多伦多大学研究提出改进估算工具 以更准确评估暴雨雨水进入卫生下水道规模

多伦多大学新近博士毕业生Gabrielle Migliato Marega(CivMin)开发了一种改进的估算工具,用于评估暴雨期间有多少雨水最终进入卫生下水道。她表示,该工具在缺乏精细下水道流量数据的地区尤其适用,例如许多新下水道系统正在建设的中低收入国家。

Marega在发表于《水科学与技术》(Water Science & Technology)的一篇论文中指出,按设计理念雨水管道与卫生管道应当分离,但在不少较旧的城市系统中两者仍为合流制;即便在分流制系统中,也难以完全避免雨水与污水系统之间的交叉。她称,额外雨水进入卫生下水道可能使原本用于处理废水的处理设施超负荷运行,进而导致未经处理的污水排入湖泊和河流,并可能引发下水道堵塞、地下室进水等问题。

针对雨水进入卫生下水道的规模估算,既有研究通常采用多种方法。Marega介绍,其中一种常见做法是基于流量数据:分别计算非暴雨时段与暴雨时段的平均流量,再通过差值估算雨水贡献。在缺乏高频流量记录时,也可通过比较长期平均下水道流量与城市预期产生的污水量来推算雨水流入。

另一类方法则依赖污水中的示踪指标。Marega以生化需氧量(BOD)为例称,该指标与废水中有机物含量成正比;当废水被雨水稀释时,BOD会下降,因此可通过测量变化来估算雨水的流入与渗入量。

Marega表示,以往研究多集中于比较不同方法的准确性,而其论文的做法是将长期平均流量法与BOD法结合,并对两种方法赋予适当权重,以提升估算效果。为验证该思路,她在多伦多大学教授David Meyer和卡尔顿大学教授Jennifer Drake的共同指导下建立数学模型,模拟一个假想城市的下水道系统运行。

研究采用蒙特卡洛方法生成数千种情景,每种情景对应不同的雨水流入与渗入率,并对比BOD法、平均流量法以及两者结合方法对模拟参数的估算准确度。Marega称,结果显示结合方法的准确度提升超过10%。

在提出该策略后,Marega进一步分析了其祖国巴西46个城市的数据。她指出,这些城市的真实雨水流入与渗入率并不明确,且部分数据较为零散,例如流量测量可能平均每三个月一次,而理想情况下应达到每小时一次。尽管如此,相关数据仍足以分别使用两种方法进行估算,并通过结合方法得到更合理的雨水渗入估算,用于评估系统潜在改进方向。

Marega举例称,雨水流入与渗入的常见原因之一,是家庭将屋顶排水管直接接入卫生下水道。她表示,若发现此类情况,可通过更新建筑规范禁止相关连接,或加强检查以提高合规率;在新系统建设阶段,也可通过提高设计容量来更好应对暴雨带来的更大流量。

Meyer表示,团队希望全球城市设计者在规划与维护过程中采用这一方法。他称,该研究的关键在于通过结合多种方法改变问题设定:不再仅回答“哪种方法最好”,而是探索如何利用现有多种方法最大限度获取系统信息,以支持更好的下水道设计与废水处理,并降低堵塞与洪水造成的损失。


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