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            中鐵城際|長江流域平原河網地區合流制排水系統溢流污染特征研究

            新聞時間:2024-05-28 文章來源:網絡 文章作者:admin

                   城鎮面源污染程度主要受降雨條件、下墊面特征、排水體制等因素影響。其中,排水體制在城鎮面源污染中占據重要地位,目前我國多數老城區以合流制排水系統為主,但我國早期的城鎮排水管網設計要求低,如今市政污水排放量的增加,導致排水管網的充滿度增加,甚至達到滿管流狀態。此時降雨期間合流制排水管道內的流量超過其承載能力會發生雨污水溢流現象。

                   在平原河網地區,地勢平緩,城鎮中存在水體流動性不足的現象,污染物易于在管道內淤積。其中長江下游江蘇段和環太湖區域城鎮面源對COD的貢獻占比接近甚至超過生活源,合流制管網溢流污染對城鎮河道水質影響較為嚴重;以常州老城區為例,合流制溢流污染物平均濃度均高于《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)的Ⅴ類標準。因此,當合流制雨污水發生溢流時,會直接排放進入受納水體,造成嚴重污染。本文以常州市金壇區老城區沿河岸不同排口和檢查井為研究對象,分析合流制溢流污染特征和沉積物沖刷規律。


            一、研究區域與研究方法

            1、研究區域概況與采樣點布設

                   江蘇省常州市金壇區,屬北亞熱帶季風性濕潤氣候,年均降雨量為952.7mm。丹金溧漕河全長65.59 km,在金壇區段長30.7 km。所選研究區域在金壇區老城區,范圍如圖所示,面積1.16km2,沿丹金溧漕河河岸兩側,排水體制為截流式合流制。區域內建筑密度大,土地利用類型多,包括居住用地、道路用地、商服用地和公共用地等。在研究區域設置3個溢流口采樣點,其中溢流口-1為區域排水溢流口;溢流口-2主要收集沿岸各商鋪來水;溢流口-3為泵站排水口。下墊面監測點分別代表交通道路、廣場、屋頂和綠地四種用地類型。檢查井監測點為管道末端,主要收集周邊小區排水;管道沉積物采樣也取自該檢查井。

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            2、監測項目與方法

                   現場監測:采用雨量計監測降雨量,計數間隔為5min;流量監測采用LSH10-1QC型超聲波多普勒流速流量儀;水質樣品采集在降雨產生徑流后于各監測點開始以先密后疏的頻次采樣,即5、10、15、30、60、90、120min;水質監測指標包括SS、COD、TP、NH3-N和TN,分析方法分別采用重量法、重鉻酸鉀法、鉬酸鹽分光光度法、納氏試劑光度法和過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法。

                   為探究管道沉積物沖刷規律及其對水質濃度的影響,以合流制管道沉積物為試驗材料進行沖刷模擬試驗。選取管長Lp=50m、管徑Rd=400mm、管段坡度為0.003,計算得匯水面積約為0.03km2。試驗選定長度比例尺λL=62.5、λD=4、變態率k=62.5/4=15.625,遵循變態模型牛頓定律,即實驗室模型Lm=80cm、Rm=100mm,沉積物沖刷試驗反應器結構見圖2。通過比例尺及實際降雨數據來計算低強度降雨、中強度降雨和高強度降雨下對應的管道沖刷流量和流速,驗證對應模型流速雷諾數均滿足紊流狀態和完全紊流狀態的要求。模型流量分別為11.1、15.0和20.8 L/min,按30s、1min、5min、10min、15min、30min和60min的間隔分時段進行采樣,分析沖刷前期、中期和后期沖刷出的顆粒運動形態和沉積物經沖刷水中各污染物濃度。

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            二、結果與討論

            1、溢流雨污水水量變化特征

            本研究于2023年4-7月共采集了3場有效降雨,根據中國氣象局發布的降雨等級劃分標準劃分降雨等級。

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            對所采集的小雨、中雨和暴雨這三場降雨中,溢流口-1、溢流口-2和溢流口-3三個溢流口分別監測到1、3、2次有效溢流。以三場降雨中都存在溢流現象的溢流口-2為例,研究不同降雨等級下的溢流口溢流量變化。 

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                   小雨、中雨和暴雨下溢流口-2從產生徑流開始到發生溢流分別經歷了約20、10和6min,可知出現溢流現象的用時與降雨等級呈負相關性。同時,降雨強度的分布影響著溢流水量存在單峰或多峰的問題。小雨等級的降雨強度較小且分布較為均勻,溢流雨污水量呈單峰現象,在產生徑流后30min形成4.1×10-4m3/s的峰值后逐漸變??;中雨等級下,雨強分布不均勻,溢流水量呈現多峰現象,在徑流產生后50min形成1.83×10-3m3/s的峰值后呈下降趨勢,后又在80min時形成2.38×10-3m3/s的峰值,隨后逐漸減小至與最初點幾乎平齊,且降雨發生時正值用水高峰階段,水量不穩定,也是溢流水量呈多峰的原因;暴雨等級下,在產生徑流20min時降雨強度突增達到最大值,隨后溢流水量達到峰值,約為0.1m3/s,45min后降雨強度大幅度下降,溢流水量也呈大幅度下降趨勢,最后保持平穩狀態。

                   降雨落在下墊面后流入合流制管道需要一定的匯集時間,且匯入到管道中的混合雨污水到溢流口同樣需要時間,因此溢流水量的峰值相較降雨強度的峰值有一定的滯后性。小雨等級下降雨強度變化較小,不易看出二者峰值之間的關系;中雨等級下降雨變化幅度較為明顯時段為25~35min內,溢流量增幅于35~50min增幅顯著;暴雨等級下降雨量變化幅度在20~30min較為明顯,而溢流量增長幅度較為明顯階段為35~50min內。由此可以得出,在研究區域合流制管網中,溢流量峰值較降雨強度峰值滯后約5~15min,整體存在滯后性但滯后時間不長,這是由于研究區域為管網密集區域,且管道長度短,匯流時間較短。

                   對于溢流水量控制,主要有提高管道截流倍數、構建調蓄設施或進行深層隧道調蓄等方式。其中,構建調蓄設施進行水量調節可將超出管道承載負荷的雨污水引入到調蓄池進行短時間存放,使下游管網中的雨污水入流量降低,對其流量峰值起到延緩作用。由于溢流峰值發生時間主要集中于降雨強度峰值后約5~15min,因此對于水量的調蓄應重點控制降雨峰值后5~15min的水量。


            2、溢流雨污水水質變化特征

                   不同降雨等級下各溢流口的水質數據見下圖,橫線為旱天水質。由下圖可知,小雨等級下溢流雨污水絕大部分污染物濃度為最高值,且SS濃度高于生活污水,這是由于降雨徑流沖刷地表和管道沉積物導致大量顆粒物進入水體,而降雨量較少,稀釋作用遠小于沖刷作用所導致的;中雨的絕大部分污染物濃度要低于小雨、而大于暴雨,這表明中雨等級下的降雨對溢流水質的影響相對較緩,持續的降雨徑流匯入使得沖刷作用長期占優,同時匯入的雨水又不足以稀釋這部分污染物。除此之外,中雨前期干旱天數相對較長(12 d),下累積污染物含量較高,導致降雨后沖刷出的污染物濃度也高;暴雨等級下的溢流雨污水的各污染物濃度均為最低值,這說明降雨量較大的降雨事件中大量雨水的匯入,使得稀釋作用遠遠大于對地表和管道沉積物的沖刷作用,導致污染物濃度偏低。并且暴雨發生時前期干旱天數較短,導致累積污染物較少。

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                   同時,溢流雨污水的EMC值是整個降雨過程中所有瞬時污染物濃度對流量的加權平均值。表2為三場不同降雨等級下的溢流口水質監測EMC值。由下表可以看出,整體上隨著降雨等級的增大,有溢流現象的溢流口數量增加。而溢流口-2不論哪種降雨都有溢流現象,分析有以下兩方面原因:一是旱天時該部分管道已接近滿管流,因此只要降雨事件發生,管道內部雨污水量就會超過管道的承載負荷能力,產生溢流現象;二是由于管道存在錯接問題,導致該溢流口一直存在出水現象,降雨事件發生溢流水量隨之加大。實地調查發現該溢流口在旱天有時存在出水現象,是由于管道存在錯接問題多導致。每個溢流口的污染物EMC值存在一定程度的差異,但小雨、中雨下污染物EMC值偏高,這也印證了前文所提到的小雨、中雨沖刷作用較為明顯,大雨的稀釋作用顯著。為探究溢流雨污水水質與不同降雨強度的關系,分析溢流口與降雨強度的溢流水質變化,并與每場降雨事件中的降雨強度進行比對。

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                   由上圖可以看出,小雨等級下在降雨強度較高的20~30min內,由于沖刷地表顆粒物和管道沉積物導致各污染物濃度呈明顯上升趨勢,而到了降雨中后期,下墊面被沖刷的較為干凈,管道沉積物也被沖刷到逐漸穩定,匯入管道的徑流雨水會對管道內雨污合流水起到一定的稀釋作用,導致中后期污染物濃度低于初期。

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                   由上圖可見,中雨等級下兩個不同溢流口的水質峰值均在20~35min,是降雨強度相對較強的階段,但相對于10~20min的較強降雨階段是有一定的滯后的,甚至在降雨中后期污染物又呈現緩慢上升狀態,這主要有兩方面原因。一是由于降雨在下墊面后匯集到管道需要一定的時間,并且匯入到管道中的雨污水匯到溢流口處同樣需要一定的時間,因此溢流口的出水水質變化相對于降雨強度的變化有一定的滯后性;二是降雨事件發生的時期為居民用水高峰階段,對水質變化有一定的影響。

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                   由上圖可以看出,在強降雨(15~40min)條件下,溢流出水的水質變化波動范圍大,污染物濃度上升趨勢不顯著,這是由于以下兩方面因素:一是降雨強度波動較大,致使沖刷作用與稀釋作用互相抗衡,污染物濃度無顯著規律;二是由于這場降雨的前期干旱天數較短,僅為一天,地表累積污染物濃度較低,致使由于前期沖刷作用導致的出水污染物濃度上升趨勢不明顯。但在降雨中期(40~60min),有的污染物濃度呈上升趨勢,降雨后期(80~100min),溢流口-2、溢流口-3均出現污染物濃度上升情況,這是由于前文所述的溢流口的出水水質變化相對于降雨強度的變化有一定的滯后性。

                   綜上,無論哪場降雨,合流制管道溢流口在降雨事件發生約20~30min后會有較高污染。因此其控制對策需重點考慮處理第一個雨峰發生后產生的溢流污染。針對超過管網承載能力已產生的合流制溢流雨污水,應設置溢流調蓄池收集,然后根據當地條件或選擇就地處理,或排入污水處理廠。


            3、溢流口源解析

                   降雨事件發生時合流制排水管道中雨污水中的主要污染物來源于降雨徑流、生活污水和管道沉積物的沖刷。采用質量守恒法對不同降雨等級下溢流雨污水中的污染物來源進行解析。日常污水負荷通過監測旱天生活污水的水量水質所得;雨天徑流負荷通過監測不同下墊面徑流雨水中的污染物濃度計算出EMC值,并通過綜合徑流系數法來計算;管道沉積物沖刷負荷則利用溢流排口總負荷與日常污水負荷和降雨徑流負荷的差值來計算,各污染源的貢獻如下圖所示。

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                   由上圖可知,生活污水的貢獻比例隨著降雨等級的增加而降低,SS、COD、NH3N、TN和TP分別下降11%、26%、49%、32%、19%。這是由于隨著降雨等級的增加,地表及管道沉積物沖刷都會攜帶更多的污染負荷,但生活污水負荷的產生只與子匯水區域產生的生活污水水質水量有關,因此其占比相對來說是呈現降低趨勢的。對于徑流雨水來說,由于降雨等級越大沖刷出的地表污染物和管道沉積物越多,這就導致其貢獻比例越大。而管道沉積物沖刷對于SS、COD、NH3-N、TN和TP的貢獻比例增加了16%、45、32%、29%、27%和16%。這是由于降雨等級增大,水流的較強沖擊力會沖起大量的管道沉積物進入水體,導致溢流口由沉積物產生的污染負荷增大。這與李海燕等人對管道沉積物沖刷對出水水質的貢獻率比例約55.2%所得結論一致。有研究發現,合流制管道溢流產生的污染總量來自管道沉積物沖刷的污染負荷占30%~80%。因此,在合流制排水系統中,降雨等級和人們的生活用水習慣導致管道中雨污水的流速流量的變化,會使得管道沉積物中的污染物再次釋放到水體中,對水環境造成污染。


            4、沉積物的沖刷形態及其對出水水質的影響

                   為探究降雨發生時對合流制管道沉積物的沖刷程度,以當地采得的管道沉積物為試驗材料,并以滿足要求的比例尺對實際管道進行放縮后,模擬管道沉積物沖刷過程。觀察到合流制沉積物顏色以黑色為主,整體結構較為松散,含水率較高,有較強顆粒感,碎石、碎塑料等硬質大顆粒雜質較多。


            (1)各強度降雨導致管道沉積物沖刷形態差異

                   觀察沖刷前后的沉積物形態,發現在不同強度沖刷下的共同特征是管道前部受沖刷作用最明顯,且厚度變化最顯著。這是由于管道前部受水流的沖擊力較大,且前部的沉積物與中部沉積物相比本身較為松散,因此更容易被沖刷掉。

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                   低強度沖刷下,前期表層沉積物被沖刷,渾濁時長約3~4s,中期有少量沉積物由顆粒狀轉化為塊狀逐段脫落,后期由于沉積物狀態相對穩定,導致無明顯顆粒物被沖刷。在沖刷過程中顆粒物呈階段交替式運動,即顆粒物基本不會被水流攜帶直接沖出管道,而是被沖起一小段距離后,又會再次落到沉積物表面,這樣階段交替運動。沉積物沖刷前后整體厚度無明顯變化。

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                   中強度沖刷下,前期顆粒物逐層脫離沉積物表面,渾濁時長約5~6s;中期有較多沉積物由顆粒狀轉化為塊狀逐段脫落;后期由于沉積物狀態相對穩定,導致無明顯顆粒物被沖刷。沉積物顆粒物階段交替式運動較低強度沖刷更為明顯。沉積物沖刷前后厚度差約為0.2~0.3cm。

                   高強度沖刷下,前期沉積物被強力沖起,且持續時間較長,渾濁時長約10s;中后期沉積物基本穩定,對一定流速下的水力沖擊有抵抗力。顆粒物階段交替式運動最為顯著,且運動頻率高、距離長。沉積物沖刷前后厚度差約為0.5cm。


            (2)沖刷過程中合流制管道末端出水水質變化特征

            在低強度、中強度和高強度沖刷條件下,監測SS、COD、NH3-N、TN和TP濃度,結果如圖。

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                   從初始沖刷(30s~1min)污染物濃度差異來看,高強度沖刷下的各污染物濃度均大于低/中強度的污染物濃度,尤其是SS,高強度沖刷下濃度達167mg/L,比低/中強度下濃度高約80~90mg/L,說明高強度沖刷水流流速快、沖擊力強,導致沉積物表面松動的大、小顆粒沉積物極易被沖走。

                   從污染物濃度峰值出現時間來看,沖刷強度低的首個峰值出現時間相對滯后。低強度沖刷下約10min左右出現峰值,中強度沖刷下峰值出現時間大約在1~5min左右,高強度沖刷條件下的峰值是在≤1min出現。這表明在低降雨強度下沖刷作用較弱,在初期難以攜帶較多的顆粒物進入水體,而隨著降雨強度的增加,沖刷作用逐漸增大,大量顆粒物開始被水流攜帶至管道末端,污染物濃度大,而沖刷強度大也意味著水流流速快,致使首個峰值出現時間短。

                   從沖刷的整體過程來看,各強度沖刷下污染物濃度基本呈現先升高后下降的趨勢。在低強度沖刷下,只有SS 和TP整個過程中平均濃度低于中/高強度,為61mg/L和0.018mg/L,表明低降雨強度下沖刷作用較弱,難以攜帶較多顆粒物進入水體;而COD、NH3-N和TN平均濃度高于中/高強度,表明一定降雨強度下沖刷對水體有擾動,加強了溶解性污染物在固-液界面中的交換,也反映出TN更傾向于以溶解態形式存在;在中強度沖劑下SS含量位于低強度沖刷與高強度沖刷之間,而在降雨中期甚至高于高強度沖刷,表明在該階段沖刷作用占優勢,同時后匯入的水又不足以稀釋含氮類溶解性污染物,使得中后期含氮類污染物甚至高于高強度;在高強度沖劑下各污染指標均在10~15min左右出現第二個峰值,這是由于沖刷強度大,呈階段交替式運動的顆粒物在這時間段運動更為活躍,有更為松散的塊狀污染物被沖出,導致濃度上升。

                   綜上,管道沖刷出的沉積物對徑流中污染物含量的貢獻率較高,平均貢獻率約為46.5%,最高達83.5%。因此,對管道定期清淤可降低降雨溢流污染。


            三、結論

            1、對研究區域不同強度降雨事件中溢流污染的監測結果表明,部分管網承載能力處于滿負荷狀態,即累積降雨量≥2mm就會產生溢流。整體來看溢流污染程度受旱天管道基底值、場次降雨量、降雨歷時等多種因素影響。

            2、溢流水量變化過程存在單峰或多峰現象受降雨等級、降雨強度和居民用水高低峰時段的影響,且由于雨污水匯流需要一定的時間導致溢流水量的峰值相較降雨強度的峰值有一定的滯后性。因此對于水量的調蓄應重點控制降雨峰值后5~15min的水量。

            3、溢流污染濃度與前期干旱天數、排口性質、降雨等級與降雨強度有直接聯系;污染物濃度變化基本均呈先上升后下降趨勢,各等級降雨下的溢流口在降雨峰值出現后滯后一段時間會有較高污染。

            4、管道沉積物對溢流污染貢獻率占比約為50%。在沖刷過程中顆粒物呈階段交替式運動,且運動幅度隨降雨強度增大而增大。不同強度下的沖刷形態共同特征是管道前部受沖刷作用最明顯;且在水質方面沉積物對溢流雨污水水質的影響趨勢與實際監測中溢流雨水水質變化一致,整體趨勢均為先上升后下降,各污染指標存在峰值。


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