朱春龍
(揚(yáng)州大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院)

　　污水截流是城市水環(huán)境控制的一個(gè)重要措施。目前截流倍數(shù)的分析還沒有成熟的方法，要考慮的因素較多，如經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、水文等，很難準(zhǔn)確進(jìn)行定量分析。
　　一般而言，截流倍數(shù)大，則工程投資要增加，環(huán)境效益好；截流倍數(shù)小，則工程投資少，但對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響大。在確定截流倍數(shù)時(shí)可以把目標(biāo)定為在環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)許可的前提下，盡量使用較小的截流倍數(shù)。

1 截流倍數(shù)分析方法

　　確定截流倍數(shù)需先計(jì)算雨洪流量及雨洪污染物濃度、旱流流量及旱流污染物濃度，在此基礎(chǔ)上，假定不同截流倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算。圖1為截流倍數(shù)分析計(jì)算流程。

1.1 雨洪流量過程計(jì)算
1.1.1 設(shè)計(jì)暴雨過程計(jì)算
　　采用目前排水規(guī)范應(yīng)用的暴雨公式：

　　　　i＝A1（1＋ClgT)/(t+B)n

　　式中　i——暴雨強(qiáng)度，mm/min?
?　　　　t——降雨歷時(shí)，min?
?　　　　T——重現(xiàn)期，a?
?　　　　A₁、C、B、n?——地方參數(shù)，可查設(shè)計(jì)手冊(cè)，或據(jù)實(shí)測(cè)暴雨資料確定
　　在選定設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的條件下，為求得最大的設(shè)計(jì)洪峰流量，需選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)，這個(gè)歷時(shí)要足夠長(zhǎng)，以便整個(gè)流域的徑流都能匯集到設(shè)計(jì)點(diǎn)。有了設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)后，采用同頻率法或芝加哥法可得到非均勻雨量分配過程。
1.1.2 凈雨過程計(jì)算
　　推求凈雨過程的方法較多，如下滲公式法、經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖法、初損后損法、徑流系數(shù)法、蓄滿產(chǎn)流模型法等，降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖法是一種行之有效的方法，可用下式表達(dá)：

　　SR_t=[(SP_t+P_a+C_p)³+C_i³]^1/3-C_i式中　P_a——前期影響雨量?
?　　　　SP_t——累積雨量?
?　　　　SR_t——累積產(chǎn)流量?
?　　　　C_p、C_i——產(chǎn)流公式參數(shù)，不同水文分區(qū)取值不同

　　具體計(jì)算時(shí)將城市流域分為透水區(qū)域與不透水區(qū)域，透水區(qū)域用產(chǎn)流公式計(jì)算，不透水區(qū)域產(chǎn)流量與降雨量相等，用下式計(jì)算總產(chǎn)流量：

　　R_t=P_tI_mp+RC_t(1-I_mp)
　　式中 R_t——t時(shí)段總產(chǎn)流量?
?　　　I_mp——不透水面積占總面積的比例?
?　　　P_t——t時(shí)段內(nèi)的降雨量?
?　　　RC_t——t時(shí)段內(nèi)透水面積上的產(chǎn)流量?(RC_t＝SR_t-SR_t-1)

1.1.3 流量過程計(jì)算
　　推求流量過程可采用等流時(shí)線法、經(jīng)驗(yàn)單位線法、瞬時(shí)單位線法、水力學(xué)法等。瞬時(shí)單位線法是指無窮小時(shí)段內(nèi)流域上均勻的單位凈雨所形成的地面徑流過程線。納希(Nash)用幾個(gè)線性水庫串聯(lián)后，推導(dǎo)出納希瞬時(shí)單位線公式如下：

　　u(t)=(t/k)^n-1e^-t/k/KГ(n)
　　式中　n——水庫數(shù)或調(diào)蓄次數(shù)
　　　　　K——分段內(nèi)的傳播時(shí)間
　　　　　Г——伽瑪函數(shù)

　　借助S曲線可將瞬時(shí)單位線轉(zhuǎn)化為時(shí)段長(zhǎng)為△t的時(shí)段單位線u（△t,t)，便于實(shí)際應(yīng)用。

　　
　　式中　Kc——考慮流域面積及計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)的單位換算因子
　　　　　n、K——參數(shù)，可由實(shí)測(cè)資料確定，或查有關(guān)資料用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

1.2 徑流污染物濃度計(jì)算
　　采用非點(diǎn)源運(yùn)動(dòng)波模型計(jì)算，其基本假定為：流域不透水，污染物守恒，在降雨開始前均勻分布于整個(gè)流域，并在徑流中均勻混合。徑流污染濃度的運(yùn)動(dòng)方程如下：

　　
　　式中　Cr——污染物濃度
　　　　　hr——總凈雨深
　　　　　h——凈雨深
　　　　　D——彌散系數(shù)
　　　　　u——平流質(zhì)點(diǎn)流速

　　由假定將運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)化為：

　　dC_r/dt=-(C_r/h_T)(dh/dt)
　　解得　Cr=Cr0h(-h/hT)
　　式中 Cro——積分常數(shù)，表示降雨開始時(shí)的污染物濃度

　　徑流中污染總量為：

　　
　　式中　F——流域面積，km²
　　　　　MW——污染物總量，kg

　　采用下式計(jì)算污染物沖刷總量：

　　MW=q_cFT
　　式中　qc——污染物沖刷率模數(shù)
　　　　　T——降雨沖刷歷時(shí)

1.3 混合流污染物濃度計(jì)算
　　根據(jù)計(jì)算區(qū)域規(guī)劃人口情況、工業(yè)布局等確定旱季流量Ｑ和旱季污染物濃度C，將合流制管渠模擬為零維完全混合反應(yīng)器，則混合流的污染物濃度用下式計(jì)算：

　　Ch=(CrQr+CfQf)/(Qr+Qf)
　　式中 Ch——混合流污染物濃度

1.4 溢流流量及污染物濃度計(jì)算
　　溢流流量用下式計(jì)算：
　　如果Ｑr＞n₀Ｑ_f，Ｑ₀＝Q_r-n₀Qf
　　若Ｑr＞n₀Ｑ_f，則Q₀=0
　　溢流污染物濃度用下式計(jì)算：
　　若Q₀＞0，則C₀=C_h
　　若Q₀≤0，則C₀=0
1.5 截流倍數(shù)確定
　　用非穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型模擬不同截流倍數(shù)下受納水體的水質(zhì)變化情況，與受納水體環(huán)境保護(hù)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)照，滿足受納水體環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的最小截流倍數(shù)即為所求。

2 算例

2.1 基本資料
　　某市位于江蘇省中南部，為了對(duì)城市水環(huán)境進(jìn)行控制，老城區(qū)采用截流式合流制，截流旱流污水和污染嚴(yán)重的初期污水。計(jì)算區(qū)域面積3.05km²，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期1年。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，暴雨公式中A取14.48，C取0.787，B取10.5，n取0.78，設(shè)計(jì)歷時(shí)取24h,計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)為30min。根據(jù)江蘇省暴雨洪水圖集，產(chǎn)流參數(shù)C_p取30，C_i取105，設(shè)計(jì)前期影響雨量取63.3mm，n取2，k取1.72h，不透水面積與總面積比例為0.3，污染物指標(biāo)采用COD_Cr，根據(jù)有關(guān)資料，污染物輸送率模數(shù)取12.5kg/(min·km²)，旱季流量取0.25m³/s，管網(wǎng)的污水執(zhí)行《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—1996)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，假定管網(wǎng)污水COD_Cr為500mg/L。
2.2 模擬計(jì)算
　　根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算出總降雨量及各種歷時(shí)降雨量，用同頻率法求得暴雨過程；用江蘇省暴雨洪水圖集中的降雨徑流關(guān)系計(jì)算出凈雨過程；用瞬時(shí)單位線法計(jì)算出徑流流量過程；用非點(diǎn)源運(yùn)動(dòng)波模型計(jì)算出徑流污染物濃度過程；由零級(jí)完全混合反應(yīng)方程可得混合污水污染物濃度過程。
2.3 截流倍數(shù)分析
　　截流倍數(shù)取2、3、4時(shí)，分別計(jì)算溢流流量、過程及溢流污染物濃度過程，見表1。表2為不同截流倍數(shù)下溢流情況統(tǒng)計(jì)表。

表1 不同截流倍數(shù)溢流過程 序號(hào) 截流倍數(shù)取2 截流倍數(shù)取3 截流倍數(shù)取4 序號(hào) 截流倍數(shù)取2 截流倍數(shù)取3 截流倍數(shù)取4 流量（m³/s) 濃度（mg/L) 流量（m³/s) 濃度（mg/L) 流量（m³/s) 濃度（mg/L) 流量（m³/s) 濃度（mg/L) 流量（m³/s) 濃度（mg/L) 流量（m³/s) 濃度（mg/L) 1 0.115 164.3 0.0 　 0.0 　 14 2.011 59.5 1.761 59.5 1.511 59.5 2 0.248 146.0 0.0 　 0.0 　 15 1.746 63.6 1.496 63.6 1.246 63.6 3 0.534 119.3 0.284 119.3 0.034 119.3 16 1.475 69.1 1.225 69.1 0.975 69.1 4 1.584 77.3 1.334 77.3 1.084 77.3 17 1.236 75.4 0.986 75.4 0.736 75.4 5 2.844 58.6 2.594 58.6 2.344 58.6 18 1.057 81.1 0.807 81.1 0.557 81.1 6 3.557 51.8 3.307 51.8 3.057 51.8 19 0.862 89.0 0.612 89.0 0.362 89.0 7 3.868 48.6 3.618 48.6 3.368 48.6 20 0.731 95.5 0.481 95.5 0.231 95.5 8 3.850 47.3 3.6 47.3 3.350 47.3 21 0.594 103.7 0.344 103.7 0.094 103.7 9 3.681 47.1 3.431 47.1 3.181 47.1 22 0.483 111.7 0.233 111.7 0.0 　 10 3.39 47.9 3.14 47.9 2.890 47.9 23 0.396 119.0 0.146 119.0 0.0 　 11 3.056 49.5 2.806 49.5 2.556 49.5 24 0.304 128.2 0.054 128.2 0.0 　 12 2.701 52.0 2.451 52.0 2.201 52.0 25 0.25 134.3 0.0 　 0.0 　 13 2.352 55.2 2.102 55.2 1.852 55.2 26 0.166 145.4 0.0 　 0.0 　

表2 不同截流倍數(shù)下溢情況統(tǒng)計(jì)表 截流倍數(shù) 溢流歷時(shí)（h） 溢流總量（10⁴m³） 徑流總量（10⁴m³） 溢流Qm（m³/s） 管道Qm(m³/s） 2 17 7.8 12 3.87 0.75 3 11 6.6 12 3.62 1.00 4 9.5 5.7 12 3.37 1.25

　　根據(jù)規(guī)劃，受納水體定為Ⅳ類水體。據(jù)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)規(guī)定，城鎮(zhèn)二級(jí)污水處理廠COD最高允許排放濃度120mg/L(二級(jí)標(biāo)準(zhǔn))。作為一種粗略考慮，溢流按污水處理廠尾水看待，滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的最小截流倍數(shù)為所求截流倍數(shù)。由表1可知，截流倍數(shù)取4時(shí)截流最大濃度為119.3mg/L；截流倍數(shù)取3時(shí)，溢流最大濃度為128.2mg/L。從環(huán)境方面考慮，截流倍數(shù)應(yīng)取4，但應(yīng)注意到截流倍數(shù)取3時(shí)，只有一個(gè)時(shí)段的溢流濃度超過120mg/L，且流量很小，而截流倍數(shù)由4到3可節(jié)省很多投資，因而從經(jīng)濟(jì)環(huán)境方面綜合考慮，截流倍數(shù)取3。這樣既能節(jié)省投資，又能基本達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。

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　　7 Larry A Roesner.Design of Urban Runoff Quality Controls

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　　作者通訊處：225009 揚(yáng)州大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院122信箱
　　(收稿日期 1998-09-07)