初期棄流后板房屋面雨水污染物質量濃度衰減規律

胡良宇,戎貴文，2,汪 星,孟 席

(1.安徽理工大學地球與環境學院，安徽 淮南 232001; 2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210029)

屋面是城市不透水面積的重要組成部分，屋面雨水徑流控制能夠有效削減徑流量和緩解城市水資源緊張狀況。高玉琴等[1]研究發現綠色屋頂可以有效削減屋面徑流總量和峰值，并且相比綠色屋頂覆蓋率，綠色屋頂徑流演進方式對屋面徑流的影響更大。Sepehri等[2]研究發現，隨著降雨重現期的增加，雨水收集系統對屋面徑流的削減率減小。Fulton[3]對醫院大型屋面雨水收集和用水需求開展研究，發現屋面雨水收集再利用能夠滿足醫院25%的用水需求。劉來勝等[4]對雨水集蓄飲用的研究表明，雨水收集處理有利于解決我國西部干旱地區和海島缺水地區的飲用水問題。

屋面雨水具有水質較好、水頭大和易于收集等優勢，屋面雨水棄流與收集是屋面雨水徑流控制的重要措施，它能夠兼顧徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染控制、雨水資源化利用等不同的控制目標[5]。但此前國內外學者對屋面雨水棄流與收集的研究主要集中在棄流量和雨水收集利用方面，對初期棄流后收集的中后期雨水水質狀況缺乏跟蹤研究[6-7]。目前，我國城市中建有大量的板房，開展初期棄流后板房屋面雨水水質研究，對雨水資源再利用具有重要意義。

本文以板房屋面為例，構建屋面雨水的暴雨徑流管理模型(storm water management model, SWMM)，從降雨重現期的角度出發，分析初期棄流后雨水收集箱中污染物質量濃度衰減規律，為板房屋面雨水收集利用提供參考。

1 板房屋面概化模型

選取安徽理工大學校醫院東側的一棟獨立板房為研究對象，該板房屋面水平投影為30 m×20 m的矩形，屋面坡度為1∶6.67，屋面下方設有棄流箱和雨水收集箱，棄流箱位于雨水收集箱的正上方，如圖1(a)所示。根據DB 11/685—2013《雨水控制與利用工程設計規范》，斜坡較大的匯水面積應附加匯水面豎向投影面積的50%，則屋脊兩側的子匯水面積均為345 m2。降雨時，板房屋面初期雨水經集水管收集后通過雨落管進入棄流箱，棄流箱滿后，中后期屋面雨水經集水管溢出流入植草溝，再通過雨水渠和雨水管進入雨水收集箱。

將該板房屋面概化為12個子匯水區(WD1～WD12)，集水管、雨落管、雨水渠和雨水管概化為管道，棄流箱和雨水收集箱概化為蓄水池，每個子匯水區連接一個節點，節點通過管道分別與兩個蓄水池連接，如圖1(b)所示。

(a) 板房屋面示意圖

2 數學模型

利用SWMM軟件構建板房屋面徑流模型，匯水區計算采用非線性水庫水量平衡法，管道匯流近似看作洪水波運動并采用動力波法演算，植草溝雨水及徑流入滲過程采用Horton法計算，板房屋面污染物累積過程采用飽和函數累積模型模擬，板房屋面污染物沖刷過程采用指數函數沖刷模型模擬。

2.1 控制方程

a. 非線性水庫水量平衡方程：

(1)

其中

f=fp/3 600

式中：d為積水深度，mm；t1為降雨歷時，s；i為降雨強度，mm/s;e為蒸發率，mm/s；f為下滲率，mm/s；q為徑流率，mm/s；fp為下滲率，mm/h，由Horton法[8]確定：

fp=fmax+(fmin-fmax)e-kt2

(2)

式中：fmin、fmax分別為最小和最大下滲率，mm/h；k為衰減常數,h-1；t2為排干時間，h。

b. 地表徑流流量Q1的計算采用曼寧公式：

(3)

式中：n為曼寧系數；S為子匯水區的平均坡度；A為過水斷面面積，m2；R為水力半徑，m。

c. 動力波法的控制方程為完全圣維南方程組：

(4)

式中：Q2為管道流量，m3/s；H為水深，m；g為重力加速度，m/s2；Sf為摩阻比降。

d. 飽和函數累積模型方程：

(5)

式中：B為污染物的累積量，kg/hm2；t3為累積時間,d；Bmax為污染物最大累積量，kg/hm2；a為半飽和常數(達到最大累積量一半所需的時間)，d。

e. 指數函數沖刷模型方程：

W=Kqnm

(6)

式中：W為徑流中污染物的沖刷量，kg/h；K為沖刷系數；n為沖刷指數；q為子匯水區單位面積的徑流率，mm/h；m為地表剩余污染物的量，kg/hm2。

2.2 模型參數的選取

2.2.1降雨強度設計

采用淮南市降雨強度計算公式(式(7))[9]，運用城市排水設計中的芝加哥不均勻雨型生成器生成重現期為1 a、2 a、3 a、5 a、10 a、20 a和50 a的淮南市降雨情景，繪制降雨強度過程線，雨峰相對位置r取0.3，降雨歷時t1取240 min，結果如圖2所示。

(7)

式中P為降雨重現期，a。

圖2 不同重現期降雨強度過程線

2.2.2模型參數選擇

模型中子匯水區面積為690 m2，作為棄流箱的蓄水池容積為2 m3(3 mm棄流深度)，作為雨水收集箱的蓄水池容積為88 m3。水文模型參數取值如下：最大下滲率fmax=76 mm/h，最小下滲率fmin=18 mm/h，衰減常數k=4 h-1，排干時間t2=7 d，不透水曼寧系數n=0.01，子匯水區的平均坡度S=15.0%，積水深度d=0.05 mm，過水斷面面積A和水力半徑R等參數采用相關公式計算得到，蒸發率e忽略不計。水質模型參數參考國內外相關研究資料[10-13]確定，如表1、2所示。

表1 飽和函數累積模型參數

表2 指數函數沖刷模型參數

2.3 模型驗證

采用2018年8月2日降雨的屋面徑流污染物質量濃度實測值對模型進行驗證。采樣從雨落管產生徑流時開始，遵照HJ 494—2009《水質采樣技術指導》采集水樣。在樣品采集后24 h內對水質進行檢測，檢測指標包括CODMn、NH3-N和TP。檢測方法參照《水和廢水監測分析方法》[14]。

驗證結果如圖3所示?？梢钥闯?，各個污染物質量濃度模擬值與實測值趨勢基本保持一致，吻合度較高。實測值與模擬值的最大誤差為14.9%(CODMn)，最小誤差為6.67%(TP)，能夠滿足研究需要[15]。

圖3 模擬值與實測值

3 模擬結果與分析

3.1 模擬結果

各重現期下每種污染物模擬數據均為285個，樣本數量符合數據統計要求。模擬結果見圖4，不同重現期條件下雨水收集箱中污染物質量濃度衰減趨勢基本一致，雨水收集箱中污染物質量濃度衰減均大致呈現出驟降段、過渡段和穩定段3個階段，驟降段內雨水收集箱中污染物質量濃度快速下降至較低水平。同種污染物，當降雨重現期較大時，驟降段歷時較短；同一降雨重現期下，NH3-N驟降段歷時最長，TP驟降段歷時最短。隨后污染物質量濃度衰減進入過渡段，污染物質量濃度開始平緩下降，下降速度相較驟降段內下降速度明顯減緩。污染物質量濃度衰減最后階段為穩定段，污染物質量濃度趨于穩定，如降雨重現期為1 a，降雨237 min后，NH3-N的質量濃度衰減進入穩定段。同種污染物，當降雨重現期較大時，污染物穩定質量濃度較小。

隨著中后期較潔凈的雨水徑流不斷進入雨水收集箱，由于稀釋作用，雨水收集箱中污染物質量濃度逐漸降低。中后期較潔凈的雨水徑流進入雨水收集箱后，污染物迅速向潔凈的雨水中擴散，擴散過程就是污染物質量濃度迅速衰減的過程，這段時間即驟降段。驟降段的理論時間與外界溫度、雨水收集箱深度、水面寬度及來水流速等有關。擴散過程趨于穩定后，雨水收集箱內雨水污染物分布逐漸均勻，污染物質量濃度衰減過程開始變緩，隨后分別進入過渡段和穩定段。

(a) CODMn

表3 不同降雨重現期下污染物質量濃度衰減擬合曲線參數

3.2 污染物質量濃度衰減規律

為研究降雨重現期與污染物質量濃度衰減規律的關系，利用一階衰減指數函數(式(8))對污染物質量濃度衰減趨勢進行擬合，擬合結果見表3和圖4。

y=be-x/h+y0

(8)

式中：x為自變量；y為因變量；b為污染物最大質量濃度；h為污染物質量濃度的衰減系數；y0為截距。

由表3可知，所有污染物質量濃度衰減擬合曲線中的R2均超過0.93；由圖4可見，污染物質量濃度下降趨勢的一階衰減指數函數擬合結果與模型模擬數據吻合程度較好，表明雨水收集箱中CODMn、NH3-N和TP質量濃度的衰減過程可以用一階衰減指數函數來描述。

根據擬合結果，得到污染物質量濃度變化擬合曲線的衰減系數與降雨重現期的關系如圖5所示，可以看出，在相同降雨重現期時，NH3-N質量濃度的衰減系數最大，TP的最小。對于CODMn，在1～5 a 降雨重現期范圍內，衰減系數隨降雨重現期變化十分明顯，隨著降雨重現期變大，衰減系數迅速減?。辉?0～50 a降雨重現期范圍內，衰減系數隨降雨重現期變化不大，介于14.4～16.6之間。對于NH3-N，在1～20 a降雨重現期范圍內，衰減系數隨降雨重現期增大迅速減小，而當降雨重現期為20～50 a時，衰減系數有所增大，但增加幅度不大。對于TP，衰減系數隨降雨重現期增大緩慢下降，變化幅度不大，介于9.33～10.63之間。污染物質量濃度的衰減系數隨降雨重現期的變化特征有所不同，這可能與不同污染物的理化性質有關[16-19]?？傮w來說，降雨重現期較小時，衰減系數較大，降雨重現期較大時，衰減系數較?。贿@主要是因為降雨強度越大，雨水水質越好，其次當降雨強度較小時，屋面雨水徑流流速較小，污染物與初期雨水徑流未充分混合。

圖5 污染物質量濃度的衰減系數隨降雨重現期變化

3.3 討 論

雨水棄流旨在去除污染物質量濃度較高的初期雨水，削減屋面雨水徑流污染負荷，提高雨水收集箱中雨水水質。雨水收集起始時，部分未被棄流的初期徑流進入雨水收集箱，雨水徑流污染物質量濃度較高，隨著屋面污染物質量濃度下降和中后期較潔凈雨水的稀釋作用，雨水收集箱中雨水污染物的質量濃度迅速下降；當降雨強度較大時，雨水徑流流速較大，屋面污染物并不能迅速完全溶于雨水徑流中，溶解過程會持續一段時間。同一種污染物，雨水收集箱中污染物穩定質量濃度隨降雨重現期增大而減小，故在降雨重現期較小時，可以適當增大屋面雨水徑流棄流量。

4 結 論

a. 初期雨水棄流后，雨水收集箱中污染物質量濃度衰減過程分為驟降段、過渡段和穩定段。

b. 對于同一種污染物，污染物質量濃度衰減速度與降雨重現期密切相關，總體來說，降雨重現期較小時，污染物質量濃度的衰減系數較大，降雨重現期較大時，污染物質量濃度的衰減系數較小。

c. 雨水收集箱中污染物質量濃度衰減曲線符合一階衰減指數函數分布，決定系數超過0.93；對于同一種污染物，雨水收集箱中污染物穩定質量濃度隨降雨重現期增大而減小。