调蓄池在区域水系生态治理中的应用

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　　摘要：在串湖流域黑臭水体污染治理过程中，调蓄池起到了合流污水截流及初期雨水面源污染控制的作用。本工程根据汇水分区的划分，共设置11座调蓄池，总调蓄容积为130500m?。调蓄池的设置可最大限度地消减排入河道的污染物，同时对于控制初期雨水带来的面源污染至关重要。
　　關键词：黑臭水体;调蓄池;初期雨水;面源污染
　　中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）01-00-03
　　Abstract：In the process of pollution control of black and odorous water body in the Chuanhu River Basin， the regulating and storage pond plays the role of intercepting the combined sewage and controlling the non-point source pollution of the initial rainwater.According to the division of water catchment area， 11 reservoirs are set up with a total storage capacity of 130500m?.The setting of reservoirs can minimize the pollutants discharged into the river， and it is very important to control the non-point source pollution caused by the initial rainwater.
　　Keywords：Black and odorous watert;Storage tank;Initial rainwater;Non-point source pollution
　　串湖流域水系生态治理工程，是包含海绵城市、点源截污、调蓄、湿地生态处理等一系列措施的系统工程，调蓄池作为串湖流域黑臭水体污染治理的一个子项，承担着合流污水截流及初期雨水面源污染控制的重要功能。根据排水分区的不同，本工程设置了合流制区域调蓄池6座、分流制区域调蓄池5座。调蓄池的实施可以妥善解决长春主城区生活污水在雨季时的收集、处理问题，减少合流水溢流量，减少初期雨水对于串胡流域带来的面源污染，同时可以实现部分雨水的资源化利用，减少生态水资源的消耗。本文着重介绍了长春市不同类型调蓄池建设规模的计算及调蓄池的排空模式，为不同体制排水系统中调蓄池的计算提供了技术支持，并可推广应用于其他城市区域水系生态治理当中。
　　1 概述
　　1.1 调蓄池概述
　　长春市串湖流域总面积80.4km2，建成区面积49.7km2。共跨越两个行政区，分别为绿园区及宽城区;主要涉及三个汇水分区：铁西汇水区、宋家汇水区、小南（串湖）汇水区。根据地形标高、现状管网及汇流情况共分77个小分区，其中雨水散排区6个，分流制排水分区26个，合流制排水分区45个。
　　1 长春公园调蓄池1# 226.2 混合 12500
　　2 长春公园调蓄池2# 282.8 混合 15000
　　3 天嘉公园调蓄池 247.7 混合 14000
　　4 珍珠溪公园调蓄池 193.4 雨水 7000
　　5 杨家公园调蓄池 106.4 雨水 6000
　　6 雁鸣湖水库调蓄池1# 427.9 雨水 15000
　　7 雁鸣湖水库调蓄池2# 137.9 雨水 7000
　　8 小城子水库调蓄池 358 混合 15000
　　9 宋家明沟调蓄池1# 139.3 混合 10000
　　10 宋家明沟调蓄池2# 227.2 雨水 10000
　　11 绿园明沟调蓄池 330.3 混合 17500
　　根据汇水分区的划分，串湖流域共设置11座调蓄池，总容积130500m?，其中属于合流制区域的调蓄池6座，属于分流制区域的调蓄池5座。以上调蓄池主要规模及位置详见表1和图1。
　　1.2 污水处理厂概况
　　目前，串湖流域包括在运行的、拟建的共有3座污水处理厂，即翟家污水处理厂、天嘉污水处理厂及串湖污水处理厂。设计规模见表2。
　　翟家污水处理厂 3.241 0.4468 0.7571 1.1039 1.2986 1（新建）
　　天嘉污水处理厂 8.4870 2.7020 3.1936 4.0335 4.5286 2（现状）
　　2（扩建）
　　串湖污水处理厂 77.5140 8.3990 14.0993 19.3555 23.6022 20（现状）
　　2 调蓄池规模计算
　　2.1 降雨特征分析
　　根据长春地区2004-2015年的年降雨量资料（其中2004-2011年只获得汛期5-9月份的降雨资料），从12年降雨资料可知，平均降雨量为550.33mm，年降雨量极大值为724.7mm（2013年），年降雨量极小值为347.4mm（2009年）。
　　选取2013年降雨数据进行分析，2013年降雨总量为742.7mm，6-8月所下雨量在年总降雨量的占比达63%。
　　2013年总降雨场次125次，总降雨量742.7mm，总降雨时长661h，单次降雨极大值为41.8mm。
　　2.2 合流制区域调蓄池规模计算
　　本工程11个调蓄池中，6个是雨污合流调蓄池。
　　目前，德国、美国、日本等国家已经有了各自成熟的调蓄池计算方法，其中，德国和日本调蓄池设计的目标值都是设定合流制排水系统排放的污染负荷量与分流制排水系统排放的污染负荷量达到相同水平。我国上海合流制调蓄池在研究国外调蓄池计算方法的基础上，结合上海的实际情况，制定了上海的调蓄池计算方法。即先确定污染负荷目标削减率后，反推出系统调蓄池的容积。 　　本工程合流制调蓄池容积的计算方法参考上海合流制调蓄池计算方法，同时根据《室外排水设计规范》（GB50014-2006）2016版中用于合流制排水系统的径流污染控制时，雨水调蓄池的有效容积可用V=3600ti（n-n0）Qdrβ计算。在合流制管网系统中，增加调蓄池可以在雨季时提高系统的截流倍数n0，从而增加截流初期雨污水量。
　　根据本区域服务范围面积、平均旱季污水量，计算出相当于旱季污水量的基准降雨强度，合流制片区为0.23mm/h。根据全年降雨量资料统计不同截流倍数对应的降雨次数、降雨量、降雨历时及截流量占降雨量的比例如图5所示。当截留倍数n取22时，截流量占降雨量的比例曲线出现明显拐点，进一步提高截流倍数则截流效益不明显。由此确定截流倍数n取22。当截流倍数n取22时，全年累积截流降雨量为688.5mm，占全年降雨量的比例为92.7%。
　　合流制调蓄池容积计算表如表3所示：
　　序号 调蓄池名称 服务面积（hm2） 旱季污水量2030（m3/d） 等效降雨强度（mm/h） 管渠流行时间（min） 原截流倍数 计算规模（m3） 设计规模（m3）
　　1 长春公园
　　调蓄池1# 226.2 12344 0.23 16.67 1 12151 12500
　　2 長春公园
　　调蓄池2# 282.8 14931.8 0.22 33.67 1 14698 15000
　　3 天嘉公园
　　调蓄池 247.7 13318.5 0.22 14.44 1 13110 14000
　　8 小城子水库
　　调蓄池 358 19345.5 0.23 47.83 0 14630 15000
　　9 宋家明沟
　　调蓄池1# 139.3 9340.8 0.28 38.33 0 9633 10000
　　11 绿园明沟
　　调蓄池 330.3 17603.7 0.22 29.56 1 17329 17500
　　注：（1）对于进水管上游有截流井的调蓄池，根据截流管道设计参数，原截流倍数n0取1，上游无截流井则n0取0;（2）截流倍数计算法是一种简化计算方法，该方法建立在降雨事件为均匀降雨的基础上，而实际降雨强度，特别是雨季暴雨频发时会远大于平均降雨强度，会导致溢流频率增加，因此1、2、3、9、11号调蓄池安全系数取1.5，小城子水库调蓄池位于水库边，根据因地制宜的原则，考虑用地条件限制，安全系数取1.1。
　　2.3 分流制区域调蓄池规模计算
　　本工程11个调蓄池中，5个是初期雨水调蓄池。
　　国外有研究认为，1h 雨量达到12.7mm 的降雨能冲刷掉90% 以上的地表污染物;同济大学对上海芙蓉江、水域路等地区的雨水地面径流研究表明，在降雨量达到10mm 时，径流水质已基本稳定;国内还有研究认为一般控制量在6～8mm 可控制60%～80% 的污染量。因此，结合我国实际情况，调蓄量可取4mm～8mm;
　　同时根据《室外排水设计规范》（GB50014-2006）2016版中分流制调蓄池主要通过设置调蓄量来控制溢流次数，进一步控制初期雨水面源污染。雨水调蓄池的有效容积可用V=10DFψβ计算。
　　将全年降雨量从小到大排列，统计同一降雨量对应的降雨次数，根据次数累计频率与调蓄量的关系做图，如图6。
　　由图可见，7～8mm段截留次数随调蓄量增加的增长幅度最大，曲线曲率变化最大，因此调蓄量D取8mm，全年截留次数为95次，溢流次数为30次。全年溢流量与截流量随调蓄量变化曲线如图7所示。
　　由图可知，当调蓄量为6～9mm时，对应的截留率及截流量分别为：
　　（1）调蓄量6mm，截流率70.4%，截流量197.4mm/a，占全年降雨量比例26.6%;（2）调蓄量7mm，截流率72.8%，截流量222.8mm/a，占全年降雨量比例30%;（3）调蓄量8mm，截流率76.0%，截流量239.1mm/a，占全年降雨量比例32.2%;（4）调蓄量9mm，截流率78.4%，截流量253.0mm/a，占全年降雨量比例34.1%。
　　即当截流8mm降雨量时，76%的降雨日不会出现溢流，以此类推。
　　分流制调蓄池容积计算表如表4所示：
　　4 珍珠溪公园
　　调蓄池 193.4 0.50 8.00 1.10 8510 8500
　　5 杨家公园
　　调蓄池 106.4 0.60 8.00 1.10 5618 6000
　　6 雁鸣湖水库
　　调蓄池1# 427.9 0.40 8.00 1.10 15062 15000
　　7 雁鸣湖水库
　　调蓄池2# 137.9 0.56 8.00 1.10 6796 7000
　　10 宋家明沟
　　调蓄池2# 227.2 0.49 8.00 1.10 9797 10000
　　总服务面积 1092.8 45783 46500
　　注：（1）根据因地制宜的原则，考虑到建设用地的限制，调蓄池安全系数取1.1。
　　3 调蓄池排空模式
　　雨季降雨较频繁时，调蓄池蓄满水后应尽快放空，综合考虑周围管网敷设情况及受纳污水厂处理能力，合理确定放空方案。考虑到翟家污水处理厂位于系统上游，故调蓄池放空收纳污水处理厂主要为天嘉污水处理厂及串湖污水处理厂。各污水处理厂承担调蓄池清空情况见表5。
　　1 天嘉污水
　　处理厂 4 1.41 5.64 3.19 2.45
　　2 串湖污水
　　处理厂 20 1.3 26 14.1 11.9 　　根据《室外排水设计规范》（GB50014-2006）2016版中调蓄池放空计算方法为t0=V/（3600Q’η）。由此计算得各调蓄池放空时间及放空方案如表6。
　　容积（m3） 排放出路 放空效率 下游设施受纳能力（m3/h）
　　最长放空时间（hr）绿园明沟调蓄池 17500 串湖污水处理厂 0.9 4958.3 26
　　长春公园调蓄池1# 12500 串湖/天嘉污水处理厂 0.9 4958.3 26
　　长春公园调蓄池2# 15000 串湖/天嘉污水处理厂 0.9 4958.3 26
　　天嘉公园调蓄池 14000 天嘉污水处理厂 0.9 1020.8 16.3
　　珍珠溪公园调蓄池 8500 串湖污水处理厂 0.9 4958.3 26
　　杨家公园调蓄池 6000 串湖污水处理厂 0.9 4958.3 26
　　雁鸣湖调蓄池1# 15000 串湖污水处理厂 0.9 4958.3 26
　　雁鸣湖调蓄池2# 7000 串湖污水处理厂 0.9 4958.3 26
　　宋家明沟调蓄池1# 10000 串湖污水处理厂 0.9 4958.3 26
　　宋家明沟调蓄池2# 10000 串湖污水处理厂 0.9 4958.3 26
　　小城子水库调蓄池 15000 串湖污水处理厂 0.9 4958.3 26
　　总调蓄容积 130500
　　4 工程经济指标
　　本工程由于征地拆迁等原因，雁鸣湖调蓄池1#、绿园明沟调蓄池暂无法设计，因此投资仅包含9个调蓄池。本工程调蓄池建安费为26635.16万元，调蓄池造价为2041元/m?。
　　5 工程设计总结
　　（1）通过分析长春地区连续十一年降雨资料确定该地区分流区域、合流区域调蓄池的计算参数。同时针对串湖流域内不同体制排水分区进行分区计算，该方法可推广至其他地区水系生态治理当中。
　　（2）针对下游污水处理厂处理能力确定调蓄池放空时间，利用污水厂低峰期排放调蓄池内储存的雨水。
　　参考文献
　　[1]室外排水设计规范：GB 50014-2006（2016版）[S].
　　[2]張辰.合流制排水系统溢流调蓄技术研究及应用实例分析[J].城市道桥与防洪，2006，8（5）：1-4.
　　收稿日期：2019-11-01
　　作者简介：楚小龙（1988-），男，硕士，工程师，研究方向为市政排水工程设计工作。
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