排水泵站调蓄池的计算机模拟设计.pdf

2 0 1 2 年 7 月第 7 期 城 市道桥 与防洪 防洪排水 2 0 5 排水泵站调蓄池的计算机模拟设计 沈金 付 ， 金 军 强 ( 上 海东 海华 庆工 程有 限公 司 ， 上 海 2 0 0 0 8 3) 摘要： 地表径流是引起水体污染的主要原因之一 ， 而雨水管道中的初期效应现象使得雨水调蓄池可以作为污染控制的工程 措 施之 一 。 该文根据 降雨 过程 中污 染物 迁移 变化 规律 的数学 模 型而 编制 的计算 机软 件可 以较好 地模 拟 和指导雨 水 调蓄池 的设 计 ， 并 针对 上海 市 四平地 区合 流制 管 网系统 进行 了模拟 结果 比较 。 关键 词 ： 雨 水调 蓄池 ， 地 表径 流污 染 ， 计算 机模 拟 中图分 类号 ： T U 9 9 2 2 5 文献标 识码 ： A 文章 编 号 ： 1 0 0 9 7 71 6 ( 2 0 1 2 ) 0 7 2 0 5 0 3 O 前言 地表径流污染是指在降雨过程 中雨水及 其形 成 的径流流经城市地面( 商业 区 、 居 民区、 停车场 、 街 道 等 ) ， 携带 一系 列污 染 物质 ( 耗 氧 物质 、 油脂 类 、 氮 、 磷 、 有害物质等 ) 并 排入水体造成 的水体面 源污染 。P a t r i c k L等 的研究表 明 ， 地表水体总污染 负荷 的一半 来 自城 市径 流 ，然而至今并 没有掌握 污染 的本质 、 原因 、 程度 ， 以及控制措施I 1 l。随着城 市化进程 的发展 ，受纳水 体污染 负荷增加 导致水 体功能的损害受到更多的关注。在对城市径流研 究方法 、 控制措施 等方面 ， 国外正在进行 深入 的研 究 。国内据李 田等人 的研究 ， 上海市径流污染情况 相 当严重 ，各种污染物浓度均高 于美 国和法 国的 调查结果 ， 就 C O D而言 ， 大大高于德国所采用的 6 0 0( k g h m ) a 设计标 准 ， 这 与上海市人 口密度极 高有一定关 系。 人 们 普 遍 认 为 在 雨 水 管 道 及 合 流 管 道 系 统 中存 在 初 期 效 应 现 象 ： 即在 一 场 降 雨 中 ， 初 期 雨 ( 污 ) 水 携 带 了 这 场 降 雨 所 产 生 大 部 分 污 染 负 荷 。 S a n s a l o n e等 人 对 美 国辛 辛 那提 州 城 市道路 路面雨水 的研 究表 明 ，大部分 降雨时 间 中都 发 生 了初 期 效 应 。韩 国 的 J u n H o L e e 等 人 对 城 市 雨 水 径 流 的 采 样 分 析 表 明 了 初 期 效 应 的存 在 。丹 麦 的 T o r b e n L a r s e n等人 对 两 年 1 6 0场 降雨 得 到 的 1 5次 时 间 变 化 浓 度 值 分 析 ， 发 现 存 在 强 烈 的 初期 效 应 。 L e e等人 观 察 到 分 流 制 排 水 区域 初 期 效 应 的 强 度 随排 水 区 域地面坡度 、 降雨强度 、 不 透水百分 比的增加 而 增 加 ， 随排 水 区面 积 的增 加 而 减 小 5 l 。 按照上述观点 ， 应 用调蓄池收集初期雨污水 ， 就能够控制相关降雨事件的大部分污染负荷。受 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 4 2 0 作者简介： 沈金付( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ， 福建人 ， 工程师， 从事施工管 理 工作 。 到污染物模拟十分 困难 的限制 ， 目前用于工程设 计时的计算方法仍然 以防洪 为主 6 1 。因此 ， 本文尝 试运用计算机模拟手段从面源污染控制 的角度进 行调蓄池 的设计。 1 调 蓄池 工作原理 调蓄池 的设置分为 多种 布置形式 ，如 串联和 并联 。就管 网而言可分为合流制管 网调蓄池和分 流制管 网调蓄池。 如 图 1所示 ， 分 流 制暴 雨 调 蓄 池 在 降 雨 期 间收 集 部 分 雨 水 ， 然 后 在 暴 雨 停 止 后 ， 将 收 集 的雨 水缓 慢 的输 送 至 排水 渠 道 、 泵站 或 者 污 水 处 理 厂 。对 暴 雨 调 蓄 池后 的排 水 渠 道 、 泵 站 或 者 污 水处 理 厂 可 以采 用较 小 的流 量进 行 设 计 ， 从 而 可 以减 少 排 水 管 网 的建 设 费 用 。 流 量 L S 图 1 分流 制调蓄池调 蓄过程 曲线图 如 图 2所示 ， 合流制调 蓄池在 降雨期 间收 集 部 分 初 期 雨 水 和 污水 ，然 后 在 降雨 停 止 后 ， 该部分收集的雨污水缓慢 的输送 至排水管道 、 泵站 、 或 者 污水 处 理 厂 。 因此合 流 制 调 蓄 池 的 主要作用是截流初期雨水 ， 提高合流制系统截 流倍 数 。 2 调蓄池工作过程的数学模型 2 1 雨水 口污染物浓度的时程变化 被暴雨径 流冲刷排放 的总污染物量符合下述 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 6 防洪排水 城 市道桥 与防洪 2 0 1 2 年 7 月第 7 期 流量 L S 降雨历 时 ra i n 图 2合 流 制 调 蓄 池 调 蓄 过 程 曲 线 图 公式 ： L = ( J e Q ) ( 1 ) 式 中： 暴雨开始时地表污染物量 ， k g ； k 冲刷 系 数 ( 经 验 值 ) ，I n i n 一，可 取 0 1 ， 0 2 ， 0 3 分别计算 ； Q 总降雨径流量 ， m m。 因此 ， 管 网中任一雨水 口的流量时程变化 、 浓 度时程变化均可确定。 2 2管 网节点污染物浓度的时程变化 就管 网中的任一节点而言 ，雨水主要 由两部 分构成 ： 一部分是来 自于上游管道的雨水 ， 另一部 分是来 自于雨水 口的雨水 。来 自于雨水 口的雨量 和浓度如前所述已经确定 ；来 自于上游管道 的雨 水 实际上就是 间接 来 自于上游 雨水 口的雨水 ， 但 受到 了管 内流行时间的影 响，因此需要按一定 的 规则进行叠加。 管 内流行时间按下式确定 ： r t = 7 L_ ( m i n ) ( 2 ) oU 式 中： t 管内流行时间 ， ra i n ； 【 管段长度 ， m； 一 管内雨水流速 ， m s 。 其 中， ( 3 ) 式 中： n 管道粗糙度； R 管道水力半径 ， m； 卜管道坡度 。 管道水力半径 R以满流计算 ，实际上 当某 管 段 处于满 流时 ， 其上游管段往往不是满流 ， 可 根据 情况乘上一折减系数 。 2 3 调蓄池入 口污染物浓度的时程变化 合流制排水管道系统主要是通过两种 途径增 加排江负荷的， 一是雨水对管道内沉积物的冲刷； 二是管道内旱流 污水 。其 中管道 内旱流沉积物的 再悬浮是雨水溢流污染 的主要来源。 法 国研究 人员l 7 】 采用排水 系统污染 物质量 平 衡方法对巴黎某街区合流制系统溢流污染负荷进 行了研究，根据下式计算降雨事件中管道沉积物 冲刷造成的污染负荷 ： MS= MT MR MD ( 4) 式中 ： MS 管道内沉积污染物 冲刷量 ； M T 排水 区出 口处的污染物总量 ； M R 地面径流携带 的污染物量 ； M D 早流污水中总的污染 物量 。 巴黎 其他 的相关 研 究 也表 明 ，溢 流 中大约 2 6 8 2 的 S S、V S S ， 1 5 一 8 3 的 B O D 5 ，2 5 7 0 的 C O D来 自于管道 内部沉积物 冲刷。 由于对 管道 内沉 积物 的精确模 拟相对 复杂 ， 同时国内缺乏必要 的实测资料 ， 简化起见 ， 使用管 内污染物系数校正 ， 根据计算建议选值 1 33 3 。 2 4 调蓄池溢流污染物浓度的时程变化 在对排水管 网系统进行 了系统地水量水质 的 数学模拟以后 ，便可在管 网系统 的末端或者管 网 的特定节点处( _ 程应用通常在泵站处 ) 设置调 蓄 池 ， 对管网系统 的水质水量进行调蓄 ， 减少雨 天的 合流污水的排江量 ，或者在污染强度相对最 大的 时段引入调蓄 ，最终 目标是最大程度地 削减 污染 物排放 。 3 计算机模拟设计实例 3 1工程 概 况 图 3是上海 市 四平路 地 区合 流制排水 系统 。 服务范围为： 东起黄兴路以东 2 0 0 m， 西至邯郸路， 南 临走马塘 ， 北至国定路 。整个服务面积约 2 0 5 4 h m 。该 地区呈扇形 ， 北面窄 ， 南 面宽 ， 四平路 位于 扇形 中央。走马塘是上海市城市骨干河道 ， 位于该 地 区南侧 ， 为该 系统排水宣泄水体 。 图 3上海市 四平地区排 水系统图 区域 内采用人 口毛密度 3 5 0人 h m 人均污水 量平均 2 5 0 1 2 ( 人 d ) ； 三产系数 0 4 ； 截流倍数 3 0 ； 地下水渗人量按 2 0 0 0 m 3 ( k m d ) ， 平均 旱流污水 量为 0 4 0 m 3 s ； 径流系数： = 0 6 。 起端地面集水时 间 ： 取 t = 1 5 ra i n 。折减系数 ： M = 2 ， 管道粗糙系数 ： n= 0 01 3。 调蓄池拟设于图 3中的排水泵站。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m