降雨特性对合流制排水区域雨水溢流过程的影响

降雨特性对合流制排水区域雨水溢流过程的影响

随着点源污染的有效控制，日处理系统的日处理流量已成为上海中心城市河流的主要水源。为了控制合流制排水系统雨天溢流污染,美国环保局(EPA)率先开展了雨水径流污染的调查研究,随后国外学者对此进行了广泛的研究和探讨,积累了大量的实测数据,为工程性控制措施的应用提供了依据,而我国在该领域鲜有研究报道。笔者通过对具有代表性排水系统JXB的考察,研究了上海中心城区合流制排水系统雨天污染物溢流的出流过程和污染物事件平均浓度,并探讨了溢流污染物的初期效应,以期为我国城市面源污染的研究和控制提供参考。1水样的采集与测定以上海市中心城区某截流式合流制排水系统JXB为研究对象,该区域的基本情况以及由航拍图统计的下垫面情况见表1。该区域以居民区为主,居住条件较差,很多建筑为使用超过30年的陈旧房屋。此外,该区域内还有两处相对集中的商业街区。由于地面高程低,污水截流输送与雨天溢流都由水泵提升,因此该区域排水系统作为中心城区典型的合流制排水系统具有代表性。样品的采集主要由人工在该系统的泵站前池进行。自溢流开始到结束,按一定时间间隔采集水质过程线样品,并放入1L的水样瓶中。采集后的水样瓶储存于4℃的冰柜中以待分析,水样检测分析时,化学需氧量采用DR/2010型COD测定仪测定,其他水质指标均按国家标准方法测定。区域雨量数据以及泵站的流量数据由泵站SCADA系统获得。SCADA系统每5min采集一次信号,经RTU传输到上海市城市排水公司的控制室。从累积降雨量和降雨时间可计算得出相应时段的降雨强度;泵站排江泵的启、闭信号也由SCADA系统同步采集,再根据各台水泵的铭牌流量和运行时间计算得到各时段溢流过程的总流量。2结果与讨论2.1旱流污水cod浓度和ss浓度JXB系统的截流式合流制泵站运行方式分为晴天和降雨两种模式,根据泵站前池水位的高低来控制截流泵和排江泵的启闭。图1给出了实测泵站旱流污水污染物浓度的变化过程。从图1可以看出,泵站旱流污水的COD浓度主要为100～250mg/L,SS为250～350mg/L。SS浓度相对较高主要是由于上海市管道系统的坡度较小,系统采取高水位运行管理模式,从而使旱流污水中的颗粒物在管道中具有显著的沉积趋势。虽然JXB系统配备了3台流量为0.3m3/s的污水泵对旱流污水进行截流输送,但由于该区域服务面积较小,一般情况下污水泵采取间歇方式运行,致使开泵初期污水对管道内沉积物的冲刷作用增强,而采样时间常在每次开泵后不久,故JXB系统旱流污水的SS实测浓度偏大。2.2降雨特性对排江污水污染物的影响图2、3给出了JXB区域两种典型降雨情况下溢流过程的水质变化。其中图2所示的排江事件累积降雨量为11.8mm,降雨历时为50min,累积降雨量虽不大但比较集中;图3所示的降雨雨量为43.1mm,历时为7.5h;在此之前仅下过雨量为2.4mm的小雨,地面与管道中的污染物累积较多。由图2可知,此次排江过程污染物浓度较高,排江结束时COD、BOD5、SS分别为400、150、600mg/L,大大超过JXB系统的旱流污水浓度,其相应的污染物平均浓度分别为528、180、883mg/L。发生这种最不利情况是由降雨特性所导致的:一开始降雨强度较大、排江迅速,致使截流设施难以发挥作用;但整场降雨累积雨量不大,直到排江结束时,地面和管道中累积的污染物仍未被完全冲刷干净,因此排江过程中污染物浓度居高不下。从图3可以看出,整个排江过程中污染物浓度较低,COD、BOD5、SS和NH3-N的事件平均浓度分别为113、30、40、9.3mg/L,降雨结束时COD为59mg/L、BOD5为17mg/L、SS为30mg/L、NH3-N为9.9mg/L。出现这种情况的原因是该次降雨历时较长,从前一天的晚19:30便开始下小雨,直到第二天凌晨6:00才开始有比较集中的降雨,但降雨强度不大。JXB系统服务区域比较小,在很短的时间内径流便已经抵达系统前池,初期污染较重的径流被截流泵输送到污水管道中,待到发生溢流排江时,水质已经大为好转。因此,此次排江雨(污)水的污染物平均浓度明显优于旱流污水。比较图2、3可知,降雨特性对排江水质的影响主要体现在以下两方面:①短时集中降雨特别是前峰雨,对合流制溢流污染的控制最不利;②连续的中、低强度降雨特别是后峰雨,有利于截流系统拦截大部分的地面以及管道的污染负荷。2.3主要污染物中的降雨特性由于同一场降雨过程中污染物浓度变化很大,因此用事件平均浓度(EMC,整个溢流过程的流量加权平均浓度)能够更好地表征降雨事件的污染特征。表2给出了JXB系统7次溢流事件主要污染物的EMC以及相应的降雨特性。根据表2可得出各污染物EMC的常用统计值,结果见表3。将表3的统计值与国外相应的研究结果进行比较可知,JXB区域雨天溢流COD、BOD5污染物的EMC中值浓度与德国合流制溢流的调查结果接近,NH3-N浓度则是该调查结果的4～5倍,而SS浓度却低于该调查结果。与韩国的研究结果相比,SS浓度也明显偏小。这主要是由于JXB系统在旱流期间,大流量污水泵采取间歇方式运行,污水泵的频繁启闭使得污水对管道内沉积物的冲刷作用增强,从而大大削减了该系统雨天溢流发生时SS的浓度。2.4污染物初期效应初期效应是指在一场降雨中,初期雨(污)水携带了这场降雨所产生的大部分污染负荷。初期效应存在与否涉及调蓄池等城市面源污染控制设施的规模与投资,因此具有重要的研究意义。采用Saget和Bertrand提出的b参数法对JXB系统溢流污染物的初期效应进行分析:b值越小,溢流污染物的初期效应越强烈,反之则越弱。按Saget和Bertrand提出的30/80标准计算得到的参数b为0.185,据此可计算得出25/30、30/30、30/25和80/30标准对应的b值及相应初期效应的判断(见表4)。表5给出了JXB系统污染物初期效应的b参数和R2范围。由表5可知,R2大多都在0.9以上,说明数据的相关性较好。另外结合表4还可看出,b≤0.185的情况一次都未发生。这说明按比较严格的30/80标准来看,JXB系统不存在初期效应现象。参照表4分别统计代表不同降雨事件在各区域中的比例,结果见表6。由表6可知,JXB系统排江污染物在第1、2区所占比例最高,说明该系统排江污染物的初期效应较为显著。这是由于JXB系统中管道沉积物相对较少,受地表径流污染物浓度的影响相对较大,在前峰雨型下就容易发生初期效应。另外,该系统的服务面积相对较小(只有42hm2),服务区域的径流系数又较高,致使污染物的高峰浓度出现在流量高峰之前,更容易发生初期效应。这与国外的研究结果一致。此外,由表6还可以看出,COD和BOD5的初期效应要比SS的初期效应明显,这主要是由于溶解性或较轻的有机颗粒更容易在初期被溶解、冲刷而排出。3降雨溢流对截流设施的影响①对污染物溢流过程分析可知,降雨特性对溢流水质的影响较大:短时集中降雨特别是前峰雨,对合流制溢流污染的控制最不利;而连续的中、低强度降雨特别是后