基于數值模擬的雨水泵站放江污染控制研究

張 惠，黃志金，張慶民

(1上海市排水管理事務中心，上海 200001；2上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201707； 3 上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200061)

前 言

雨水泵站放江污染是近幾十年來世界各國城市水環境治理面臨的現實難題，泵站放江污染已凸顯為影響上海中心城區河道水質穩定的主要瓶頸之一[1-2]。泵站放江污染的原因是錯綜復雜的，需要考慮降雨、雨水徑流面源污染、排水系統管網狀況、泵站運行管理等諸多因素，同時還涉及到合流制管網溢流污染、分流制管網雨污混接、管道沉積物沖刷污染、管道積存水等眾多因素，僅從泵站放江水質角度無法有效地研究分析出排水系統泵站放江污染問題癥結所在[3-4]。歐美等發達國家自20世紀60年代起就對排水系統雨天溢流對水體污染進行了大量研究，包括借助數?？茖W研究溢流量、溢流頻次、調蓄池建設規模等；各個國家針對各自的不同情況，制訂了相應的控制措施、政策并應用到實際工程中，取得了顯著的效果。國內目前全面系統開展泵站放江污染削減研究的較少，在該領域也缺乏相應的工程建設經驗和規范。

本文通過建立水動力-水質模型，采用數值模擬方法對上海市某雨水排水系統的排水過程進行研究，探討了提升截流能力、雨污混接改造和增加調蓄池等工程措施對泵站放江污染的改善效果。這種采用數值模型模擬評估泵站放江污染控制措施效果的研究方法，一方面使工程效果被量化后更加直觀、現實，另一方面基于數學原理的數值模型可以更理性科學地認識泵站放江水質過程的成因，對于泵站放江的日常運行管理和政府部門決策制定泵站放江控制措施具有很好的指導作用，同時也為類似項目的設計和實施提供案例參考。

1 材料與方法

1.1 排水系統概況

選取位于上海市中心城區的田林泵站所在的漕河涇排水系統作為研究對象，見圖1。漕河涇排水系統為已建分流制系統，雨水管道建設于20世紀80年代，系統內管道較完整，無積水點。服務范圍為東起蒲匯塘，西至上澳塘，南起漕河涇港，北迄蒲匯塘，總服務面積4.56km2，田林泵站位于系統東側，靠近蒲匯塘?，F有雨水管道均已按規劃要求建設，按照暴雨重現期1年一遇標準，管道達標率為100%。雨水管道管徑為DN450～DN2400，管道總長20.845km，其中DN1000以上總長13.365km，占比約64.11%。

圖1 研究范圍及田林泵站位置示意圖Fig.1 Study area and location diagram of Tianlin pumping station

1.2 數值模型建立

管網數值模型是一種研究管網調度、分析城市內澇及治理方案的普遍工具。Mike urban的排水模型廣泛應用于城市排水與防洪，分流制管網的入流、滲流，合流制管網的溢流，受水影響，在線模型，管流、水質監控等。借助Mike urban軟件搭建地表徑流與管網水動力-水質模型，見圖2，結合管道實測水位數據和相關文獻研究成果[5～8]對模型參數進行率定。

圖2 管網模型Fig.2 Pipe network model

水位率定結果與3次現場實測數據基本符合，雨水泵停止后模擬水位與實測水位趨勢一致。地表徑流水質參數選用SS、COD、TN和TP作為研究對象，具體參數見表1。 模型中管網內的水質數據采用泵站前池的場次平均濃度來代替，其中SS、COD、TP分別為40mg/L、45mg/L、0.3mg/L；另外，TN采用場次平均濃度(EMC)3mg/L[9]。

表1 累積、沖刷指數參數[5-6]Tab.1 Accumulation and erosion index parameters

采用芝加哥120min雨型作為設計雨型，雨峰位置系數r=0.405，結合暴雨強度公式計算得到相應設計雨型[10]?；诜姥窗踩谝豢紤]，設計雨型以1年一遇降雨為上限。由此，分別選取現狀降低管道內水位到0m的最大不放江總雨量17mm、雨污混接改造全部實施完成后管道內為非滿管時最大不放江雨量25mm和增設調蓄池后最大不放江雨量33mm四種雨型作為設計雨型，用于研究不同措施對泵站污染物削減的影響。其中，17mm、25mm、33mm和1年一遇4種雨型最大降雨強度分別為0.85、1.24、1.65和2.37mm/min。

2 放江量及污染物削減效果分析

2.1 不同雨型條件下放江量分析

根據2020年9月實測水位數據，系統內部管道日常處于滿管狀態，設定管道內水位為1m。采用SWMM中地表徑流污染物指數型計算方式進行計算，可以看出地表污染濃度受降雨強度的影響，變化趨勢與設計雨型相似，四種雨型條件下，各污染物的最大濃度見表2。

表2 各雨型時最大污染物濃度Tab.2 Maximum pollutant concentration of each rain type (mg/L)

圖3 地表徑流、泵站前池污染物濃度變化過程Fig.3 Change process of pollutant concentrations in surface runoff and pumping station forebay

從圖3可看出，相對17mm雨型，25mm雨型時地表徑流污染物SS、COD、TN、TP的最大濃度分別增加了8%、8%、46%、36%；33mm雨型時分別增加了16%、16%、107%、86%；1年一遇雨型時分別增加了20%、20%、146%、103%。

經模型試算，泵站最大不放江雨量為12mm。泵站前池水體是由排水系統管道沉積物、地表徑流、混接污水、地下滲水等各種水體混合而來，由于井點到前池距離的差異導致混合過程存在時間差，最終形成了前池水質達到最大后一定時間內保持穩定的變化過程。各不同雨型條件下，田林泵站放江量計算結果見表3。

表3 現狀排水系統不同雨型時放江量對比Tab.3 Comparison of river discharge under different rain patterns in the current drainage system

圖4 現狀污染物放江量Fig.4 Discharge amount of current pollutants

從圖4可看出，污染物放江量與泵站運行時間密切相關，放江量的變化直接由泵站運行規模決定。17mm、25mm、33mm和1年一遇雨型的放江時間分別為1.92h、2.33h、3.25h、4.17h，污染物SS放江量峰值分別為260.82g/s、376.72g/s、577.64g/s、650.2g/s，污染物COD放江量峰值分別為298.46g/s、438.19g/s、723.72g/s、804.65g/s，污染物TN放江量峰值分別為19.39g/s、29.78g/s、67.76g/s、82.69g/s，污染物TP放江量峰值分別為1.96g/s、3.00g/s、6.52g/s、7.72g/s。放江量的大小與降雨強度成正比，雨量越大放江量峰值和放江歷時也會越大。

2.2 提升截流能力對污染物削減效果分析

田林泵站日常水位維持在1m的滿管狀態，雨污混接及其他入流導致系統的設計截流能力對雨水截流作用很小。因此，設計提升日常截流規模，控制管道內部日常水位到0m，經計算，系統所能承受的最大不放江雨量為17mm，具體計算結果見表4。從污染物放江總量上看，降低管道日常水位1m，可以減小放江水量6%～17%，尤其對于雨量較小且降雨強度不高的雨型，截流效果比較好，污染物總量削減多。

表4 提升截流能力后放江量計算結果Tab.4 Results of river discharge after improvement of interception capacity

圖5 25mm、33mm、一年一遇雨型時放江量變化過程對比Fig.5 Comparison of variation process of river discharge at 25 mm，33 mm and once a year rain type

從圖5可看出，提升截流能力，降低管網內水位到0m后，25mm雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分別為291.9g/s、342.5g/s、24.02g/s、2.42g/s，相對于現狀減小22%、22%、19%、19%，放江歷時為2.17h，相對于現狀縮短了7%；33mm雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分別為584.79g/s、728.49g/s、67.33g/s、6.48g/s，相對于現狀增長1%、1%、-1%、-1%，放江歷時為3.08h，相對于現狀縮短了5%；1年一遇雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分別為699.63g/s、888.69g/s、96.15g/s、8.96g/s，相對于現狀增長8%、10%、16%、16%，放江歷時為4h，相對于現狀縮短了4%。所以，降雨越集中、雨量越大，工程措施的污染物削減效果相對越差。

2.3 雨污混接改造對污染物削減效果分析

鑒于系統內存在多個雨污混接點，混接總入流量約0.18m3/s，且管道日常處于滿管狀態?？紤]雨污混接改造完成后，理想狀態下管道內日常處于放空狀態，則放江量計算結果見表5。從污染物放江總量上看，雨污混接改造完全實施后，可使污染物的放江量削減達到21%～28%，進一步提高了不放江雨量的上限。

表5 雨污改造后放江量計算結果Tab.5 Results of river discharge after rainwater and sewage reconstruction

圖6 33mm、1年一遇雨型時放江量變化過程對比Fig.6 Comparison of variation process of river discharge at 33mm and once a year rain patterns

從圖6可看出，雨污混接改造完成后管道內處于放空狀態時，33mm雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分別為625.76g/s、795.34g/s、73.47g/s、7.07g/s，相對于現狀增長了8%、10%、8%、8%，放江歷時為2.5h，相對于現狀縮短了23%；1年一遇雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分別為729.86g/s、927.66g/s、100.48g/s、9.3g/s，相對于現狀增長了7%、8%、8%、7%，放江歷時為3.42h，相對于現狀縮短了18%。所以，管道放空狀態下，污染物放江量的峰值略有上升，但放江時間大幅減小，放江量削減約20%。

2.4 新建調蓄池對污染物削減效果分析

參考程江[11]等人對于調蓄池削污效應的研究成果，基于上海地區的降雨條件，上海雨水調蓄池要達到80%的溢流污染物削減率的容積應滿足約100m3/hm2的控制標準。漕河涇排水系統面積為4.56km2，因此假定系統內部新建調蓄池容積為45600m3，則雨水泵站放江量計算結果見表6。從污染物放江總量上看，新建調蓄池可使污染物放江量削減達到45%～49%，與牟晉銘[12]的研究結果接近，但是與設計標準80%的要求仍存在一定差距。主要原因在于管道前池中的污染物濃度變化沒有表現出初雨效應，污染物濃度變化幅度較小，導致削減率低于設計標準。

表6 新建調蓄池后放江量結果Tab.6 Results of river discharge after building a storage tank

圖7 1年一遇雨型放江率變化過程對比Fig.7 Comparison of variation process of river discharge rate of once a year rain pattern

從圖7可看出，新建調蓄池后，污染物的放江率峰值和放江歷時明顯減小。其中，1年一遇雨型中SS、COD、TN、TP的峰值分別為547.42g/s、693.69g/s、71.17g/s、6.68g/s，相對于現狀減小了16%、14%、14%、14%，放江歷時為2.75h，相對于現狀縮短了34%。

3 結 論

選取田林泵站作為典型排水系統泵站的研究對象，通過借助Mike urban軟件搭建水動力-水質模型，探討了提升截流能力、雨污混接改造和新建調蓄池等工程措施對泵站放江污染的改善效果。

(1)通過提升截流能力，降低管道運行水位，25mm至1年一遇降雨時放江水量減小6%～17%，尤其對于雨量較小且降雨強度不高的雨型，截流效果較好，污染物總量削減多。

(2)完全實施雨污混接改造后，可將泵站不放江雨量上限從12mm提升至25mm，33mm至1年一遇降雨下污染物的放江量削減達21%～28%。

(3)從污染物放江總量上看，新建調蓄池可將泵站不放江雨量上限從12mm提升至33mm，1年一遇雨型下可使污染物的放江量削減達45%～49%，由于系統內初雨效應不明顯，導致污染物削減效果與設計標準80%的要求仍存在一定差距。

(4)采用數值模型模擬評估泵站放降污染物控制措施成效，一方面工程效果被量化后更加直觀、現實，另一方面基于數學原理的數值模型可以更加理性科學的認識泵站放江水質過程的成因，對泵站放江的日常運行管理和政府部門決策制定泵站放江污染控制措施具有很好的指導作用，可有力促進水務行業精細化管理服務能力提升和水務數字化轉型。