初期雨水调蓄池运行效率的计算机模型评估

第 23卷 第 18期
行参数率定 ,故参考已运行的上海市真如排水系统 模型的验证结果进行设置 ,参数见表 2。
表 2 模型产流表面参数的设置 Tab. 2 Simulation parameters of runoff surfaces
霍顿渗透系数
产流表固定径曼宁粗初期损
面划分流系数糙系数 失 /m
注 : 截流模数指排水系统单位面积的截流能力 。
初期雨水调蓄池所截流的道路冲洗水和雨水用
泵排入污水管道 。根据世博园浦东片区污水排放系
统现状 ,若在暴雨期间向所在区域污水管 (南干线 ) 输送初期雨水 ,会对已面临超载的合流污水输送管 道造成更大的压力 。因此 ,调蓄池截流的初期雨水 需在降雨结束后 ,待合流污水管道有空余容量时用 截流泵排空 。
评价调蓄池对面源污染负荷的削减效果可根据
当地降雨特性及调蓄池参数 ,利用概率分布函数进 行统计分析 [ 2 ] , 也可采 用计 算机 模型 进行 长期 模 拟 。笔者利用排水系统水力模型对上海世博园区的 规划雨水系统进行了水力模拟 ,以评价初期雨水调 蓄池控制城市面源污染的长期效果 。
1 上海世博园区初期雨水调蓄池规划
初期雨水污染是城市面源污染的主要组成部 分 ,在地表高污染负荷的高度城市化地区 ,即使采用 分流制排水系统 ,初期雨水的直接排放也将对受纳 水体造成严重损害 [ 1 ] 。为了迎接 2010 年上海世博 会 ,保护黄浦江水体的景观 ,世博园区采用了分流制 雨水系统 ,并建造初期雨水调蓄池削减初期雨水的 污染 。
(1. 同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室 , 上海 200092; 2. 上海市水务 规划设计研究院 , 上海 200232)
摘 要 : 利用排水系统水力模型对上海世博园区的规划雨水系统进行了水力模拟 ,评价了初 期雨水调蓄池控制城市面源污染的长期效果 。结果表明 :按照调蓄容量为 30 m3 / hm2 的设计标准 , 在上海市平水年降雨条件下 ,调蓄池每年能够拦蓄约 50%的雨水径流量 ;在分流制雨水系统具有 一定初期效应的情况下 ,上述初期雨水调蓄池污染物的去除率为 42. 9% ～67. 4% ;对于半分流制 系统 ,在降雨期间允许向污水总管截流初期雨水的条件下 ,调蓄池具有更高的截流比例 。 关键词 : 初期雨水 ; 面源污染 ; 调蓄池 ; 水力模型 ; 长期模拟
200232, Ch ina) Abstract: Hydraulic model for drainage system was used to hydraulically simulate the p lanning rainwater system in Shanghai EXPO area, and evaluate the long2term efficiency of initial rainwater deten2 tion tanks for controlling urban non2point pollution. The result show s that according to the design standard of 30 m3 / hm2 , the detention tanks can annually intercep t about 50% storm runoff under average annual rainfalls in Shanghai. W hen the separate rainwater system has a certain initial effect, the pollutants re2 moval rates of the detention tanks are between 42. 9% and 67. 4%. For the sem i2separate system , if in2 tercep tion is allowed during rainfall, the detention percentage is higher. Key words: initial rainwater; non2point pollution; detention tank; hydraulic model; long2 term sim ulation
参数值按模型默认值及上海住宅小区的实际管 道布设情况进行设置 ,结果见表 4。
表 4 模型蓄水补偿参数设置 Tab. 4 Setting of water storage compensation parameters
属性 每所房屋面积 /m2 路面假设连接管服务面积 /m2 屋面假设连接管服务面积 /m2 假设连接管管径 /mm 假设连接管充满度 假设连接管最小长度 /m 蓄水补偿的分配
① 径流体Fra Baidu bibliotek模型
a. 不透水表面采用固定径流系数模型 。初期雨 水径流损失之后的径流量与前期状况无关 ,为固定 值 ,取净雨量的固定百分数用于不透水区域的产流 计算 。
b. 透水表面采用霍顿渗透模型 。霍顿渗透模型 为经验公式 ,用于透水表面和半透水表面的产流计 算 ,主要参数有初始下渗率 、稳渗率和衰减率 。
根据对上海市近 20年时降雨资料的分析 ,以 2 h作为划分两场降雨的最短时间间隔 ,将雨量 > 0. 5 mm 的降雨算作一场降雨事件 ,得到降雨特性的统 计平均值 。比较可知 , 1991 年的降雨量和降雨场次 与平均值最接近 。因此 ,依据 1991年全年降雨实测 数据 ,在模型中输入每 5 m in的降雨强度用以评估 调蓄池的年运行效率 。
area of EXPO
雨水系统
1#
2#
3#
服务面积 / km2
1. 2 2. 63 1. 0
泵站规模 / (m3 ·s- 1 )
10. 7 21. 5 9. 8
调蓄体积 /m3
3 250 7 100 2 700
截流模数 / (m3 ·s- 1 ·km - 2 ) 0. 13 0. 11 0. 15
上海世博园区排水规划采用初期雨水调蓄池控 制初期雨水对黄浦江的污染 ,由于我国规范中没有
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对分流制排水系统初期雨水调蓄池的容积进行规
定 ,故规划中参考德国废水协会“ATV A rbeitsblatt A 128 1992 ”标准 ,不透水地面调蓄雨水量按 30 m3 / hm2 计算 。
第
23卷 第 18期 2007年 9月
CH
中国给水排水
Vol. 23 No. 18
INA WATER & WASTEWATER
Sep. 2007
初期雨水调蓄池运行效率的计算机模型评估
谭 琼 1 , 李 田 1 , 张建频 2 , 时珍宝 2
初渗率 / (mm·h - 1 )
稳渗率 / 衰减 (mm·h- 1 ) 率 / h - 1
路面 0. 8 0. 025 0. 002
屋面 0. 9 0. 014 0. 001
渗透面
0. 45 0. 006 200
12. 7
2
根据世博园规划 ,用地划分为 3种类型 ,各类用
地的产流表面组成比例见表 3。
② 汇流模型
选用美国环保局暴雨管理模型 SWMM 的汇流 方法 ,该方法采用运动波方程和非线性水库法计算 流入节点的流量过程线 [ 4 ] 。
③ 管道水力模型按圣 ·维南方程组求解 。 212 降雨数据
初期雨水调蓄池的调蓄能力和去除污染物的长 期效果同当地的降雨特性有很大关系 。对于每场降 雨事件 ,降雨量 、降雨间隔以及调蓄池可用容积 (受 剩余水量影响 )都是随机变化的 ,这就导致了每场 降雨中调蓄池的调蓄水量及其在径流总量中所占比 例也是变化的 。因此 ,不能由单一的降雨事件来评 价调蓄池的运行效果 。选择与平均水平年相当的年 实际降雨数据 (包括了一年中大雨 、小雨的分布和 数量 )进行模拟 ,可对调蓄池的年运行效果进行较 准确的评估 。
根据上海常年平均降雨量和蒸发量设置降雨初 期状况 ,城市集水区湿度指数取 110,蒸发量考虑季 节变化性 ,分别取 1. 7～6. 4 mm / d。 213 调蓄池的设置
模型中采用具有蓄水性的节点来模拟调蓄池 , 堰作为调蓄池的进水连接方式 。根据污水处理二期 工程南线的实际运行情况 ,为避免降雨时截流的雨 水对下游污水输送系统造成更大压力 ,调蓄池出水 设置为待降雨结束后启动截流泵将初期雨水输送到 污水管道 。模型中调蓄池截流泵采用实时控制方案 进行启闭控制 ,通过堰的调节截流小雨时所有的径 流 ;大雨时截流污染最严重的初期雨水 ,多余径流经 管道进入雨水泵站的前池 。前池水位超过调蓄池最 高允许水位时 ,启动雨水泵将超过调蓄容量的径流 排入黄浦江 。 214 产流参数
将产流表面划分为 3种 ,路面与屋面为不透水 表面 ,产流公式采用固定径流系数法 ;渗透表面采用 霍顿渗透公式计算降雨产生的渗透量 。由于上海世 博园排水系统为新建系统 ,没有实际的测定流量进
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谭 琼 ,等 :初期雨水调蓄池运行效率的计算机模型评估
自定义值 500 300 70 200 0. 5 5
上游节点
2 模型设置
采用英国 W allingford公司开发的 InfoWorks CS 排水管网模型 ,结合上海世博园浦东片区的排水规 划 ,建立包括支管 、干管 、调蓄池 、泵站及其他排水设 施在内的计算机水力模型 ,根据代表性年份的实际 降雨记录模拟结果分析调蓄池的截污效率 。
2 11 模型选用计算方法 研究中采用的水文水力模型如下 [ 3 ] 。
中图分类号 : X52 文献标识码 : C 文章编号 : 1000 - 4602 (2007) 18 - 0047 - 05
Eva lua tion of Com puter M odel for O pera tion Eff ic iency of In itia l
Ra inwa ter D eten tion Tank
表 3 模型用地类型划分
Tab. 3 Land use classification
%
用地类型
场馆 、建筑物 园林绿地 其他
路面 20 8 15
组成比例 屋面 50 2 45
渗透面 30 90 40
2 15 蓄水补偿 管道模型仅考虑了雨水支管与干管 ,没有将雨
水井 、连接支管及街坊管道纳入模型 ,这部分管道及 井深具有的蓄水容量须加以补偿 ,以反映排水系统 的真正容量 。采用 W aPUG user note15 方法自定义 参数进行补偿 [ 5 ] ,该方法假设集水区面积沿管道长 度线性分布 ,无论真实的管道系统如何连接 ,都采用 假设的连接管连接屋面 /路面到模型管道 。
上海世博园区的浦东片区雨水系统按严格的半
分流排水体制设置 ,即雨 、污水管道完全分流 ,分别 设置初期雨水调蓄池和旱流水量截流系统 ;浦东片 区雨水排放系统由 3 组泵排系统组成 ,每组排水系 统设置相对独立的雨水调蓄设施和泵站 。相关雨水
系统情况见表 1。
表 1 上海世博园浦东片区雨水系统的基本情况 Tab. 1 Characteristics of rainwater system s in Pudong
TAN Q iong1 , L I Tian1 , ZHAN G J ian2p in2 , SH I Zhen2bao2
( 1. S ta te Key L ab of Pollu tion Con trol and R esou rce R euse, Tong ji U n iversity, S hangha i 200092, Ch ina; 2. S hangha i W a ter P lann ing, D esign and R esea rch Institu te, S hangha i