道路路面初期雨水收集处理方法研究

道路路面初期雨水收集处理方法研究

由雨水形成的地径流是对地和地下水的再污染。由于其高污染负荷和难以控制，地气流已成为污染的重要问题之一。早在20世纪70年代初期,美国国家环保部门就开始了对城市道路和公路的路面径流研究。此后,德国、加拿大、澳大利亚等发达国家也都相继给予高度的关注。目前,路面径流在世界许多国家发展成为相对独立的研究领域,并逐步形成了理论体系。我国对路面径流的研究工作起步较晚,直到1996年,《公路建设项目环境影响评价技术规范》(JTJ005-96)才把路面径流造成的环境污染作为评价地表水环境污染的因素之一,此后,长安大学对路面径流做了进一步的调查和研究。但到目前为止,在我国道路建设中尚未见到关于对初期雨水进行分流处理的报道。本文在分析雨水在路面径流形成过程的水质特性及排污规律的基础上,初步探讨了道路初期雨水的收集、处理等问题。1地面径流污染实质降落到地面之前的雨水,由于是对大气的淋洗,其含有的杂质主要是空气中的尘埃和大气污染物。其中,SS和COD比例最高,其他的污染物浓度均较低。当雨水落到地面之后对地面冲刷而形成径流,径流中的污染物与地面性质有直接关系:路面的雨水径流,由于经过对道路的路面冲洗,将带走路面由于机动车辆的磨损而形成的大量金属、碳氢化合物、橡胶和燃油等对环境危害大的污染物质。同时,道路交通事故污染物,道路运输有毒有害化学品时的洒、冒、滴、漏,以及汽车排放废气中的大部分污染物最终也都将在自然沉降或雨水淋洗作用下迁移至水环境中。径流污染物的浓度随着降雨状况及路面污染物累积状况的不同而随机变化。北京市曾对地面径流雨水污染情况进行实测,并对实测雨水水质与典型城市生活污水及国外路面径流雨水水质进行了比较,结果见表1。表1中数据表明,北京市道路地面径流雨水污染指标的最高值远远高于典型城市生活污水,除SS一项指数相当外,其他污染指标的最小值指标均远远大于美国城市道路路面径流的污染指标。与《污水综合排放标准》(GB8978-96)(Ⅰ级)及《地表水环境质量标准》(GHZB1-99)(Ⅲ类)相比,除了总Pb和总Zn这2项之外,其他3项指标的最高值均超出许多。可见,路面径流这一具有非点源污染特征的地表径流,对地表水体水质的影响并不亚于城市生活污水对于地表水体水质的影响。因此,对路面径流的雨水进行处理是十分必要的。2路面径流污染浓度随时间的变化美国、英国、加拿大等国家自20世纪70年代初就致力于径流理论的研究,但提出的描述径流污染的数学模型各有不同。其中,Metcalf等人提出的在径流过程中污染物浓度Ct随累积径流深度变化的冲刷模型(Wash-offmodel)为:Ct=kaP0Ae−kaRt=C0e−kaRt(1)Ct=kaΡ0Ae-kaRt=C0e-kaRt(1)式中:P0为降雨开始时(t=0)地表污染物量,kg;A为汇水面积,m2;C0为径流开始时雨水中污染物浓度,mg/L;ka为冲刷系数,mm-1,其值为经验值;Rt为降雨t分钟后的累积径流深度,mm。由于该冲刷模型较为形象地模拟了实际路面径流的排污过程,因此一直被许多研究者应用至今。该冲刷模型表明了这样的规律:路面径流形成后,其污染浓度值Ct随时间t的单调递增而单调递减,即说明在降雨初期污染物的浓度最大。根据北京城区实测数据统计,对降雨量小于10mm的降雨,地面径流污染物总量的70%以上包含于2mm降雨量的初期径流中,当降雨量大于15mm时,污染物总量的30%～40%包含于2mm降雨量的初期径流中。长安大学对公路与城市道路的地面径流做的调查研究表明:污染物浓度随径流时间有起伏变化现象,与冲刷模型不完全吻合。笔者在对其采样数据进行了分析后认为:后期虽有起伏,但总的规律是在降雨初期径流量达到最大之前时,径流的所有污染物浓度同时达到最大值,其值高于算术平均浓度的3～4倍,如见图1所示。图1表明:在径流初期的31.9%水量时,SS、COD、总Pb和总Zn分别占污染物总量的54.8%、59.6%、68.7%和65.3%。因此,降雨初期路面径流的污染负荷要比中后期的污染负荷大得多,也就是我们通常称作的初期淋洗效应(first-flusheffect)。通常,影响雨水污染负荷的因素包括:降雨强度、降雨量、降雨历时、晴天累计天数、交通量、车型种类、路面清洁状况等。其中,降雨强度决定对路面的冲淋强度,降雨量决定雨水污染负荷,晴天累计天数及路面清洁状况决定路面上残留污染物累计的数量,交通量及车型种类决定着降雨期间活动污染源的强度。综上所述,地面径流的排污规律是:初期路面径流的污染量在总污染量中占绝对数量值,对地表河流的水质影响是严重的;随着降雨量的增加,路面污染物数量减少,路面径流对环境的污染程度就会大大减轻。而把所有降雨形成的路面径流全部收集起来进行处理是不现实的,也是不必要的。只要能将初期雨水分离出来并进行处理,中后期的雨水仍可直接排入周围水体,即可达到改善水体环境的目的。3雨水收集开始3.1排水体制与分流制并存目前,城市排水体制分雨水污水合流制及分流制2种。以上海市为例,上海市排水体制是合流制与分流制并存,规划排水系统341个,已建和在建的排水系统中,有67个合流制排水系统,114个分流制排水系统,市区内目前有11座污水处理厂运行。3.1.1利用初期雨水提升泵加工过程分流制排水系统是将雨水和污水分别在2套或2套以上各自独立的沟管内排除的系统。在分流制排水系统中,所有的雨水都在雨水管道内汇集,然后通过雨水泵站集中排入城市河道。这样,初期雨水也被一同排入河道,对整个河道的污染相当严重。而如果能将初期雨水与中、后期雨水分开,将初期雨水通过市政污水管道排入城市污水处理厂集中处理,中、后期的雨水直接排入水体中,这样,在不增加污水处理厂过多压力的同时,又达到了环境保护的目的。在工程实施时,可在雨水泵站中增设几台初期雨水提升泵,在雨水泵站至市政污水管道或污水处理厂之间增铺一段初期雨水管道,即可完成初期雨水的分离工作(图2)。当降雨强度低、历时长时,在降雨初期,开启初期雨水提升泵,根据泵站出口流量计排出的水量计算初期雨水提升泵运行时间,然后改为雨水泵运行,将雨水排入城市河道;若降雨为短历时暴雨,城市现有雨水管道可作为雨水暂时贮存池,利用初期雨水提升泵将雨水排入市政污水管网;当降雨强度大、历时长时,可首先运行初期雨水提升泵,待泵站集水井水位超过预警水位后,再启动雨水泵。3.1.2排水的截流治理合流制排水系统是将生活污水、工业废水和雨水混合在一条沟道内排除的系统。早期的合流制排水系统是将排除的混合污水不经处理,就近直接排入水体,故称为直排式合流制排水系统,对水体污染相当严重。目前,国内外在老城市改造时,常采用截流式合流排水系统。在这种排水系统中,合流污水对水体的影响取决于截流干管设计时所选用的截流倍数。截流倍数越大,截流的初期雨水的水量就越大,工程的一次性投资就越大,而对环境的影响就越小。但现实的工程设计中,考虑到工程的投资,截流倍数不可能取值过大。那么,可根据排水系统的汇水面积和该排水区域的用地特性,设置一定容积的污水地下调节水池,在溢流前,将合流污水排至地下集水池;降雨过后,贮存的合流污水再由地下集水池排入截流管中,从而减少溢流次数及溢流水量,最大限度地减少对水体的污染。3.2修建初期雨水调节池公路路面排水系统一般由边沟、排水沟、截水沟、急流槽、涵洞及沿线自然沟渠等组成,路面径流通过排水系统汇集后流入农业灌溉沟渠、天然沟渠或河流。由于路面的初期径流一同被排入水体,因而对周围水环境产生极大影响。为了减少对环境的影响,可以利用公路沿线的低洼地块、施工时的取土坑或湿地等不良地块修建初期雨水调节池(图3)。降雨初期,路面径流排入雨水调节池,当降雨量超过设计标准时,雨水则可直接排入周围水体。这样,初期地面径流就被收集起来,经处理后排入周围水体,从而可大大减少对水环境的污染。3.3设计初期雨水量的确定如何界定初期雨水和中后期雨水是选择收集方式和收集工程规模的关键。由于每次降雨的强度、历时、间隔时间、范围都是随机的,因此,按照每次降雨的历时从时间上来分初期及中、后期是不科学的,也不便于雨水收集系统的设计。笔者认为初期径流应根据降雨对路面的冲刷强度控制更为合理。当降雨强度小时,则对地面的冲刷强度低,需要较长的时间对路面进行冲刷,才能使路面污染物指数变低。反之,当降雨强度大时,则对地面的冲刷强度高,较短的时间就能使得路面污染物指数变低。为了便于工程设计应用,我们必须确定所需分离的初期雨水量的值,将其值作为城市道路路面径流分流制下雨水泵站选择初期雨水泵的设计参数,和城市道路路面径流合流制污水地下调节水池或收集公路初期路面径流的初期雨水调节池容积规模设计参数。假设所需分离的初期雨水量为Q,其占一次降雨量的百分比为R。如暴雨强度公式为:q=167A1×(1+ClgP)(t+b)n(2)q=167A1×(1+ClgΡ)(t+b)n(2)式中:q为设计暴雨强度,L/(s·hm2);P为设计重现期,a;A1、C、n、b为参数,根据统计方法进行计算确定;t为降雨历时,min,其中t=t1+m×t2,t1为起始管道地面集水时间,取15min,m为折减系数,t2为沟、管道内雨水流行时间,min。则在一定的设计重现期下,降雨量计算公式为:Q1=q×Ψ×F(3)式中:Q1为雨水设计流量,L/s;Ψ为雨水迳流系数;F为汇水面积,hm2。则所需分离的初期雨水量为:Q=Q1×R(4)降雨强度q分别与设计重现期限P、降雨量Q1成正比,则P与Q也成正比。因此,降雨强度直接决定降雨初期雨水量Q的界定。那么,在确定Q值前应首先要确定R值,当降雨强度大时,R值就小,反之则大。当降雨强度小到一定程度时,即使本次降雨的整个过程的水量,也不能使路面冲刷干净。分析图1调查数据,由当时的降雨强度,根据西安市的暴雨强度公式,反算得出当P=0.7、R=31%时,可冲洗路面污染物总量的60%左右。当P一定时,R值越大,工程投资越大,对环境的危害就越小,由于在工程设计中,设计重现期一般取P=1,经换算笔者提出取P=1,R=20%,作为分离的初期雨水量Q值的计算参数。各地可根据各地不同的经济、雨水量、交通量、车型种类、路面清洁状况等分析后选用不同的值。4城市路面雨水城市道路的路面径流,可利用城市的污水管道,将初期雨水送入城市污水处理厂进行处理,可保证最终的处理效果。对远离城市的公路而言,因为雨水中含有的污染物浓度都比较低,可使用一些简单的处理方法便可以达到较理想的结果,如一般可以采用接触过滤加消毒的工艺。也可以根据雨水收集点附近的特点,采用芦苇床自然处理系统、天然湿地、人工湿地等生态方法进行初期雨水的处理。收集处理后的城市路面雨水,可利用城市中的河道进行贮蓄,并可用于绿化、城市清洁、维持水体景观、洗车、洗厕所、回灌地下水等方面。处理好的非城市道路初期雨水,可根据雨水和道路附近的特点,也可用于上述方面,同时水质合适的雨水还可以用于当地的农业灌溉。地面径流污染实际上