合肥市老城區(qū)排水系統(tǒng)初期雨水污染現(xiàn)狀分析

合肥市老城區(qū)排水系統(tǒng)初期雨水污染現(xiàn)狀分析

隨著城市的發(fā)展和公眾對城市基礎設施服務的需求增加，合肥市公共交通的問題已成為人們關注的焦點。為此，市委、市政府高度重視，多次邀請相關部門進行研究。老城區(qū)現(xiàn)有的排水系統(tǒng)為合流制,同時承擔防汛排澇與污染防治功能,存在建設標準低、設施簡陋等問題,不能適應城市發(fā)展的要求。目前國內外城市大多存在初期雨水污染嚴重、排澇能力低等問題,筆者結合該工程案例,分多篇從現(xiàn)狀調查、標準策略、工程設計等幾部分詳細探討采用調蓄方式如何解決類似問題。1合肥古城的排水系統(tǒng)1.1杏園排水系統(tǒng)合肥市老城區(qū)原有排水系統(tǒng)分為杏花、六安路、逍遙津及包河4個排水系統(tǒng);現(xiàn)狀杏花排澇泵站和六安路排澇泵站通過阜南路排水管、壽春路排水管相互連通,將杏花和六安路系統(tǒng)合并,統(tǒng)稱杏花排水系統(tǒng)。因此,老城區(qū)內形成杏花、逍遙津和包河3個排水系統(tǒng),服務面積分別為2.9、1.05、1.25km2。1.2人口檢測結果近年來,合肥市老城區(qū)的建筑密度和人口密度不斷增加,據(jù)估計,在老城區(qū)5.2km2范圍內,現(xiàn)狀人口約20萬人。老城區(qū)現(xiàn)有排水設施已不堪重負,排澇能力差和水污染嚴重的問題越來越突出。1.2.1積澇現(xiàn)象依然存在雖然經過多年的努力,城建部門建設了許多城市防洪治澇設施,解決了城市建設用地內大多數(shù)易澇地區(qū)的排澇問題,但暴雨期仍然有局部地區(qū)存在積澇現(xiàn)象,積澇情況在不同程度上影響著廣大市民的日常起居,甚至在很大程度上威脅著人民的生命財產安全,阻礙了城市經濟、社會的發(fā)展。經調查研究,造成老城區(qū)排澇能力差、地面積水的原因主要有以下幾個方面:地面徑流超設計老城區(qū)的現(xiàn)狀排水系統(tǒng)基本按照徑流系數(shù)Ψ=0.5進行設計,根據(jù)研究,老城區(qū)實際徑流系數(shù)Ψ已經達到0.7,地面徑流量超出原先設計值約40%。另外,老城區(qū)仍有少部分老管道是按照重現(xiàn)期P=0.5年標準建造的,過水能力遠不能適應當前的要求。自排口處防洪工程措施老城區(qū)現(xiàn)有4座排澇泵站,均建于20世紀90年代初。限于當時的經濟條件,排澇泵站均較為簡陋。自排口處防洪閘均為混凝土閘板,目前損壞較為嚴重,存在防洪隱患;六安路泵站、包河泵站未設前池,直接從管道內抽水,水泵頻繁啟閉,影響水泵機組的使用壽命;逍遙津泵站直接從河道內抽水,水力條件不佳,影響水泵的效率;各泵站的格柵均需人工清渣,工作環(huán)境差,勞動強度大。排水系統(tǒng)的設計由于歷史原因,杏花排澇泵站與六安路排澇泵站之間,通過阜南路d1500mm排水管以及壽春路d1200mm排水管相互連通。杏花及六安路排水系統(tǒng)的最低點位于淮河路與蒙城路交口附近,地面高程為12.30m。阜南路d1500mm排水管底高程為10.30m,管道滿流時管內水位為11.80m,僅比最低點地面低0.50m。根據(jù)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)的布置進行推算,在設計流量下,當阜南路d1500mm排水管滿流時,最低點已經出現(xiàn)積水。由于六安路排澇泵站的啟排水位較低,而排澇能力較小,造成六安路排澇泵站的負荷過大,而杏花排澇泵站卻不能充分發(fā)揮作用。當杏花排澇泵站達到啟排水位時,在設計流量下,杏花及六安路系統(tǒng)已經多處出現(xiàn)積水。合流制系統(tǒng)改造后的排水系統(tǒng)設置不合理,系統(tǒng)壓力低,水水流態(tài)不達標,現(xiàn)狀排水管道絕大部分使用平口管,剛性接口,抗變形能力差。根據(jù)管道養(yǎng)護部門提供的資料,由于不均勻沉降的影響,大部分排水管道接口錯位,過水能力降低。綜上可知,現(xiàn)狀排水管道由低標準設計的合流制系統(tǒng)不斷改造而形成,管網(wǎng)系統(tǒng)水力學流態(tài)不合理,存在互相頂托、坡度不順、主流向與支管銜接不合理、干管服務范圍均衡、支管不達標等問題;污水泵站與雨水泵站不是合建,存在水位控制、水力學流態(tài)不合理,截流泵規(guī)模與泵后管道輸送能力不合理等問題;地表匯流系統(tǒng)、地面標高限制、積水點地勢低洼;旱流污水量增加,占用管道斷面。1.2.2污水截流能力分析老城區(qū)污水截流管及污水泵站均已建成,但是水污染問題仍較突出。根據(jù)《合肥市水環(huán)境功能區(qū)劃》,合肥市現(xiàn)狀地表水環(huán)境質量較差。由于補水量相對較小,補水工程對于南淝河的水質基本上不起作用。目前南淝河水質一般為Ⅴ類,但是受降雨的影響很大,一旦發(fā)生降雨水質明顯惡化。經調查研究,造成老城區(qū)水污染的原因主要有以下幾個方面:①南淝河的自凈能力差。南淝河上游建有董鋪水庫,在當涂路橋下游建有橡皮壩蓄水,因此南淝河基本上為封閉式水體,徑流量很小,自凈能力差,少量的污染物排入即會造成水體水質惡化。②污水截流倍數(shù)低,溢流頻率高。老城區(qū)原設計的污水截流倍數(shù)n=2,由于近年來污水量有所增大,實際上截流倍數(shù)有所降低。按現(xiàn)狀截流干管過水能力推算,杏花系統(tǒng)干管截流倍數(shù)n≈1.03,馬鞍山路污水干管截流倍數(shù)n≈1.44,而逍遙津系統(tǒng)污水干管截流倍數(shù)僅為0.79。按照現(xiàn)狀的排水系統(tǒng)進行理論推算,當降雨強度約為P=0.05年標準時,排水系統(tǒng)出現(xiàn)溢流,即現(xiàn)狀的溢流頻率約為20次/a。由于溢流污水的污染物濃度較高,南淝河水質受降雨的影響十分明顯。③污水截流井欠缺,難以準確控制截流污水水量和水質。老城區(qū)一般采用截流槽式或槽堰結合式污水截流井,并且在污水截流管上設有閘門,用于控制截流量。但是在實際運行中,很難根據(jù)降雨情況調節(jié)閘門。為了截流杏花系統(tǒng)的污水,在杏花排澇泵站的前池內設置了截流堰,通過截流堰將污水引入杏花污水泵站。在實際運行中,截流堰造成的淤積嚴重,一旦清淤不及時,污水則溢流至排澇泵站,并通過排澇泵站排入南淝河。2關于標準化的確定初期雨水污染控制工程標準有兩種表達方式:①污染物控制率和溢流次數(shù)標準;②當量雨量標準。合流制排水系統(tǒng)初期雨水污染控制標準的確定,對工程投資和工程效益影響很大。關于標準的確定,從國內外相關工程綜合分析來看,主要有兩種觀點:①初期雨水污染控制標準滿足環(huán)境學生態(tài)要求;②合流制排水系統(tǒng)溢流污染負荷與分流制排水系統(tǒng)污染負荷相當。鑒于合流制排水系統(tǒng)初期雨水污染控制問題的復雜性,本工程從降雨資料、降雨量截流率、降雨特征參數(shù)及最大小時降雨強度等方面進行研究。2.1降雨事件統(tǒng)計根據(jù)合肥市1989年—2008年20年間的降雨資料統(tǒng)計(無1月—3月降雨資料),共有降雨事件1346場,其中汛期降雨為720場,非汛期為626場。從多年平均來看,年均降雨事件為67場,汛期為36場,非汛期為31場。年均降雨量為772.7mm,汛期雨量為503.4mm,非汛期雨量為269.3mm。各類單場降雨事件降雨場次和降雨量占全部降雨事件的比例統(tǒng)計結果見表1。2.2總量截流率測定結合降雨資料計算各截流標準下降雨總量的截流率,結果見表2?？芍?4mm標準截流體積增加較小,典型降雨累計污染物約占80%～95%。2.3降水特征參數(shù)以20年降雨資料分析獲得了降雨事件的降雨量、降雨歷時、降雨間隔累積頻率曲線,具體見圖1。2.4降雨時段和降雨異形時年氣象壓力圖以各場降雨事件在歷時內最大1h的降雨量作為最大小時雨強,對于降雨歷時不足1h的降雨按1h計算,得到各降雨事件的最大小時雨強的累積頻率分布曲線,結果見圖4。綜合分析可知:①合肥市年均降雨量為945.6mm/a,平均年降雨67次;其中汛期平均降雨為36次/a,非汛期降雨場次為31次/a。②汛期降雨集中、雨量大、雨強大、歷時短,降雨量占全年的72%。③非汛期降雨分散、雨量小、雨強小、歷時長,降雨量占全年的77%。④汛期與非汛期的降雨歷時存在差異,平均降雨歷時<10h的降雨事件占80%左右。⑤汛期的降雨時間間隔與非汛期差異不大,時間間隔>12h的降雨事件占65%左右。3旱流污水中的s、cod、tp、tn、nh3-n檢測數(shù)據(jù)表3為合肥市老城區(qū)杏花泵站雨天出流水質監(jiān)測數(shù)據(jù)。綜合分析徑流雨水的SS、COD、TP、TN、NH3-N檢測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)具有以下特點:①初期雨水污染物濃度高,污染嚴重,部分污染指標明顯高于旱流污水濃度;②部分指標存在一定的初期效應,初期2h出流時間屬于高濃度的時間范圍。3.1系統(tǒng)調蓄容量的確定利用InfoworksCS對老城區(qū)排水系統(tǒng)的管網(wǎng)調蓄容量進行計算。在調蓄容量的計算中,同時考慮到排水系統(tǒng)的旱流運行水位、水泵運行區(qū)間和地面標高,并以此作為限制條件,最終得出杏花系統(tǒng)、逍遙津系統(tǒng)和包河系統(tǒng)能夠利用的調蓄容量分別約為20000、5300、9500m3。但在實際運行控制中,考慮到旱流運行水位和雨天泵站的運行,雨天可以調蓄的水位范圍分別為(8～10)、(10～13)和(11～13.5)m,實際利用的調蓄容積約為6200、2600、6900m3。3.2排水系統(tǒng)內雨水污染控制設計綜合分析氣象資料、初期雨水徑流水質特征以及管網(wǎng)特征與截流設施能力,同時參考國內外類似工程經驗,最終確定合肥市老城區(qū)合流制排水系統(tǒng)初期雨水污染控制工程設計標準為14mm當量徑流雨量(其中截流為3mm,新增調蓄為8mm,管網(wǎng)調蓄為3mm),設計匯流時間為3h,設計調蓄排空時間為12h。3.3初期雨水污染控制技術的效率預測1早期雨水污染防治效率的預測根據(jù)表2、3數(shù)據(jù),計算了老城區(qū)合流制排水系統(tǒng)初期雨水污染控制工程的污染物收集量,結果如表4所示。系統(tǒng)重現(xiàn)期計算依據(jù)合肥市暴雨強度公式,計算了不同設計重現(xiàn)期的小時雨強,結果見表5。在極端暴雨災害性天氣時,調蓄標準按照14mm設計,此時以提高防汛標準為主,反推算得出對應的設計重現(xiàn)期,結果見表6。對于已建排水系統(tǒng)(P=1年、地表匯流時間t1=15min),增加設計標準為14mm的調蓄系統(tǒng)后,防汛標準提高到P=3年。即由目前的抵御一年一遇暴雨,提高到抵御3年一遇暴雨。這與計算機模擬結果趨勢一致。由于此為簡單的疊加計算,鑒于提高防汛標準的問題尚需對管道中目前存在的問題進行診斷與解決,預計單獨新建調蓄管工程后,服務范圍內暴雨重現(xiàn)期可提高到1.5～3年。4生態(tài)排水設計①加快老城區(qū)局部區(qū)域管道改造,同時考慮初期雨水污染問題。綜合考慮老城區(qū)排水系統(tǒng)情況,采用14mm初雨調蓄標準,其中截流為3mm、管道富余調蓄為3mm、新增調蓄為8mm。②根據(jù)合肥當?shù)鼐G地的滲透性能和調查不同類型非滲透性鋪面的徑流水質,研究適合當?shù)厍闆r的徑流源頭控