降雨特性對(duì)合流制排水區(qū)域雨水溢流過程的影響

降雨特性對(duì)合流制排水區(qū)域雨水溢流過程的影響

隨著點(diǎn)源污染的有效控制，日處理系統(tǒng)的日處理流量已成為上海中心城市河流的主要水源。為了控制合流制排水系統(tǒng)雨天溢流污染,美國環(huán)保局(EPA)率先開展了雨水徑流污染的調(diào)查研究,隨后國外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛的研究和探討,積累了大量的實(shí)測數(shù)據(jù),為工程性控制措施的應(yīng)用提供了依據(jù),而我國在該領(lǐng)域鮮有研究報(bào)道。筆者通過對(duì)具有代表性排水系統(tǒng)JXB的考察,研究了上海中心城區(qū)合流制排水系統(tǒng)雨天污染物溢流的出流過程和污染物事件平均濃度,并探討了溢流污染物的初期效應(yīng),以期為我國城市面源污染的研究和控制提供參考。1水樣的采集與測定以上海市中心城區(qū)某截流式合流制排水系統(tǒng)JXB為研究對(duì)象,該區(qū)域的基本情況以及由航拍圖統(tǒng)計(jì)的下墊面情況見表1。該區(qū)域以居民區(qū)為主,居住條件較差,很多建筑為使用超過30年的陳舊房屋。此外,該區(qū)域內(nèi)還有兩處相對(duì)集中的商業(yè)街區(qū)。由于地面高程低,污水截流輸送與雨天溢流都由水泵提升,因此該區(qū)域排水系統(tǒng)作為中心城區(qū)典型的合流制排水系統(tǒng)具有代表性。樣品的采集主要由人工在該系統(tǒng)的泵站前池進(jìn)行。自溢流開始到結(jié)束,按一定時(shí)間間隔采集水質(zhì)過程線樣品,并放入1L的水樣瓶中。采集后的水樣瓶儲(chǔ)存于4℃的冰柜中以待分析,水樣檢測分析時(shí),化學(xué)需氧量采用DR/2010型COD測定儀測定,其他水質(zhì)指標(biāo)均按國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定。區(qū)域雨量數(shù)據(jù)以及泵站的流量數(shù)據(jù)由泵站SCADA系統(tǒng)獲得。SCADA系統(tǒng)每5min采集一次信號(hào),經(jīng)RTU傳輸?shù)缴虾Ｊ谐鞘信潘镜目刂剖?。從累積降雨量和降雨時(shí)間可計(jì)算得出相應(yīng)時(shí)段的降雨強(qiáng)度;泵站排江泵的啟、閉信號(hào)也由SCADA系統(tǒng)同步采集,再根據(jù)各臺(tái)水泵的銘牌流量和運(yùn)行時(shí)間計(jì)算得到各時(shí)段溢流過程的總流量。2結(jié)果與討論2.1旱流污水cod濃度和ss濃度JXB系統(tǒng)的截流式合流制泵站運(yùn)行方式分為晴天和降雨兩種模式,根據(jù)泵站前池水位的高低來控制截流泵和排江泵的啟閉。圖1給出了實(shí)測泵站旱流污水污染物濃度的變化過程。從圖1可以看出,泵站旱流污水的COD濃度主要為100～250mg/L,SS為250～350mg/L。SS濃度相對(duì)較高主要是由于上海市管道系統(tǒng)的坡度較小,系統(tǒng)采取高水位運(yùn)行管理模式,從而使旱流污水中的顆粒物在管道中具有顯著的沉積趨勢。雖然JXB系統(tǒng)配備了3臺(tái)流量為0.3m3/s的污水泵對(duì)旱流污水進(jìn)行截流輸送,但由于該區(qū)域服務(wù)面積較小,一般情況下污水泵采取間歇方式運(yùn)行,致使開泵初期污水對(duì)管道內(nèi)沉積物的沖刷作用增強(qiáng),而采樣時(shí)間常在每次開泵后不久,故JXB系統(tǒng)旱流污水的SS實(shí)測濃度偏大。2.2降雨特性對(duì)排江污水污染物的影響圖2、3給出了JXB區(qū)域兩種典型降雨情況下溢流過程的水質(zhì)變化。其中圖2所示的排江事件累積降雨量為11.8mm,降雨歷時(shí)為50min,累積降雨量雖不大但比較集中;圖3所示的降雨雨量為43.1mm,歷時(shí)為7.5h;在此之前僅下過雨量為2.4mm的小雨,地面與管道中的污染物累積較多。由圖2可知,此次排江過程污染物濃度較高,排江結(jié)束時(shí)COD、BOD5、SS分別為400、150、600mg/L,大大超過JXB系統(tǒng)的旱流污水濃度,其相應(yīng)的污染物平均濃度分別為528、180、883mg/L。發(fā)生這種最不利情況是由降雨特性所導(dǎo)致的:一開始降雨強(qiáng)度較大、排江迅速,致使截流設(shè)施難以發(fā)揮作用;但整場降雨累積雨量不大,直到排江結(jié)束時(shí),地面和管道中累積的污染物仍未被完全沖刷干凈,因此排江過程中污染物濃度居高不下。從圖3可以看出,整個(gè)排江過程中污染物濃度較低,COD、BOD5、SS和NH3-N的事件平均濃度分別為113、30、40、9.3mg/L,降雨結(jié)束時(shí)COD為59mg/L、BOD5為17mg/L、SS為30mg/L、NH3-N為9.9mg/L。出現(xiàn)這種情況的原因是該次降雨歷時(shí)較長,從前一天的晚19:30便開始下小雨,直到第二天凌晨6:00才開始有比較集中的降雨,但降雨強(qiáng)度不大。JXB系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域比較小,在很短的時(shí)間內(nèi)徑流便已經(jīng)抵達(dá)系統(tǒng)前池,初期污染較重的徑流被截流泵輸送到污水管道中,待到發(fā)生溢流排江時(shí),水質(zhì)已經(jīng)大為好轉(zhuǎn)。因此,此次排江雨(污)水的污染物平均濃度明顯優(yōu)于旱流污水。比較圖2、3可知,降雨特性對(duì)排江水質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在以下兩方面:①短時(shí)集中降雨特別是前峰雨,對(duì)合流制溢流污染的控制最不利;②連續(xù)的中、低強(qiáng)度降雨特別是后峰雨,有利于截流系統(tǒng)攔截大部分的地面以及管道的污染負(fù)荷。2.3主要污染物中的降雨特性由于同一場降雨過程中污染物濃度變化很大,因此用事件平均濃度(EMC,整個(gè)溢流過程的流量加權(quán)平均濃度)能夠更好地表征降雨事件的污染特征。表2給出了JXB系統(tǒng)7次溢流事件主要污染物的EMC以及相應(yīng)的降雨特性。根據(jù)表2可得出各污染物EMC的常用統(tǒng)計(jì)值,結(jié)果見表3。將表3的統(tǒng)計(jì)值與國外相應(yīng)的研究結(jié)果進(jìn)行比較可知,JXB區(qū)域雨天溢流COD、BOD5污染物的EMC中值濃度與德國合流制溢流的調(diào)查結(jié)果接近,NH3-N濃度則是該調(diào)查結(jié)果的4～5倍,而SS濃度卻低于該調(diào)查結(jié)果。與韓國的研究結(jié)果相比,SS濃度也明顯偏小。這主要是由于JXB系統(tǒng)在旱流期間,大流量污水泵采取間歇方式運(yùn)行,污水泵的頻繁啟閉使得污水對(duì)管道內(nèi)沉積物的沖刷作用增強(qiáng),從而大大削減了該系統(tǒng)雨天溢流發(fā)生時(shí)SS的濃度。2.4污染物初期效應(yīng)初期效應(yīng)是指在一場降雨中,初期雨(污)水?dāng)y帶了這場降雨所產(chǎn)生的大部分污染負(fù)荷。初期效應(yīng)存在與否涉及調(diào)蓄池等城市面源污染控制設(shè)施的規(guī)模與投資,因此具有重要的研究意義。采用Saget和Bertrand提出的b參數(shù)法對(duì)JXB系統(tǒng)溢流污染物的初期效應(yīng)進(jìn)行分析:b值越小,溢流污染物的初期效應(yīng)越強(qiáng)烈,反之則越弱。按Saget和Bertrand提出的30/80標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的參數(shù)b為0.185,據(jù)此可計(jì)算得出25/30、30/30、30/25和80/30標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的b值及相應(yīng)初期效應(yīng)的判斷(見表4)。表5給出了JXB系統(tǒng)污染物初期效應(yīng)的b參數(shù)和R2范圍。由表5可知,R2大多都在0.9以上,說明數(shù)據(jù)的相關(guān)性較好。另外結(jié)合表4還可看出,b≤0.185的情況一次都未發(fā)生。這說明按比較嚴(yán)格的30/80標(biāo)準(zhǔn)來看,JXB系統(tǒng)不存在初期效應(yīng)現(xiàn)象。參照表4分別統(tǒng)計(jì)代表不同降雨事件在各區(qū)域中的比例,結(jié)果見表6。由表6可知,JXB系統(tǒng)排江污染物在第1、2區(qū)所占比例最高,說明該系統(tǒng)排江污染物的初期效應(yīng)較為顯著。這是由于JXB系統(tǒng)中管道沉積物相對(duì)較少,受地表徑流污染物濃度的影響相對(duì)較大,在前峰雨型下就容易發(fā)生初期效應(yīng)。另外,該系統(tǒng)的服務(wù)面積相對(duì)較小(只有42hm2),服務(wù)區(qū)域的徑流系數(shù)又較高,致使污染物的高峰濃度出現(xiàn)在流量高峰之前,更容易發(fā)生初期效應(yīng)。這與國外的研究結(jié)果一致。此外,由表6還可以看出,COD和BOD5的初期效應(yīng)要比SS的初期效應(yīng)明顯,這主要是由于溶解性或較輕的有機(jī)顆粒更容易在初期被溶解、沖刷而排出。3降雨溢流對(duì)截流設(shè)施的影響①對(duì)污染物溢流過程分析可知,降雨特性對(duì)溢流水質(zhì)的影響較大:短時(shí)集中降雨特別是前峰雨,對(duì)合流制溢流污染的控制最不利;而連續(xù)的中、低強(qiáng)度降雨特別是后