盧洋暘，胡希佳

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津市300384）

1 研究背景

初期雨水，是指降雨初期時雨水溶解了空氣中的大量污染性氣體，降落地面后形成明顯的徑流沖刷作用，使得前期雨水中含有大量的污染物質(zhì)經(jīng)市政雨水管道排入河道水體，對環(huán)境造成了一定程度的污染。越來越多的城市利用初期雨水調(diào)蓄池收集初雨，輸送至污水處理廠集中處理以降低初雨對地表水體的污染。初期雨水棄流量直接關(guān)系到雨水調(diào)蓄池的規(guī)模，而初期雨水棄流量的影響因素有著隨機性和復(fù)雜性的特征，主要包括：下墊面類型、降雨量、降雨雨型、沖刷特征、降雨初期污染物濃度等。因此決定了初期雨水棄流量尤為重要。

2 工程概況

河北雄安新區(qū)安州特色小城鎮(zhèn)，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年平均氣溫11.9℃，平均年降水量為522.9mm。本區(qū)構(gòu)建全過程雨水徑流污染控制系統(tǒng)。排水體制采用雨污分流制。雨水就近排入河道，為避免初期水質(zhì)較差的雨水排入河道后污染河水，雨水入河之前將初期雨水棄流，并通過沿河新建d400~d600初雨截流管道輸送至初期雨水調(diào)蓄池進(jìn)行儲存調(diào)蓄，最終將其排入污水管道并送入下游污水處理廠處理。在河道排口之前共設(shè)置11座分流井，收集初期雨水進(jìn)入調(diào)蓄池。分流井的工作原理為：晴天時無降雨，分流井不工作。降雨開始時，雨量計會判斷初期雨水的降雨量，同時井內(nèi)設(shè)置污染物在線檢測儀，判斷水質(zhì)污染物濃度，讓初期雨水通過初期雨水截流管進(jìn)入初雨調(diào)蓄池，當(dāng)雨量計判斷初雨結(jié)束后，SCADA控制中心控制分流井閘門關(guān)閉，同時打開堰門，后期雨水直接排入自然水體。初期雨水經(jīng)過分流井分流至調(diào)蓄池后，有效削減了初期雨水?dāng)y帶的污染物對河道的污染（見圖1～圖3）。

圖1 初期雨水截流管網(wǎng)布置平面圖

依據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》（試行），該地區(qū)屬Ⅰ區(qū)，規(guī)劃年徑流總量控制率不低于85%，年徑流污染控制率（以SS計），不低于70%。

3 計算方法

本次研究采用以下三種計算方法，進(jìn)行比對互校，最終確定本地區(qū)的初期雨水棄流量。

圖2 初期雨水截流系統(tǒng)服務(wù)范圍圖

圖3 初期雨水截流工藝流程圖

3.1 方法一

采用調(diào)蓄容積法，依據(jù)《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》（GB51174），調(diào)蓄容積一般以單位面積調(diào)蓄深度為計算基礎(chǔ)，本工程調(diào)蓄容積由式（1）計算：

式中：V為有效調(diào)蓄總?cè)莘e，m3；H為初期雨水棄流量，mm；F為匯水面積，hm2；Ψ為徑流系數(shù)，取0.6。

一般初期降雨前4～6mm屬于重度污染，6～10mm屬于中度污染，10mm以后屬于輕度污染，一般控制量在4～8mm可控制60%～80%的污染量[1]。國內(nèi)研究得出，建立在極限強度理論假設(shè)條件的基礎(chǔ)上，受區(qū)域下墊面不同、管道流行時間不同，造成區(qū)域內(nèi)各點的初期雨水到達(dá)調(diào)蓄池的時間不同，可能摻雜潔凈雨水也有可能初期雨水并未收集完全[4]，研究認(rèn)為在初期雨水匯流時間t內(nèi)，η曲線表示棄流的初期雨水占初期雨水總量的百分比，其隨t增加而增大，見式（2）；ζ曲線表示調(diào)蓄池的有效利用率，其隨t增加而降低，見式（3）。η和ζ曲線的交點可得出初期雨水去除率與初期雨水收集率相等時的匯流時間t1。初期雨水量W1見式（4）；潔凈雨水量化W2見式（5）。W1和W2曲線的交點得出匯流時間t2，超過該時刻，W1將增速緩慢，而W2將明顯增大[4]。

式中：h為初期雨水厚度，mm；tb為匯流面積F上最遠(yuǎn)端的雨水集流到末端排出口所需時間，min；t為某降雨強度i下，初期雨水厚度h降落時間，min，一般情況下，tb＞t；τ為降雨時間內(nèi)，調(diào)蓄池貯存雨水時間，min；W1為初期雨水量，m3；W2為潔凈雨水量，m3；Qs為初期雨水厚度h降落時間k內(nèi)，初期雨水總匯流時間T和場地的雨水設(shè)計總流量，m3/s。

雄安安州地區(qū)為新建城區(qū)，污染程度不嚴(yán)重，采用試算法，計算參數(shù)取初期雨水厚度4mm，3a重現(xiàn)期，地面集流時間tb=15min，以1#排河口處分流井為例，匯水面積2.01hm2，利用計算機編程計算得，t1發(fā)生在7.38min時刻，污染物去除率為65.4%，t2發(fā)生在8.61min時刻，污染物去除率為71.3%。而t1時刻為棄流池去除率的下限值，t2時刻為棄流池去除率的上限值。經(jīng)計算，取初期雨水棄流量為4mm，當(dāng)t2=8.61min時，符合年徑流污染控制率（以SS計），不低于70%的要求。因此整個排水系統(tǒng)需要的初期雨水調(diào)蓄池有效容積為V=3552.00m3，各排河口處分流井的初期雨水量見表1。

表1 各排河口處分流井的初期雨水量

3.2 方法二

采用暴雨強度法，在平均降雨量較大的7月～8月中的某一天，對區(qū)域內(nèi)進(jìn)行采樣，采樣點分布于11處雨水排河口處。監(jiān)測污染物SS、TP、TN、MH3-N濃度[3]，監(jiān)測方法采用虹吸式雨量計置于空闊草地中進(jìn)行雨水采集，按降雨歷時2，5，10，15，20，25，30，35，40，50min，在實驗室內(nèi)進(jìn)行試劑滴定得出各種污染物濃度，從而得出上述4類雨水中的污染物濃度隨降雨歷時變化的規(guī)律。得出各類污染物隨降雨歷時的變化各有差別，但總體上，在降雨初期10～15min呈現(xiàn)快速下降趨勢，而后的15～25min有微小上升趨勢，最終趨于穩(wěn)定[2]，見圖4、圖5。

圖4 TP、NH3-N、TN隨降雨歷時變化趨勢

圖5 SS隨降雨歷時變化趨勢

因此，綜合考慮，取前10min雨水量作為初期雨水，進(jìn)入調(diào)蓄池。

（1）雨水設(shè)計流量計算公式式中：Q為雨水設(shè)計流量（L/s）；Q為設(shè)計暴雨強度（L/s·hm2）；Ψ為徑流系數(shù)；F為匯水面積（hm2）。

（2）暴雨強度公式采用雄縣暴雨強度公式

當(dāng)設(shè)計重現(xiàn)期P取3a一遇時，暴雨強度為162.54L/s.hm2，取前10min雨水量為初期雨水，進(jìn)入調(diào)蓄池。由此，計算初期雨水棄流量為6495.07m3。

3.3 方法三

利用SWMM模型分析法，依托鴻業(yè)暴雨排水及低影響開發(fā)模擬系統(tǒng)V5.0的污染物積累模塊、土地性質(zhì)細(xì)分模塊、污染物沖刷模塊模擬單次降雨時段內(nèi)，對指定土地利用類型污染物的沖刷過程，實時模擬產(chǎn)流、匯流過程中地表產(chǎn)生的水污染負(fù)荷量。

本次針對安州地區(qū)服務(wù)范圍內(nèi)11個排河口，將其劃分為11個匯水分區(qū)，雨水管網(wǎng)定義為124個雨水檢查井和66條雨水管線。以SS為例，采用雄縣暴雨強度公式及芝加哥雨型、輸入污染物表達(dá)式和演算步長，通過軟件內(nèi)置指數(shù)衰減函數(shù)，生成每個排河口的污染物濃度隨降雨量的變化衰減曲線，從而定量初期徑流棄流量。單元定義界面見圖6。

圖6 單元定義界面

對方法一、二的調(diào)蓄池容積不同結(jié)果進(jìn)行演算校核，擬定調(diào)蓄池的規(guī)模為0.20；0.35；0.40；0.50；0.65；0.80萬m3，通過這6種不同工況下的SWMM模型模擬初期雨水截流流態(tài)，保證圖1所示的截流干管中的初期雨水順暢的排入至調(diào)蓄池內(nèi)。選取3a一遇2h累計降雨量為95.70mm，得出這6種調(diào)蓄池規(guī)模各自對應(yīng)的蓄水曲線和污染物曲線，從而生成調(diào)蓄容積和污染物去除率的變化趨勢圖，見圖7。由圖7可知，污染物去除率隨調(diào)蓄池容積的增大而顯著增大，當(dāng)調(diào)蓄容積超過0.46萬m時，污染物去除率滿足70%的要求。當(dāng)調(diào)蓄容積超過0.6萬m3時，污染物去除率的增長趨勢趨于平穩(wěn)。當(dāng)調(diào)蓄容積為0.46萬m3時，調(diào)蓄池SS污染物濃度在約15～20min時到達(dá)峰值，見圖8。

圖7 調(diào)蓄池容積與污染物去除率的變化趨勢

4 初期雨水調(diào)蓄池容積的確定

圖8 調(diào)蓄容積為0.46萬m3的污染物去除率變化趨勢

通過三種方法分別得出調(diào)蓄池容積分別為3552.00m3、6495.07m3、4600.00m3。方法一結(jié)果偏小，原因是每個排口處的分流井分別達(dá)到去除效率的最佳值，但未計截污干管內(nèi)流行時間，導(dǎo)致各排口排入截留干管再排入到調(diào)蓄池時，SS污染物濃度峰值約延后到15～20min時才到達(dá)；方法二結(jié)果偏大，原因是設(shè)計降雨歷時內(nèi)用平均的降雨強度，而實踐證明極限強度理論在小流域是更為適用的。因此，最終確定，采用方法三按照雄縣暴雨強度公式，取3a一遇2h雨強，雨水調(diào)蓄池容積為4600.00m3，初期雨水棄流量為5.18mm。

5 結(jié)語

通過上述三種方法，得出以下結(jié)論：

（1）污染物實測濃度與模擬濃度變化趨勢大致一致。模型算法可更準(zhǔn)確的反映水質(zhì)變化趨勢。

（2）采用swmm模型分析法，一定程度減小了調(diào)蓄規(guī)模，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，此方法為截流調(diào)蓄系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計提供科學(xué)參考。

本文對初期雨水的棄流量進(jìn)行淺析，在實際工程中影響初期雨水棄流量的因素更為復(fù)雜，降雨季節(jié)性強，空間分布差異大。應(yīng)因地制宜，結(jié)合各城市的排水防澇綜合規(guī)劃、海綿城市建設(shè)專項規(guī)劃，根據(jù)區(qū)域所處下墊面實際情況，多點布控，長期監(jiān)測，從而掌握雨水過程中各類污染物質(zhì)在不同時段不同區(qū)域的變化規(guī)律，從而分析合理的初期雨水棄流量。