基于EMC目标的调蓄池池容计算方法探讨

王 森，韩 群，徐冬喜，朱光远

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司江苏分公司，江苏 南京 210019)

0 引言

随着“江苏省城镇污水处理提质增效达标区”的有效推进，达标区内90%的点源污染得到有效控制后，河流水质进一步改善难度加大，其主要原因为雨水中携带了大量来源于地表、城市排水管道沉积的污染物排入河道。为有效控制面源污染，20世纪中叶至今，我国与其他国家均对调蓄池进行了大量研究，并已在世界各国得到较为广泛的应用。

我国目前调蓄池池容的设计规范多采用经验参数法，基于截流倍数、初雨量、溢流次数等进行确定。以上方法，截流倍数、初雨规模等关键参数，实际运行中均很难取得，需依赖经验确定，溢流次数与河道的水质目标也没有直接关联，从而造成调蓄池设计规模或严重偏大造成投资浪费，或规模不足，达不到控制径流污染的目标。

本文提出将控制EMC(降雨径流事件平均浓度,Event Mean Concentration)作为调蓄池容积设计的依据，从而将调蓄池的规模与排入水体水质目标直接挂钩，宜定量分析，目标明确，在一定程度上弥补了当前方法的不足。

1 研究区概况

五一河位于南京市江北新区泰山街道，属于朱家山河水系，河道长0.85 km，上口宽15 m～20 m，河底标高1.58 m，常水位2.58 m，最高水位3.58 m，末端通过临江泵站排入朱家山河，为一条城市内河。汇水范围总面积1.34 km2，开发程度较高，包括分流、合流和混流三种排水区域。

2 调蓄池容积计算

2.1 河道排水系统概化

五一河总计分为9个排口，其中1号、2号、7号、10号 排口对应汇水范围为合流制区域，3号、4号、8号、9号 排口汇水范围为混流制区域，5号排口汇水为分流制区域。根据设计方案，共设置1号～3号三座调蓄池，通过截流井与联通管将各分区混流污水与初雨截流至调蓄池储存，待雨后排入污水处理厂。调蓄池满后，超量雨水排入河道，具体见图1。

2.2 调蓄池容计算方法

地表降雨径流中携带着大量污染物质，且降雨属于随机事件，其污染物浓度受到降雨历时、降雨强度、地表污染状况、下垫面特征、管道积泥等多方面影响变化差异很大，通过降雨径流事件污染物平均浓度(EMC，Event Mean Concentration)，可以对地表径流总体污染状况进行计算与评估[1]。

1)无调蓄池控制条件下排入河道的某种污染物的EMC。

(1)

其中，EMC为降雨径流事件污染物平均浓度，mg/L；M为整个降雨过程总污染物含量，mg；V为相对应总径流量，L；C(t)为随时间变化的某种污染物浓度，mg/L；q(t)为随径流时间变化的径流流量，L/min；t为径流时间，min；T为降雨停止时间。

2)有调蓄池控制条件下某种污染物的EMC。

a.溢流的径流污染物平均浓度。

(2)

其中，t为径流时间，min；t1为调蓄池充满时间。

b.进入调蓄池的污染物平均浓度。

(3)

3)调蓄池容积确定[2]。

按照地表水环境功能分类和保护目标，各条河道水环境质量均有其控制项目及限值规定，降雨前，若目标水体的水环境质量刚好达标，通过调蓄池的建设，维持其在降雨后仍旧达标，需要满足：

EMC溢≤C目

(4)

其中，C目为水体某种污染物水质目标。

经过换算，可计算得出t1及调蓄池容积。

2.3 有效降雨事件分析

依据气象部门降雨标准，小雨是指24 h内降水量不超过10 mm，中雨为10 mm～24.9 mm，大雨为25 mm～49.9 mm，超过50 mm的为暴雨，超过100 mm的为大暴雨，超过250 mm的称为特大暴雨。本研究选取了3场典型降雨，涵盖了大雨、中雨和小雨，分别处于春、夏与秋季，雨前干期时间5 d～11 d不等，具有一定的代表性，基本信息见表1及图2。

表1 研究区域降雨事件特征

2.4 排口污染物浓度随时间变化分析

在以上三场有效降雨事件中，选取OF1，OF3与OF5三个排口进行水质采样，对水样的COD，SS，NH3-N三类污染指标进行汇总分析。各污染物浓度随着降雨时间的延长基本呈先上升再下降的趋势，或逐步下降趋势，COD与氨氮峰值浓度大雨时偏高，出峰时间提前，氨氮浓度整体相对平缓，小雨或中雨时反而较大。各污染物峰值浓度，OF1排口最大，OF3次之，OF5最小。具体见图3。

2.5 降雨径流事件污染物的平均浓度

不同采样点、不同降雨场次的COD，SS，NH3-N EMC值都超过了地表Ⅴ类水标准，OF1采样点各浓度均最高，大于OF3与OF5，NH3-N浓度在4月21日最高，其余污染物浓度EMC值7月6日最高。COD与SS的EMC值大小规律为中雨>小雨>大雨，NH3-N的EMC值大小规律为小雨>中雨>大雨。总体来看，降雨径流污染严重，若直接排入受纳水体会造成严重的污染，见表2～表5。

表2 L01采样点不同降雨事件污染物EMC值 mg/L

表3 L03采样点不同降雨事件污染物EMC值 mg/L

表4 L05采样点不同降雨事件污染物EMC值 mg/L

表5 地表水环境质量标准 mg/L

2.6 调蓄池池容确定

通过PCSWMM模型(见图4)，以实测数据为依据，对研究区域进行模型构建与率定，并对全年降雨进行降雨量与污染物平均浓度测算。

选择2019年7月6日降雨事件，L05排口中的流量和水质数据来率定PCSWMM模型中流量和水质参数。采用Nash-Sutcliffe效率系数对模型模拟结果进行评价，通过计算，COD，SS，TN和NH3-N的Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.68，0.72，0.76，0.73。研究认为Nash-Sutcliffe效率系数大于0.65，模拟值准确可靠。

在模型中增加调蓄池进行模拟，选取最不利的场次降雨与最不利污染物NH3-N进行分析，使得溢流排水的EMCNH3-N小于水体环境目标CNH3-N，本项目取地表水Ⅴ类标准2.0 mg/L。

根据模拟结果，1号、2号、3号调蓄池规模分别为3 900 m3，550 m3，1 250 m3时，溢流排水的EMCNH3-N<2 mg/L，分别相当于控制6.3 mm，5.7 mm与5.48 mm降雨。其中1号调蓄池为合流制为主的区域，需要控制的降雨量最大，3号调蓄池为分流制区域，需要控制的降雨量最低，2号调蓄为分流制区域，需要控制的降雨量居中。相较于室外排水设计规范中的推荐的4 mm～8 mm降雨更加精细与准确。3号调蓄池排口氨氮浓度-总入流时间浓度曲线详见图5。

3 结论

1)不同功能区的污染物浓度随着降雨时间的延长，整体呈先上升后衰减态势，且递减趋势前陡后缓。2)通过模型对调蓄池系统的运行工况进行模拟，调蓄池系统能够有效地截流初雨携带的污染物，减缓对河道水体污染。通过模型对调蓄池的设计优化研究，1号调蓄池采用3 900 m3，2号调蓄池采用550 m3，3号调蓄池采用1 300 m3的有效容积能够有效地截流初雨污染物，使得溢流入河NH3-N平均浓度满足地表水Ⅴ类水标准。3)相较于规范的计算方法，以控制溢流入河污染物平均浓度为目标的方法将调蓄池的规模与排入水体水质目标直接挂钩，计算出的调蓄池有效容积更加接近实际，在一定程度上弥补了经验参数法的不足。4)溢流污染物浓度呈现先上升再下降或逐步下降的状态，且最终浓度小于目标浓度。如果溢流污染物浓度恒定超过目标浓度或者在降雨后期浓度仍然超过目标的时候，不适用于本方法。