雨水口截污網(wǎng)籃的研發(fā)與應(yīng)用

董浩，李微

(西安市南郊市政養(yǎng)護(hù)管理公司，陜西 西安 710061)

雨水口是城市雨水管道系統(tǒng)的起點(diǎn)，承擔(dān)著收集雨水，留滯淤泥、垃圾的基本功能.在日常運(yùn)行中為了保證雨水口的泄水功能，需要對(duì)雨水口進(jìn)行經(jīng)常性的清掏.傳統(tǒng)的雨水口清掏方式是用人工使用鐵锨等工具進(jìn)行清掏并轉(zhuǎn)運(yùn)、傾倒.這種方式存在著效率低下、雨水口連接管清掏不徹底，進(jìn)而造成雨季排水不暢并易污染雨水管道系統(tǒng)等問(wèn)題.

早在1955年美國(guó)就開(kāi)始研制并設(shè)置雨水口截污過(guò)濾裝置，根據(jù)不同場(chǎng)地、不同污染程度所設(shè)裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，主要有集水型、沉淀過(guò)濾型、可調(diào)節(jié)型、過(guò)濾凈化型、防護(hù)型等型式[1].德國(guó)在近些年研制的雨水口截污掛籃中使用土工布作為攔截介質(zhì)，可攔截樹(shù)葉、垃圾等雜物，降低管道污染物沉積和堵塞的風(fēng)險(xiǎn)[2].

中國(guó)也一直在探索雨水口的截污方法.在20世紀(jì)70年代，上海市養(yǎng)護(hù)工人用麻袋作網(wǎng)兜，用鋼筋制作方框，用鐵絲將網(wǎng)兜繞在鋼筋制作的方框上，用于雨水口截污，采用粗格柵和細(xì)格柵制成的截污掛籃去除2 mm以上的顆粒物[3].不同規(guī)格的短纖無(wú)紡?fù)凉げ甲鳛榻匚劬W(wǎng)袋制作材料制作截污掛籃去除雨水口內(nèi)雜物[4].采用能夠分離固體雜物與雨水的隔離罩去除徑流中的污染物[5].采用新型雨水口對(duì)固體廢棄物攔截和防臭氣外逸技術(shù)的裝置[6].西安市市政部門(mén)也在2012年引進(jìn)過(guò)無(wú)紡?fù)凉げ冀匚劬W(wǎng)袋進(jìn)行安裝試驗(yàn)，由于西安市位于關(guān)中平原，路面浮土較多，塵土及雜質(zhì)堵塞土工布袋的空隙后，過(guò)水效率大幅下降，因此未能廣泛采用.

近些年國(guó)家大力發(fā)展海綿城市，雨水的初段截污問(wèn)題已經(jīng)不側(cè)重在雨水口討論解決，相關(guān)研究較少，但老城區(qū)仍然存在大量的雨水口無(wú)法進(jìn)行改造升級(jí)，亟待解決雨水初段的雜質(zhì)過(guò)濾問(wèn)題.

針對(duì)目前存在的問(wèn)題，文中通過(guò)對(duì)現(xiàn)有雨水口淤泥情況的統(tǒng)計(jì)分析以及雨水流量的計(jì)算和模擬試驗(yàn)，研發(fā)出一種在不需要對(duì)現(xiàn)有雨水井進(jìn)行改造的情況下，具備耐久性好、透水性好、承重能力強(qiáng)的截污裝置，以期提高城市雨水口的攔截效率、清掏速度和質(zhì)量，在降低雨水口清掏設(shè)備人員投資的情況下同時(shí)能夠減少對(duì)城市排水系統(tǒng)的污染.

1 西安市雨水口的現(xiàn)狀

1.1 雨水口的型式

雨水口型式分為平箅式、偏溝式、立箅式、聯(lián)合式4種.經(jīng)調(diào)查，在西安市南郊地區(qū)85%以上的雨水口型式為偏溝式，無(wú)沉泥槽雨水口.與之配套的井室深h≤1 000 mm，平面尺寸為680 mm×380 mm.

1.2 雨水口內(nèi)垃圾的特點(diǎn)

對(duì)西安市南郊地區(qū)的雨水口清掏物進(jìn)行了分類隨機(jī)抽樣，按照快速路、主干道、次干道和支路的等級(jí)劃分，對(duì)照其整體占比進(jìn)行了分類抽樣，分別抽取了快速路中的南二環(huán)(朱雀路-長(zhǎng)安路)段，5條主干道，3條次干道，8條支路.共計(jì)抽取1 909座雨水口，對(duì)其垃圾種類進(jìn)行了調(diào)查，如表1所示.

表1 各級(jí)道路雨水口垃圾種類調(diào)查表

Tab.1 Debris type and quantity at rainwater gutter entry on road with various grades

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，雨水口垃圾特點(diǎn)及來(lái)源分析如表2所示.

表2 雨水口垃圾特點(diǎn)及來(lái)源分析表

Tab.2 List of characteristic and source of debris at rainwater gutter entry

序號(hào)垃圾種類垃圾量占比從大到小垃圾來(lái)源1以淤泥為主,摻雜樹(shù)葉、煙頭煙盒、紙屑、塑料包裝等雜物快速路,主干道,支路和次干道灑水車沖洗路面泥水,初段雨水泥沙沉積2以剩飯泔水、一次性筷子和飲食油污等其他生活垃圾為主支路和次干道,主干道,快速路餐飲攤點(diǎn),居民生活聚集區(qū)垃圾

在調(diào)查雨水口內(nèi)垃圾種類的同時(shí)，對(duì)垃圾體量進(jìn)行同步調(diào)查，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示.表中,n為雨水口數(shù)量，V為雨水口垃圾總量，Vmax為雨水口垃圾量最大值，Va為雨水口垃圾量平均值.

表3 各級(jí)道路雨水口垃圾量統(tǒng)計(jì)表

Tab.3 Summary of volume of debris at rainwater gutter entry on road with various grades

道路等級(jí)n/座V/m3Vmax/(m3·座-1)Va/(m3·座-1)快速路 541.150.0730.021主干道1 28142.170.0720.033次干道32211.260.0750.035支路2524.520.0710.018合計(jì)1 90980.95

調(diào)查結(jié)果顯示，雨水口的淤泥量特點(diǎn)如下：

1) 雨水口的垃圾量由大到小的分布特征為主干道、次干道、快速路和支路.

2) 各等級(jí)道路雨水口內(nèi)垃圾量的最大值變化不大，都小于0.075 m3.雨水口一般內(nèi)徑尺寸為680 mm×380 mm，可計(jì)算出雨水口內(nèi)垃圾最大厚度為290 mm.

1.3 日常清掏情況

西安市南郊地區(qū)共有雨水口1.49萬(wàn)座，按照《城鎮(zhèn)排水管渠與泵站維護(hù)技術(shù)規(guī)程》(CJJ 68—2016)規(guī)定：雨水口內(nèi)不得留有雜物，無(wú)沉泥槽的雨水口允許積泥深度為管底以上50 mm；雨水口垃圾攔截裝置中的垃圾應(yīng)定期清除；雨水口的養(yǎng)護(hù)頻率為4次/a.但由于地理及氣候等原因，西安市雨水口內(nèi)垃圾產(chǎn)生速度快，市政管理部門(mén)要求維護(hù)部門(mén)的雨水口清掏頻率為12次/a，同時(shí)還要求主汛期對(duì)積水點(diǎn)附近雨水口的清掏頻率增大1倍.因此，西安市南郊地區(qū)的每月雨水口的清掏量平均約為1.5萬(wàn)座.將南郊地區(qū)分為3個(gè)片區(qū)，其中1個(gè)片區(qū)每天2班清掏，另外2個(gè)片區(qū)每天1班清掏，日平均工作量每班組清掏130～150座雨水口.若遇突發(fā)事件或其他特殊因素影響，則無(wú)法保證每月按計(jì)劃完成工作量.因此，亟待采取措施提高雨水口的清掏效率，確保每個(gè)月清掏任務(wù)的完成.

對(duì)南郊地區(qū)雨水口垃圾量進(jìn)行了逐月統(tǒng)計(jì).2016年11月至2017年10月南郊地區(qū)雨水口清除的垃圾量如表4所示.

表4 各級(jí)道路雨水口垃圾量逐月統(tǒng)計(jì)表

Tab.4 Monthly volume of debris at rainwater gutter entry on road with various grades

年份月份V/m3201611573.512567.220171522.12543.83536.74551.55521.76499.67500.18513.29553.210576.3平均538.2

由以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果可知，最大月垃圾量為576.3 m3，最大月時(shí)雨水口內(nèi)垃圾的平均量為0.038 m3/座，可計(jì)算出雨水口內(nèi)垃圾平均厚度為150 mm.

2 截污網(wǎng)籃的結(jié)構(gòu)與材料

2.1 截污網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)形式的確定

嘗試將截污裝置設(shè)計(jì)為倒置的矩形棱臺(tái)形成網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)，整體分為3部分，分別為懸掛區(qū)、溢流區(qū)以及儲(chǔ)存?zhèn)}，如圖1所示.上部為懸掛區(qū)，主要為了適應(yīng)現(xiàn)狀的雨水口支座的尺寸，將網(wǎng)籃自身懸掛在雨水井箅以下、雨水連接管以上，并且在承重及過(guò)水的情況下，不彎曲變形或損壞，懸掛區(qū)內(nèi)側(cè)設(shè)有提手，方便清理時(shí)將網(wǎng)籃從雨水口中提出.中部為溢流區(qū)，為長(zhǎng)條形的格柵開(kāi)孔區(qū)，目的是降雨時(shí)泄水.儲(chǔ)存?zhèn)}處于截污網(wǎng)籃的最下部，目的是截留垃圾等雜物和避免儲(chǔ)存?zhèn)}積水，同時(shí)還兼具雨量較小時(shí)的泄水功能.使用時(shí)截污網(wǎng)籃放置在雨水口上，當(dāng)井箅蓋上后，截污網(wǎng)籃就固定在雨水井箅和井框之間.

圖1 網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 截污網(wǎng)籃流量的確定

根據(jù)《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》，道路雨水口的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期根據(jù)道路等級(jí)不同各異，一般0.5～5.0 a.本項(xiàng)目取西安市目前常采用的雨水口設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為3 a.根據(jù)西安市暴雨強(qiáng)度公式和小流域匯水徑流量推理公式，以單箅雨水口集流面積上限300 m2計(jì)算.

(1)

Qd=qAΨ,

(2)

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，3 a；t為地面集流時(shí)間，通常取10～15min；Qd為設(shè)計(jì)徑流量，L/s；Ψ為徑流系數(shù)，0.6；A為集流面積，hm2.

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知單箅雨水口3 a一遇的暴雨設(shè)計(jì)徑流量Qd=3.26 L/s，因此截污裝置應(yīng)滿足該過(guò)水流量.

溢流孔溢流為水力學(xué)上大孔徑出流問(wèn)題，孔口出流量計(jì)算公式為

(3)

式中：Q為孔口出流量，m3/s；μ為孔口流量系數(shù)，取0.7；ω為溢流孔孔口面積，m2；h為滿流狀態(tài)下溢流孔的水頭高度，取0.08 m；g為重力加速度，9.8 m/s2.

根據(jù)式(3)，可計(jì)算出所需溢流孔孔口面積為0.003 7 m2.

2.3 截污網(wǎng)籃材料的確定

截污網(wǎng)籃應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，能承受垃圾的重量而不造成變形或損壞，在暴雨期間應(yīng)能夠承受水頭壓力，還應(yīng)有一定的耐候性，在酸雨、暴曬情況下保證結(jié)構(gòu).為此，將幾種材料進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表5所示.

表5 材料評(píng)價(jià)對(duì)比表

經(jīng)比較，選擇取材容易的不銹鋼作為截污網(wǎng)籃的試驗(yàn)材料.

2.4 截污網(wǎng)籃尺寸的確定

根據(jù)以上雨水口垃圾量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果，考慮截污網(wǎng)籃有效容積的預(yù)留量，對(duì)截污網(wǎng)籃的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì).截污網(wǎng)籃壁與雨水口壁之間應(yīng)有一定的空隙，以避免因兩壁之間相距太近而阻水的現(xiàn)象，同時(shí)考慮到施工誤差、雨水口輕度變形導(dǎo)致的雨水口尺寸大小不一現(xiàn)象，將截污網(wǎng)籃底部的平面尺寸設(shè)計(jì)為565 mm×250 mm.

根據(jù)表3及表4，計(jì)算出雨水口垃圾厚度最大值290 mm，最大月每座雨水口污泥量的平均厚度為150 mm.對(duì)調(diào)查的1 909座雨水口的垃圾厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，超過(guò)150 mm的雨水口共計(jì)96座，占調(diào)查總數(shù)的5%，屬特殊情況，本研究暫時(shí)忽略.當(dāng)雨水口內(nèi)污泥厚度為150 mm時(shí)，同等體積污泥在儲(chǔ)存?zhèn)}的高度應(yīng)為270 mm.考慮儲(chǔ)存?zhèn)}有效容積的預(yù)留量為10%，取儲(chǔ)存?zhèn)}的高度為300 mm，因此設(shè)計(jì)截污網(wǎng)籃的有效截污體積為0.042 3 m3.

現(xiàn)狀雨水箅子是球墨鑄鐵雨水口箅子，其空隙為218 mm×28 mm，較大的樹(shù)葉及垃圾在下雨時(shí)被井箅過(guò)濾，下落至雨水口內(nèi)的垃圾成分中，以煙頭、紙屑和一次性筷子及食物殘?jiān)鼮橹鳎趦?chǔ)存?zhèn)}設(shè)計(jì)二次過(guò)濾結(jié)構(gòu)，將其過(guò)濾.根據(jù)計(jì)算結(jié)果，溢流孔孔口總面積應(yīng)不小于0.003 7 m2，但孔口面積還應(yīng)不小于現(xiàn)狀雨水口井箅的孔口面積.現(xiàn)狀雨水口井箅大多采用標(biāo)準(zhǔn)圖集，該箅子的開(kāi)孔面積為0.114 8 m2.

考慮到儲(chǔ)存?zhèn)}主要過(guò)濾掉落的煙頭及傾倒的泔水殘?jiān)涑叽缇鶠?0 mm左右，小于10 mm的垃圾在水流較小時(shí)就能夠被沖走，不易形成沉積.另外考慮到清理網(wǎng)籃時(shí)，需要用到高壓水槍及鐵鏟等工具，因此選取10 mm孔徑×10 mm間距的沖孔板作為過(guò)濾結(jié)構(gòu)以保證強(qiáng)度，不考慮鋼絲網(wǎng)篩結(jié)構(gòu).

泄水區(qū)主要滿足最不利水力條件下的排水需求，在存儲(chǔ)倉(cāng)未能及時(shí)清掏，達(dá)到容量上限時(shí)，依然滿足3 a重現(xiàn)期暴雨的排水需求，但又要兼顧一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和過(guò)濾效能，且不易堵塞，因此泄水區(qū)設(shè)寬度為20 mm、間隔寬度為20 mm、高度160 mm的泄水口.

綜上所述，最終確定的截污網(wǎng)籃的總高度為

Ht=H1+H2+H3，

(4)

式中：H1為倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)高度；H2為泄水口高度；H3為結(jié)構(gòu)框高度.

文中取500 mm作為截污網(wǎng)籃的總高度.

2.5 泄水及截污試驗(yàn)

對(duì)以上確定的結(jié)構(gòu)尺寸試制部分樣品進(jìn)行測(cè)試.在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)(見(jiàn)圖2)，將截污網(wǎng)籃安裝于現(xiàn)有雨水口下，采用帶有專業(yè)流量計(jì)的泵車供水，調(diào)節(jié)水流量，將水流逐步加大至暴雨3 a重現(xiàn)期的3.26 L/s，并保持模擬流量10 min，觀測(cè)結(jié)果排水順利未發(fā)生溢流，截污網(wǎng)籃滿足泄水功能.

圖2 網(wǎng)籃截污泄水試驗(yàn)

選取具有代表性的3組雨水口污泥成分：A組以淤泥為主，摻雜樹(shù)葉、煙頭煙盒、紙屑、塑料包裝等雜物；B組以剩飯泔水為主摻雜一次性筷子和飲食油污等其他生活垃圾；C組為A，B 2組等量混合物，分別充分拌勻后各取20 kg混合污泥作為試驗(yàn)物.選取一處偏溝式雨水口作為試驗(yàn)場(chǎng)地，采用灑水車在5 m外常壓出水，調(diào)整流量，將雨水口處箅前水深調(diào)整為2 cm，污泥分別在安裝截污網(wǎng)籃前后距離雨水口1 m處沖入雨水口，直至路面污泥完全進(jìn)入雨水口后停止出水.分別記錄井底垃圾淤積厚度，如表6所示,表中dw為井底沉積厚度，db為截污網(wǎng)籃沉積厚度.

表6 截污網(wǎng)籃截污效果統(tǒng)計(jì)表

Tab.6 Residual debris heights before and after basket filters were installed

截污網(wǎng)籃 狀態(tài)dw/mmdb/mmA組安裝前66—安裝后4220B組安裝前87—安裝后14178C組安裝前79安裝后10209

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，未安裝截污網(wǎng)籃的情況下，有部分垃圾被沖入了雨水連接管，安裝截污網(wǎng)籃后，其攔截了大量的混合污泥，將井底污泥沉平均積厚度由77.3 mm降低至9.3 mm.

3 討 論

3.1 泄水效果

2017年，在西安市南郊地區(qū)5個(gè)積水點(diǎn)放置了40個(gè)截污網(wǎng)籃，并分別對(duì)降雨時(shí)截污網(wǎng)籃的工作情況進(jìn)行了觀察登記，結(jié)果如表7所示.表中，Qmax為最大降雨量，Qt為總降雨量，t為降雨時(shí)間，M為滿溢情況，N為滿溢個(gè)數(shù).

表7 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前未清理的截污網(wǎng)籃泄水效果統(tǒng)計(jì)表

Tab.7 Drainage effect of 40 basket filters (not cleaned before field trial)

日期Qmax/(mm·h-1)Qt/mmt/hMN05-225.311.3740006-048.618.42040706-294.710.09400

有7個(gè)截污網(wǎng)籃發(fā)生滿溢現(xiàn)象，滿溢的原因是雨前未對(duì)截污網(wǎng)籃進(jìn)行傾倒，截污網(wǎng)籃內(nèi)的垃圾量超過(guò)了溢流區(qū)，減小了泄水面積.

隨后又在這5個(gè)積水點(diǎn)放置了40個(gè)截污網(wǎng)籃，并在雨前傾倒了截污網(wǎng)籃，繼續(xù)對(duì)降雨時(shí)截污網(wǎng)籃的工作情況進(jìn)行了觀察登記，結(jié)果如表8所示.

表8 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前已清理的截污網(wǎng)籃泄水效果統(tǒng)計(jì)表

Tab.8 Drainage effect of 40 basket filters(cleaned before field trial)

日期Qmax/(mm·h-1)Qt/mmt/hMN07-180.81.3440008-079.327.41440009-097.722.617400

經(jīng)過(guò)5個(gè)積水點(diǎn)的實(shí)地驗(yàn)證，2017年加裝了截污網(wǎng)籃的積水點(diǎn)在汛期沒(méi)有出現(xiàn)因截污網(wǎng)籃的加裝而影響雨水口的泄水功能.因此，截污網(wǎng)籃的泄水性能可以滿足汛期要求.

3.2 截污效果驗(yàn)證

根據(jù)垃圾的類型特征，在西安市南郊地區(qū)選取了8條道路作為試驗(yàn)路段，其中包括快速路、主干道、次干道、支路.每條道路選取8～10座雨水口放置截污網(wǎng)籃，其中有單箅、雙箅式雨水口，遇雙箅式雨水口并行安裝兩套截污網(wǎng)籃.

選定同一條道路上與放置截污網(wǎng)籃條件相同數(shù)量相同的雨水口作為對(duì)照.在放置截污網(wǎng)籃前，對(duì)試驗(yàn)段的雨水口統(tǒng)一進(jìn)行清掏，以保證試驗(yàn)條件的相同，一個(gè)月后對(duì)對(duì)比路段的雨水口從截污網(wǎng)籃下的遺留垃圾、清掏時(shí)間、清掏質(zhì)量幾方面的數(shù)據(jù)對(duì)截污網(wǎng)籃的截污效果驗(yàn)證和分析.

對(duì)比雨水口截污網(wǎng)籃下的遺留垃圾厚度統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表9所示,dy為籃下遺留垃圾厚度.

表9 截污網(wǎng)籃下遺留垃圾厚度統(tǒng)計(jì)表

Tab.9 Residual debris heights in gutter well on eight roads

道路名稱dy/mm[0,5)[5,10)[10,20)[20,30)[30,∞)南二環(huán)54100太乙路13420安西街16100邊西街61100振興路43100紅纓路21500朱雀東坊32500紅纓東坊52100合計(jì)27221920

由表9可以看出，加裝了截污網(wǎng)籃的雨水口遺留在雨水口底部的垃圾量很少，其中97%以上的遺留垃圾厚度為5～20 mm，滿足規(guī)范[6]要求.每月只需將截污網(wǎng)籃內(nèi)的垃圾進(jìn)行傾倒，同時(shí)觀察雨水口底的剩余污泥量，當(dāng)污泥厚度即將超標(biāo)(50 mm)時(shí)進(jìn)行清掏即可.清掏雨水口的時(shí)間間隔可由1個(gè)月延長(zhǎng)至3～5個(gè)月，污泥平均沉積量也由原來(lái)的150 mm降低至50 mm以內(nèi).

截污網(wǎng)籃目前已經(jīng)在西安市南郊地區(qū)部分道路試運(yùn)行，并由專人負(fù)責(zé)跟蹤運(yùn)行狀況，采集數(shù)據(jù)，在為期1 a的運(yùn)行后將會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理，作為后續(xù)評(píng)估改進(jìn)的依據(jù).

4 結(jié) 論

1) 各級(jí)別道路偏溝式雨水口的污泥平均沉積量均小于0.075 m3.

2) 當(dāng)截污網(wǎng)籃倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)為10 mm圓孔×10 mm間距時(shí)，對(duì)路面各類垃圾的過(guò)濾能力良好，將井底的平均殘余垃圾量由安裝前的150 mm降至50 mm以內(nèi).

3) 本研究所研制的雨水口截污網(wǎng)籃適用于已建成的單箅式雨水口，在3 a暴雨強(qiáng)度下不影響排水，且能夠提高雨水口截污效率.