CN108399494A - 合流制区域污染负荷消减截流倍数确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了合流制区域污染负荷消减截流倍数确定方法，包括如下步骤：S1：根据受纳水体的水质目标，计算出在该目标下水环境动态容量；S2：确定分析合流制区域旱季污水量与关键水质指标；S3：基于受纳水体水环境动态容量过程选择合适的截流倍数；S4：分析合流制溢流污染类型及截流井溢流污染对受纳水体水质影响。如果溢流污染超出受纳水体水环境容量负荷消减目标则重复上述S3‑S4步骤直至达到区域污染负荷消减目标；如果负荷消减目标实现则将其应用于实际河流水污染控制与治理中。本发明有益效果：将合流制区域污染负荷消减截流倍数的确定精确量化，提出截流倍数确定方法，使得合流制区域污染负荷消减截流倍数的制定更加科学、精准、经济。
Description
技术领域
本发明涉及区域水污染控制与治理技术领域，具体来说，涉及一种合流制区域污染负荷消减截流倍数的确定方法。
背景技术
在我国城市排水系统建设中，合流制是用同一个管渠系统收集和输送污废水的排水方式，分为直泄式和截流式。其中，直流式合流制排水系统对周围水体污染严重，基本被改造。截流式合流制排水系统是在临河岸边建造截流干管，设置溢流井和污水厂，晴天和降雨初期的所有污水都输送至污水厂，处理后排入水体。随着降雨量增加，径流增加，当混合污水流量超过截流干管的输水能力后，部分混合污水经溢流井溢出排入水体，这种体制目前应用较广。
当前，截流式合流制排水系统在我国城市普遍存在，但合流制管道溢流污染问题一直未得到有效解决。合流制管道溢流污水由旱季污水和雨水构成，其中旱季污水包括生活污水和工业废水。旱季，由于管道中流量较小，流速较低，易产生沉淀，部分污染物沉积在管渠底部；雨季，大量雨水进入合流管道，不仅带入径流冲刷的污染物，而且由于水量较大、流速较高，部分沉积于管渠底部的污染物被雨水冲刷，导致管道中污染物浓度明显升高，故合流制管道溢流污水直排入河将会影响受纳水体水质。
截流倍数是指合流制排水系统在降雨时截留的雨水量与旱流污水量之比值。在截流倍数较小的情况下，就会发生合流制管道溢流，溢流污水将直接排入城市周边水体，污染受纳水体，而若截流倍数取值过大，工程投资量会大幅增加，造成不必要的浪费。在当前的设计中，截流倍数的取值一般按照住房和城乡建设部颁布的《室外排水设计规范》，取值1~5之间或参照国内外经验进行取值，其不确定因素诸多。可见，如何根据合流制区域降雨特征，基于受纳水体水环境动态容量，科学精准地选择经济合适的截流倍数对于区域水污染控制与治理尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种合流制区域污染负荷消减截流倍数确定方法，以克服目前现有技术存在的上述不足。
为实现上述技术目的，本发明的技术方法是这样实现的：
合流制区域污染负荷消减截流倍数确定方法，包括如下步骤：
S1：根据受纳水体的水质目标计算出该目标下的水环境动态容量，包括旱季和雨季；
S2：通过资料收集和现场调查，分析控制区域旱季废污水量（生活污水和工业废水），及其主要水质指标变化特征；
S3：基于受纳水体不同时期水环境容量，分析区域降雨特征，计算不同截流倍数下截流量，推算溢流水量，选择最佳截流倍数；
S4：分析旱季和雨季合流制溢流污染特点，及截流井溢流污染对受纳水体水质影响，进而验证截流倍数选择是否合适。
如果溢流污染超出受纳水体水环境容量负荷消减目标则重复上述S3-S4步骤直至达到区域污染负荷消减目标；如果负荷消减目标实现则将其应用于实际河流水污染治理中。
进一步的，所述的步骤S1中基于受纳水体的水质目标计算出该目标下的水环境动态 容量计算公式为：
式中：W为计算河段的水环境容量，Cs为水质目标，C0为断面起始浓度，Q0为河流流量，u为平均流速，K为综合降解系数，x为第m个污染源距控制断面的距离，qm为第m个污 染源的流量；其中河流流量Q0的计算采用环境流量选择-水文法中的7Q10法。
进一步的，所述的步骤S3中基于受纳水体水环境动态容量过程选择截流倍数，进一步包括：
分析合流制区域至少3个自然年的降雨特征，包括降不同日降雨量的降雨事件数和降雨量统计、不同降雨强度降雨历时与降雨量统计；截流量采用《合流制系统污水截流井设计规程》中污水截流量计算公式进行计算，公式如下：
Q = Qh(n0+1)
式中：Q为污水截流量，m3/s；Qh为合流管道内旱流污水设计流量，m3/s；n0为截流倍数，1~5。
为更好建立降雨量与截流量的关系，采用以下公式对截流量进行换算，具体如下：
ih= Qh/ (R×F×24)
式中：ih为旱季污水等效降雨强度，mm/h；Qh为合流管道旱季污水量，m3/d；R为城市建成区平均径流系数，一般取0.5-0.8；F为截流范围建成区面积，km2。
进一步的，所述的步骤S4中分析旱季和雨季合流制溢流污染特点，进一步包括：
S4.1旱季合流制溢流污染类型
Qh＝q1+q2+…+qi
式中：Q为输送至污水处理厂水量，Qh为旱季污水量，qi为单个旱季污水量；Q＝Qh≤ Qw，可全部进入再生水厂。
S4.2雨季合流制溢流污染类型
Q′1＝q′1+q′2+…+q′i
式中：Q’1为截流井溢流水量；q’i为单个截流井溢流水量，这部分溢流污染为截流井溢流污 染，对河水水质产生直接影响。
当Q≤Qw时，污水处理厂可全部受纳输送水量，此时，污水处理厂不存在溢流污染；当Q>Qw时，超出污水处理厂最大受水量，需进行超越处理，此时污水处理厂将产生 溢流污染。
Q′2＝Q-Qw
Q为输送至污水处理厂水量，Q’ 2为超出污水处理厂最大受水能力的溢流水量；这部分溢流污染会因污水处理厂超越水量及超越方式的不同而不同。
采用上述技术方法后，本发明具有如下的有益效果：本发明将合流制区域污染负荷消减截流倍数的确定精确量化，提出基于受纳水体水环境动态容量过程的截流倍数制定方法。本发明将使得合流制区域污染负荷消减截流倍数的制定更加科学、精准、经济。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例的基于受纳水体水环境动态容量过程的合流制区域污染负荷消减截流倍数确定流程图；
图2是本发明实施例的某市2012-2014年降雨历时与降雨量统计；
图3是本发明实施例的区域合流制溢流污染类型分析图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本发明实施例所述的合流制区域污染负荷消减截流倍数确定方法，包括如下步骤：
S1：根据受纳水体的水质目标计算出该目标下的水环境动态容量，包括旱季和雨季；
S2：通过资料收集和现场调查，分析控制区域旱季废污水量（生活污水和工业废水），及其主要水质指标变化特征；
S3：基于受纳不同时期水体水环境容量，分析区域降雨特征，计算不同截流倍数下截流量，推算溢流水量，选择最佳截流倍数；
S4：分析旱季和雨季合流制溢流污染特点，及截流井溢流污染对受纳水体水质影响，进而验证截流倍数选择是否合适。
下面以北方某河流水污染控制与治理为例，详细说明基于受纳水体水环境动态容量 过程的合流制区域污染负荷消减截流倍数的确定方法：
(1)受纳水体水环境动态容量计算
水环境容量是指水环境单元在特定的环境目标下所能容纳污染物的量，亦指环境单元依靠自 身特性使本身功能不至于破坏的前提下能够允许的污染物的量。本方案中水环境容量核算主 要是采用《河流水环境容量计算模型分析》中的以下公式(控制断面法)进行计算：
式中：W为计算河段的水环境容量，Cs为水质目标，C0为断面起始浓度，Q0为河流流量，u为平均流速，K为综合降解系数，x为第m个污染源距控制断面的距离，qm为第m个污染 源的流量。对于河流流量的选择方法采用了的是环境流量选择-水文法；水文法一般以历史 流量为依据，适用于低流量河流的目标管理。本方案中流量采用的是现场调查数据与区域水资源衡算相结合的流量数据。
表1受纳水体不同单元水环境容量核算
(2)区域降雨特征综合分析
降雨量是指在一定时间内降落到地面的水层深度，单位用毫米表示。通过对该市近3年降雨 事件数与降雨量统计分析可见：2012-2014年降雨日数约为108天/年，其中2013年降雨天 数最多，为124天；该市多年平均降雨量约为585天，2012年、2013年降雨量约为730mm，为丰水年，2014年降雨量为446天，低于多年平均，为枯水年；日降雨量多集中在0-10mm，约占降雨总日数的60％，日降雨量超过20mm的不超过10天。
降雨强度是指单位时段内的降雨量，以毫米/分或毫米/时计。通过对该市近3年(2012-2014 年)降雨强度与降雨量分析可见，降雨强度多集中在0-3.0mm/h，降雨历时约占88.3％，降 雨量约占年降雨量的90.1％。区域年降雨强度相对较低；高降雨强度历时短、降水总量低。
表2 某市日降雨事件数与降雨量统计分布
（3）截流量与截流倍数比选
当取截流倍数n0=1，相当于0.52×1=0.56（mm/h）的降雨量，当降雨强度小于0.52 mm/h时，雨水和污水可全部由截污管截走。全年截流降雨量189.7 mm，占30.3%。
当取截流倍数n0=1.5，相当于0.52×1.5=0.78（mm/h）的降雨量，当降雨强度小于0.78 mm/h时，雨水和污水可全部由截污管截走。全年截流降雨量243.6 mm，占38.04%。
当取截流倍数n0=2，相当于0.52×2=1.04（mm/h）的降雨量，当降雨强度小于1.04mm/h时，雨水和污水可全部由截污管截走。全年截流降雨量283.9 mm，占44.3%。
当取截流倍数n0=2.5，相当于0.52×2.5=1.3（mm/h）的降雨量，当降雨强度小于1.3 mm/h时，雨水和污水可全部由截污管截走。全年截流降雨量316.0 mm，占49.4%。
当取截流倍数n0=3，相当于0.52×3=1.56（mm/h）的降雨量，当降雨强度小于1.56mm/h时，雨水和污水可全部由截污管截走。全年截流降雨量343.6 mm，占53.7%。
根据区域建成区现状污水量以及近3年中的小时降雨分布特点，综合考虑目前对城市地表径流污染控制紧迫性，截污干管建设成本，污水处理厂建设成本以及雨天运行负荷冲击，取截流倍数n0=2，是经济合理的，可截流降雨量283.9 mm，占全年降雨量（640.5）的44.3%。
表3区域截污干管不同截流倍数可截流降雨量
(4)合流制溢流污染类型分析
在旱季，Q＝Qh≤Qw，可全部进入再生水厂。未降雨天数256天，约占70.1％，不存在溢流污染。
在雨季，截流井溢流污染：Q’ 1为截流井溢流水量，为截流井溢流污染，对河水水质产生直接影响；污水厂超越溢流污染：当Q ≤ Qw时，污水处理厂可全部受纳输送水量，污水处理厂不存在溢流污染；当Q > Qw时，超出污水厂最大受水量，需进行超越处理，此时将产生溢流污染（图3）。
（5）截污井溢流污染对河流水质影响分析
截流倍数与河流水质目标可达性分析，主要考虑水环境容量、考核断面主控水质指标以及该市降雨过程等因素，并根据截流倍数的选择，计算出该情景下的河流水质目标是否可达。
本处对溢流污染主要控制指标COD及氨氮，进行了溢流负荷及汇流河段水环境容量的估算。河流水质目标COD ≤ 30 mg/L、氨氮1.5 mg/L，作为受纳水体水环境容量与负荷削减计算的水质指标（按照工程方案确定的水质目标）。
2013年全年降雨量742.7 mm，高于该市多年平均降水量（595 mm）20%，为丰水年。全年>5.0 mm降雨日数为45天，>10 mm降雨天数23天，其中5-9月20天。
在截流倍数为n0=2的情况下，全年产生溢流次数共计23次，主要分布在6-9月的有17次。其中降雨间隔1天的有11次，分布在6月24日至7月16日、8月15日、8月16日以及8月29日。降雨间隔2天的1次，为6月22日降雨事件。间隔3天的降雨事件有2次，发生在8月28日与9月2日。降雨间隔4天的有2次，出现在8月8日与7月28日；其他降雨事件的间隔天数分别为7天，为9月23日。
通过对17次发生溢流污染的降雨事件统计得出，合流制建成区溢流负荷总量COD约为386 t，氨氮约为2.59 t。其中溢流负荷COD 0-10 t的6次，10-15 t的有3次，15-25 t的3次，大于25 t的5次；氨氮0-0.1 t的9次、0.1-0.2 t的4次，大于0.2 t的4次。
核对水环境容量与溢流入河负荷的差值，以COD计，发生的17次溢流事件中，有11次的溢流负荷可以通过河段生态系统的自净过程降解掉，不影响河流水质的设计标准（即COD小于30 mg/L）；以氨氮来看，这17次溢流污染事件，均可通过河段自净完成，不影响水质目标设定的要求。
有6次溢流污染事件，入河COD超过了河段的水环境容量。产生这种情况的原因，主要是次降雨时量大（平均为34.5 mm）、且降雨间隔时间较短所致（6次溢流降雨间隔均为1天）。
将这6次溢流污染事件入河前的污染物浓度分析后发现，溢流入河的COD平均浓度为44.3 mg/L。一方面COD浓度值相对较低，且伴随暴雨径流入河的污染物多为颗粒态，易发生沉降。通过河段生态系统的沉降净化，上述6次溢流污染事件基本不影响受纳水体断面水质目标的可达性。
Claims (7)
1.合流制区域污染负荷消减截流倍数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据受纳水体的水质目标，计算出在该目标下旱季和雨季的水环境动态容量；
S2：确定分析合流制区域旱季污水量与关键水质指标；
S3：基于受纳水体水环境动态容量过程选择合适的截流倍数；
S4：分析旱季和雨季合流制溢流污染类型及截流井溢流污染对受纳水体水质影响，验证并确定合适的截流倍数。
2.根据权利要求1所述的合流制区域污染负荷消减截流倍数确定方法，其特征在于，步骤S1中所述的基于受纳水体的水质目标计算出该目标下的水环境动态容量计算公式为：
式中：W为计算河段的水环境容量，Cs为水质目标，C0为断面起始浓度，Q0为河流流量，u为平均流速，K为综合降解系数，x为第m个污染源距控制断面的距离，qm为第m个污染源的流量；其中河流流量Q0的计算采用环境流量选择-水文法中的7Q10法。
3.根据权利要求1所述的合流制区域污染负荷消减截流倍数确定方法，其特征在于，步骤S2所述的中旱季污水包括生活污水和工业废水。
4.根据权利要求1所述的合流制区域污染负荷消减截流倍数确定方法，其特征在于，步骤S3所述的中截流倍数的选择，包括：
分析合流制区域至少3个自然年的降雨特征，包括降不同日降雨量的降雨事件数和降雨量统计、不同降雨强度降雨历时与降雨量统计；截流量计算公式公式如下：
Q = Qh (n0+1)
式中：Q为污水截流量，m3/s；Qh为合流管道内旱流污水设计流量，m3/s；n0为截流倍数，1~5。
5.根据权利要求1所述的合流制区域污染负荷消减截流倍数确定方法，其特征在于，步骤S4中所述的分析旱季合流制溢流污染类型，其计算公式如下：
式中：Q为输送至污水处理厂水量，Qh为旱季污水量，qi为单个旱季污水量。
6.根据权利要求1所述的合流制区域污染负荷消减截流倍数确定方法，其特征在于，步骤S4中所述的分析雨季合流制溢流污染类型，其计算公式如下：
式中：Q’ 1为截流井溢流水量；q’ i为单个截流井溢流水量。
7.根据权利要求1所述的合流制区域污染负荷消减截流倍数确定方法，其特征在于，步骤S4中所述的截流井溢流污染对受纳水体水质影响分析，主要考虑水环境动态容量、区域降雨过程和产汇流特点因素，根据截流倍数的选择，计算该情景下受纳水体水污染控制与治理过程中，合流制区域污染负荷消减目标是否可达，进而验证已选择的截流倍数。
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