分散式初期雨水調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

雷 璇 李慶偉

（1 中建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司 北京 100037 2 中建三局集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430064）

引言

隨著城市的發(fā)展，城市地表硬化程度不斷增加，雨水在形成地表徑流過(guò)程中攜帶的空氣和地面污染物日益增多。一方面，雨水匯流形成徑流的時(shí)間變短，導(dǎo)致雨污管網(wǎng)負(fù)荷變大，由于現(xiàn)狀雨污管網(wǎng)分流建設(shè)不完善，合流制或混接導(dǎo)致下雨時(shí)大量雨水進(jìn)入城市截污管網(wǎng)，對(duì)截污管網(wǎng)造成較大沖擊；另一方面，地表污染物隨著雨水形成的徑流直接進(jìn)入河道，影響河道水質(zhì)，造成水體污染。因此，有必要對(duì)面源污染物濃度較高的初期雨水進(jìn)行收集和處理。

隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的發(fā)展，利用調(diào)蓄池截流初期雨水成為了解決高濃度的初期雨水對(duì)于城市河道水體污染的必要且高效的工程措施。調(diào)蓄池技術(shù)在國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程中得到了廣泛的應(yīng)用，國(guó)外代表性的比如日本的長(zhǎng)津川調(diào)蓄池、德國(guó)的屋面雨水調(diào)蓄池等，我國(guó)代表性的有上海蘇州河二期工程調(diào)蓄池、昆明市第二污水處理廠雨污調(diào)蓄池等。

在國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程的應(yīng)用中，初期雨水的處理方式主要有分散處理和集中處理兩種[1]。本文以坪山河干流綜合整治及水質(zhì)提升工程為例，主要介紹了分散式初期雨水調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 坪山河流域水環(huán)境現(xiàn)狀

1.1 流域水系

坪山河屬于東江流域淡水河水系，地處深圳市東北部坪山區(qū)，坪山河干流起點(diǎn)為三洲田大橋，終點(diǎn)為深惠交接斷面兔崗嶺水陂，干流從西南至東北方向貫穿坪山區(qū)全境，河道全長(zhǎng)13.5km，其中屬深圳境內(nèi)的流域面積約為129.4km2。坪山河有11 條一級(jí)支流，3 條二級(jí)支流，上游有水庫(kù)16 座。

1.2 流域初期雨水污染問(wèn)題分析

（1）初期雨水的定義。正常情況下，在降雨的初期，雨水會(huì)比較“臟”，因?yàn)槌跗谟晁當(dāng)y帶的空氣和地表上的污染物較多。經(jīng)過(guò)多年的了解，初期雨水已經(jīng)成為了一種水體污染的代名詞，是一種面源污染。初期雨水中一般含有COD、BOD、SS、NH3-N、TP、重金屬等污染物，不同地區(qū)的初期雨水污染情況不同。在深圳地區(qū)，雨水系統(tǒng)的漏失污水與降雨初期形成的徑流沖刷攜帶的面源污染流入河道，是造成初期雨水污染物濃度較高的主要原因。根據(jù)深圳市白芒河、福田河等流域的相關(guān)地表徑流污染研究結(jié)果表明，流域初期雨水污染嚴(yán)重，前期（徑流開(kāi)始后的前30min）污染物濃度較高，中后期（徑流開(kāi)始30min 之后直至徑流結(jié)束）水質(zhì)快速轉(zhuǎn)好，初期雨水徑流中含有的污染物濃度明顯高于中后期雨水徑流污染物濃度，初期雨水中，COD、SS 的濃度峰值顯著高于普通生活污水的污染指標(biāo)[2][3]。由此將初期雨水定義為：在一定的區(qū)域范圍（深圳市）內(nèi)，徑流開(kāi)始后的前30min 徑流時(shí)段攜帶了較大比例的污染負(fù)荷，促使形成這30min 徑流的降水量稱(chēng)為初期雨水。

（2）初期雨水對(duì)坪山河流域水質(zhì)的影響。經(jīng)過(guò)對(duì)坪山河流域雨水徑流水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，直接排入坪山河的污染物包括：工業(yè)企業(yè)直排污染物、污水處理廠出水以及通過(guò)雨水徑流進(jìn)入河道的面源污染物。由于部分控制單元沒(méi)有直排企業(yè)，加上坪山河流域截污系統(tǒng)不斷升級(jí)改造優(yōu)化，點(diǎn)源污染物在坪山河流域污染負(fù)荷中不占主導(dǎo)并且影響越來(lái)越小，從而凸顯了面源污染的嚴(yán)重程度。由此可以知道，提升坪山河河道水質(zhì)以及改善坪山河流域水環(huán)境的關(guān)鍵在于控制排入河道的面源污染物含量，那么就需要對(duì)面源污染物濃度較高的初期雨水進(jìn)行收集和處理。

1.3 流域排水現(xiàn)狀

坪山區(qū)的排水體制以雨污合流制為主，隨著坪山河沿河截污系統(tǒng)的建成，截流式合流排水體制占比擴(kuò)大。大工業(yè)區(qū)新建區(qū)域?yàn)橛晡鄯至髦婆潘w制，部分舊村（南布、六和、竹坑）為合流制排水體制。目前在分流制排水體制的建成區(qū)，由于污水系統(tǒng)尚未全部貫通，污水仍然通過(guò)合流制污水管道就近排入河道中，實(shí)際上仍等同于合流制排水。根據(jù)工程前期實(shí)地測(cè)量成果，坪山河沿岸兩側(cè)的排放口共292 個(gè)。其中坪山河中上游段（荔景南路以上）排放口較密集，共269 個(gè)排放口，占全河段排放口總數(shù)的92.1%；中下游段（荔景南路以下）排放口較少，共23 個(gè)排放口，占全河段排放口總數(shù)的7.9%。目前坪山區(qū)排水管網(wǎng)分流制比例約占35%，合流制比例約占65%，總體而言分流制比例相對(duì)較低，需要同步開(kāi)展雨污分流制管網(wǎng)改造工程，才能確保坪山河水環(huán)境全面提升。對(duì)于近期確實(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)雨污分流改造的區(qū)域，可在截流干管沿線修建調(diào)蓄池形成截流式合流排水形式，收集處理合流管道中的雨污混流水，待降雨過(guò)后再將其引入污水廠或水質(zhì)凈化站進(jìn)行處理，改善流域水質(zhì)[4]。

2 調(diào)蓄池在坪山河項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

2.1 調(diào)蓄池設(shè)計(jì)總體思路

由于坪山河流域匯水范圍較大，從坪山河干流起點(diǎn)到干流終點(diǎn)，水體流行的時(shí)間大概需要2.5 到3 個(gè)小時(shí)，如果只在末端布置調(diào)蓄池，考慮到前30min 的初期雨水污染物濃度較高，那么會(huì)導(dǎo)致靠近下游的排放口排出的水體水質(zhì)已經(jīng)變好時(shí)，上游污染物濃度很高的水才流到下游，這無(wú)疑會(huì)加大污水處理的難度。所以本次設(shè)計(jì)采用分散調(diào)蓄的方式，在坪山河干流沿河布置分散式調(diào)蓄池，將流域的污水按上、中、下游匯水面積進(jìn)行分配，更好地符合初期雨水產(chǎn)生的規(guī)律以及水質(zhì)的變化過(guò)程，更準(zhǔn)確地將含有較高濃度污染物的初期雨水進(jìn)行收集，一定程度上實(shí)現(xiàn)清濁分流，減少調(diào)蓄和處理的規(guī)模。

調(diào)蓄池按功能可分為削減洪峰流量的雨水調(diào)蓄池和收集合流污水（包括初期雨水）的污水調(diào)蓄池[5]。按照排水現(xiàn)狀和功能需要，本次工程設(shè)置的調(diào)蓄池除上洋調(diào)蓄池以外均為污水調(diào)蓄池。由于荔景南路以下河段未新建沿河截污管，而是利用老截污干管系統(tǒng)，另外考慮到上洋污水處理廠進(jìn)水管、處理規(guī)模等因素，將上洋調(diào)蓄池設(shè)置為能夠削減洪峰流量的大容積調(diào)蓄池。

2.2 調(diào)蓄池選址及規(guī)模

2.2.1 調(diào)蓄池選址原則

調(diào)蓄池位置的選擇對(duì)于調(diào)蓄池削減徑流及其污染負(fù)荷功能的實(shí)現(xiàn)非常關(guān)鍵，同時(shí)調(diào)蓄池不同的位置選擇也會(huì)影響調(diào)蓄池的容積大小、施工的難易程度以及調(diào)蓄池的造價(jià)高低。調(diào)蓄池應(yīng)當(dāng)并聯(lián)設(shè)置在排水干管上，在收集上游干管雨水量的同時(shí)也可減輕下游干管的排水壓力[6]。根據(jù)工程的實(shí)際情況對(duì)調(diào)蓄池的布局進(jìn)行綜合考量，調(diào)蓄池可以作為整體結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)置，也可以分散式布置。調(diào)蓄池既可以設(shè)置于地上也可以設(shè)置于地下，地上式的調(diào)蓄池可以是封閉結(jié)構(gòu)也可以是敞開(kāi)結(jié)構(gòu)，地下式調(diào)蓄池則為封閉式結(jié)構(gòu)。地上式調(diào)蓄池應(yīng)充分利用池塘洼地等天然低凹處，與周?chē)坝^進(jìn)行結(jié)合設(shè)計(jì)，一般造價(jià)較低、施工維護(hù)方便。地下式調(diào)蓄池一般應(yīng)用在土地資源較為缺乏的地區(qū)，更加適用于城市河道的雨水調(diào)蓄，造價(jià)較高，施工難度較大。

2.2.2 調(diào)蓄池規(guī)模確定原則

（1）確定調(diào)蓄池的規(guī)模即確定調(diào)蓄池的容積，有條件建立數(shù)學(xué)模型的工程，根據(jù)排水模式、雨水徑流量、管道布置、上下游水位流量等因素結(jié)合周?chē)h(huán)境特點(diǎn)綜合確定調(diào)蓄池的容積。

（2）對(duì)于建立數(shù)學(xué)模型有困難的工程項(xiàng)目，根據(jù)《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51174-2017）[7]，調(diào)蓄池容積按照下列公式確定：

式中：V—調(diào)蓄量或調(diào)蓄池有效容積（m3）；Qi—調(diào)蓄池上游設(shè)計(jì)流量（m3/s）；Q0—調(diào)蓄池下游設(shè)計(jì)流量（m3/s）；t—降雨歷時(shí)（min）。

（3）當(dāng)調(diào)蓄池上下游流量資料不充分時(shí)，可選擇脫過(guò)系數(shù)法確定調(diào)蓄池容積：

式中：b—降雨歷時(shí)修正參數(shù)；n—暴雨衰減指數(shù)，與重現(xiàn)期相關(guān)；α—脫過(guò)系數(shù)，取值為調(diào)蓄設(shè)施下游和上游設(shè)計(jì)流量之比。

《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51174-2017）建議采用3～24h 較長(zhǎng)降雨歷時(shí)計(jì)算，本次根據(jù)坪山河干流設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)采用3h 降雨歷時(shí)進(jìn)行計(jì)算。由于本次調(diào)蓄池主要用于徑流污染控制，本次計(jì)算根據(jù)已確定規(guī)模，反向推算調(diào)蓄池在不同位置設(shè)置對(duì)于坪山河干流對(duì)應(yīng)河段防洪的削減洪峰作用。由于缺乏上下游流量過(guò)程線，本次計(jì)算采用脫過(guò)系數(shù)法進(jìn)行核算。

2.2.3 坪山河項(xiàng)目調(diào)蓄池的選址及規(guī)模

按照上、中、下游均衡布置的原則，結(jié)合初期雨水水質(zhì)隨時(shí)間變化的規(guī)律，考慮到管道中水體流行時(shí)間、用地以及高程等情況，本次沿坪山河干流分散布置7座地下式調(diào)蓄池，分別為碧嶺、錦龍、湯坑、南布、墩子河、石井及上洋調(diào)蓄池，總?cè)莘e為22 萬(wàn)m3。調(diào)蓄池規(guī)模主要根據(jù)其服務(wù)范圍內(nèi)的排放口在降雨前期30min的排放流量來(lái)確定，上洋調(diào)蓄池規(guī)模按照削減洪峰流量來(lái)計(jì)算確定。各調(diào)蓄池規(guī)模見(jiàn)表1。

表1 坪山河干流新建調(diào)蓄池規(guī)模

2.3 調(diào)蓄池設(shè)計(jì)

2.3.1 進(jìn)水方式的選擇

本次設(shè)計(jì)的調(diào)蓄池主要是收集其服務(wù)范圍內(nèi)的初期雨水以及少量的漏失污水，旱季污水不進(jìn)入調(diào)蓄池，而進(jìn)入沿河的兩座凈化站和下游污水處理廠進(jìn)行處理。由于調(diào)蓄池所在位置基本在建成區(qū)，考慮到景觀要求，本次調(diào)蓄池采用地下式。根據(jù)每座調(diào)蓄池的進(jìn)水管埋深以及周邊地勢(shì)的情況，采用兩種進(jìn)水方式：泵提升和重力自流。碧嶺、湯坑、南布、石井和上洋調(diào)蓄池采用泵提升進(jìn)水方式。這5 座調(diào)蓄池進(jìn)水管道埋深均在10m 左右，若采用重力自流進(jìn)水方式，則需要較大的基坑深度，會(huì)導(dǎo)致工程投資增加、施工難度大、施工周期長(zhǎng)、安全隱患增大，后期調(diào)蓄池清淤維護(hù)也不方便?？紤]到工程投資、施工周期以及工程安全等方面的原因，這5 座調(diào)蓄池采用泵提升進(jìn)水方式。錦龍、墩子河調(diào)蓄池采用重力自流進(jìn)水方式。錦龍調(diào)蓄池受周邊用地限制，選址位于現(xiàn)狀坪山河底，故采用重力進(jìn)水方式；墩子河調(diào)蓄池選址位于現(xiàn)狀墩子河口，地勢(shì)低洼，也采用重力進(jìn)水方式。各調(diào)蓄池的池體最大埋深及進(jìn)出水方式見(jiàn)表2。

表2 坪山河干流新建調(diào)蓄池進(jìn)出水方式

2.3.2 提升泵的選擇

由于本次調(diào)蓄池收集的是降雨期前30min 的初期雨水以及少量的漏失污水，進(jìn)水時(shí)間短，進(jìn)水流量大，揚(yáng)程較低。另外，根據(jù)深圳市的相關(guān)降雨資料，年降雨天數(shù)不超過(guò)50 天，調(diào)蓄池提升泵站使用頻率較低，大部分時(shí)間處在閑置狀態(tài)，所以選擇設(shè)備應(yīng)當(dāng)考慮降低工程費(fèi)用。經(jīng)綜合考慮，本次提升泵選用潛水軸流泵。

2.3.3 調(diào)蓄池通風(fēng)除臭設(shè)計(jì)

初期雨水調(diào)蓄池因?yàn)槠涫占某跗谟晁形廴疚锖枯^高，因而在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量臭氣。初期雨水通過(guò)進(jìn)水管道進(jìn)入調(diào)蓄池，初期雨水跌落過(guò)程中會(huì)有大量臭氣散出。當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)強(qiáng)降雨時(shí)，受到下游排水管道的流量限制，調(diào)蓄池中的初期雨水留存的時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，調(diào)蓄池的封閉環(huán)境會(huì)產(chǎn)生厭氧反應(yīng)生成大量臭氣。因而有必要進(jìn)行合理的通風(fēng)除臭設(shè)計(jì)來(lái)排出調(diào)蓄池內(nèi)部的臭氣。坪山河項(xiàng)目的7 座調(diào)蓄池中，根據(jù)各個(gè)調(diào)蓄池的實(shí)際情況，因地制宜設(shè)置了不同的通風(fēng)除臭方式。碧嶺調(diào)蓄池和南布調(diào)蓄池旁邊分別建設(shè)有碧嶺水質(zhì)凈化站和南布水質(zhì)凈化站，碧嶺調(diào)蓄池和南布調(diào)蓄池內(nèi)部的臭氣通過(guò)除臭風(fēng)管收集后進(jìn)入水質(zhì)凈化站內(nèi)除臭濾池處理。湯坑調(diào)蓄池單獨(dú)設(shè)置了一體化除臭裝置，整個(gè)裝置內(nèi)通過(guò)過(guò)濾、紫外、噴淋，可以有效去除H2S、CH4、CO 等有毒有害氣體。考慮到其他調(diào)蓄池的臭氣排放情況對(duì)周?chē)用裆钣绊戄^輕，暫不設(shè)置除臭裝置，調(diào)蓄池內(nèi)部氣體直接通過(guò)調(diào)蓄池頂部的風(fēng)機(jī)排放至外部，后續(xù)可根據(jù)實(shí)際情況安裝除臭設(shè)施。

2.3.4 運(yùn)行模式

（1）采用泵提升進(jìn)水方式的調(diào)蓄池。沿岸截污系統(tǒng)的污水在調(diào)蓄池進(jìn)水井處匯合，然后經(jīng)過(guò)格柵、沉砂池預(yù)處理后，由泵房提升進(jìn)入調(diào)蓄池。待調(diào)蓄池內(nèi)蓄水水位達(dá)到設(shè)計(jì)水位之后關(guān)閉進(jìn)水閘門(mén)。對(duì)于湯坑、石井和上洋調(diào)蓄池，降雨過(guò)后，當(dāng)下游截污總管及污水處理廠負(fù)荷降低，有足夠容量處理調(diào)蓄池內(nèi)污水時(shí)，調(diào)蓄池出水閘門(mén)開(kāi)啟，內(nèi)部污水經(jīng)重力作用自流至沿河截污系統(tǒng)，進(jìn)入下游污水廠處理，原則上污水在調(diào)蓄池內(nèi)貯存時(shí)間不超過(guò)2 天。對(duì)于碧嶺和南布調(diào)蓄池，降雨過(guò)后，調(diào)蓄池內(nèi)的污水經(jīng)重力作用自流分別進(jìn)入碧嶺、南布水質(zhì)凈化站處理，原則上污水在調(diào)蓄池內(nèi)貯存時(shí)間不超過(guò)3 天。調(diào)蓄池排空以后，通過(guò)設(shè)置在調(diào)蓄池內(nèi)的智能清洗器將調(diào)蓄池沖洗干凈，待下次使用。

（2）采用重力自流進(jìn)水方式的調(diào)蓄池。沿岸截污系統(tǒng)的污水在調(diào)蓄池進(jìn)水井處匯合，流經(jīng)格柵后經(jīng)沉砂池沉砂，再自流進(jìn)入調(diào)蓄池。待調(diào)蓄池內(nèi)蓄水水位達(dá)到設(shè)計(jì)水位之后關(guān)閉進(jìn)水閘門(mén)。對(duì)于錦龍、墩子河調(diào)蓄池，降雨過(guò)后，當(dāng)下游截污總管及污水處理廠負(fù)荷降低，有足夠容量處理調(diào)蓄池內(nèi)污水時(shí)，由調(diào)蓄池內(nèi)的潛污泵將調(diào)蓄池內(nèi)污水抽排至沿河截污系統(tǒng)，進(jìn)入下游污水廠處理。原則上污水在調(diào)蓄池內(nèi)貯存時(shí)間不超過(guò)2 天。調(diào)蓄池排空以后，通過(guò)設(shè)置在調(diào)蓄池內(nèi)的智能清洗器將調(diào)蓄池沖洗干凈，待下次使用。

3 初期雨水收集率及污染物削減分析

截至完稿，坪山河干流沿線已建成總?cè)莘e22 萬(wàn)m3的分散式調(diào)蓄池，用于收集降雨初期污染的雨水徑流。收集的混流污水進(jìn)入水質(zhì)凈化站、人工濕地及污水處理廠處理后，對(duì)坪山河雨季水質(zhì)的影響明顯降低。

3.1 初期雨水收集率及達(dá)標(biāo)率分析

根據(jù)深圳市三洲田雨量站典型年1979 年的降雨資料，在不同重現(xiàn)期暴雨強(qiáng)度公式下，按照收集坪山區(qū)建成區(qū)前30 分鐘初期雨水的方案，分析建成區(qū)初期雨水的收集率和達(dá)標(biāo)率。

典型年1979 年中，降雨天數(shù)為102 天，形成洪水徑流的場(chǎng)次為44 場(chǎng)，各場(chǎng)次前30min 的初期雨水均可得到截流，初期雨水收集率為100%。按雨季天數(shù)（102天）計(jì)算，初期雨水完全收集場(chǎng)次44 次，雨季水質(zhì)達(dá)標(biāo)保證率為56.9%；按全年天數(shù)（365 天）計(jì)算，初期雨水完全收集場(chǎng)次44 次，全年水質(zhì)達(dá)標(biāo)保證率為87.9%。

3.2 雨季入河污染物削減率分析

按照收集建成區(qū)前30min 初期雨水的方案，通過(guò)對(duì)調(diào)蓄工程理論計(jì)算分析得到雨季入河污染物的理論削減率。通過(guò)工程建設(shè)，雨季COD 理論削減率為77.1%，氨氮削減率為74.1%，總磷削減率為67.3%，雨季入河污染物濃度大幅降低。

結(jié)語(yǔ)

調(diào)蓄池是收集和處理污染的初期雨水的重要有效措施。在坪山河沿河新建7 座分散式調(diào)蓄池收集前30min 的初期雨水，有效收集初期雨水，減少初期雨水溢流對(duì)河道的污染，入河污染物濃度顯著降低，實(shí)現(xiàn)了雨季坪山河入河污染物的有效削減，證明了分散式調(diào)蓄池在提升流域水體水質(zhì)方面的重要性。

自包括新建7 座分散式調(diào)蓄池在內(nèi)的坪山河干流綜合整治及水質(zhì)提升工程投入使用以來(lái)，各系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)良好，工程產(chǎn)能達(dá)到建設(shè)預(yù)期。2018 年12 月，上洋交接斷面氨氮指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅲ類(lèi)，總磷指標(biāo)優(yōu)于Ⅳ類(lèi)；2021 年7 月，坪山河干流水質(zhì)氨氮、總磷指標(biāo)優(yōu)于地表水III 類(lèi)。2019 年5 月至2022 年2 月，坪山河上洋交接斷面水質(zhì)連續(xù)34 個(gè)月穩(wěn)定優(yōu)于地表水IV 類(lèi)，全年平均水質(zhì)達(dá)到地表水III 類(lèi)，考核斷面水質(zhì)持續(xù)優(yōu)于合同目標(biāo)，坪山河流域水環(huán)境得到了顯著改善。