分流制排水系統(tǒng)中初雨調(diào)蓄池的方案研究

邱 超

（上海城投水務(wù)工程項目管理有限公司，上海市 201103）

0 引言

隨著老城區(qū)合流制系統(tǒng)改造和新城區(qū)分流制系統(tǒng)推行工作的開展，傳統(tǒng)污水排入河道導(dǎo)致的水體污染得到有效的控制，城市水環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善。初期雨水污染負荷較高，夾雜著地面的殘留污染物和管道內(nèi)的存積黑泥，其污染物指標遠高于典型城市生活污水的濃度值，已成為城市河道的主要污染源。雖然城市排水泵站具有截污功能，能夠通過提高截流倍數(shù)截流部分初期雨水，但由于初期雨水歷時短、瞬時流量大，旱流污水截流設(shè)施的能力難以實現(xiàn)初期雨水的完全截留[1]。因此，如何有效解決初期雨水的污染問題成為控制城市面源污染的重點。

雨水調(diào)蓄池是一種收集存蓄洪峰流量，在峰值過后將儲存的雨水放出的一種雨水調(diào)節(jié)設(shè)施。在城市排水系統(tǒng)中合理設(shè)置雨水調(diào)蓄池收集并暫存攜帶大量污染物質(zhì)的初期雨水，可減輕下游排水管網(wǎng)的輸送壓力，同時達到對初期雨水污染的控制。此外，雨水調(diào)蓄池具有一定的水質(zhì)凈化作用，可通過沉淀方式有效去除初期雨水的污染物質(zhì)，實現(xiàn)污水處理廠污染負荷的初期削減，具有顯著的經(jīng)濟效益和實用價值。實踐表明，雨水調(diào)蓄池是當前解決初期雨水污染的最有效手段之一，推廣應(yīng)用意義大。

本文結(jié)合天山污水處理廠初雨調(diào)蓄池的設(shè)計案例，闡述城市排水系統(tǒng)末端設(shè)置初雨調(diào)蓄池的設(shè)計思路，明確設(shè)計要點，旨在為今后初雨調(diào)蓄池的優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 工程概況

天山污水處理廠初雨調(diào)蓄工程以盡快改善新涇港水環(huán)境質(zhì)量為總目標，利用既有污水廠用地建設(shè)調(diào)蓄設(shè)施調(diào)蓄初期雨水，將調(diào)蓄后的初期雨水輸送至虹橋污水處理廠處理；遠期增設(shè)提標支管，并在廠內(nèi)新建一座提標雨水泵站，使虹延、花園廣場、北新涇南和北虹南四個分流制雨水排水系統(tǒng)防汛能力滿足5 a一遇的設(shè)計標準。

工程服務(wù)范圍為虹延、花園廣場、北新涇南和北虹南四個排水系統(tǒng)，總服務(wù)面積約4.49 km2，見圖1。工程內(nèi)容包括廠外初雨截流管道和廠內(nèi)初雨調(diào)蓄設(shè)施兩部分。

圖1 工程服務(wù)范圍圖

2 雨水調(diào)蓄池

2.1 概述

在城市排水系統(tǒng)中，雨水調(diào)蓄池在水量和水質(zhì)兩方面發(fā)揮功能：（1）水量方面，雨水調(diào)蓄池可調(diào)蓄洪峰流量，縮小下游排水管網(wǎng)的管徑；（2）水質(zhì)方面，雨水調(diào)蓄池通過沉淀作用去除初雨中的污染物質(zhì)，達到對初雨污染的控制和緩解。按其作用功能分類，雨水調(diào)蓄池分為調(diào)節(jié)洪峰流量調(diào)蓄池、控制面源污染調(diào)蓄池和雨水利用調(diào)蓄池三類[2]。

2.2 調(diào)蓄容積計算方法

調(diào)蓄容積的合理確定對于雨水調(diào)蓄池正常發(fā)揮其功能是至關(guān)重要的。雨水調(diào)蓄池雖然在城市排水系統(tǒng)的應(yīng)用案例很多，但是如何確定調(diào)蓄容積缺乏統(tǒng)一的可操作性的標準規(guī)范。設(shè)計時大都是參考以往工程經(jīng)驗，投入運行后部分雨水調(diào)蓄池暴露出一些問題，難以充分發(fā)揮調(diào)蓄功能。結(jié)合當前研究成果，雨水調(diào)蓄池的調(diào)蓄容積計算方法主要有以下三種。

（1）德國調(diào)蓄池計算方法

根據(jù)德國廢水協(xié)會的AVT 128標準，調(diào)蓄池容積按式（1）計算[3]：

式中：V為調(diào)蓄池容積，m3；Vs為每公頃匯水區(qū)需調(diào)蓄雨水量，m3/hm2，12≤Vs≤40，一般取15～20；Ai為匯水區(qū)不滲透性面積，hm2，Ai=匯水區(qū)面積（hm2）×徑流系數(shù)。

Vs是這種方法的一個重要參數(shù)，其取值影響到結(jié)果的準確度。不同的匯水區(qū)不滲透性面積對應(yīng)不同的Vs值，需結(jié)合實際情況進行調(diào)整優(yōu)化。

（2）瑞士調(diào)蓄池計算方法

該方法通過計算出單位匯水區(qū)域所需的調(diào)蓄容積，然后乘以整個匯水面積，得出調(diào)蓄池的容積，計算公式為：

式中：u為溢流受納水體的承載能力；m為截流倍數(shù)。u和m的取值需結(jié)合實際情況和參考類似案例經(jīng)驗。

（3）規(guī)范推薦計算方法

《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51174—2017）提出利用調(diào)蓄量參數(shù)并考慮一定安全容積來計算調(diào)蓄容積，見式（3）[4]。

式中：V為調(diào)蓄池有效容積，m3；D為調(diào)蓄量，mm；F為 匯 水 面 積，hm2；Ψ為 徑 流 系 數(shù)；β為 安 全 系 數(shù)（1.1～1.5）。

這種計算方法簡單實用，廣泛應(yīng)用于實際工程中。但是該方法的缺陷在于調(diào)蓄量參數(shù)的取值。調(diào)蓄量參數(shù)的取值存在很大的主觀性，往往依賴于經(jīng)驗。

2.3 放空方式

在調(diào)蓄池的運行過程中，放空是關(guān)系到調(diào)蓄池恢復(fù)調(diào)蓄功能的重要環(huán)節(jié)。放空方式的選擇和放空時間的確定不僅受初雨量的影響，還受下游管網(wǎng)輸水能力和末端處理設(shè)施的接納能力的影響。調(diào)蓄池可以采用重力自排放空、水泵強排放空或者兩者相結(jié)合的方式。不同放空方式的計算如下。

重力自排放空的調(diào)蓄池，出口流量計算公式：

式中:Q1為調(diào)蓄池出口流量，m3/s；Cd為出口管道流量系數(shù)，取0.62；A為調(diào)蓄池出口截面積，m2；g為重力加速度，m2/s；ΔH為調(diào)蓄池上下游的水力高差，m。

放空時間計算公式：

式中:t0為放空時間，h；h1為放空前調(diào)蓄池水深，m；h2為放空后調(diào)蓄池水深，m；At為t時刻調(diào)蓄池表面積，m2；h為調(diào)蓄池水深，m。

水泵強排放空的調(diào)蓄池，放空時間計算公式：

式中：Q’為下游排水管渠或設(shè)施的受納能力，m3/s；η為排放效率，一般取0.3～0.9。

3 工程案例

本文將結(jié)合天山污水處理廠初雨調(diào)蓄池的實際工程案例，對分流制系統(tǒng)下初雨調(diào)蓄池的設(shè)計思路和設(shè)計方法進行詳細地闡述，旨在為后續(xù)初雨調(diào)蓄池的新建設(shè)計提供技術(shù)參考。

3.1 總體設(shè)計

該新建初雨調(diào)蓄池服務(wù)于虹延、花園廣場、北新涇南和北虹南四個分流制排水系統(tǒng)，總服務(wù)面積為4.49 km2。四個分流制排水系統(tǒng)現(xiàn)狀暴雨重現(xiàn)期P=1 a，具體參數(shù)見表2。初雨截流方式采用系統(tǒng)末端和泵站前截流。截流的初雨經(jīng)截流管網(wǎng)輸送至新建初雨調(diào)蓄池，直至末端污水處理廠。建成后，四個分流制排水系統(tǒng)的初雨得到妥善處理，同時其防汛能力實現(xiàn)5 a一遇的設(shè)計標準。圖2為分流制排水系統(tǒng)初雨調(diào)蓄截流流程圖。

圖2 分流制排水系統(tǒng)初雨調(diào)蓄截流流程圖

表2 四個排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀情況

根據(jù)項目特點和規(guī)劃需求，為節(jié)約地上土地利用、充分發(fā)揮地下空間優(yōu)勢，新建初雨調(diào)蓄池采用地下結(jié)構(gòu)形式，池頂覆土厚度保證地上空間滿足公園綠地的開發(fā)需求。

3.2 工藝設(shè)計

3.2.1 調(diào)蓄池有效容積計算

該新建初雨調(diào)蓄池的有效容積計算采用式（3）。相關(guān)參數(shù)確定如下：（1）根據(jù)當?shù)叵嚓P(guān)規(guī)劃及初雨污染治理要求，初雨截流標準為合流制11 mm、分流制5 mm，本工程項目排水系統(tǒng)均為分流制，故式（3）中的調(diào)蓄量D=5 mm；（2）匯水面積為總服務(wù)面積，即F=4.49 km2；（3）根據(jù)四個排水系統(tǒng)用地性質(zhì)測算出，整個服務(wù)范圍內(nèi)用地綜合徑流系數(shù)Ψ為0.69；（4）安全系數(shù)β=1.5。計算結(jié)果如下：

V=10DFΨ β=10×5×4.49×100×0.69×1.5=23 235.75 m3，取調(diào)蓄池有效容積為23 000 m3。

新建初雨調(diào)蓄池平面尺寸為長約66.7 m，寬為83.6 m，有效水深為4.2 m。

3.2.2 放空計算

考慮到保障下游管網(wǎng)排水安全及調(diào)蓄池調(diào)蓄功能的正常發(fā)揮，本工程的新建初雨調(diào)蓄池采用重力自排放空和水泵強排放空相結(jié)合的模式。受下游排水管網(wǎng)標高的限制，重力自排放空的有效水深取為1.33 m，相應(yīng)的放空體積為7 415 m3，放空時間為8 h。水泵強排放空體積為15 585 m3，設(shè)置三臺潛水離心泵（兩用一備），每臺水泵的參數(shù)為Q=480 m3/h，H=4.2 m。經(jīng)計算，水泵強排放空時間為16 h，總放空時間為24 h。

3.3 運行模式

初雨調(diào)蓄池的正常運行主要包括正常進水、放空、沖洗等幾個階段。這幾個階段依次循環(huán)進行，實現(xiàn)初雨調(diào)蓄池調(diào)蓄功能的高效發(fā)揮，見圖3。

圖3 初雨調(diào)蓄截流運行模式示意圖

正常進水階段：當泵站雨量計檢測到降雨時，立即通過控制系統(tǒng)開啟安裝在泵站末端的新建截流井內(nèi)的閘門，初雨通過截流管道進入到初雨調(diào)蓄池內(nèi)。初雨先充滿初雨調(diào)蓄池內(nèi)的沖洗水儲水區(qū)域，再溢流進入到池主體空間，直至達到池內(nèi)正常設(shè)計水位。當池內(nèi)水位達到正常設(shè)計水位時，4個排水系統(tǒng)的初雨截流量也相應(yīng)達到5 mm，通過反饋系統(tǒng)關(guān)閉截流井內(nèi)的閘門，停止雨水進入初雨調(diào)蓄池。

放空階段：降雨結(jié)束后，初雨調(diào)蓄池進入放空階段。放空前，管理中心應(yīng)先確認好末端污水處理廠對初雨的接納能力。得到確認后，先開啟初雨調(diào)蓄池放空井內(nèi)的電動閘門，進行重力自排放空，待水位降到一定，關(guān)閉閘閥，啟動放空泵，進行水泵強排放空，直至初雨調(diào)蓄池整體排空，歷時24 h。放空后，初雨調(diào)蓄池內(nèi)仍保留一定的沖洗水出水量。

沖洗階段：放空后，初雨調(diào)蓄池進行分段沖洗階段。首先依次開啟①處16套門式自沖洗設(shè)備，對16條廊道底部的沉積物進行沖洗；沖洗水進入②處的收集廊道，再開啟②處的門式自沖洗設(shè)備，對收集廊道進行沖洗；沖洗水進入到③處的收集廊道，然后開啟③處的門式自沖洗設(shè)備，對收集廊道進行沖洗；最終沖洗水由放空泵進行強排放空,。

4 結(jié)語

作為面源污染的主要來源，初雨的治理越來越得到廣泛關(guān)注。初雨調(diào)蓄池的設(shè)置通過調(diào)蓄和沉淀作用可實現(xiàn)初雨污染的有效控制。但是，初雨調(diào)蓄池的設(shè)計缺乏統(tǒng)一的理論和規(guī)范支撐，大多基于以往工程案例經(jīng)驗。為了更好地發(fā)揮初雨調(diào)蓄池的功能，需根據(jù)當?shù)亟涤晏攸c、城市衛(wèi)生條件，合理確定調(diào)蓄容積，優(yōu)化設(shè)計池型，實現(xiàn)更大的工程價值和經(jīng)濟效益。