截流倍数分析计算方法

朱春龙
(扬州大学水利与建筑工程学院)

　　污水截流是城市水环境控制的一个重要措施。目前截流倍数的分析还没有成熟的方法，要考虑的因素较多，如经济、环境、水文等，很难准确进行定量分析。
　　一般而言，截流倍数大，则工程投资要增加，环境效益好；截流倍数小，则工程投资少，但对环境的负面影响大。在确定截流倍数时可以把目标定为在环境标准许可的前提下，尽量使用较小的截流倍数。

1 截流倍数分析方法

　　确定截流倍数需先计算雨洪流量及雨洪污染物浓度、旱流流量及旱流污染物浓度，在此基础上，假定不同截流倍数进行调节计算。图1为截流倍数分析计算流程。

1.1 雨洪流量过程计算
1.1.1 设计暴雨过程计算
　　采用目前排水规范应用的暴雨公式：

　　　　i＝A1（1＋ClgT)/(t+B)n

　　式中　i——暴雨强度，mm/min?
?　　　　t——降雨历时，min?
?　　　　T——重现期，a?
?　　　　A₁、C、B、n?——地方参数，可查设计手册，或据实测暴雨资料确定
　　在选定设计重现期的条件下，为求得最大的设计洪峰流量，需选择适当的设计暴雨历时，这个历时要足够长，以便整个流域的径流都能汇集到设计点。有了设计暴雨历时后，采用同频率法或芝加哥法可得到非均匀雨量分配过程。
1.1.2 净雨过程计算
　　推求净雨过程的方法较多，如下渗公式法、经验相关图法、初损后损法、径流系数法、蓄满产流模型法等，降雨径流经验相关图法是一种行之有效的方法，可用下式表达：

　　SR_t=[(SP_t+P_a+C_p)³+C_i³]^1/3-C_i式中　P_a——前期影响雨量?
?　　　　SP_t——累积雨量?
?　　　　SR_t——累积产流量?
?　　　　C_p、C_i——产流公式参数，不同水文分区取值不同

　　具体计算时将城市流域分为透水区域与不透水区域，透水区域用产流公式计算，不透水区域产流量与降雨量相等，用下式计算总产流量：

　　R_t=P_tI_mp+RC_t(1-I_mp)
　　式中 R_t——t时段总产流量?
?　　　I_mp——不透水面积占总面积的比例?
?　　　P_t——t时段内的降雨量?
?　　　RC_t——t时段内透水面积上的产流量?(RC_t＝SR_t-SR_t-1)

1.1.3 流量过程计算
　　推求流量过程可采用等流时线法、经验单位线法、瞬时单位线法、水力学法等。瞬时单位线法是指无穷小时段内流域上均匀的单位净雨所形成的地面径流过程线。纳希(Nash)用几个线性水库串联后，推导出纳希瞬时单位线公式如下：

　　u(t)=(t/k)^n-1e^-t/k/KГ(n)
　　式中　n——水库数或调蓄次数
　　　　　K——分段内的传播时间
　　　　　Г——伽玛函数

　　借助S曲线可将瞬时单位线转化为时段长为△t的时段单位线u（△t,t)，便于实际应用。

　　
　　式中　Kc——考虑流域面积及计算时段长的单位换算因子
　　　　　n、K——参数，可由实测资料确定，或查有关资料用经验公式计算

1.2 径流污染物浓度计算
　　采用非点源运动波模型计算，其基本假定为：流域不透水，污染物守恒，在降雨开始前均匀分布于整个流域，并在径流中均匀混合。径流污染浓度的运动方程如下：

　　
　　式中　Cr——污染物浓度
　　　　　hr——总净雨深
　　　　　h——净雨深
　　　　　D——弥散系数
　　　　　u——平流质点流速

　　由假定将运动方程简化为：

　　dC_r/dt=-(C_r/h_T)(dh/dt)
　　解得　Cr=Cr0h(-h/hT)
　　式中 Cro——积分常数，表示降雨开始时的污染物浓度

　　径流中污染总量为：

　　
　　式中　F——流域面积，km²
　　　　　MW——污染物总量，kg

　　采用下式计算污染物冲刷总量：

　　MW=q_cFT
　　式中　qc——污染物冲刷率模数
　　　　　T——降雨冲刷历时

1.3 混合流污染物浓度计算
　　根据计算区域规划人口情况、工业布局等确定旱季流量Ｑ和旱季污染物浓度C，将合流制管渠模拟为零维完全混合反应器，则混合流的污染物浓度用下式计算：

　　Ch=(CrQr+CfQf)/(Qr+Qf)
　　式中 Ch——混合流污染物浓度

1.4 溢流流量及污染物浓度计算
　　溢流流量用下式计算：
　　如果Ｑr＞n₀Ｑ_f，Ｑ₀＝Q_r-n₀Qf
　　若Ｑr＞n₀Ｑ_f，则Q₀=0
　　溢流污染物浓度用下式计算：
　　若Q₀＞0，则C₀=C_h
　　若Q₀≤0，则C₀=0
1.5 截流倍数确定
　　用非稳态水质模型模拟不同截流倍数下受纳水体的水质变化情况，与受纳水体环境保护目标进行对照，满足受纳水体环境保护目标的最小截流倍数即为所求。

2 算例

2.1 基本资料
　　某市位于江苏省中南部，为了对城市水环境进行控制，老城区采用截流式合流制，截流旱流污水和污染严重的初期污水。计算区域面积3.05km²，设计重现期1年。根据设计手册，暴雨公式中A取14.48，C取0.787，B取10.5，n取0.78，设计历时取24h,计算时段长为30min。根据江苏省暴雨洪水图集，产流参数C_p取30，C_i取105，设计前期影响雨量取63.3mm，n取2，k取1.72h，不透水面积与总面积比例为0.3，污染物指标采用COD_Cr，根据有关资料，污染物输送率模数取12.5kg/(min·km²)，旱季流量取0.25m³/s，管网的污水执行《污水综合排放标准》(GB8978—1996)三级标准，假定管网污水COD_Cr为500mg/L。
2.2 模拟计算
　　根据暴雨强度公式计算出总降雨量及各种历时降雨量，用同频率法求得暴雨过程；用江苏省暴雨洪水图集中的降雨径流关系计算出净雨过程；用瞬时单位线法计算出径流流量过程；用非点源运动波模型计算出径流污染物浓度过程；由零级完全混合反应方程可得混合污水污染物浓度过程。
2.3 截流倍数分析
　　截流倍数取2、3、4时，分别计算溢流流量、过程及溢流污染物浓度过程，见表1。表2为不同截流倍数下溢流情况统计表。

表1 不同截流倍数溢流过程 序号 截流倍数取2 截流倍数取3 截流倍数取4 序号 截流倍数取2 截流倍数取3 截流倍数取4 流量（m³/s) 浓度（mg/L) 流量（m³/s) 浓度（mg/L) 流量（m³/s) 浓度（mg/L) 流量（m³/s) 浓度（mg/L) 流量（m³/s) 浓度（mg/L) 流量（m³/s) 浓度（mg/L) 1 0.115 164.3 0.0 　 0.0 　 14 2.011 59.5 1.761 59.5 1.511 59.5 2 0.248 146.0 0.0 　 0.0 　 15 1.746 63.6 1.496 63.6 1.246 63.6 3 0.534 119.3 0.284 119.3 0.034 119.3 16 1.475 69.1 1.225 69.1 0.975 69.1 4 1.584 77.3 1.334 77.3 1.084 77.3 17 1.236 75.4 0.986 75.4 0.736 75.4 5 2.844 58.6 2.594 58.6 2.344 58.6 18 1.057 81.1 0.807 81.1 0.557 81.1 6 3.557 51.8 3.307 51.8 3.057 51.8 19 0.862 89.0 0.612 89.0 0.362 89.0 7 3.868 48.6 3.618 48.6 3.368 48.6 20 0.731 95.5 0.481 95.5 0.231 95.5 8 3.850 47.3 3.6 47.3 3.350 47.3 21 0.594 103.7 0.344 103.7 0.094 103.7 9 3.681 47.1 3.431 47.1 3.181 47.1 22 0.483 111.7 0.233 111.7 0.0 　 10 3.39 47.9 3.14 47.9 2.890 47.9 23 0.396 119.0 0.146 119.0 0.0 　 11 3.056 49.5 2.806 49.5 2.556 49.5 24 0.304 128.2 0.054 128.2 0.0 　 12 2.701 52.0 2.451 52.0 2.201 52.0 25 0.25 134.3 0.0 　 0.0 　 13 2.352 55.2 2.102 55.2 1.852 55.2 26 0.166 145.4 0.0 　 0.0 　

表2 不同截流倍数下溢情况统计表 截流倍数 溢流历时（h） 溢流总量（10⁴m³） 径流总量（10⁴m³） 溢流Qm（m³/s） 管道Qm(m³/s） 2 17 7.8 12 3.87 0.75 3 11 6.6 12 3.62 1.00 4 9.5 5.7 12 3.37 1.25

　　根据规划，受纳水体定为Ⅳ类水体。据《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)规定，城镇二级污水处理厂COD最高允许排放浓度120mg/L(二级标准)。作为一种粗略考虑，溢流按污水处理厂尾水看待，满足排放标准的最小截流倍数为所求截流倍数。由表1可知，截流倍数取4时截流最大浓度为119.3mg/L；截流倍数取3时，溢流最大浓度为128.2mg/L。从环境方面考虑，截流倍数应取4，但应注意到截流倍数取3时，只有一个时段的溢流浓度超过120mg/L，且流量很小，而截流倍数由4到3可节省很多投资，因而从经济环境方面综合考虑，截流倍数取3。这样既能节省投资，又能基本达到污水综合排放标准。

参考文献

　　1 朱元生，金光炎.城市水文学.南京：河海大学出版社，1989
　　2 吴熊勋等.城市水环境污染控制.南京：东南大学出版社，1989
　　3 黄时达等.三峡工程与环境污染及人群健康.北京：科学出版社，1994
　　4 Peter Stahre. Stormwater Detention.Prentice Hall,1990
　　5 Harry C Tomo.Urban Runoff Pollution.Springer-Verlag Berlin Heidelberg，1986
　　6 Stephan J Nix.Urban Stormwater Modeling and Simulation
　　7 Larry A Roesner.Design of Urban Runoff Quality Controls

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　　作者通讯处：225009 扬州大学水利与建筑工程学院122信箱
　　(收稿日期 1998-09-07)