合肥市老城区排水系统初期雨水污染现状分析

合肥市老城区排水系统初期雨水污染现状分析

随着城市的发展和公众对城市基础设施服务的需求增加，合肥市公共交通的问题已成为人们关注的焦点。为此，市委、市政府高度重视，多次邀请相关部门进行研究。老城区现有的排水系统为合流制,同时承担防汛排涝与污染防治功能,存在建设标准低、设施简陋等问题,不能适应城市发展的要求。目前国内外城市大多存在初期雨水污染严重、排涝能力低等问题,笔者结合该工程案例,分多篇从现状调查、标准策略、工程设计等几部分详细探讨采用调蓄方式如何解决类似问题。1合肥古城的排水系统1.1杏园排水系统合肥市老城区原有排水系统分为杏花、六安路、逍遥津及包河4个排水系统;现状杏花排涝泵站和六安路排涝泵站通过阜南路排水管、寿春路排水管相互连通,将杏花和六安路系统合并,统称杏花排水系统。因此,老城区内形成杏花、逍遥津和包河3个排水系统,服务面积分别为2.9、1.05、1.25km2。1.2人口检测结果近年来,合肥市老城区的建筑密度和人口密度不断增加,据估计,在老城区5.2km2范围内,现状人口约20万人。老城区现有排水设施已不堪重负,排涝能力差和水污染严重的问题越来越突出。1.2.1积涝现象依然存在虽然经过多年的努力,城建部门建设了许多城市防洪治涝设施,解决了城市建设用地内大多数易涝地区的排涝问题,但暴雨期仍然有局部地区存在积涝现象,积涝情况在不同程度上影响着广大市民的日常起居,甚至在很大程度上威胁着人民的生命财产安全,阻碍了城市经济、社会的发展。经调查研究,造成老城区排涝能力差、地面积水的原因主要有以下几个方面:地面径流超设计老城区的现状排水系统基本按照径流系数Ψ=0.5进行设计,根据研究,老城区实际径流系数Ψ已经达到0.7,地面径流量超出原先设计值约40%。另外,老城区仍有少部分老管道是按照重现期P=0.5年标准建造的,过水能力远不能适应当前的要求。自排口处防洪工程措施老城区现有4座排涝泵站,均建于20世纪90年代初。限于当时的经济条件,排涝泵站均较为简陋。自排口处防洪闸均为混凝土闸板,目前损坏较为严重,存在防洪隐患;六安路泵站、包河泵站未设前池,直接从管道内抽水,水泵频繁启闭,影响水泵机组的使用寿命;逍遥津泵站直接从河道内抽水,水力条件不佳,影响水泵的效率;各泵站的格栅均需人工清渣,工作环境差,劳动强度大。排水系统的设计由于历史原因,杏花排涝泵站与六安路排涝泵站之间,通过阜南路d1500mm排水管以及寿春路d1200mm排水管相互连通。杏花及六安路排水系统的最低点位于淮河路与蒙城路交口附近,地面高程为12.30m。阜南路d1500mm排水管底高程为10.30m,管道满流时管内水位为11.80m,仅比最低点地面低0.50m。根据现状排水系统的布置进行推算,在设计流量下,当阜南路d1500mm排水管满流时,最低点已经出现积水。由于六安路排涝泵站的启排水位较低,而排涝能力较小,造成六安路排涝泵站的负荷过大,而杏花排涝泵站却不能充分发挥作用。当杏花排涝泵站达到启排水位时,在设计流量下,杏花及六安路系统已经多处出现积水。合流制系统改造后的排水系统设置不合理,系统压力低,水水流态不达标,现状排水管道绝大部分使用平口管,刚性接口,抗变形能力差。根据管道养护部门提供的资料,由于不均匀沉降的影响,大部分排水管道接口错位,过水能力降低。综上可知,现状排水管道由低标准设计的合流制系统不断改造而形成,管网系统水力学流态不合理,存在互相顶托、坡度不顺、主流向与支管衔接不合理、干管服务范围均衡、支管不达标等问题;污水泵站与雨水泵站不是合建,存在水位控制、水力学流态不合理,截流泵规模与泵后管道输送能力不合理等问题;地表汇流系统、地面标高限制、积水点地势低洼;旱流污水量增加,占用管道断面。1.2.2污水截流能力分析老城区污水截流管及污水泵站均已建成,但是水污染问题仍较突出。根据《合肥市水环境功能区划》,合肥市现状地表水环境质量较差。由于补水量相对较小,补水工程对于南淝河的水质基本上不起作用。目前南淝河水质一般为Ⅴ类,但是受降雨的影响很大,一旦发生降雨水质明显恶化。经调查研究,造成老城区水污染的原因主要有以下几个方面:①南淝河的自净能力差。南淝河上游建有董铺水库,在当涂路桥下游建有橡皮坝蓄水,因此南淝河基本上为封闭式水体,径流量很小,自净能力差,少量的污染物排入即会造成水体水质恶化。②污水截流倍数低,溢流频率高。老城区原设计的污水截流倍数n=2,由于近年来污水量有所增大,实际上截流倍数有所降低。按现状截流干管过水能力推算,杏花系统干管截流倍数n≈1.03,马鞍山路污水干管截流倍数n≈1.44,而逍遥津系统污水干管截流倍数仅为0.79。按照现状的排水系统进行理论推算,当降雨强度约为P=0.05年标准时,排水系统出现溢流,即现状的溢流频率约为20次/a。由于溢流污水的污染物浓度较高,南淝河水质受降雨的影响十分明显。③污水截流井欠缺,难以准确控制截流污水水量和水质。老城区一般采用截流槽式或槽堰结合式污水截流井,并且在污水截流管上设有闸门,用于控制截流量。但是在实际运行中,很难根据降雨情况调节闸门。为了截流杏花系统的污水,在杏花排涝泵站的前池内设置了截流堰,通过截流堰将污水引入杏花污水泵站。在实际运行中,截流堰造成的淤积严重,一旦清淤不及时,污水则溢流至排涝泵站,并通过排涝泵站排入南淝河。2关于标准化的确定初期雨水污染控制工程标准有两种表达方式:①污染物控制率和溢流次数标准;②当量雨量标准。合流制排水系统初期雨水污染控制标准的确定,对工程投资和工程效益影响很大。关于标准的确定,从国内外相关工程综合分析来看,主要有两种观点:①初期雨水污染控制标准满足环境学生态要求;②合流制排水系统溢流污染负荷与分流制排水系统污染负荷相当。鉴于合流制排水系统初期雨水污染控制问题的复杂性,本工程从降雨资料、降雨量截流率、降雨特征参数及最大小时降雨强度等方面进行研究。2.1降雨事件统计根据合肥市1989年—2008年20年间的降雨资料统计(无1月—3月降雨资料),共有降雨事件1346场,其中汛期降雨为720场,非汛期为626场。从多年平均来看,年均降雨事件为67场,汛期为36场,非汛期为31场。年均降雨量为772.7mm,汛期雨量为503.4mm,非汛期雨量为269.3mm。各类单场降雨事件降雨场次和降雨量占全部降雨事件的比例统计结果见表1。2.2总量截流率测定结合降雨资料计算各截流标准下降雨总量的截流率,结果见表2。可知按14mm标准截流体积增加较小,典型降雨累计污染物约占80%～95%。2.3降水特征参数以20年降雨资料分析获得了降雨事件的降雨量、降雨历时、降雨间隔累积频率曲线,具体见图1。2.4降雨时段和降雨异形时年气象压力图以各场降雨事件在历时内最大1h的降雨量作为最大小时雨强,对于降雨历时不足1h的降雨按1h计算,得到各降雨事件的最大小时雨强的累积频率分布曲线,结果见图4。综合分析可知:①合肥市年均降雨量为945.6mm/a,平均年降雨67次;其中汛期平均降雨为36次/a,非汛期降雨场次为31次/a。②汛期降雨集中、雨量大、雨强大、历时短,降雨量占全年的72%。③非汛期降雨分散、雨量小、雨强小、历时长,降雨量占全年的77%。④汛期与非汛期的降雨历时存在差异,平均降雨历时<10h的降雨事件占80%左右。⑤汛期的降雨时间间隔与非汛期差异不大,时间间隔>12h的降雨事件占65%左右。3旱流污水中的s、cod、tp、tn、nh3-n检测数据表3为合肥市老城区杏花泵站雨天出流水质监测数据。综合分析径流雨水的SS、COD、TP、TN、NH3-N检测数据,发现具有以下特点:①初期雨水污染物浓度高,污染严重,部分污染指标明显高于旱流污水浓度;②部分指标存在一定的初期效应,初期2h出流时间属于高浓度的时间范围。3.1系统调蓄容量的确定利用InfoworksCS对老城区排水系统的管网调蓄容量进行计算。在调蓄容量的计算中,同时考虑到排水系统的旱流运行水位、水泵运行区间和地面标高,并以此作为限制条件,最终得出杏花系统、逍遥津系统和包河系统能够利用的调蓄容量分别约为20000、5300、9500m3。但在实际运行控制中,考虑到旱流运行水位和雨天泵站的运行,雨天可以调蓄的水位范围分别为(8～10)、(10～13)和(11～13.5)m,实际利用的调蓄容积约为6200、2600、6900m3。3.2排水系统内雨水污染控制设计综合分析气象资料、初期雨水径流水质特征以及管网特征与截流设施能力,同时参考国内外类似工程经验,最终确定合肥市老城区合流制排水系统初期雨水污染控制工程设计标准为14mm当量径流雨量(其中截流为3mm,新增调蓄为8mm,管网调蓄为3mm),设计汇流时间为3h,设计调蓄排空时间为12h。3.3初期雨水污染控制技术的效率预测1早期雨水污染防治效率的预测根据表2、3数据,计算了老城区合流制排水系统初期雨水污染控制工程的污染物收集量,结果如表4所示。系统重现期计算依据合肥市暴雨强度公式,计算了不同设计重现期的小时雨强,结果见表5。在极端暴雨灾害性天气时,调蓄标准按照14mm设计,此时以提高防汛标准为主,反推算得出对应的设计重现期,结果见表6。对于已建排水系统(P=1年、地表汇流时间t1=15min),增加设计标准为14mm的调蓄系统后,防汛标准提高到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。这与计算机模拟结果趋势一致。由于此为简单的叠加计算,鉴于提高防汛标准的问题尚需对管道中目前存在的问题进行诊断与解决,预计单独新建调蓄管工程后,服务范围内暴雨重现期可提高到1.5～3年。4生态排水设计①加快老城区局部区域管道改造,同时考虑初期雨水污染问题。综合考虑老城区排水系统情况,采用14mm初雨调蓄标准,其中截流为3mm、管道富余调蓄为3mm、新增调蓄为8mm。②根据合肥当地绿地的渗透性能和调查不同类型非渗透性铺面的径流水质,研究适合当地情况的径流源头控