控源截污是湖泊污染治理的有效手段^[1,2]。为了保护滇池水环境,现已建成滇池流域控源截污主干工程。其中,滇池东岸环湖截污干渠主要截流雨污分流制的排水管网收集的城市生活污水和城乡面源污水,分别送入洛龙河污水处理厂和雨水处理站处理,此工程对于削减滇池非点源污染负荷、改善滇池水质发挥关键作用。但随着滇池周边城市化进程的加快,径流系数的不断增大,加上历年昆明市极端降雨的出现,干渠是否仍能实现高效截流,如何充分利用干渠与相关联的截污系统协调发挥经济高效截流作用是一个亟待解决的问题。为了预测城市化后截污干渠的输水能力变化,协调截污系统高效运行,对研究区域搭建合适的暴雨管理模型(SWMM模型),通过分析干渠在不同种降雨条件下的水量变化,初步拟定干渠截污系统的高效截流方案。

　　 当前SWMM模型^[3]已被广泛用于模拟城镇降雨径流、规划城市排水管网、分析优化管网,是典型的排水管网模型^[4]。联合ArcGis(地理信息系统)和DEM(数字高程模型),可大大缩短建模周期,提高模型的准确性^[5]。

　　 结合该区域排水管网规划,在ArcGIS中利用DEM(Digital Elevation Models)对地面高程等有关资料进行提取和分析处理^[6],本次研究确定DEM的栅格精度为5m×5m。

　　 排水管网的结构参照东岸截污干渠图纸,在CAD平台上初步确立拓扑空间结构。管网的结构简化要根据建模的实际需求,比如,本文需要的主要为划分子汇水区域的干道上的管网系统,对于建模研究影响不大的排水支管及其连接管等可不考虑。排水管网拓扑结构如图1所示。

　　 针对本次建模,需要的排水管道基础数据包括管道长度、管径,管道上、下游的管底标高以及井底标高等。其中干渠基础数据根据东岸截污干渠图纸获得,干管及支管数据通过地形图等资料估算获得。

　　 研究区域为雨、污分流制,其中污水量按照规划态区域污水量在干渠沿线有雨水管接入的节点以“旱季流量”的方式接入,其24h变化曲线参照区域居民用水变化曲线。

　　 根据昆明市呈贡新区2020年规划图确定各个子汇水区域的不透水率和不同类型面积比例,坡度和特征宽度是在ArcGIS中利用DEM提取^[7](因各子汇水面积的用地性质和所处地形差异,故其基本特征参数仅通过范围展示)。对于模型中水文水力参数,根据已有的研究成果^[8~10]取值如表1 所示。径流系数采用加权平均法^[11],初始参数值采用中间值。SWMM中提供了Horton模式、Green-Ampt模式和SCS模式。3 种渗透模式中,Green-Ampt模式对土壤资料要求很高;SCS模式只反映流域下垫面状况,不反映降雨过程而只适用于大流域;Horton模型主要描述下渗率随降雨时间变化的关系,参数少,适合小片区。因此本研究中采用Horton模式。由于缺乏实测资料,霍顿公式参数选取来源于参考模型用户手册中下渗参数的建议值^[3](见表1)。

　　 由于汇水区基本特征参数为研究区域的地理基础信息,不作为调参的目标。

　　 鉴于截污干渠研究段涉及的区域并未完全开发至规划状态,无法获取实测流量数据进行模型校正。因此,选取研究区域中已规划好的小片区(管网完整且便于流量监测)搭建模型,以率定出合适的模型参数用于整个研究区域模拟、预测^[12,13]。该小区域模型面积合计0.36km²,分为子汇水区41 个。小区域模型如图2所示。

　　 小区域模型参数的设置与已搭建的模型参数一致,用2013年8月2日、8月7日、8月25日的降雨进行模拟,对比管网出口流量的模拟值与实测值。

　　 从图3中看出,在各参数取值在经验范围中选定且未调试的状态下,各场模拟出的流量过程线与观测的流量过程线形状已经比较吻合,且流量峰值及峰值出现时间之间的偏差均较小。

　　 采用Nash-Sutcliffe效率系数^[14]对模型模拟结果进行评价,3场降雨事件的Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.89、0.79、0.74。 一般认为Nash-Sut-cliffe效率系数大于0.7^[15]则表明模拟值与观测值达到较好的吻合。由此证明该模型的水文水力参数可以较好地用于该区域。

　　 根据研究区域雨量计记录的数据,选取2009~2013年每年日降雨量最多的一天,将对该日降雨量做主要贡献的降雨场次带入模型进行模拟,统计干渠溢流情况,模拟结果统计如表2所示。

　　 根据环湖截污干渠的设计说明书,干渠能容纳降雨量为16mm场次产生的初期径流。首先,选取降雨量16mm左右降雨场次进行讨论。从表2可见,对于降雨量在16 mm左右的降雨场次,干渠节点几乎不溢流,但据气象学上对小、中、大雨的划分,大雨及暴雨以上的降雨,干渠将有不同程度的溢流。

　　 部分大雨,如2012年6月21日的降雨,最大小时降雨量为11.6 mm,但干渠节点无溢流;当最大小时降雨量达15.2mm,如2011年6月14日的降雨,干渠节点开始有溢流的情况发生;最大小时降雨量越大,干渠溢流越严重。另外,2013年7月19日的降雨说明,虽然最大小时降雨量仅10.3 mm,但满足了12h累计降雨量在30 mm以上,依旧属于暴雨的范畴,故溢流仍旧严重。

　　 由于截污干渠中的雨、污水渠由一定距离隔墙上设置的连通孔(干渠长度上每隔200m设有一个尺寸为1 000mm×500mm的开孔)连通,对于一定降雨强度的暴雨,雨水渠水位过高时水流将通过连通孔进入污水渠,起到充分调用干渠容积的作用。本文选择污水渠出口进行讨论。

　　 选取降雨量之间具有一定差值的降雨场次代入模型模拟(为了便于比较,设定降雨开始时间一致),污水渠出口流量过程线如图4所示。

　　 根据图4,所选取的3场实际降雨量依次增大,降雨历时依次增长,流量峰值时间也逐渐延长,最小的一场2013年8月11日的降雨场次下干渠的流量达到峰值后随即下降,2012年8月13日的降雨,干渠的峰值持续了近2h,而2010年8月16日的降雨场次下,干渠峰值持续了近7.5h。

　　 因此,在实际降雨的检验下,干渠能容纳城市化后总降雨量在16mm以内的中、小雨的全区域降雨情况下,流域产生的全部径流。而在总降雨量大于16mm的中雨、大雨和暴雨的全区域降雨情况下会产生不同程度的溢流。干渠污水渠出口处流量峰值与降雨强度及干渠本身的承载能力有关,当其承载能力达到最大,由于出口管径的限制,干渠中积水无法及时排出,干渠系统将产生溢流;而对于退水时间长短,降雨强度及降雨历时均有影响。

　　 根据上文中的模拟结果,在总降雨量为16mm左右的降雨场次下,由于干渠末端出口管径的限制,使出口流量释放速度恒定,当汇入干渠中的径流量使干渠中的容量达到最大时,将有节点产生溢流。而首先溢流的节点即为干渠的薄弱点。如图5 所示,在16mm的大雨条件下,雨水渠的首先溢流点为编号为1041的节点,污水渠的首先溢流点为编号为1042的节点,而在大于16mm的大雨降雨条件下,雨、污水渠的溢流点均增加。

　　 滇池环湖截污干渠研究段终端接收雨、污水的洛龙河雨水站、洛龙河污水处理厂的规模分别为5万m³/d、24 万m³/d。干渠的雨、污水渠通过隔墙上设置的孔口连通,当雨水渠的水位高于孔口底边时,水流将进入污水渠。由于该特殊性,为了保证当暴雨时污水渠末端污水处理厂的正常运行,考察降雨径流进入污水渠后,其出口流量对污水处理厂产生的冲击负荷。

　　 由于截污干渠的设计容量是当降雨量为16mm产生的径流量,因此选取场次降雨量接近16mm的实测降雨,根据污水处理厂的设计日处理量与干渠污水出口处的流量过程线,计算冲击负荷的变化情况,作出随时间变化的曲线如图6所示,从图6中可以看出,降雨量接近16mm的全区域降雨产生的径流对于污水处理厂水量的冲击负荷比值最大在8~9倍。

　　 根据上述模拟结果,对于干渠(线)的薄弱点则可以考虑作为滇池环湖截污体系后期工程中雨水调蓄池(点)的规划地点,用于暂时削减干渠的洪峰流量,待洪峰过后将污水输送至污水处理厂,且模型中每个溢流点的溢流量可以作为雨水调蓄池容积计算的依据。同时,可在排水管网(面)接入干渠的前端设置截流弃流切换井,通过液位控制和污染物浓度控制来截流干管输送来的初期雨水,弃流后期较干净的雨水。

　　 针对如此高的水量冲击负荷,现行污水处理厂应在扩大其处理能力的同时提高污水处理效率,或根据降雨过程中的进水水质,采取相应的调蓄措施:若进水污染物负荷低于设计负荷,则可根据具体水质和工艺分析越过污水处理厂的预处理设施,而将部分污水暂时储存在初沉池中,若高于设计负荷,则在干渠末端新建截流调蓄池,待降雨结束输送至污水处理厂。新建污水处理厂应根据城市化进程中污染物的径流特征采取相应处理工艺。并与前端干渠截流体系相协调,防止污水溢流造成的二次污染。

　　 本文对滇池环湖截污干渠研究段涉及区域建立了SWMM模型。结果表明:滇池环湖截污干渠在城市化后将能容纳总降雨量16mm及以下的中、小雨的全区域同强度降雨,而在16mm以上的中、大雨和暴雨下产生不同程度的溢流;在总降雨量16mm左右的全区域降雨条件下,干渠出口处流量与干渠末端污水处理厂的设计流量比为8~9倍。

　　 随着滇池周边城市化进程带来的径流量的增大,提高环湖截污干渠的截流效率,防止降雨形成的面源污染造成滇池二次污染最为关键。根据本文的研究结果,环湖截污系统还应在干渠薄弱点和干渠终端污水处理厂的截污效率上完善:模型预测的干渠薄弱点可以考虑作为后期设置调蓄设施的位置,溢流量可作为调蓄池容积计算的依据;采取源头截流措施(如LID措施),在中间截流主干管接入干渠的前端设置截流切换井,通过液位或污染物浓度的控制,选择性地截流初期雨水,延缓干渠溢流和对污水处理厂的冲击影响,而终端污水处理厂也应提高其处理能力和处理效率。协同前端调蓄、中间调蓄和终端处理,形成一套完整、经济、高效的点-线-面控源截污系统。