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岸邊雨水管截流井的設(shè)置和控制策略研究

發(fā)布日期:2024-03-30 文章來(lái)源:上海弘泱機(jī)械科技有限公司

城市排水體制是指收集和輸送雨、污水的方式,一般分為合流制和分流制兩種形式。合流制將雨水和污水合流用同一管道輸送至污水處理廠處理,由于污水處理廠和管網(wǎng)的限制,往往采用截流式合流制,并在截流管上設(shè)置截流井四,但受限于截流倍數(shù)依然有大量雨污混合水溢流到水體。因此新建城市一般采取分流制,分流制為雨水和污水各設(shè)管道,污水進(jìn)入污水處理廠,雨水則直排入到河道中2]。由于雨污管道錯(cuò)接、混接、亂排等問(wèn)題雨水管內(nèi)流入污水[3-4,加之初期雨水污染嚴(yán)重,直排水體會(huì)造成嚴(yán)重污染。在雨水管渠末端增設(shè)截流井,將早季雨水管中污水和初期雨水截流入附近污水管的措施已有報(bào)道[-3]。但由于缺乏溢流水質(zhì)和流量數(shù)據(jù),沒(méi)有排入水體的水質(zhì)影響分析41,不能準(zhǔn)確設(shè)置和控制。本研究提出在岸邊雨水管設(shè)置截流井,在截流井內(nèi)裝備水質(zhì)和流量在線監(jiān)測(cè)儀,在河道裝備水質(zhì)、水流速度和液位在線監(jiān)測(cè)儀,采用MIKE11 模型軟件分析過(guò)程數(shù)據(jù)和模擬[5-7,評(píng)價(jià)截流和溢流水質(zhì)水量,形成截流井控制策略,以減少對(duì)河道水質(zhì)影響。

1 截流井和監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)置

1.1 岸邊截流井設(shè)置

本次研究區(qū)域?yàn)槿帐兄鞒菂^(qū)內(nèi)的部分河段全長(zhǎng) 310m,南北走向,地處亞熱帶區(qū)域,年降雨量在1400~2 000mm,最大徑流量出現(xiàn)在59月。河寬為 20~30 m,河道平緩,流速低,河道常水位 3.0 m,水深常年穩(wěn)定在 1.5 m左右,河道東岸人口密集,以住宅區(qū)和餐飲行業(yè)為主。河道東岸沿河鋪設(shè)截污管道,東岸管徑800mm,管道流向由北向南。雨水管由市區(qū)內(nèi)通向河道,通過(guò)管道末端設(shè)置截流井連接河道排口,見(jiàn)圖1。

共設(shè)置有三口截流井P1P2、P3,位于河道東岸,埋深分別為 3.00、2.12、2.31 m,離雨水排口距離為 5~20 m,為該區(qū)域內(nèi)部主要污染源入口。截流井的構(gòu)造如圖2所示。并內(nèi)設(shè)有一定高度的堰墻,進(jìn)水可通過(guò)截流管進(jìn)入附近的污水檢查井或溢流進(jìn)入河道。截流管上設(shè)置可啟閉的截流管閘。當(dāng)截流管閘開(kāi)啟,污水管道系統(tǒng)有足夠的過(guò)流能力時(shí),進(jìn)水可截流進(jìn)入污水管道系統(tǒng)。截流管閘關(guān)閉或污水管道系統(tǒng)過(guò)流能力不足時(shí),進(jìn)水則沒(méi)過(guò)堰墻溢流進(jìn)入河道。

通過(guò)設(shè)置該截流井,可將旱季污水、初期雨水以及降雨中后期水質(zhì)較差的水體截流進(jìn)入污水管網(wǎng),并在雨季溢流時(shí)可對(duì)截流管閘進(jìn)行相應(yīng)調(diào)控,減小其對(duì)河道的污染。

1.2監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)置

根據(jù)該河段基本水文信息,為綜合反應(yīng)河道水質(zhì),選取該河段上中下游布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為R1、R2R3。R1位于河段上游。作為輸人端,R2設(shè)置在該河段沿流向150m處,反映河道中段水質(zhì),R3則位于河段出流處,作為輸出端。在河道監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)置水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)裝置,承載氨氮傳感器、流速計(jì)和液位計(jì),數(shù)據(jù)直接上傳至網(wǎng)絡(luò),監(jiān)測(cè)傳感器置于水面下 80cm 處,采用底部錨固定方式,用繩子將錨與岸邊連接。采用11W太陽(yáng)能板配合60 AH 免維護(hù)鋰電池組合的供電。

在三口截流井內(nèi)均設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)(S1-S3),S1-S3分別對(duì)應(yīng) P1-P3,監(jiān)測(cè)設(shè)備根據(jù)井內(nèi)水位不同,分別置于水下 5cm 處,設(shè)置氨氮傳感器,獲取水質(zhì)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)直接上傳至網(wǎng)絡(luò),邊緣控制器置于防水電器盒內(nèi),懸掛于截流井口的螺釘。并對(duì)堰墻進(jìn)行改造,安裝過(guò)水監(jiān)測(cè)器,根據(jù)程序內(nèi)部公式設(shè)定和堰墻固有參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到溢流流量,獲取截流井內(nèi)部水質(zhì)情況及溢流情況。點(diǎn)位鋪設(shè)見(jiàn)圖1。

通過(guò)截流井和河道在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同截流管閘進(jìn)行智能化調(diào)控,更加精確的識(shí)別雨污水及對(duì)河道的影響程度。

水質(zhì)模擬方法

以調(diào)研資料與在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),選用MIKE11 模擬軟件建立研究區(qū)域的一維水力學(xué)模型,模擬雨季截流井溢流對(duì)河道水質(zhì)影響,從而調(diào)控截流管閘實(shí)現(xiàn)溢流排污的優(yōu)化。

根據(jù)該研究區(qū)域的基本水文水質(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建水動(dòng)力模塊和對(duì)流擴(kuò)散模塊,基于ArcGIS 以形狀格式生成的水系文件和研究區(qū)域的實(shí)際情況,遵循實(shí)際河網(wǎng)輸水能力、調(diào)蓄能力等保持一致原則,對(duì)該河段進(jìn)行概化。河道斷面以實(shí)測(cè)斷面為主,共設(shè)置5個(gè)斷面,上下邊界條件以上下游在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為主,并根據(jù)截流井雨水排口位置設(shè)置點(diǎn)源污染邊界條件,S1、S2S3距上游距離分別為90、210、260m。輸人數(shù)據(jù)以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和模擬后為主。

為使模型計(jì)算精度更高,需要對(duì)河床糙率、護(hù)散系數(shù)及污染物降解系數(shù)進(jìn)行率定,本次模擬參照相近河流調(diào)查成果,率定得到河床糙率(曼寧系數(shù)) 0.03,擴(kuò)散系數(shù)為10 m/s,氨氮衰減系數(shù)為 0.10 d-!

3 旱季與小型降雨不溢流時(shí)水質(zhì)分析

3.1 截流井水質(zhì)分析

通過(guò)對(duì)5日旱季截流井水質(zhì)連續(xù)24h的監(jiān)測(cè):發(fā)現(xiàn)旱季時(shí) S1、S2、S3 對(duì)應(yīng)于三口井的時(shí)均氨氮濃度達(dá) 6.4、3.010.1mg幾,可知,三口井內(nèi)均有不同程度的污水進(jìn)人,無(wú)法達(dá)到直排標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明該區(qū)域雨污分流改造存在問(wèn)題,依然有污水流人雨水管中。三口井均未發(fā)生溢流,可知截流井內(nèi)水體從截流管中流走,截流并在旱季時(shí)能起到截污作用。

三口井中 S2 24h內(nèi)處于穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài),與時(shí)間無(wú)明顯關(guān)聯(lián),其余井均有一定關(guān)聯(lián)性。S16:50 14:50 之間濃度較其余時(shí)間段高,該段時(shí)間為白天生產(chǎn)生活高峰期,用水量較大,可能存在部分污水進(jìn)入雨水管中使其氨氮上升。S316:50 23:50 時(shí),氨氮逐漸從 10 mg 上升為 11 mg,此時(shí)段夜問(wèn)餐飲廢水增多,易從地面集水口中進(jìn)入雨水管。S1、S3 兩者在凌晨時(shí)段氨氮均有小幅下降,該時(shí)間段為生活用水低谷期,產(chǎn)生污染減少。同時(shí)監(jiān)測(cè)小型降雨不發(fā)生溢流時(shí)截流井內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè),觀察降雨2h內(nèi)其變化,發(fā)現(xiàn)在降雨前期,氨氮濃度較穩(wěn)定且部分點(diǎn)位出現(xiàn)上升,說(shuō)明初期雨水存在一定污染,并未稀釋井內(nèi)水體,甚至加重污染在降雨中后段時(shí),S1氨氮逐漸在雨水稀釋下變低;S2由于井內(nèi)濃度并不高,因此受雨水影響較小,呈波動(dòng)狀;S3井內(nèi)濃度先下降后上升,可能是因?yàn)樵谟晁♂屜聺舛认陆?,但匯水區(qū)域遠(yuǎn)處來(lái)水二次沖刷又帶來(lái)污染。

3.2河道水質(zhì)分析

從河道上中下 3個(gè)點(diǎn)位的旱季 24h 水質(zhì)變化圖及小型降雨不溢流水質(zhì)圖中看出,三點(diǎn)的氨氮濃度相差不大,基本低于 1.5 mgl,符合類水氨氨要求旱季時(shí)在 7:18 14:18 時(shí)段內(nèi),氨氮有所上升該區(qū)域內(nèi)部無(wú)顯著點(diǎn)源污染,可知氨氮濃度主要受上游來(lái)水影響,上游來(lái)水污染影響該區(qū)域氨氮水平。降雨時(shí)發(fā)現(xiàn)三點(diǎn)氨氮濃度更為接近,且隨降雨時(shí)間增長(zhǎng)有小幅下降,可知降雨時(shí)段內(nèi),河道流速增大,加速氨氮的對(duì)流擴(kuò)散,使全河段濃度趨于統(tǒng)一值,降雨過(guò)程加長(zhǎng),使得河道水體被逐漸稀釋,氨氮緩慢下降。

截流井控制策略

通過(guò)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和降雨情況,得到在旱季與小型降雨不溢流時(shí),污水管網(wǎng)能承載雨水管內(nèi)流量,從而可以控制截流井中截流管閘開(kāi)啟,實(shí)現(xiàn)對(duì)旱季污水與初期雨水的截流。在降雨強(qiáng)度大時(shí),井內(nèi)水體最大程度被截流到截流管中,直到污水管網(wǎng)已不能承載雨水管流量,截流井開(kāi)始溢流,每口截流井的溢流流量與水質(zhì)均不相同,其對(duì)河道影響不同,因此需要根據(jù)井內(nèi)水質(zhì)與河道水質(zhì)進(jìn)行初步分析,進(jìn)而調(diào)控相應(yīng)截流管閘,改變各個(gè)截流井內(nèi)溢流流量,減弱其對(duì)河道的污染,從而形成截流井控制策略

本文選取一次實(shí)際降雨來(lái)對(duì)其進(jìn)行模擬,旨在說(shuō)明調(diào)控截流管閘與 MIKE11 結(jié)合的可行性,模擬時(shí)間為實(shí)際降雨時(shí)間,數(shù)據(jù)均為該段時(shí)間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),本次降雨中三口截流井的溢流情況見(jiàn)圖5。

在未采取控制措施下,即截流管閘全開(kāi)時(shí)對(duì)河道水質(zhì)進(jìn)行模擬,得到河道水質(zhì)變化情況。通過(guò)變化情況,可知三口截流井對(duì)河道的污染影響程度,根據(jù)污染影響程度的不同,將影響程度最小的井的截流管閘關(guān)閉,即該處溢流量增大,使得其余井可進(jìn)入污水管的流量增大,溢流量減小,推測(cè)該策略能使河道整體污染水平降低。模擬控制后的河道水質(zhì)變化情況,將其與未控制的河道水質(zhì)進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖 6。

從截流管閘全開(kāi)河道縱斷面氨氮模擬最高值曲線中看出,曲線中有兩處高點(diǎn),可知為 S1 S3 的溢流造成,兩者對(duì)河道影響程度大,S2并無(wú)高點(diǎn),可知其對(duì)河道影響較小,因此控制策略為關(guān)閉 S2 閘門。通過(guò)兩者同一時(shí)刻河道氨氨變化中發(fā)現(xiàn),調(diào)控后整個(gè)河段氨氮較未控制有所降低,氨氮上升速度減緩。污水閘全開(kāi)時(shí)河道氨氮濃度最高達(dá)2.0 mg幾調(diào)控后氨氮濃度最高降為 1.8mg,且調(diào)控后兩個(gè)高點(diǎn)明顯弱化,說(shuō)明兩者的溢流程度得到了緩解。

 

 

對(duì)河道污染影響減弱,河道水質(zhì)得到改善

同時(shí)三口井內(nèi)氨氮會(huì)隨著降雨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸降低,當(dāng)在線監(jiān)測(cè)氨氮降為 1.5 mg幾 以下時(shí),即可控制閘門關(guān)閉,使雨水直排,減少污水管網(wǎng)負(fù)擔(dān)。由上可知,設(shè)置截流管閘并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)調(diào)控能有效截流旱季與雨季不溢流時(shí)污染,并減輕溢流時(shí)對(duì)河道的污染。同理,在不同河道段和其他降雨情況下,基于前期數(shù)據(jù)獲取,可以推得多個(gè)截流井溢流時(shí)的調(diào)控方案。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)雖進(jìn)行雨污分流改造,但城市雨水管內(nèi)依舊殘留污水,氨氮未達(dá)到直排標(biāo)準(zhǔn),雨水管道末端設(shè)置截流井在旱季時(shí)能有效截流管內(nèi)污水,實(shí)現(xiàn)旱季零直排。

(2)在雨量較小,截流井無(wú)溢流情況下,河道水質(zhì)變化不大。井內(nèi)氨氮受初期雨水影響在降雨前期出現(xiàn)穩(wěn)定甚至升高現(xiàn)象,中后期井內(nèi)氨氨受雨水稀釋逐漸降低,但水質(zhì)依然較差,截流井能截流該部分污水。

3)基于 MIKE11軟件來(lái)分析雨季時(shí)截流井溢流對(duì)河道的影響,并根據(jù)前期調(diào)研截流井溢流情況。

本文標(biāo)簽:岸邊雨水管截流井的設(shè)置和控制策略研究
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