深圳市龙岗河流域初小雨调蓄设计研究
时间：2023-04-07 23:00:03 来源：千叶帆 本文已影响人
王登敏
（广东省建科建筑设计院有限公司，广东 广州 510000）
为全面学习贯彻习近平生态文明思想和全国生态环境保护大会精神，打好黑臭水体整治这一重大标志性战役，逐步打开截污总口，剥离清洁基流，削减“虚增”混流污水量，减少雨季污水对污水厂的影响，实现河流水环境综合整治目标，深圳市提出开展河流消除黑臭及河流水质保障工程，从而实现河流断面水质达到考核的要求[1，2]。
近年来，随着城乡建设的快速发展，河流水环境污染现象日益突出，而面源污染情况尤为显著。人与环境和谐发展已成为提高城市竞争力、改善城市生态环境、促进经济发展的重要措施[3]。面源污染治理已然成为构建和谐水生态的重要一环，成为城市水体消除黑臭的关键之一。
城市面源污染主要是由降雨时初期雨水径流和冲刷作用产生的，具有突发性、高流量和重污染等特点[4]。径流污染前期影响尤为显著，尤其是在降雨前期，径流雨水促使地表的污染物短期内突发性汇入受纳水体，进而造成水环境污染[5]。城市面源污染主要来源于路面淤积物、各类交通垃圾、房屋建筑材料、建筑工地废弃物等[6]。
1.1 垃圾中转站
垃圾中转站的污染源来源广、性质各异，产生的废水主要有生活废水、冲洗废水、垃圾渗滤液。其中，生活废水主要为工人日常生活及工作中产生的废水；
冲洗废水主要是对地面、车辆、设备等进行冲洗产生的污水；
垃圾渗滤液是垃圾经压缩过程产生的污水，其特点是污染物浓度高、变化特征大、处理难度高[7]。
1.2 餐饮污染
餐饮污染主要是指餐饮业的洗碗洗菜废水、泔水油和生活污水等通过附近的雨水篦子直排雨水管网污染河流的现象。对于餐饮废水的处理，部分餐饮店设置隔油池和化粪池处理，部分仅有隔油池且规格不满足要求。
1.3 农产品市场以及老旧的城中村
由于历史条件及周边居民生活习惯等原因的影响，农产品市场及老旧城中村往往地面卫生情况较差，部分农产品市场甚至存在商户直接往雨水系统中倾倒垃圾等现象。一旦下雨，地面上的污染物与雨水混合形成初期雨水，通过雨水系统排放至河道，造成严重的河道污染。
面污染源等级划分根据初期雨水径流水质确定，以实测资料为准。如无实测资料，可参考表1中下垫面分类，经实际调查，划分面污染源等级[8]。
表1 面污染源等级划分标准 mg/L
根据《水利水电工程水文计算规范》（SL278-2002），水文分析计算基础数据的统计系列不宜小于30 a，而清林径水库雨量站运行观测资料系列超过30 a，实测系列较长，代表性较好，故作为本次水文分析计算的参证站。
根据深圳市清林径水库雨量站不同时段年最大雨量资料系列，采用P-Ⅲ型理论曲线，依据设计暴雨的地区分布规律，选取Cs/Cv=3.5，计算各时段的设计暴雨均值及相应的变差系数Cv值[9]，本次设计暴雨成果详见表2。
表2 设计暴雨成果
经分析，查图各时段设计暴雨基本较清林径水库雨量站大，从工程安全的角度考虑，设计暴雨采用查图成果。
2.1 计算方法
鉴于龙岗河流域无满足洪水分析系列要求的实测流量数据，本次流域设计洪水计算采用设计暴雨推算。设计洪水采用《广东省暴雨径流查算图表使用手册》中的“综合单位线法”及“推理公式法”分别进行计算，2种计算方法成果相差在20%以内（以数值大者为分母），本次采用“广东省综合单位线法”计算成果[9]。
在工程实例中，控制断面上游的调蓄水库对流域洪水起到不同程度的调洪削峰作用，尤以大中型水库对下游控制断面的洪水影响更为突出。由于水库对天然洪水具有调蓄作用，河道下游控制断面设计洪水采用区间洪峰流量与水库最大下泄流量进行组合，并考虑已建水库对洪水的调蓄[10]。采用《深圳市防洪潮规划修编报告（2014—2020）》中的水文分析方法，各控制断面的设计洪峰流量按下式计算：
式中：Q调为水库调蓄后各控制断面洪峰流量（m3/s）；
Q天然为控制断面以上天然洪峰流量（m3/s）；
F断面为控制断面以上流域面积（km2）；
F蓄为控制断面以上蓄水工程控制流域面积（km2）；
Q泄为蓄水工程最大下泄流量（m3/s）；
K为设计断面与水库坝址断面天然洪水洪峰模数的比值，即K=M设计断面/M水库断面。
2.2 计算参数
根据最新实测的1∶10 000深圳电子版地形图及谷歌卫星图，量算本流域各控制断面的集雨面积、河长、比降等地理参数。龙岗河流域地理参数，详见表3。
表3 龙岗河流域地理参数
2.3 设计洪水成果
根据上述方法对龙岗河流域设计洪水进行计算，设计洪水成果详见表4。
表4 龙岗河流域设计洪水成果（考虑水库调蓄）
2.4 成果合理性分析
为了验证设计洪水成果的合理性，根据洪峰流量模数对流域设计洪水成果进行分析。龙岗河干流各控制断面洪峰流量模数成果，详见表5。
表5 龙岗河流域洪峰流量模数成果
由表5可知，随着集雨面积的增加，洪峰模数递减。同一控制断面，随着频率的增加，洪峰流量模数递减，符合洪水变化规律，设计洪水成果合理。
龙岗河末端调蓄池服务面积为50.43 km2，调蓄池主要服务于龙岗河流域的建成区，包括龙岗河干流流域25.48 km2、黄沙河流域2.19 km2、丁山河流域1.12 km2、龙西河流域11.62 km2、梧桐山流域7.41 km2和大康河流域2.61 km2。根据龙岗区市政排水管线、龙岗河流域水环境综合整治工程的相关资料，提取相应范围内的雨水管网及两岸截污管（箱涵）信息，包括：检查井数据、检查井与管道的拓扑关系、管道形状、尺寸、管底高程、地面高程、排放口位置等，搭建排水管网模型。
管网的数据信息主要包括：管网和检查井的空间位置、节点高程、管长、管径、流向、材质、糙率等属性数据，导入MIKE URBAN模型中，并对管网拓扑关系进行检查[11]。调蓄池的数据信息主要包括：几何形状、面积、深度、蓄水曲线等属性。
3.1 汇水分区划分
确定调蓄池集水区的边界范围，使用集水区划分工具进行子汇水分区的划分，使每一个入孔对应一个子汇水分区。各区域子汇水分区，如图1所示。
图1 龙岗河流域末端调蓄池区域子汇水分区
3.2 模型边界条件及参数设置
3.2.1 降雨边界
本工程设计截流标准为降雨量10 mm、降雨历时1.5 h形成的初（小）雨。
MIKE URBAN的上边界条件为降雨过程。结合本工程特征和深圳市降雨规律，降雨过程采用深圳市暴雨强度公式，根据芝加哥雨型（以1 min为单位时段）确定。深圳市暴雨强度计算公式如下：
式中：i为暴雨强度（mm/min）；
P为重现期（a）；
t为降雨历时（min）。
设计降雨过程（10 mm/1.5h），如图2所示。
图2 设计降雨过程（10 mm/1.5 h）
3.2.2参数设置
（1）集水区参数。根据本区域的实际用地类型，划分相应的下垫面。本次产汇流模型采用T-A曲线模型，不透水系数根据不同的下垫面类型设置，并参考《室外排水设计标准》（GB50014-2021），本工程道路、建筑物等建成区综合径流系数选取0.60，生态区、绿地等区域综合径流系数选取0.20，下垫面类型及不透水系数详见表6。
表6 下垫面类型及不透水系数
（2）其他参数。本次建立的MIKE URBAN模型地面平均流速取0.3 m/s，水文衰减系数取0.9，初始损失取0.6 mm。
3.3 模型计算结果
通过MKE URBAN模型对龙岗河末端调蓄池服务范围内的区域进行降雨-径流-管流模拟，并对模型各个参数合理调整与优化，使其符合规范要求，较好地反映模拟区域的真实性。龙岗河末端调蓄池水位变化过程如图3所示，模型计算结果详见表7。
表7 调蓄池规模计算成果
龙岗河末端调蓄池服务范围的截流系统过流能力与调蓄池规模，通过公式法计算与MIKE URBAN模型复核结果比较，详见表8。
从表8可知，龙岗河干流各沿河截污管过流能力基本能满足降雨量10 mm、降雨历时1.5 h形成的初（小）雨的截流标准。
表8 龙岗河干流各沿河截污管/箱涵过流能力复核结果
调蓄池规模复核结果，详见表9。
表9 调蓄池规模复核结果
由表9可知，龙岗河末端调蓄池服务范围面积为50.43 km2，10 mm/场、降雨历时1.5 h形成的径流量MIKE URBAN模型复核结果为25.2万m3，拟建调蓄池规模为25.5万m3，满足截流标准的要求。
龙岗河末端调蓄池初小雨处理有转输至现有污水处理厂处理、就地建设一级强化处理设施处理以及新建污水处理厂兼顾初小雨处理3种可行方式。
（1）方式1（近期推荐）。末端调蓄池对岸为横岭污水处理厂，横岭污水处理厂一期、二期均按收集旱季污水设计，均未考虑初小雨处理规模，将16.4万m3/d的初小雨送至横岭污水厂处理，对污水厂的水量水质冲击较大，近期可错峰收纳，非长远处置出路。
（2）方式2。结合调蓄池，就地建设一级强化处理设施，虽可去除一定的污染负荷，但难以满足交接断面水质达到地表水V类的要求。
（3）方式3。（远期推荐）。远期新建污水处理厂，该污水处理厂可以结合最新的污水专项规划，作为横岭污水处理厂三期工程建设。因其涉及与横岭污水处理厂一、二期的水量调度以及后期管理及污水处理费用支付等问题，建议不纳入本工程实施。
同时，考虑远期新建污水处理厂未建成前，可以在惠州侧清洁基流剥离、交接断面达标的基础上，减少重复处理水量后，利用龙岗河流域拟实施的BO临时处理站分担横岭污水处理厂旱季污水处理，减小横岭污水处理厂的进水量，之后可利用横岭污水处理厂富余能力进行初小雨处理。
水体黑臭是现如今城市面临的重要的水环境问题之一。通过对城市面源污染的治理，可以在一定程度上改善水环境现状，提升城市的环境形象。基于初小雨调蓄措施的研究，本文提出了调蓄池相关的规模、过流能力计算和处理方式等，为后续的项目提供可借鉴的方法。
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