CN103577640B - 城市初期雨水截留量标准的制定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种城市初期雨水截留量标准的制定方法，通过统计城市溢流污染场次削减效率、以及雨量污染削减效率，找出溢流场次削减效率和雨量削减效率高效区；得出所需的初期雨水截留雨量，并使其同时满足所述高效区、防汛标准、以及水环境容量要求。本发明制定的城市初期雨水截留量标准，能够有效地将污染物浓度较高的初期雨水进行截留，从而大幅降低了雨水径流对水环境的污染负荷。

Description

城市初期雨水截留量标准的制定方法

技术领域

发明涉及一种城市初期雨水截留量标准的制定方法，尤其涉及一种具有较好环境-经济效益比的城市初期雨水治理截留量标准的制定方法。

背景技术

在城市化程度较低时，渗透型地面比例大，雨水径流量小、且较为清洁，城市水体的污染主要石油工业污水和生活污水造成，因此城市水环境保护措施的重点主要为提高污水处理率，雨水管理更多考虑防洪方面的需要。

随着城市建设不断发展，混凝土建筑、道路等不透水底面出现，导致城市下垫面状况和水文循环状况发生了很大的变化，改变了以往天然流域地表所具有的良好透水、截流、蒸发、补给地下水的功能，径流系数加大，使降雨到产流的时间大幅缩短，最终产流速度、径流量和洪峰流都大大增加，峰现时间提前，给城市防洪排涝带来极大压力。

同时，降雨经过淋洗大气，以及冲刷路面、建筑物、城市废弃物后，雨水径流中携带一系列诸如营养物、杀虫剂、病菌、石油、油脂、沉淀物以及重金属等许多污染物，国内外研究发现，城市化之后径流中TSS、总磷、总氮等污染物的负荷是未开发地区的几十倍甚至上百倍。这些污染严重的雨水径流经过城市排水系统收集后排入受纳水体。

初期雨水指的是降雨时雨水冲刷路面和屋面后携带很多污染物、通过城市排水系统收集后，排放到城市河道时初期污染最严重的雨污水部分，初期雨水是面源污染的一部分，包括初期雨水径流、管道沉积物以及和合流制或混接分流制系统内的生活污水。由于降雨径流污染形成具有较大的随机性、偶然性和瞬时性，在短时间内对受纳水体造成的冲击负荷更加剧烈，因此初期雨水污染是目前城市水环境质量改善的制约因素。

以上海为例，中心城区入河污水量主要以泵站放江形式为主，约占60.8%，集中式污水处理厂尾水排放仅占27.7%，入河COD污染主要以排水泵放江为主，COD占入河污染源的86.6%；入河氮源污染也以泵站放江污染贡献最大，占入河污染源的69.45%，可见泵站放江已成为中心城区河道污染的主要因素，降雨放江污水中不仅含有大量污染严重的地表径流，还包括雨水冲刷掉的管道沉积物，并且为短时间内集中放江，对受纳水体的冲击负荷更加严重。

发明内容

本发明所要解决的是目前国内缺乏有效的控制初期雨水截留调蓄标准的问题。

本发明的目的是提供一种城市初期雨水截留量标准的制定方法，综合了削减效率、城市水环境容量和城市排水标准提高等因素，得出的截留雨量数值更加合理。

本发明所述城市初期雨水截留量标准的制定方法，步骤包括：

步骤1，初期雨水水质特性分析，包括：

1）城市屋面径流水质分析：

选取沥青屋面、混凝土屋面和瓦屋面三种屋面，对屋面雨水径流水质进行监测，统计至少22场有效降雨事件，通过公式（I）得出屋面雨水径流污染事件的污染物平均浓度，

$\mathrm{EMC}=\frac{M}{V}=\frac{\∫C\left(t\right)\×Q\left(t\right)}{\∫Q\left(t\right)}---\left(I\right)$

公式（I）中：

C(t)表示一次径流期间测得的随时间变化的污染物浓度；

Q(t)表示一次径流期间测得的随时间变化的径流流量；

M表示污染物的质量；

V表示径流体积；

2）城市道路径流水质分析：

对城市至少19个路面监测点进行径流水质的长期监测，按照1）的方法，统计至少22场降雨事件；

3）城市排水系统溢流污染特性分析：

排水系统分别按照合流制、分流制和混接排水系统，统计分析排水系统在小雨、中雨以及大到暴雨情况下的溢流污染物流程规律、以及排江流量、和排江水质变化；

4）根据1）～3）的结果，分析初期雨水污染物浓度随流量变化情况：

合流制排水系统污染物总质量=旱流污染物+地面径流携带污染物

将城市各种用地类型径流污染物浓度加权平均，得出城市分流制排水系统不同降雨阶段地表径流平均污染物浓度；

步骤2，制定城市初期雨水治理截留标准，包括

1）降雨特征分析：

计算十年以上每场降雨的雨量，对不同初期雨水截留量情况下的溢流放江频次削减率和溢流污水量削减率分布计算，制作溢流放江频次削减-雨水截留量效率、以及溢流污水量削减-雨水截留量效率曲线；根据斜率找出溢流场次削减效率和雨量削减效率高效区；

2）城市排水系统防汛标准可提高程度分析：

暴雨设计选择历时2小时，降雨重现期分别为1年一遇和2年一遇，评估城市排水系统在短历时暴雨情况下的排水能力；

选择城市年降雨量偏高的全年降雨量进行长期降雨模拟；

考察调蓄池在不同位置的影响，调蓄池运行方式为：降雨开始截留，池容充满后停止截留，经管道排放水体，降雨结束后排空调蓄池；

通过分析，得出城市排水系统可提高程度；

3）初期雨水截留量环境容量复核分析

计算城市面源污染量；

计算城市水环境容量；

在上述高效区间内取值，并加上城市排水系统可提高程度，作为初期雨水治理标准，计算污染物削减量和入河量，复核是否满足水环境容量限制。

其中，降雨特征分析方法包括：统计年总降雨场次、年总降雨量、≤Xmm降雨场次、＞Xmm降雨初期截留总雨量；根据年总降雨场次、≤Xmm降雨场次统计溢流污染场次削减效率，根据年总降雨量、＞Xmm降雨初期截留总雨量统计雨量污染削减效率，然后制作溢流放江频次削减-雨水截留量效率、以及溢流污水量削减-雨水截留量效率曲线，X为5～30的数字。

其中，X优选为10。

本发明所提供的方法，能够综合了环境-经济效益比、城市排污能力、以及城市水环境容量等因素，得出最佳雨水截留量，以此为标准设计调蓄池，有效地将污染物浓度较高的初期雨水进行截留，从而大幅降低了雨水径流对湖、河、海等水体的污染负荷。

具体实施方式

以上海为例，下面通过具体实施例对本发明进行详细的介绍和描述，以使更好的理解本发明内容，但是应当理解的是，下述实施例并不限制本发明范围。

步骤1，城市初期雨水水质特征分析

选取沥青屋面、混凝土屋面和瓦屋面三种具有代表性的屋面，从2003年至2006年对屋面雨水径流水质进行长期监测，对23场有效降雨和41组不同屋面雨水径流过程进行测定，其中小雨对屋面冲刷作用较弱，降雨结束时仍未将屋面冲刷干净，中到大雨时，降雨初期少量雨水中溶解了大量沉积物，水质较差，污染严重，随着降雨强度增加，屋面雨水径流水质明显改善，污染物浓度大幅降低，降雨量约为7～9mm时，径流污染物浓度趋于平衡。

对上海市不同区域19个路面进行历时三年的径流水质调查，共获得22将降雨事件的56组径流水质过程线以及相关降雨特征数据，污染物出流浓度趋于稳定时降雨量约为8～10mm。

对合流制系统溢流水质进行分析，降雨量大约为11～13m时，污染物浓度趋于稳定。

步骤2，统计城市溢流污染场次削减效率、以及雨量污染削减效率

采集从1979年至2008年降雨数据，该数据可以从上海气象站获得，同时采集上海城市中心周边（宝山、浦东、南汇、奉贤）4个近年来设置的自动分钟雨量站的降雨历史记录，数据内容包括降雨起止时间、降雨雨量等，对截留x=5mm、10mm、12.5mm、15mm、17.5mm、18mm、20mm、27mm、30mm初期雨水工况下，溢流污染场次削减和雨量削减进行计算。以截留10mm初期雨水为例，介绍如下：

首先统计上海市每年≤x mm的降雨场次、每年＞x mm的降雨场次的总雨量、每年＞x mm的降雨场次的初期降雨总量、年度降雨总场次和降雨总量。

计算截留x毫米降雨时的溢流污染场次削减百分比（场次效率）和雨量削减百分比（雨量效率）进行计算，计算结果见表1。

表1，场次效率和雨量效率表

截留降雨量	场次效率	雨量效率
			5mm	74.34%	36.60%
7.5mm	79.95%	46.73%
			10mm	84.00%	54.80%
12.5mm	86.90%	61.23%
			15mm	88.93%	66.37%
17.5mm	90.82%	70.70%
			18mm	91.17%	71.53%
20mm	92.15%	74.53%
			27mm	94.90%	82.10%
30mm	95.74%	84.50%

将不同截留降雨量下的溢流场次削减效率和雨水削减效率分别作图，对于一定规模的调蓄池，建设投资与调蓄容积基本成正比，从斜率变化可以判断，截留量在10～15mm区间是溢流场次削减效率和雨量削减效率的高效区，也就是说截留10～15mm初期雨水时截留调蓄设施具有良好的环境-经济效益比。

步骤3，城市排水系统防汛标准可提高程度分析

排水系统作为基础性市政建设，其建设与改造并非一朝一夕可以完成的，采用调蓄的方法是提高排水系统防汛标准的可行方式，调蓄设施（如调蓄池）需要与排水系统防汛标准可提高程度相对应，调蓄截留量过大将无法发挥作用，调蓄设施过小则提高排水系统防汛标准的程度有限。

进行排水系统建模，调蓄池按照较大径流深进行设计，模型中使用了两种降雨：

1）设计暴雨

采用上海暴雨公式推导的模式雨型（上海市短历时暴雨强度公式编制可行性研究，2004），降雨历时一般取2小时，降雨重现期分别取1年一遇和2年一遇，评估排水系统短历时暴雨情况下的排水能力。

2）长历时降雨

采用上海中心城区排水泵站的长期历时记录，取2008年全年5min间隔的实测降雨进行整理，2008年全年降雨量约1456mm，比平常年份偏高，故选择该年份降雨进行长期模拟。

分别对调蓄池处于下游段和系统当中的情况进行长历时降雨模拟，并计数截留效率，从长期模拟效果来看，末端调蓄池在2008年全年降雨下可截留29.3%的总径流，系统中段调蓄池仅截留11.8%的总径流。

从2年一遇暴雨的模拟结果来看，上海排水系统是按照1年一遇暴雨标准设计，当调蓄池位于排水系统主管中间偏上位置，2年一遇工况下主干线纵断面水力线下降了0.6～1.1m，通过优化，可以将上海目前排水标准提高到2年一遇，继续提高则受制于支管系统输送能力而不能实现。

因此，通过调蓄池在适当位置设置，可以将现有排水标准提高7mm。

步骤4，城市水环境容量复核分析

初期雨水的治理标准的选择关系到整个初期雨水治理系统的规模和投资，不仅需要符合经济合理的要求，作为环境治理工程还需要满足水环境容量的需求，同时还要考虑到城市中心功能定位和长远发展，因此合流制排水系统初期雨水治理标准选择为：面源污染治理（初期雨水截留）11mm；分流制排水系统初期雨水治理标准选择为：面源污染治理（初期雨水截留）5mm。叠加防汛标准提高7mm，得出：合流制初期雨水治理标准为18mm，分流制初期雨水治理标准为12mm。

据计算，理想边界条件下，上海中心城区水环境容量为5.58万吨/年，污染负荷为1.17万吨/年，黄浦江中心城区水环境容量为2.02万吨/年，污染负荷为1.17万吨/年，如果考虑到用于防汛标准提高的7mm调蓄库容，用于非超标准暴雨情况下的初期雨水截留，污染负荷还将进一步降低。上海市中心城区初期雨水污染物削减量可达3.90万吨/年，其中合流制排水系统削减初期雨水污染1.35万吨/年，分流制排水系统削减初期雨水污染2.55万吨/年，地表径流污染物入河负荷为2.14万吨/年。

根据上海市环保局的相关研究，上海市中心城水环境容量为5.8万吨/年，除黄浦江中心城段水环境容量2.02万吨/年，余下水体水环境容量为3.56万吨，可见上述标准可以满足初期雨水治理后的中心城入河污染物负荷要求，即本方法得到的上海市中心城初期雨水治理标准能够满足水环境容量需求。

根据上海市环保局和水务局的研究，上海市中心城19条水功能河道水环境容量为2.55万吨/年，根据上述雨水截留标准测算，上海市中心城19条水功能区河道地表径流污染物入河负荷为1.27万吨/年，污水处理率95%情况下属于入河点源和中心城分散污水处理厂排放污染物负荷0.85万吨/年，合计入河污染物负荷为2.55万吨/年。可以看出，本发明确定的初期雨水截留标准可以满足理想边界条件下的水功能区划要求。

步骤3，设计初期雨水治理标准

（1）合流制排水系统初期雨水治理标准

当截留雨量为10～15mm时，初期雨水场次与雨量削减效率较高，调蓄设施容积可以得到科学控制，从而使初期雨水治理工程实现较好的环境效益的同时，有效控制治理成本。

例如，合流制排水系统规划11mm作为水质改善用途的调蓄规模，同时规划7mm作为防汛标准提高用途的调蓄规模，防汛调蓄与水质调蓄可同时进行，结合国外发达国家治理经验，采用初期雨水调蓄叠加防汛标准提高调蓄的综合调蓄标准，合流制排水系统按照截留18mm降雨考虑。

（2）分流制排水系统初期雨水治理标准

分流制排水系统初期雨水没有污水合流，因而初期截留标准可以降低，综合降雨场次、雨量分析以及地表径流污染物初期效应规律、投资规模等因素，选定5mm降雨作为分流制排水系统初期雨水截留标准，可以预留7mm调蓄空间用于调蓄雨峰，实现标准提高。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (3)

1.一种城市初期雨水截留量标准的制定方法，其特征在于，步骤包括：

步骤1，初期雨水水质特性分析，包括

1)城市屋面径流水质分析：

选取沥青屋面、混凝土屋面和瓦屋面三种屋面，对屋面雨水径流水质进行监测，统计至少22场有效降雨事件，通过公式(I)得出屋面雨水径流污染事件的污染物平均浓度，

$EMC=\frac{M}{V}=\frac{\∫C\left(t\right)\×Q\left(t\right)}{\∫Q\left(t\right)}---\left(I\right)$

公式(I)中：

C(t)表示一次径流期间测得的随时间变化的污染物浓度；

Q(t)表示一次径流期间测得的随时间变化的径流流量；

M表示污染物的质量；

V表示径流体积；

2)城市道路径流水质分析：

对城市至少19个路面监测点进行径流水质的长期监测，按照1)的方法，统计至少22场降雨事件；

3)城市排水系统溢流污染特性分析：

排水系统分别按照合流制、分流制和混接排水系统，统计分析排水系统在小雨、中雨以及大到暴雨情况下的溢流污染物流程规律、以及排江流量、和排江水质变化；

4)根据1)～3)的结果，分析初期雨水污染物浓度随流量变化情况：

合流制排水系统污染物总质量＝旱流污染物+地面径流携带污染物

将城市各种用地类型径流污染物浓度加权平均，得出城市分流制排水系统不同降雨阶段地表径流平均污染物浓度；

步骤2，制定城市初期雨水治理截留标准，包括

1)降雨特征分析：

计算十年以上每场降雨的雨量，对不同初期雨水截留量情况下的溢流放江频次削减率和溢流污水量削减率分布计算，制作溢流放江频次削减-雨水截留量效率、以及溢流污水量削减-雨水截留量效率曲线；根据斜率找出溢流场次削减效率和雨量削减效率高效区；

2)城市排水系统防汛标准可提高程度分析：

暴雨设计选择历时2小时，降雨重现期分别为1年一遇和2年一遇，利用排水管网模型技术评估城市排水系统具备调蓄池后，在短历时暴雨情况下的排水能力；

考察调蓄池在不同位置的影响，调蓄池运行方式为：降雨开始截留，池容充满后停止截留，经管道排放水体，降雨结束后排空调蓄池；

通过分析，得出城市排水系统防汛能力可提高程度；

3)初期雨水截留量环境容量复核分析

计算城市面源污染量；

计算城市水环境容量；

在上述高效区间内取值，并加上城市排水系统防汛能力可提高程度，作为初期雨水治理标准，计算污染物削减量和入河量，复核是否满足水环境容量限制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，降雨特征分析方法包括：统计年总降雨场次、年总降雨量、≤Xmm降雨场次、＞Xmm降雨初期截留总雨量；根据年总降雨场次、≤Xmm降雨场次统计溢流污染场次削减效率，根据年总降雨量、＞Xmm降雨初期截留总雨量统计雨量污染削减效率，然后制作溢流放江频次削减-雨水截留量效率、以及溢流污水量削减-雨水截留量效率曲线，X为5～30的数字。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，X＝10～18。