道路路面初期雨水收集處理方法研究

道路路面初期雨水收集處理方法研究

由雨水形成的地徑流是對地和地下水的再污染。由于其高污染負荷和難以控制，地氣流已成為污染的重要問題之一。早在20世紀(jì)70年代初期,美國國家環(huán)保部門就開始了對城市道路和公路的路面徑流研究。此后,德國、加拿大、澳大利亞等發(fā)達國家也都相繼給予高度的關(guān)注。目前,路面徑流在世界許多國家發(fā)展成為相對獨立的研究領(lǐng)域,并逐步形成了理論體系。我國對路面徑流的研究工作起步較晚,直到1996年,《公路建設(shè)項目環(huán)境影響評價技術(shù)規(guī)范》(JTJ005-96)才把路面徑流造成的環(huán)境污染作為評價地表水環(huán)境污染的因素之一,此后,長安大學(xué)對路面徑流做了進一步的調(diào)查和研究。但到目前為止,在我國道路建設(shè)中尚未見到關(guān)于對初期雨水進行分流處理的報道。本文在分析雨水在路面徑流形成過程的水質(zhì)特性及排污規(guī)律的基礎(chǔ)上,初步探討了道路初期雨水的收集、處理等問題。1地面徑流污染實質(zhì)降落到地面之前的雨水,由于是對大氣的淋洗,其含有的雜質(zhì)主要是空氣中的塵埃和大氣污染物。其中,SS和COD比例最高,其他的污染物濃度均較低。當(dāng)雨水落到地面之后對地面沖刷而形成徑流,徑流中的污染物與地面性質(zhì)有直接關(guān)系:路面的雨水徑流,由于經(jīng)過對道路的路面沖洗,將帶走路面由于機動車輛的磨損而形成的大量金屬、碳氫化合物、橡膠和燃油等對環(huán)境危害大的污染物質(zhì)。同時,道路交通事故污染物,道路運輸有毒有害化學(xué)品時的灑、冒、滴、漏,以及汽車排放廢氣中的大部分污染物最終也都將在自然沉降或雨水淋洗作用下遷移至水環(huán)境中。徑流污染物的濃度隨著降雨狀況及路面污染物累積狀況的不同而隨機變化。北京市曾對地面徑流雨水污染情況進行實測,并對實測雨水水質(zhì)與典型城市生活污水及國外路面徑流雨水水質(zhì)進行了比較,結(jié)果見表1。表1中數(shù)據(jù)表明,北京市道路地面徑流雨水污染指標(biāo)的最高值遠遠高于典型城市生活污水,除SS一項指數(shù)相當(dāng)外,其他污染指標(biāo)的最小值指標(biāo)均遠遠大于美國城市道路路面徑流的污染指標(biāo)。與《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-96)(Ⅰ級)及《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GHZB1-99)(Ⅲ類)相比,除了總Pb和總Zn這2項之外,其他3項指標(biāo)的最高值均超出許多?？梢?路面徑流這一具有非點源污染特征的地表徑流,對地表水體水質(zhì)的影響并不亞于城市生活污水對于地表水體水質(zhì)的影響。因此,對路面徑流的雨水進行處理是十分必要的。2路面徑流污染濃度隨時間的變化美國、英國、加拿大等國家自20世紀(jì)70年代初就致力于徑流理論的研究,但提出的描述徑流污染的數(shù)學(xué)模型各有不同。其中,Metcalf等人提出的在徑流過程中污染物濃度Ct隨累積徑流深度變化的沖刷模型(Wash-offmodel)為:Ct=kaP0Ae?kaRt=C0e?kaRt(1)Ct=kaΡ0Ae-kaRt=C0e-kaRt(1)式中:P0為降雨開始時(t=0)地表污染物量,kg;A為匯水面積,m2;C0為徑流開始時雨水中污染物濃度,mg/L;ka為沖刷系數(shù),mm-1,其值為經(jīng)驗值;Rt為降雨t分鐘后的累積徑流深度,mm。由于該沖刷模型較為形象地模擬了實際路面徑流的排污過程,因此一直被許多研究者應(yīng)用至今。該沖刷模型表明了這樣的規(guī)律:路面徑流形成后,其污染濃度值Ct隨時間t的單調(diào)遞增而單調(diào)遞減,即說明在降雨初期污染物的濃度最大。根據(jù)北京城區(qū)實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計,對降雨量小于10mm的降雨,地面徑流污染物總量的70%以上包含于2mm降雨量的初期徑流中,當(dāng)降雨量大于15mm時,污染物總量的30%～40%包含于2mm降雨量的初期徑流中。長安大學(xué)對公路與城市道路的地面徑流做的調(diào)查研究表明:污染物濃度隨徑流時間有起伏變化現(xiàn)象,與沖刷模型不完全吻合。筆者在對其采樣數(shù)據(jù)進行了分析后認為:后期雖有起伏,但總的規(guī)律是在降雨初期徑流量達到最大之前時,徑流的所有污染物濃度同時達到最大值,其值高于算術(shù)平均濃度的3～4倍,如見圖1所示。圖1表明:在徑流初期的31.9%水量時,SS、COD、總Pb和總Zn分別占污染物總量的54.8%、59.6%、68.7%和65.3%。因此,降雨初期路面徑流的污染負荷要比中后期的污染負荷大得多,也就是我們通常稱作的初期淋洗效應(yīng)(first-flusheffect)。通常,影響雨水污染負荷的因素包括:降雨強度、降雨量、降雨歷時、晴天累計天數(shù)、交通量、車型種類、路面清潔狀況等。其中,降雨強度決定對路面的沖淋強度,降雨量決定雨水污染負荷,晴天累計天數(shù)及路面清潔狀況決定路面上殘留污染物累計的數(shù)量,交通量及車型種類決定著降雨期間活動污染源的強度。綜上所述,地面徑流的排污規(guī)律是:初期路面徑流的污染量在總污染量中占絕對數(shù)量值,對地表河流的水質(zhì)影響是嚴(yán)重的;隨著降雨量的增加,路面污染物數(shù)量減少,路面徑流對環(huán)境的污染程度就會大大減輕。而把所有降雨形成的路面徑流全部收集起來進行處理是不現(xiàn)實的,也是不必要的。只要能將初期雨水分離出來并進行處理,中后期的雨水仍可直接排入周圍水體,即可達到改善水體環(huán)境的目的。3雨水收集開始3.1排水體制與分流制并存目前,城市排水體制分雨水污水合流制及分流制2種。以上海市為例,上海市排水體制是合流制與分流制并存,規(guī)劃排水系統(tǒng)341個,已建和在建的排水系統(tǒng)中,有67個合流制排水系統(tǒng),114個分流制排水系統(tǒng),市區(qū)內(nèi)目前有11座污水處理廠運行。3.1.1利用初期雨水提升泵加工過程分流制排水系統(tǒng)是將雨水和污水分別在2套或2套以上各自獨立的溝管內(nèi)排除的系統(tǒng)。在分流制排水系統(tǒng)中,所有的雨水都在雨水管道內(nèi)匯集,然后通過雨水泵站集中排入城市河道。這樣,初期雨水也被一同排入河道,對整個河道的污染相當(dāng)嚴(yán)重。而如果能將初期雨水與中、后期雨水分開,將初期雨水通過市政污水管道排入城市污水處理廠集中處理,中、后期的雨水直接排入水體中,這樣,在不增加污水處理廠過多壓力的同時,又達到了環(huán)境保護的目的。在工程實施時,可在雨水泵站中增設(shè)幾臺初期雨水提升泵,在雨水泵站至市政污水管道或污水處理廠之間增鋪一段初期雨水管道,即可完成初期雨水的分離工作(圖2)。當(dāng)降雨強度低、歷時長時,在降雨初期,開啟初期雨水提升泵,根據(jù)泵站出口流量計排出的水量計算初期雨水提升泵運行時間,然后改為雨水泵運行,將雨水排入城市河道;若降雨為短歷時暴雨,城市現(xiàn)有雨水管道可作為雨水暫時貯存池,利用初期雨水提升泵將雨水排入市政污水管網(wǎng);當(dāng)降雨強度大、歷時長時,可首先運行初期雨水提升泵,待泵站集水井水位超過預(yù)警水位后,再啟動雨水泵。3.1.2排水的截流治理合流制排水系統(tǒng)是將生活污水、工業(yè)廢水和雨水混合在一條溝道內(nèi)排除的系統(tǒng)。早期的合流制排水系統(tǒng)是將排除的混合污水不經(jīng)處理,就近直接排入水體,故稱為直排式合流制排水系統(tǒng),對水體污染相當(dāng)嚴(yán)重。目前,國內(nèi)外在老城市改造時,常采用截流式合流排水系統(tǒng)。在這種排水系統(tǒng)中,合流污水對水體的影響取決于截流干管設(shè)計時所選用的截流倍數(shù)。截流倍數(shù)越大,截流的初期雨水的水量就越大,工程的一次性投資就越大,而對環(huán)境的影響就越小。但現(xiàn)實的工程設(shè)計中,考慮到工程的投資,截流倍數(shù)不可能取值過大。那么,可根據(jù)排水系統(tǒng)的匯水面積和該排水區(qū)域的用地特性,設(shè)置一定容積的污水地下調(diào)節(jié)水池,在溢流前,將合流污水排至地下集水池;降雨過后,貯存的合流污水再由地下集水池排入截流管中,從而減少溢流次數(shù)及溢流水量,最大限度地減少對水體的污染。3.2修建初期雨水調(diào)節(jié)池公路路面排水系統(tǒng)一般由邊溝、排水溝、截水溝、急流槽、涵洞及沿線自然溝渠等組成,路面徑流通過排水系統(tǒng)匯集后流入農(nóng)業(yè)灌溉溝渠、天然溝渠或河流。由于路面的初期徑流一同被排入水體,因而對周圍水環(huán)境產(chǎn)生極大影響。為了減少對環(huán)境的影響,可以利用公路沿線的低洼地塊、施工時的取土坑或濕地等不良地塊修建初期雨水調(diào)節(jié)池(圖3)。降雨初期,路面徑流排入雨水調(diào)節(jié)池,當(dāng)降雨量超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時,雨水則可直接排入周圍水體。這樣,初期地面徑流就被收集起來,經(jīng)處理后排入周圍水體,從而可大大減少對水環(huán)境的污染。3.3設(shè)計初期雨水量的確定如何界定初期雨水和中后期雨水是選擇收集方式和收集工程規(guī)模的關(guān)鍵。由于每次降雨的強度、歷時、間隔時間、范圍都是隨機的,因此,按照每次降雨的歷時從時間上來分初期及中、后期是不科學(xué)的,也不便于雨水收集系統(tǒng)的設(shè)計。筆者認為初期徑流應(yīng)根據(jù)降雨對路面的沖刷強度控制更為合理。當(dāng)降雨強度小時,則對地面的沖刷強度低,需要較長的時間對路面進行沖刷,才能使路面污染物指數(shù)變低。反之,當(dāng)降雨強度大時,則對地面的沖刷強度高,較短的時間就能使得路面污染物指數(shù)變低。為了便于工程設(shè)計應(yīng)用,我們必須確定所需分離的初期雨水量的值,將其值作為城市道路路面徑流分流制下雨水泵站選擇初期雨水泵的設(shè)計參數(shù),和城市道路路面徑流合流制污水地下調(diào)節(jié)水池或收集公路初期路面徑流的初期雨水調(diào)節(jié)池容積規(guī)模設(shè)計參數(shù)。假設(shè)所需分離的初期雨水量為Q,其占一次降雨量的百分比為R。如暴雨強度公式為:q=167A1×(1+ClgP)(t+b)n(2)q=167A1×(1+ClgΡ)(t+b)n(2)式中:q為設(shè)計暴雨強度,L/(s·hm2);P為設(shè)計重現(xiàn)期,a;A1、C、n、b為參數(shù),根據(jù)統(tǒng)計方法進行計算確定;t為降雨歷時,min,其中t=t1+m×t2,t1為起始管道地面集水時間,取15min,m為折減系數(shù),t2為溝、管道內(nèi)雨水流行時間,min。則在一定的設(shè)計重現(xiàn)期下,降雨量計算公式為:Q1=q×Ψ×F(3)式中:Q1為雨水設(shè)計流量,L/s;Ψ為雨水逕流系數(shù);F為匯水面積,hm2。則所需分離的初期雨水量為:Q=Q1×R(4)降雨強度q分別與設(shè)計重現(xiàn)期限P、降雨量Q1成正比,則P與Q也成正比。因此,降雨強度直接決定降雨初期雨水量Q的界定。那么,在確定Q值前應(yīng)首先要確定R值,當(dāng)降雨強度大時,R值就小,反之則大。當(dāng)降雨強度小到一定程度時,即使本次降雨的整個過程的水量,也不能使路面沖刷干凈。分析圖1調(diào)查數(shù)據(jù),由當(dāng)時的降雨強度,根據(jù)西安市的暴雨強度公式,反算得出當(dāng)P=0.7、R=31%時,可沖洗路面污染物總量的60%左右。當(dāng)P一定時,R值越大,工程投資越大,對環(huán)境的危害就越小,由于在工程設(shè)計中,設(shè)計重現(xiàn)期一般取P=1,經(jīng)換算筆者提出取P=1,R=20%,作為分離的初期雨水量Q值的計算參數(shù)。各地可根據(jù)各地不同的經(jīng)濟、雨水量、交通量、車型種類、路面清潔狀況等分析后選用不同的值。4城市路面雨水城市道路的路面徑流,可利用城市的污水管道,將初期雨水送入城市污水處理廠進行處理,可保證最終的處理效果。對遠離城市的公路而言,因為雨水中含有的污染物濃度都比較低,可使用一些簡單的處理方法便可以達到較理想的結(jié)果,如一般可以采用接觸過濾加消毒的工藝。也可以根據(jù)雨水收集點附近的特點,采用蘆葦床自然處理系統(tǒng)、天然濕地、人工濕地等生態(tài)方法進行初期雨水的處理。收集處理后的城市路面雨水,可利用城市中的河道進行貯蓄,并可用于綠化、城市清潔、維持水體景觀、洗車、洗廁所、回灌地下水等方面。處理好的非城市道路初期雨水,可根據(jù)雨水和道路附近的特點,也可用于上述方面,同時水質(zhì)合適的雨水還可以用于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)灌溉。地面徑流污染實際上