雨水調蓄池改善河道水環境質量的效應分析

呂 瑛 ，章海瑛

(1.浙江省嵊州市國有資產管理服務中心，浙江嵊州 312400；2.杭州市城建設計研究院有限公司，浙江杭州 310012)

0 引言

2014年10月，住房與在城鄉建設部頒布了《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）》，鼓勵倡導城市開發建設過程中采用源頭削減、中途轉輸、末端調蓄等多種手段，通過滲、滯、蓄、凈、用、排等多種技術，實現城市良性水文循環，提高對徑流雨水的滲透、調蓄、凈化、利用和排放能力，維持或恢復城市的“海綿”功能。雨水調蓄池是其中一類行之有效的“蓄”留雨水徑流的工程性設施，在德國、丹麥、美國和日本等國家已得到廣泛使用[1-3]。國內，上海最早建設和使用雨水調蓄池，至2014年底已運行11座，對雨水調蓄池改善水環境效應的研究目前主要集中于蘇州河[2-5]，針對其它中小河道的研究還未見報道。本文研究了建設雨水調蓄池對桃浦河這一蘇州河支流的河道水質的改善效應，以期為雨水調蓄池的設計、建設及效應研究提供參考。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

上海多年平均降雨量約1 150mm，其中約70%集中在汛期(4～9月)，且汛期降雨歷時短、強度大。桃浦河是蘇州河重要的支流，南起蘇州河，北至薀藻浜，河道全長15.59 km，河道口寬22～24m，水面積0.39 km2，槽蓄量67.6萬m3。常水位為2.8m，河底設計標高為-0.5 m。近年來，桃浦河兩岸有8座市屬雨水泵站，泵站年均暴雨溢流量約28m，萬m3/a，其中近60%的溢流集中于7～9月，且溢流中的初期雨水部分污染負荷大，COD和氨氮分別超過地表水Ⅴ標準約10倍和12倍。

1.2 研究方法

1.2.1 SOBEK模型概述

SOBEK是荷蘭Delft水力研究所開發的用來管理河流、城市、鄉村的綜合軟件包，包括：SOBEK河流(SOBEK-River)、SOBEK鄉村(SOBEK-Rural)和SOBEK城市(SOBEK-Urban)，具有基于GIS的用戶圖形界面，一維流、二維坡面漫流、降雨徑流及一維地貌、一維水質和實時控制模擬等功能[2,6]。

SOBEK軟件界面由 8個模塊組成：Import Network(輸入概化圖模塊)、Settings(設置模塊)、Meteorological Data(氣象資料模塊)、Schematization(系 統 化 模 塊)、Simulation(模 擬 模 塊)、Results in Maps(地圖結果模塊)、Results in Charts(圖表結果模塊)和Results in Tables(表格結果模塊)。通過輸入相應的控制文件和參數，逐步運行上述八大模塊，從建立模型、剖分網格、數據輸入、數值模擬至結果輸出，整個過程系統化和規范化，并可通過地圖和曲線圖等方式直觀地表現出模擬結果。

1.2.2 SOBEK-Rural模型構建

（1）建立流程

SOBEK-Rural模型包括水動力、水文、水質和實時監控4個核心模塊，可模擬簡單或復雜的河流、河口及岔狀與環狀的沖積河網的水量與水質。依據本文實際情況，采用SOBEK-Rural模型構建一維水動力和水質模型，分別在8個模塊中進行模型概化，逐步實現動態模擬（見圖1）[2,6]。

（2）一維水動力模塊計算原理

水動力模塊包括一維流和二維地表漫流兩個模型，本網選用一維流模型進行研究。一維漸變非恒定水流用動量方程和連續性方程兩個方程描述，即圣·維南(Saint-Venant)方程組[2,6]：

圖1 SOBEK-Rural一維河流水質模型建立流程

式中：Q 為流量，m3/s；Af為濕面積，m2；qlat為單位長度側向流量，m2/s；t為時間，s；x 為距離，m；g 為重力加速度，m/s2；h 為水位，m；C 為謝才系數，m1/2/s；R 為水力半徑，m；Wf為河寬，m；τwi為風切應力，N/m2；ρ為水密度，kg/m2，一般取 1000。

式（1）是動量方程，5項分別描述了慣性項、對流項、水位梯度、河床阻力和風阻力。根據上述方程，耦合輸入的上述水文參數資料，模型即可進行追趕計算。

（3）一維水質模塊計算原理

水質模塊包括一維水質模型，基本方程是一維移流離散方程[2,6]：

式中：ρ為污染物質量濃度，mg/L；Q為污染物質量，mg；Ex為縱向離散系數，m2/s；S 為污染物的源（+）或匯（-），mg/（m3·s）；A為斷面過流面積，m2。

采用有限差分數值解法，通過對時空的離散化處理，依據質量守恒原理求解。數值離散是改進的通量修正格式，結合了迎風格式的正定性和中心格式的精確性特點，在不損失精確度的前提下避免了產生數值振蕩。

（4）模型求解

SOBEK-Rural模型求解過程可分為兩步：第一步，根據水動力方程，求解水流速度、流量、水位等參數；第二步，以水動力學方程計算出的流速和流量值代入水質濃度擴散方程，求得各網格點的水質濃度。

1.2.3 模型參數設置

依據桃浦河相關研究數據及現場踏勘數據，對桃浦河的河道參數、初始水流參數、溢流量和溢流水質參數設置如下。

（1）河道平均水面寬度取23m，平均水深取3.3m，河道平均曼寧系數取0.03，模擬時段平均流速取0.15 m/s（調水流速），依據近年來上海市普陀區環境監測站數據，非降雨期間，桃浦河COD的本底濃度取值27 mg/L。

（2）溢流COD濃度過程線取實測數據，調蓄池調蓄的排水系統溢流的初期雨水COD事件平均濃度EMC為480 mg/L。

（3）在不考慮潮流影響，桃浦河單向流動時的COD縱向離散系數K取值0.2 m2/s。

（4）模擬在桃浦河上游第一座雨水泵站——曹楊泵站建設1座容積分別為6000 m3和12000 m3雨水調蓄池。容積選用標準依據《室外排水設計規范》2014版中分流制排水系統調蓄4～8 mm初期雨水的條文。曹楊泵站所在排水系統服務面積為1.42 km2，故取調蓄池容積6000～12000 m3。

（5）模擬調蓄池使用期間對桃浦河水質的改善效應時，模擬時間定為60 min（調蓄池蓄滿時間最長約需60 min）。

2 結果與分析

利用SOBEK-Rural模型構建的一維水質模型模擬不同容積雨水調蓄池有效運行期間，對改善暴雨溢流時期桃浦河水質的研究結果顯示，桃浦河上游曹楊泵站建設調蓄池后，將對桃浦河水質有著良好的改善作用。調蓄池容積建造標準對削減河道COD濃度起著決定性的作用，隨著建造標準的提高，其削減河道COD濃度的效應相應提高。以下游550 m處梅川路橋斷面為例，斷面水質改善狀況見圖2。在斷面平均流速為0.15 m/s（調水流速）的模擬動力條件下，在6 000m3調蓄池有效使用期間，污染水團通過下游梅川路橋斷面的60min內，COD濃度最大分別較調蓄池未使用前，最小和最大可分別降低（改善）27 mg/L和101 mg/L（見圖2），梅川路橋斷面COD濃度平均分別可降低（改善）57mg/L（見圖3）。當調蓄池容積增大到的提，其削 m3時，相應數據分別提高到47 mg/L、180 mg/L（見圖2）和 88 mg/L（見圖3）。

圖2 雨水調蓄池改善桃浦河梅川路橋斷面水體COD濃度模擬結果

圖3 雨水調蓄池改善桃浦河梅川路橋斷面平均COD濃度模擬結果

值得注意的是，雨水調蓄池對河道水質的改善效應在溢流發生20 min左右時，出現濃度降低值的峰值（見圖2）。主要是未使用調蓄池時，監測數據顯示，雨水泵站溢流的初期雨水在20 min左右出現濃度的峰值，對河道水質污染也出現峰值，當使用雨水調蓄池削減溢流后，改善效應最大的時段亦在原先溢流峰值出現的時段。

3 結語

（1）雨水調蓄池可有效削減暴雨溢流對河道的污染，其對河道COD濃度的削減效應隨著雨水調蓄池容積建造標準的提高而增大。

（2）在斷面平均流速為0.15 m/s的桃浦河調水水動力條件下，設計容積6000 m3和12000 m3雨水調蓄池運行時，雨水調蓄池對下游550 m處河道斷面最大瞬時COD濃度的降低范圍分別為27～101 mg/L和47～180 mg/L。

（3）雨水調蓄池運行時，可使下游河道550 m河道斷面溢流事件時全過程的COD通量濃度分別下降57 mg/L和88 mg/L。

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