是進入全年的常態(tài)化運行管理，通過及時、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)蓄池運行潛力分析

4.1.1 進水模式

成都路調(diào)蓄池采用雨水泵泵排進水模式，具有進水速度快的優(yōu)勢，但設備故障率高。在2006~2009年的連續(xù)運行期間，每年都暴露出因設備故障導致無法正常進水問題，例如：2007年曾出現(xiàn)進水蝶閥嚴重漏水問題，2008年曾出現(xiàn)因電氣儀表設備防腐等級低，導致的因設備故障引起的調(diào)蓄池無法進水使用的情況;2009年汛期曾經(jīng)發(fā)生閘門故障，經(jīng)過運行單位及時解決并加強日常養(yǎng)護工作后，2010年未出現(xiàn)因閘門等電器設備故障導致的調(diào)蓄池未使用現(xiàn)象，污染減排效能逐步穩(wěn)定，但仍有設備腐蝕、老化等隱患，需加強對儀器設備的常態(tài)化維護管理，宜在適當?shù)臅r候，對調(diào)蓄池作電器設備等硬件設施進行全面評估，制定適當?shù)谋ｐB(yǎng)或更新改造計劃。新昌平調(diào)蓄池采用是重力自流進水方式，節(jié)能環(huán)保，不存在調(diào)蓄池因閘門故障導致的非正常使用情況。重力自流進水模式避免了因設備故障導致的進水問題，同時節(jié)約了設備購置、維護、改造和運行等大量費用，符合節(jié)能環(huán)保理念。由于重力自流進水速度慢，在雨強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，建議對超出調(diào)蓄池進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)降雨導致調(diào)蓄池未及時放空，從而導致調(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。如何應對連續(xù)強降雨現(xiàn)象，及時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 容積設計標準分析

調(diào)蓄池容積設計方法或設計標準的選用直接影響調(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，設計方法和標準的確定又和降雨條件和服務系統(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，單場降雨歷時較長，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，單場降雨歷時較短，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，可削減約80%的溢流量。鄰近德國的在意大利當VSR取值5~35時，服務面積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，另一服務面積0.40 km2的調(diào)蓄池對暴雨溢流的平均削減率達到88.0%~99.0%[3,7]。而在上海，選用式(1)德國調(diào)蓄池設計方法排水系統(tǒng)，目前運行數(shù)據(jù)顯示，VSR分別取值20.15和44.21時，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)理論和實際的最優(yōu)設計。在場地條件不受限制條件下，調(diào)蓄池的容積設計應以溢流污染削減率為目標。若要到達類似于德國設計調(diào)蓄池需達到80%的溢流污染削減目標，VSR的取值范圍建議根據(jù)上海地區(qū)的降雨特征參照圖3而定[11]。

注：上海地區(qū)0.5、1、2、3、5、10、20、30、50、100 a一遇暴雨設計重現(xiàn)期(從左至右依次對應每條曲線上的數(shù)據(jù)點)

圖3 上海地區(qū)不同VSR的暴雨設計重現(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 在既定服務面積、下墊面類型和降雨等邊界條件下，調(diào)蓄池的設計方法、設計標準、進水模式和放空模式是調(diào)蓄池污染減排效應發(fā)揮的重要影響因素。

③ 建議依據(jù)雨水調(diào)蓄池服務區(qū)域的自然地理條件，以溢流污染物削減為目標，容積設計進一步優(yōu)化，選用適當?shù)娜莘e設計標準充分發(fā)揮雨水調(diào)蓄池減排暴雨溢流污染的功能。

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