常州市湖塘紡織工業園降雨徑流污染負荷分析

王宇翔,楊小麗,胡如幻,黃 衛

(1.東南大學土木工程學院,江蘇南京 210096;2.江蘇省環保廳,江蘇南京 210036)

常州市湖塘紡織工業園降雨徑流污染負荷分析

王宇翔1,楊小麗1,胡如幻1,黃 衛2

(1.東南大學土木工程學院,江蘇南京 210096;2.江蘇省環保廳,江蘇南京 210036)

我國當前以實現分流制為規劃指導原則,分流制下工業園區雨水徑流污染對水環境存在較大潛在影響。在此背景下采用SWMM軟件模擬降雨和實地調研相結合的方法,分析湖塘園區降雨徑流的污染負荷。結果表明:0.25年一遇的降雨徑流質量濃度峰值ρ(TN)=6.01 mg/L,ρ(TP)=0.02 mg/L,ρ (COD)=125.21 mg/L,該降雨重現期下的TN和COD濃度均遠劣于GB3838—2002《地表水環境質量標準》的Ⅴ類水標準;隨著降雨重現期增大,徑流污染物濃度峰值會進一步提高。排入受納水體采菱港的污染物總量比例:徑流中TN占園區總TN(徑流+點源)排放量的25.9%,徑流中TP占4.4%,COD占28.0%,COD、TN徑流污染量占整個園區污染總量的比重較大。結合湖塘園區排水系統的實地調研,建議加強園區初期雨水截留、推廣園區中水回用和推進園區與企業排口設置規范化,以有效降低園區雨水徑流對周邊水環境的影響。

徑流污染;SWMM模型;排水系統優化;湖塘紡織工業園

太湖流域經濟發達,工業園區眾多,園區時有發生對周邊水體造成污染的問題。我國在排水方面一直偏重于污水處理技術的研究,雨水污染控制意識相對薄弱[1]。當前我國以實現分流制為規劃指導原則,GB 50014—2006《室外排水設計規范》規定“新建地區的排水系統宜采用分流制”,《水污染防治行動計劃》指出“除干旱地區外,城鎮新區建設均實行雨污分流”,故太湖流域乃至全國的新建工業園區普遍均采用分流制。由于工業園區存在“跑冒滴漏”現象,園區路面徑流污染物含量一般高于城市普通道路[2],故分流制下的初期雨水徑流污染必須引起重視。

筆者實地調研了太湖流域內的湖塘紡織工業園區排水系統,在此基礎上運用SWMM軟件對湖塘園區進行模擬降雨徑流的污染負荷分析,針對調研和模擬結果提出相應的排水系統優化建議。

1 湖塘園區排水系統調研

湖塘紡織工業園位于常州市武進區東部,區內以從老城區搬遷來的紡織、印染企業為主。該園區主要由湖塘管理辦公室(隸屬于湖塘鎮政府)管理,武進環保局配合協同管理。本研究分別對園區與企業內部的排水系統進行了調查分析。

1.1 園區排水系統

調研發現,湖塘園區管網建設基本完善,采用雨污分流。湖塘園區受納水體為環繞園區的采菱港。湖塘園區污水處理廠設計規模為30 000 t/d,當前實際處理量為28000 t/d,由恩菲水務進行專業化管理。太湖地區工業行業水污染物重點關注COD、TN和TP,采菱港和湖塘污水處理廠2015年上半年水質均值見表1和表2。

表1 采菱港2015年上半年水質均值mg/L

表2 園區污水處理廠2015上半年水質均值mg/L

由表1可知,采菱港各斷面COD和TP符合GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅳ類地表水標準,但TN超出GB3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅳ類地表水標準。

由表2可知,該污水處理廠出水達到了DB 32/ 1072—2007《太湖地區城鎮污水處理廠排放限值標準及重點工業行業主要水污染物》的要求。

1.2 企業排水系統

調研發現,該園區企業與園區管理辦公室均簽訂了《接管協議》,企業生產廢水經預處理達標后接入園區污水管網,再統一輸送至污水處理廠處理。園區企業內部均采用雨污分流,且每個企業只設置一個雨水口,但均未進行初期雨水截留。

2 湖塘園區模擬徑流污染分析

2.1 背景介紹

徑流污染概念模型采用數學手段模擬不同類型徑流污染物在水文循環作用下對水體造成的污染負荷及污染物在水文循環各個環節的遷移轉化過程。目前國內外使用的城市徑流水質模型主要有SWMM,HSPF, STORM,DR3M-QUAL,MOUSE,WASP, POLLUTE,Wallingford等,其中影響較大、應用較廣的是SWMM,HSP,STORM,DR3M-QUAL。每個模型都有自己的優缺點和適用范圍,對于不同的地區,可根據模型特點、研究區域、研究目標特點和對模型應用的熟練程度選擇最佳的模型和軟件。SWMM可模擬徑流過程、管道輸送過程、出水及水處理過程、污染物輸運過程,可計算水量和基礎水質指標。SWMM不但適用于市區,而且適用于非市區;不但可以模擬真實暴雨,而且可以根據預報雨量和方案數據進行預測模擬[3]。因此SWMM作為分布式、連續模擬模型在城市區域內排水區和排水管網的徑流污染負荷計算方面有較明顯優勢,故本文選用SWMM作為研究模型定量計算工業園區徑流污染負荷。

湖塘園區占地297 hm2,北至人民東路,南至廣電路,西至采菱港,以青洋路為界,湖塘園區分為東、西2個排水區域(2區域基本對稱),西區占地面積151 hm2,東區占地面積146 hm2,2個區域雨水分別經雨水管網收集后排入采菱港。本研究選擇湖塘園區西區作為模擬研究區域,該研究區地勢平坦,采菱港由北向南流經園區。園區雨水管網系統較完善,雨水收集后就近直接排入采菱港。

2.2 模型概化

根據研究區域的地形及匯水的特點,利用MapInfo軟件將其劃分為19個子匯水區,各子匯水區的面積和形狀不等。研究區域內雨水管道17條,管網節點24個(其中7個為雨水出水口),研究區域概化見圖1。

2.3 參數率定

圖1 研究區域概化

模型水力參數根據實際情況并參考SWMM用戶手冊及相關文獻選取[4-6]。本文采用Horton入滲模型模擬降雨入滲過程,模型的輸入參數根據SWMM用戶手冊,分別設定最大下滲率、最小下滲率、衰減系數分別為3 mm/h、0.5 mm/h、4 h-1,透水地表與不透水地表的洼蓄各取5 mm和1 mm,透水地表、不透水地表及管道曼寧系數分別取0.15、0.013和0.013。徑流的匯流計算運用軟件提供的非線性水庫模型,模擬排水系統的流量演算采用動態波模型。

水質模擬方面,考慮研究區工業行業主要水污染物重點關注TN、TP和COD,故選擇TN、TP和COD這3個指標作為徑流沖刷地表產生的主要污染因子進行模擬。污染物累積過程采用指數函數累積模型,本次模擬根據SWMM用戶手冊,并參考國內外相關研究[7-10],對不同土地利用方式、不同污染物類型的4種模型參數預校準。園區地表污染物累積模擬參數見表3,園區不同污染因子沖刷模擬參數見表4。

表3 園區地表污染物累積模擬參數

表4 園區不同污染因子沖刷模擬參數

2.4 模型暴雨設計

暴雨設計包括小時降雨量的設計以及降雨時空變化的設計。小時降雨量可以由常州暴雨公式(1)直接推求,降雨的時空變化可用雨型表示。不同降雨重現期下的2 h降雨量見表5。

表5 不同降雨重現期下的2 h降雨量

2.4.1 小時降雨量設計

式中:i為降雨強度,mm/min;t為降雨歷時,min; TM為重現期,a。

2.4.2 雨型設計

天然降雨過程千變萬化,根據對大量降雨過程的分析,可歸納成7種模式:3類為單峰雨型,雨峰分別在前、后和中部;1類為大致均勻的雨型;剩余3類為雙峰雨型。實際降雨中,單峰雨型占多數且降雨量集中,易引起較大洪水,對城市、機場等小區排水的影響較大,因此應重點考慮單峰雨型。芝加哥雨型中任何歷時內的雨量等于設計雨量,為單峰雨型,雨峰時段可自由設定,較符合本研究的雨型設計要求,故本文選擇“芝加哥雨型”作為降雨時程分布的依據[11]。

示為式(2)和式(3)。

峰前:

峰后:

式中:a為歷時t內的平均雨強,mm/min;I為瞬時降雨強度,mm/min;t1為峰前歷時,min;t2為峰后歷時,min;r為雨峰相對位置(峰前歷時與總歷時之比);A,n,b均為暴雨公式參數。

國內外大量資料表明,大部分地區的r值都在0.3~0.5之間,本文取r=0.4。具體降雨時程分布數據見表6,降雨過程線見圖2。據圖2可知降雨重現期越大,相同時間內降雨強度越大。

表6 不同降雨重現期下的2 h降雨時程分布

圖2 不同降雨重現期下2 h雨量分布

2.5 模擬結果

2.5.1 雨水口污染物濃度分析

根據模型模擬得出排放口不同污染物的質量濃度(圖3),由圖3可見,當雨峰相對位置取r=0.4時,不同降雨重現期下各污染物的徑流濃度基本均在降雨歷時50~55 min左右時達到峰值,2h芝加哥雨型的降雨峰值在降雨開始后的48 min,濃度峰值出現時間略晚于降雨峰值時間。隨著降雨重現期的增大,降雨沖刷力度增大,故污染物濃度峰值也隨之提高。0.25年一遇的降雨(小雨)的初期徑流質量濃度峰值為:ρ(TN)=6.01 mg/L,ρ(TP)=0.02 mg/L, ρ(COD)=125.21 mg/L,TN和COD濃度均遠劣于GB 3838—2002《地表水環境質量標準》的Ⅴ類水標準;2年及以上一遇的降雨初期徑流濃度峰值為: ρ(TN)>7 mg/L,ρ(TP)>0.03 mg/L,ρ(COD)> 154 mg/L。

圖3 排放口不同污染物質量濃度過程

2.5.2 雨水口產污總量分析

對研究區域內不同重現期下單次降雨的徑流污染量進行統計,結果見表7。

表7 不同重現期單次降雨的徑流污染量

由表7可知,隨著降雨重現期的增大,由于降雨對地表累積污染物的沖刷程度上升,隨徑流產生并排放的污染物總量亦增長。

常州市年平均降雨1 120 mm。根據近年降雨資料,假定常州市全年降雨中5年一遇(特大雨)占5%, 3年一遇占(大雨)10%,2年一遇(中大雨)占15%,1年一遇(中雨)20%,0.5年一遇(中小雨)占25%, 0.25年一遇(小雨)占25%,則湖塘園區西區年徑流污染總量為:TN(5.79 t)、TP(0.026 t)、COD(103.57 t)。西區面積占整個園區的50.64%,因此整個湖塘園區的徑流年污染總量約為:TN(11.43 t)、TP(0.051 t)、COD(204.52 t)。根據湖塘園區污水處理廠的出水質量濃度(ρ(COD)=51.4 mg/L,ρ(TN)=3.20 mg/L,ρ(TP)=0.11 mg/L)和日處理量28 000 t,湖塘園區點源年污染總量為:TN(32.7 t)、TP(1.1 t)、COD (525.3 t)。分析發現,園區徑流中TN占園區總TN (徑流+點源)排放的25.9%,TP占4.4%,COD占28.0%。徑流中TP污染占整個園區污染總量比重較低,但COD、TN在地表累積物中的含量較大,平時應加強地面清掃,減少徑流污染。

2.6 實地徑流采集驗證

為檢驗SWMM模擬結果的可行性,本研究對湖塘園區進行了實地徑流采樣,并委托南京山普羅特環保科技有限公司進行了水質檢測。

2.6.1 采樣背景

采樣時間:2015年12月24日13:30(降雨后50 min左右,采樣時間與SWMM濃度峰值時間對應);采樣天氣:4~9℃,中到大雨;降雨歷時:2 h;現場降雨量:20 mm;采樣地點:湖塘園區內的4處道路雨水口(人民東路、江東路、楊區路和楊江路)。

2.6.2 實地樣品分析

雨水徑流采集后于當日立即送至南京山普羅特環保科技有限公司進行水質檢測分析,徑流樣品檢測結果見表8。

表8 徑流樣品檢測結果mg/L

本次園區內設共4個采樣點位,人民東路和江東路徑流各項指標較為接近。楊區路兩側路面存在部分化工殘留物,可能導致楊區路徑流COD較高。楊江路雨水井采樣點位于綠化草地內,綠化草地對降雨徑流污染物有一定的截留作用,故楊江路徑流各項數值較之前3個采樣點數值偏低。4個徑流樣品質量濃度均值與SWMM模擬值的對比見表9。

對比徑流樣品質量濃度均值和SWMM模擬結果,樣品濃度均值介于1年一遇和2年一遇的降雨濃度模擬值之間,采樣當日2 h降雨20mm(中大雨)的實際雨情也介于1年一遇和2年一遇的降雨量模擬值之間,兩者對應吻合,進一步驗證了SWMM模擬的可行性。

表9 樣品質量濃度均值與SWMM模擬值對比mg/L

3 湖塘園區排水系統優化建議

太湖流域內的工業園區時有發生對周邊水體造成污染的問題,對本已環境“超載”的太湖水環境產生極大的不利影響。通過分析湖塘紡織工業園區排水系統的調研成果和SWMM的模擬結果,提出相應的排水系統優化建議,以期對湖塘園區乃至太湖流域工業園區排水系統的升級完善具有一定的借鑒意義,從而進一步加強對太湖流域水環境的保護。

3.1 加強初期雨水截留

湖塘園區每個企業雖然設置了雨水口,但是未對初期雨水進行截留處理。園區初期雨水徑流中含有較高濃度的污染物質,園區及企業應加強對初期雨水的截留處理。建議湖塘園區及在其企業內部總雨水口的基礎上,設置初期雨水截留池或利用企業內已有的應急事故水池進行截留。初期雨水截留池設計方案參考如圖4所示。

圖4 初期雨水截留池設計

根據圖4所示,建議平時雨水口電動閥關閉,截留池電動閥打開,降雨歷時超過55min左右(該時間為雨峰相對位置r=0.4時2 h芝加哥雨型的徑流濃度峰值時間,若實際雨峰明顯提前,可縮短該時間),再關閉截留池電動閥并打開雨水口電動閥(根據降雨雨峰和污水廠處理規模現場調整)。電動閥操作建議由園區管理部門在線控制,初期雨水需排入污水管網。初期雨水截留池工程應與園區污水處理廠的擴建規劃同步協調進行,以滿足園區污水處理廠處理負荷。

3.2 推廣園區中水回用

中水回用能夠為企業和社會帶來顯著的環境效益和經濟效益,但調研發現湖塘園區內企業中水回用率不高,真正大規模使用中水回用的企業僅江蘇伊思達紡織有限公司1家。

建議湖塘園區應積極推廣區域中水回用和污水再生利用,提高水資源重復利用率。調研中發現湖塘園區部分企業通過合作的方式共建預處理站,因此也可考慮企業間合作共建中水回用站,園區可對中水回用企業提供一些優惠政策;當然,園區污水處理廠也可考慮建設統一中水回用系統,向整個園區企業統一供應中水。

3.3 推進園區與企業排口設置規范化

調研中發現湖塘園區內河道兩側部分企業的排水口數量較多,且未設置排口環保圖形標志。故建議園區管理辦公室加強對企業排水口的監管,合理規劃設置雨水(清下水)排口位置和數量。要求排污單位必須如實向園區管理部門申報登記排水口數量、位置以及排放物種類等情況,同時經規范化整治的排污口須設置相應的環境保護圖形標志牌。

4 結 語

當前我國新建地區的排水系統以實現分流制為規劃指導原則,故太湖流域乃至全國的新建工業園區普遍均采用分流制。工業園區由于其潛在的污染危害性,故園區分流制下的初期雨水徑流污染需引起重視。通過SWMM模擬湖塘園區徑流污染分析發現,0.25年一遇條件下的降雨初期徑流TN和COD的水質峰值已遠超過GB 3838—2002《地表水環境質量標準》的Ⅴ類水標準,隨著降雨重現期的增大徑流水質情況將進一步惡化。湖塘園區徑流TN、COD量分別約占園區TN、COD總排放量的25.9%和28.0%,比重較大。結合對湖塘園區排水系統的實地調研,對該園區排水系統提出了加強初期雨水截留、推進園區中水回用和推進園區與企業排口設置規范化的優化建議。

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Analysis of rainfall-runoff pollution load of Hutang textile industrial park in Changzhou City

WANG Yuxiang1,YANG Xiaoli1,HU Ruhuan1,HUANG Wei2
(1.School of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China; 2.Environmental Protection Department of Jiangsu Province,Nanjing 210036,China)

Separate drainage system has been used as the guideline for drainage system planning in China,and the rainfall-runoff pollution in industrial parks with separate drainage systems has potential impacts on the water environment.In this study,the rainfall-runoff pollution load of the Hutang textile industrial park was analyzed through simulation of rainfall with the SWMM software and field research.The results show that the peak values of TN,TP,and COD concentrations in runoff during the rainfall with a return period of 0.25 year were 6.01 mg/L, 0.02 mg/L,and 125.21 mg/L,respectively.The TN and COD concentrations were evidently lower than the grade V level according to the Environmental Quality Standards for Surface Water(GB3838-2002).With the increase of the rainfall return period,the peak values of pollutant concentrations in the runoff would increase.Of the pollutants discharging into Cailing Port,the TN amount accounted for 25.9%of the total TN emissions,the TP and COD amounts accounted for 4.4%and 28.0%,respectively.The TN and COD amounts in the runoff accounted for large proportions in the Hutang textile industrial park.Based on the drainage field survey in the Hutang textile industrial park,some suggestions are proposed,which include strengthening interception of the early-period runoff,promoting water reuse in the park and standard setup of wastewater outfalls in the park and enterprises,in order to reduce the rainfall-runoff impacts on the surrounding water environment.

runoff pollution;SWMM;drainage system optimization;Hutang textile industrial park

X32

A

1004-6933(2017)03- 0068- 06

2016- 0920 編輯:徐 娟)

10.3880/ji.ssn.1004-6933.2017.03.013

太湖水污染治理科研課題(TH2014308)

王宇翔(1992—),男,碩士研究生,研究方向為水環境治理。E-mail:515503815@qq.com

楊小麗,副教授。E-mail:yxlseu@yahoo.com.cn