同沙水库雨水径流污染控制工程方案研究.pdf

同沙水库雨水径流污染控制工程方案研究 * 白璐宋乾武许春莲秦琦李志王红雨 中国环境科学研究院工程设计中心， 北京100012 摘要 为了尽快恢复作为备用水源的同沙水库的水质， 防止初期雨水径流污染。根据流域面积、 用地性质、 降雨量， 结 合相关研究成果， 对雨水径流的水量水质进行估算， 从而确定雨水径流污染控制工程的处理规模; 根据工程用地情况， 提出雨水径流污染的拦截、 分流、 调蓄、 处理的技术方案， 设计出水水质达到地表 IV 类水体。为治理同沙水库雨水径 流污染提供工程方案。 关键词 同沙水库; 雨水径流; 污染控制 STUDY ON THE ENGINEERING SOLUTION OF TONGSHA RESERVOIR RUNOFF POLLUTION CONTROLLING Bai LuSong QianwuXu ChunlianQin QiLi ZhiWang Hongyu Engineering Design Center of Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China AbstractIn order to restore the water quality of Tongsha Reservoir as a backup source of water，prevent early-stage runoff pollution， according to the drainage area，land properties，rainfall，combined with related research on runoff water quality，the quantity and quality of runoff of Tongsha Reservoir watershed were estimated，so the deal size was confirmed.Technical program of runoff restraining，diffluence，regulating，and treatment was recommended. So the engineering solution of Tongsha Reservoir runoff pollution controlling was provided. KeywordsTongsha Reservoir; runoff; pollution control * 国家水体污染控制与治理重大科技专项 2008ZX07211 － 006 。 0引言 同沙水库位于广东省东莞市， 是东莞城区库容量 最大的水库， 目前东莞市 90 以上的供水依赖东江， 随 着东江沿线各大城市用水量的不断增加， 东江的供水 压力逐渐加大， 东江下游的东莞市面临着缺水的风险。 同沙水库作为东莞的备用水源， 目前水质只能达到农 业用水及一般景观用水标准。为了尽快恢复同沙水库 的水质， 确保东莞市的供水安全， 需采取工程措施治理 流域内的污染源， 其中雨水径流污染严重， 具有随机性 和突发性， 收集难度大， 是同沙水库的主要污染源之 一。然而， 目前国内关于雨水径流污染的研究比较少， 相关的工程案例也很少。因此， 本文通过总结国内外 类似工程技术的研究经验， 结合同沙水库的实际情况， 提出了同沙水库雨水的污染治理方案。 1初期雨水径流水量水质研究 为了合理地确定同沙水库初期雨水径流处理工 程的规模， 选择合适的处理工艺， 首先需要确定初期 雨水径流量及其水质。由于雨水径流的水量是实时 变化的， 其水质又受到用地性质、 城市排水体制、 市政 建设水平、 暴雨强度、 降雨周期等多因素的影响 ［ 1］， 很难定量化。国外发达国家很早以前就开始了这方 面的研究， 积累了大量的监测数据， 期望通过构建模 型预测水质水量变化规律 ［ 2］。我国近年来陆续在北 京、 上海、 广州、 珠海、 武汉和澳门等城市开展了路面 径流的水量水质的监测分析 ［ 3- 7］。这些研究结果表 明， 雨水径流的污染严重， 浓度变化大， 初期雨水的污 染物含量在整个径流过程中最高， 降雨初始冲刷效应 使得初期雨水水质在最初的30 min内最差。因此， 应 采取工程措施将初期雨水拦截， 进行处理， 从而控制 对地表水的污染。为了降低处理成本， 将初期雨水与 后期洁净雨水分流后处理。 1. 1初期雨水径流水量测算 初期雨水的水量用暴雨公式和雨水径流公式计 16 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 算确定， 计算参数根据同沙水库流域的水文地质条件 确定。采用广州市暴雨公式计算暴雨强度见式 1 q 2424. 17 1 0. 5331gT t 11 0. 668 1 式中q 暴雨强度， L/ s. ha ; T 重现期，a; t 降雨历时， min。 雨水径流量计算公式见式 2 V αqFT0 2 式中V 初期雨水径流量， m 3; α 径流系数， 无量纲; F 流域面积， km2; T0 初期雨水收集时间， s。 据相关文献报道， 大于12. 7 mm/h持续 1 h 的标 准降水可以冲刷街面 90 的地表累积物 ［ 8］。根据东 莞市暴雨统计资料， 每年大于12. 7 mm/h的降雨约为 12 次， 则达到该强度暴雨的雨水重现期 T 约为 30 天， 即 0. 08 年。公式 1 中用到的降雨历时没有规 律可循， 东莞市暴雨统计资料中记录了每年最大和最 急降雨的历时， 最短历时不到 2 h， 最长历时 16 h; 在 工程用地和投资能够承受的情况下， 本着尽可能多地 收集初期雨水的原则， 本方案的降雨历时 t 取 720 min，则 由 暴 雨 强 度 公 式 1 得 到 暴 雨 强 度q 为 12. 49 L/ s. ha 。 同沙水库周边植被丰富、 风景优美， 大部分的雨 水径流来自周围的山体， 比较洁净， 只有来自西南方 向的城镇区域的雨水径流污染严重， 城镇区域的雨水 汇流途径有牛山溪沟、 环城路南排水沟和黄沙河。牛 山溪沟集雨面积约为10 km2， 黄沙河为 27. 55 km2， 环城路南排水沟为2. 5 km2， 三个地点的水质水量计 算方法和技术方案类似， 本文仅以牛山溪沟为例详细 介绍。牛山溪沟10 km2的集雨面积中， 城镇区域约占 5 km2， 山林、 绿地等5 km2， 综合考虑土地性质， 径流 系数 α 取 0. 65。牛山溪沟汇流区最远端距工程地点 有7 km， 考虑到汇流时间以及合理控制工程规模， 初 期雨水历时时间 T0取为1 h， 即3 600 s。因此， 每场 雨牛山溪沟汇流的初期雨水量确定为30 000m3。对 每场雨的初期雨水进行拦截、 调蓄后， 水质净化时间 按 5 天 考 虑，水 质 净 化 系 统 的 日 处 理 流 量 为6 000m3/d。 1. 2初期雨水径流水质确定 研究表明， 各地的雨水径流污染物浓度有明显差 异， 同一城市同一时间不同监测断面监测的径流污染 物浓度变化也很大， 显示出径流污染物浓度表现为明 显的随机性和波动性。上海市浦东新区部分雨水泵 站的初期雨水 COD 浓度变化范围为 73 ～ 293 mg/L， BOD5为 23. 8 ～ 87. 4mg/L，氨 氮 为 13. 6 ～ 31. 2 mg/L; 武汉墨水湖排污口降雨径流的 SS、 COD、 TP 和 TN 平 均 浓 度 分 别 为 601. 1， 299. 0， 0. 88 和 12. 26 mg/L。珠海城区凤凰河、 白沙河和拱北排洪 渠雨水径 流 出 水 海 口的 COD 浓度变化范围为 34. 43 ～ 93. 58 mg/L， TN 为 4. 92 ～ 8. 29 mg/L， TP 为 0. 41 ～ 0. 83 mg/L。 2009 年 3 月 7 日降雨后， 对同沙水库四个不同 的入库口的水质进行监测， 监测结果如下 COD 浓度 范 围 为 13. 6～ 52. 2 mg/L，TN 浓 度 为 2. 55 ～ 25. 11 mg/L， TP 浓度为 0. 118 ～ 0. 424 mg/L。与国内 相关研究中测得的结果相比， 本次监测的水质污染物 浓度偏低。由于黄沙河水系、 牛山溪沟等的入库口距 离城镇地区有 5 ～ 10 km ， 城镇区域的初期雨水径流 经过长距离的汇集进入水体后沿途可以得到稀释。 结合实测结果和相关研究结果， 确定同沙水库的初期 雨水径流污染处理工程的进水平均浓度如表 1 所示。 表 1预测初期雨水径流污染处理工程进水水质 mg/L 水质指标ρ SS ρ CODρ BOD ρ TNρ TP ρ NH3-N 设计浓度80. 075. 010. 05. 00. 63. 0 2初期雨水污染控制工程方案设计 2. 1初期雨水径流的拦截和分流工程方案 对于这类工程， 首先要解决的问题就是在保证行 洪安全的前提下， 对入库雨水径流进行拦截， 并将污 染负荷较大的初期雨水径流与洁净的后期雨水分开， 初期雨水引入处理系统， 后期雨水直接进入水库。 为了运行管理方便， 采取在排洪河道上修筑滚水 堰的方式拦截初期雨水， 平时调蓄塘内水位很低， 下 雨时， 被拦截的初期雨水被引入调蓄塘进行流量的调 节与沉淀预处理。滚水堰的堰顶标高与调蓄塘的设 计水位相同， 当调蓄塘的水位达到设计水位后 即达 到初期雨水径流的设计水量后 ， 洪水自动溢流， 开 始泄洪， 洪水溢过滚水堰后， 从原有的排洪河道排入 水库。初期雨水径流拦截工程示意见图 1。 2. 2初期雨水径流处理技术方案 初期雨水径流被拦截分流后， 要进一步处理。同 沙水库包括周边大部分区域已建成同沙生态公园， 要 求工程建成后不能影响公园的生态环境和景观， 而且 26 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 图 1初期雨水径流拦截工程示意 水库周边有大量废弃鱼塘能够作为工程用地。另外， 初期雨水径流历时短、 瞬时水量大、 水质水量变化大、 悬浮物浓度高， 调蓄沉淀后属于微污染， 但氮磷含量偏 高的水质， 因此， 本方案采用了调蓄沉淀后， 多级植物 塘和人工湿地组合的生态处理技术， 工艺流程见图 2。 图 2初期雨水径流处理工艺流程 2. 2. 1初沉区 初沉区和格栅主要用于去除雨水中较大的垃圾， 确保后续处理设施的管道畅通。工程运行后， 需要对 初沉区的污泥和格栅进行定期的清理。 2. 2. 2调蓄沉淀塘 调蓄沉淀塘用于储存和调节雨水的水质水量， 并 去除大部分的 SS 和部分 COD 等污染物 表 2 。调 蓄塘的容积应能够满足储存一次降雨的初期雨水量 的需要。如前所述， 平均一次降雨的初期雨水量为 30 000m3， 对现有鱼塘的进出水口进行改造， 经改造 后的有效容积为31 000 m3， 出水口的阀门调节好后 处于半开状态， 蓄存的污水缓慢地流向后续的处理流 程， 设计 5 天内流完， 调蓄沉淀塘的平均水力停留时 间为2. 5 d。因此， 通过调节出水阀门的开度可以调 节系统的日处理流量。旱季时， 对调蓄沉淀塘的污泥 进行清淤， 根据工程运行情况， 2 ～ 3 年清淤一次。 表 2调蓄沉淀塘的设计进出水水质 水质指标ρ CODρ BOD ρ SSρ TN ρ TP 进水 / mg L － 1 75108050. 6 出水 / mg L － 1 458244. 360. 5 处理效率 /4020 701317 2. 2. 3植物塘和人工湿地组合工艺 经过调蓄沉淀的初级处理后， 初期雨水的水质属 于微污染低浓度的污水， 适宜采用人工湿地和植物塘 等生态技术处理。近年来， 国内开展了很多地表水体 的生态修复工程， 这些工程大量的用到了植物塘和人 工湿地等技术， 但是至今为止国内没有权威的植物塘 或人工湿地的设计规范。国内对人工湿地和植物塘 等生态技术的研究也很多 ［ 9 ～ 11］， 根据研究结果和工 程案例， 结合东莞地区的气候条件， 本方案确定了植 物塘和人工湿地的设计负荷， 植物塘的 TN 负荷为 0. 25 g/ d m2 ， TP 负荷为0. 025 g/ d m2 ; 潜流湿 地 的TN负 荷 为 0. 45 g/ d m 2 ， TP 负 荷 为0. 045 g/ d m2 。 本方案结合工程用地的地形以及技术需要， 确 定了植物塘和潜流湿地的占地和布置形式。将调 蓄塘下游的 第 一 个 鱼 塘改造为一级植 物 塘， 面 积 3. 6 万 m2， 将第二个鱼塘改造为表流湿地， 面积 2. 2 万 m2， 一级植物塘和表流湿地的作用是进一步去除 SS， 尽量避免潜流湿地的堵塞， 同时去除 COD、 TN、 TP 等污染物， 在表流湿地出口处设置曝气机， 以增 加水体中的 溶 解 氧 含 量， 提高下 游潜流 湿 地 的 效 率。潜流湿地面积 2. 3 万 m2， 共分三级， 第一级主 要去除有机物和硝化， 第二级为反硝化， 第三级使 用高含钙填料， 主要起到吸附溶解性磷的作用。潜 流湿地需要设计上游来水超越管和下游回水溢流 管， 防止意外的情况下， 上游处理流程的来水或下 游倒灌的回水 SS 过高， 堵塞潜流湿地。二级植物 塘面积 1. 7 万 m2， 为了强化脱氮除磷效果， 塘内放 置 500 m2高效人工生态基。生态处理系统总占地 面积 为 9. 8 万 m2， 水 力 负 荷 约0. 06 m3/ m2d 。 植物塘、 潜流湿地内将主要种植脱氮除磷效果好、 具有一定观赏性的芦苇、 茭白、 荷花等植物， 植物塘 的植物覆盖率为 65 ， 表流湿地和潜流湿地的植物 覆盖率为 90 。植物塘有效水深为1. 5 m， 有效容 积按 75 考虑， 则第一、 第二级植物塘的总停留时 间为 10 d。表流湿地水深按0. 3 m考虑， 有效容积 按 90 考虑， 则停留时间为 1 d， 潜流湿地水深按 1. 0 m考虑， 有效容积按 90 考虑， 则停留时间为 3. 5 d。植物塘和人工湿地组合净化系统总停留时 间为14. 5 d。经过以上工程设计， 出水水质应当能 够达到地表水 IV 类水体水质 见表 3 ， 减少了同沙 水库绝大部分的面源污染。另外， 冬季温度低， 处 理效率差， 但冬季是东莞地区的旱季， 雨水少， 在处 理系统中的停留时间相应延长， 能够弥补处理效率 低的不利因素。 36 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 表 3植物塘和人工湿地组合工艺设计进出水水质 mg/L 水质指标ρ CODρ BODρ SSρ TNρ TP 进水水质458244. 360. 5 出水水质256101. 330. 09 2. 2. 4高程设计 工程现场的地势本身具有天然的高差， 根据原有 鱼塘的地势情况， 调蓄沉 淀 塘 内 最 高 设 计 水 位 为 20. 50 m， 最低设计液面为 19. 85 m， 一级植物塘的设 计液位为19. 80 m， 表流湿地的设计液位为19. 50 m， 潜流湿地的设计液位为 19. 10 m、 二级植物塘的设计 液位为 19. 05 m， 同沙水库处于正常水位19. 00 m时， 处理系统全部自流出水， 水库水位达到19. 00 m以上 时， 植物塘内有湖水倒灌。 2. 2. 5工程方案优缺点评述 该方案因地制宜地利用了地形条件， 将牛山溪沟 旁边的废弃鱼塘改造为工程用地， 并合理利用了高程 条件， 避免了水力提升， 同时减少使用机械设备。因 此， 工程的运行管理简单， 运行成本低。另外， 采用植 物塘和人工湿地技术， 增加绿化面积， 生态和景观效 果好， 有利于同沙水库生态公园的建设。 但是该方案占地面积大， 工艺设计无法推广到用 地紧张的地区; 同时， 要求用地地形具有合适的高程 条件。 3成本分析 同沙水库初期雨水径流污染 牛山溪沟方向 工 程的总投资约2 600万元， 水处理运行成本约为 0. 1 元 /t。 4结论 1 本文采用了国内初期雨水的相关研究成果， 类比确定了同沙水库初期雨水的水质水量， 从而合理 确定了工程规模， 为后续的工程方案设计提供了依 据。但是雨水径流污染随机性强、 变化大， 还是应当 加强对重点流域的雨水径流的水质水量的监测， 为进 一步确定校核工艺参数提供可靠的依据。 2 本文提出了同沙水库雨水径流污染的拦截、 分流、 调蓄、 处理技术方案， 合理利用用地和高程条 件， 并充分考虑了工程地点的生态景观需要， 运行管 理简单。 3 同沙水库雨水径流污染控制工程方案符合东 莞市东城区的土地利用规划， 充分考虑了对当地防洪 排涝的影响， 能够被地方接受， 目前该方案已经被应 用于同沙水库综合整治的工程设计当中， 通过该工程 的建设和运行， 将为今后类似的工程设计和建设积累 经验。 4 同沙水库雨水径流污染控制工程总投资和运 行费用均比较低。 参考文献 ［1 ］ ShinyaM， TsuruhoK， IshikawaM.uationoffactors influencing diffusion of pollutant loads in urban highway runoff ［J］ . Water Science and Technology，2003，47 7 227- 232. ［2 ］ Butcher J B.Buildup，washoff，and event mean concentration ［J］ . Journal of the American Water Association，2003，39 6 1521-1528. ［3 ］ 车伍，刘燕，李俊奇. 国内外城市雨水水质污染控制［J］ . 给 水排水，2003，29 10 38- 41. ［4 ］ 车伍，欧岚，汪慧贞， 等. 北京城区雨水径流水质及其主要影 响因素［J］ . 环境污染治理技术与设备，2002，3 1 33- 37. ［5 ］ 沈桂芬，张敬东，严小轩， 等. 武汉降雨径流水质特性及主要 影响因素分析［J］ . 水资源保护， 2005， 21 2 57- 58. ［6 ］ 纪桂霞， 王平香， 邱卫国. 上海市雨水径流水质监测与混凝沉 淀试验研究［J］ . 给水排水，2007，33 2 47 - 51. ［7 ］ 黄金良，杜鹏飞，欧志丹. 澳门城市路面地表径流特征分析 ［J］ . 中国环境科学，2006，26 4 469- 473. ［8 ］ Sansalone J J，Buchberger S G.Partitioning and first of metals in ruban roadway storm water［J］ . Journal of Environmental Engineering，1997，123 2 134- 143. ［9 ］ 刘源月，郑爽英，李开源. 人工湿地系统处理废水工艺及案例 介绍［J］ . 中国测试技术， 2005，31 1 118- 119. ［ 10］ 杨敦，周琪. 人工湿地脱氮技术的机理及应用［J］ . 中国给水 排水，2003，19 1 1- 3. ［ 11］ 刘超翔，董春宏，李峰民， 等. 潜流式人工湿地污水处理系统 硝化能力研究［J］ . 环境科学，2003，24 1 80- 83. 作者通信处白璐100012北京朝阳安外大羊坊 8 号中国环境科 学研究院工程中心 电话 010 84935398- 813 E- mailbailu_816 163. com 2010 － 07 － 14 收稿 46 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期