智能分流井在流域治理中的設計應用及思考

王紹貴，周 蓉

（廣東省冶金建筑設計研究院有限公司 廣州 510080）

0 引言

近年來，生活污水收集處理設施建設不斷提速，尤其是“十三五”階段補齊城鎮(zhèn)生活污水收集管網(wǎng)的短板，地級及以上城市水體環(huán)境質量明顯得以改善。然而，除國內一線城市推行了源頭立管及排水單元雨污分流改造等措施外，大部分城鎮(zhèn)仍以截流式合流制收集生活污水。部分區(qū)域即使已完成雨污分流改造，初期雨水對城市水環(huán)境的污染仍占有很重要的地位［1-2］。

在城鎮(zhèn)流域治理時，對沿河排污口進行控源截污，可有效遏制水體進一步黑臭，而要實現(xiàn)水質提升、長制久清的治理目標，存在一定難度。往往運維管理中稍有疏忽，晴天污水跑冒滴漏、雨天污水溢流導致的返黑返臭現(xiàn)象就將出現(xiàn)。因此，為解決雨水管（渠）混接污水及初雨污染的問題，除了對其進行清污分流改造及精細化運維管理等措施外，在排污口截污整治時截流井的選擇也至關重要。

1 截流井型式

1.1 常規(guī)截流井

在截流式合流制排水系統(tǒng)中，截流井是核心附屬構筑物，常規(guī)的截流井有槽式、堰式及槽堰結合式3種型式。晴天時，合流污水通過截流井輸送至污水廠處理，雨天時，截流倍數(shù)范圍的合流污水及部分初期雨水被截留進污水收集系統(tǒng)，超量的合流污水則進入初雨調蓄設施、溢流控制處理設施或直接排入水體［3-4］。

常規(guī)截流井應用場景廣，建造成本低，構造簡單，但存在以下缺點：①截污管容易淤堵；②合流污水直接溢流至自然水體，造成溢流污染；③存在河水倒灌進污水管的風險；④堰式截流影響行洪排澇，易導致內澇；⑤截流管流量不易控制，無法實現(xiàn)精細化控制和管理，在運行效果和數(shù)字化管控方面存在明顯不足［5］。

1.2 智能分流井

根據(jù)《多功能清污分流井技術規(guī)程：T/CECS 1135—2022》，智能分流井主要有下開式堰門分流井、柔性閥分流井和一體化分流井（或液動限流閥分流井、自動浮控閥分流井）等［5-6］。其限流裝置主要由液動限流閥（或柔性閥）、流量計、超聲波液位計、自控系統(tǒng)等組成，運行方式為基于測量的流量、液位及設定的限制流量和液位［6］，通過自動調節(jié)限流裝置，精準控制截流管的過流量，確保不超過水位閾值。智能分流井的選型可根據(jù)現(xiàn)狀排水管管徑進行確定，當排水管管徑DN≤800 時，可選擇一體化分流井；當排水管管徑1 000≤DN≤1 500時，可選擇下開式堰門分流井或柔性閥分流井；當排水管管徑DN＞1 500 時，可選擇下開式堰門分流井。

與傳統(tǒng)截流井相比較，智能分流井建造成本相對較高，但智能化程度高，能夠通過傳感器、監(jiān)控探頭等設備實時監(jiān)測水流狀態(tài)，并根據(jù)實際情況智能調控分流井閥門，實現(xiàn)精準的水流控制，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面：①截流管前裝有限流裝置，能夠控制截流量；②堰板高度可以根據(jù)需求進行設定，防止河涌水倒灌進污水管；③可根據(jù)實際應用場景，采用液位法、水質法、流量法、時間法和雨量法等綜合考慮進行調控閥門啟閉；④可根據(jù)晴天、雨天、潮汐影響等不同工況進行智能控制［7-8］。

2 工程案例

2.1 項目概況

本項目建設地點位于湛江市綠塘河下游段，起點為人民大道，終點為排海口，河段全長2.2 km，河道平均水力坡降為i=0.33%，平均河寬4.0～9.2 m。下游段有2 處暗渠匯入及10 處沿河排污口，其分布位置如圖1所示，沿線排污口具體參數(shù)如表1所示。

表1 綠塘河調查排污口情況一覽Tab.1 List of Survey Discharge Outlets in Lvtang River

圖1 綠塘河下游段排污口分布示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Sewage Outlet Distribution in the Lower Reaches of Lvtang River （mm）

綠塘河下游段南側已建污水主管，上游接駁人民大道污水主管，沿綠塘河南側敷設，污水管管徑為φ1 000～φ1 200，管道長約3.5 km，下游接駁海景路污水主干管，綠塘河南側沿線污水排口均已進行截流改造，未出現(xiàn)晴天污水溢流的現(xiàn)象。北側沿綠華路已建成污水支管，起點為樂怡路，沿線接駁樂金路、明理路、明哲路等污水支管，終點于海濱大道處接入南側污水主管。因北側已建污水管網(wǎng)存在大量錯、混、漏接，導致現(xiàn)狀雨水管（渠）均變成合流管（渠），即使在晴天，仍有大量合流污水溢流至綠塘河，導致水體黑臭。

通過分析周邊排水管網(wǎng)資料及現(xiàn)場調查可知，除LT9 為污水直排口外，其余排污口均為合流排口。如LT7、LT8 等建設時為雨水箱涵，因上游存在錯、混接現(xiàn)象，導致晴天出現(xiàn)污水直排。

據(jù)潮汐數(shù)據(jù)，湛江港潮汐為不規(guī)則半日潮，每天有兩次高潮和兩次低潮，潮差為1～2 m，平均高潮位為3.51 m（國家85高程系，下同），歷年最高潮位為8.0 m。由于綠塘河終點與海灣直接連通，且排?？谖丛O置防倒灌閘門及排澇設施，綠塘河的水位受潮汐影響較大，尤其是LT6～LT10 排污口，幾乎每天在高潮位時存在河水倒灌的情況。

2.2 設計內容

本項目治理目標為工程實施后實現(xiàn)晴天污水不入河，雨天污水少溢流，基本消除水體黑臭的考核要求。結合項目考核目標，以問題和目標為導向，通過梳理綠塘河主要污染來源，分析黑臭水體的成因，從流域綜合治理視角出發(fā)，遵循“源、廠、網(wǎng)、河”系統(tǒng)性思維，提出控源截污、暗渠清污分流［9］、河道清淤、活水保質、生態(tài)修復等綜合治理措施。綜合考慮現(xiàn)狀污水收集設施、項目投資、工程可實施性等因素，在控源截污措施方面設計擬沿綠塘河北側新建污水主管，分別接入海濱大道、海景路污水主干管，沿線污水直排口接駁進污水主管，合流排污口通過設置截流井的方式收集合流污水及初期雨水，如圖2所示。

圖2 綠塘河下游段污水收集管網(wǎng)設計示意圖Fig.2 Design Sketch of Sewage Collection Pipe Network in the Lower Reaches of Lvtang River

2.3 排污口截流形式設計分析

沿河排污口截流井的選擇是控源截污重要措施之一，對流域治理效果的影響至關重要。根據(jù)綠塘河下游段排污口的服務范圍、斷面尺寸、管（渠）內底標高、河涌水位、潮位影響等因素，設計截流井選擇需綜合考慮多項因素，選取合理可行的截流井形式。LT1～LT3排污口，內底標高均在歷年高潮位8.0 m以上，即使在降雨且受潮位頂托時，河水倒灌的幾率極低，可選擇槽式截流井。LT4～LT5 排污口，內底標高在平均高潮位3.51 m之上，在歷年高潮位8.0 m以下，日常受潮位影響較小，但在降雨且受潮位頂托或天文大潮時，存在河水倒灌風險，可選擇帶拍門的槽式截流井或智能分流井。LT6～LT8 排污口，內底標高在平均高潮位3.51 m之下，選擇槽式截流井時河水倒灌的幾率極高，尤其是LT7、LT8 排污口斷面尺寸較大，河水倒灌時，對污水主管水質水量的影響較大，容易導致上下游污水主管冒溢的現(xiàn)象，可選擇智能分流井或堰式截流井，但是選擇堰式截流井在雨天時易導致上游內澇。LT9 為污水直排口，應予以封堵，將污水就近接入市政污水管網(wǎng)。LT10內底標高在平均高潮位3.51 m 之下，應選擇智能分流井或堰式截流井，然而受周邊建設用地限制，只能選擇堰式截流的方式將污水收集至污水管網(wǎng)。因此，各排污口的截流井設計選型如表2所示。

表2 綠塘河排污口整治情況一覽Tab.2 List of the Treatment of Sewage Outfall of Lvtang River

現(xiàn)以排污口LT8 截流改造為例，說明智能分流井在排口改造中的應用。如圖3、圖4 所示，現(xiàn)狀排水口尺寸為B×H=4 500 mm×2 500 mm，原建設為雨水箱涵，然而現(xiàn)狀卻是晴天仍可見污水排出。通過地下管線探測及排水溯源摸查，發(fā)現(xiàn)上游存在多處錯、混接的情況。受項目建設范圍、內容、資金及工期等綜合因素的限制，方案論證時建議近期完成排污口的合流制截流式改造，遠期逐步完善雨污分流改造。排污口改造措施為箱涵末端處設置下開式堰門的智能分流井JWA8，近期將箱渠內的污水截流至污水主管，待遠期完成上游雨污水錯混接改造，并結合綠塘河綜合治理措施實施后，實現(xiàn)雨天時將初期雨水截流至污水主管。

圖3 智能分流井JWA8的平面示意圖Fig.3 Plan Diagram of Intelligent Intercepting Well JWA8

圖4 智能分流井JWA8的剖面示意圖Fig.4 Profile Diagram of JWA8 Intelligent Diverter Well （mm）

JWA8下開式堰門分流井進出水管渠尺寸為4500mm×2 500 mm，井底標高維持原標高1.83 m。根據(jù)其匯水面積范圍預測的污水量及截流倍數(shù)計算確定截流管管徑，管徑不宜取值過大，避免截流量遠超設計值，影響污水主管上下游污水收集，計算復核設計截流管管徑為DN600。下開式堰門的頂部標高（4.53 m）應大于河道的防洪標準的高水位標高（3.69 m），減少極端天氣導致的河水倒灌現(xiàn)象。

下開式堰門智能分流井在實際運行管理時，需根據(jù)設計參數(shù)進行運行調試，即：通過下開式堰門前后的液位、下游污水井的液位、進水水質濃度、雨天溢流量及濃度等數(shù)據(jù)，調整下開式堰門及電動限流閥的啟閉，初雨時減少對水體的溢流污染，雨中可降低匯水范圍內水浸的風險，雨后防止水體倒灌進污水管的沖擊，同時通過數(shù)據(jù)動態(tài)采集、遠程操控及在線視頻監(jiān)控，提高運維管理水平，實現(xiàn)數(shù)字化管控，從而精準控制截流量及減少污水溢流量，實現(xiàn)流域水環(huán)境持續(xù)改善的治理效果。

2.4 實施效果

工程實施后，綠塘河下游段沿河的污水直排口實現(xiàn)晴天污水不入河，雨天污水少溢流，水體黑臭現(xiàn)象基本消除的治理目標，順利通過廣東省及生態(tài)環(huán)境部的考核評估。通過表3項目實施前后的監(jiān)測數(shù)可知，水質得到極大的改善，由重度黑臭提升至V類水標準。

表3 綠塘河治理前后主要污染物檢測結果分析Tab.3 Analysis of Detection Results of Main Pollutants before and after Treatment of Lvtang River

3 反思

綠塘河綜合治理于2020年5 月開始設計、施工建設，2021 年初主要建設內容完成，進入試運行階段。在工程完成的近兩年內，綠塘河水質明顯改善。然而從2022 年底開始，通過環(huán)保部門對綠塘河水質定期監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，部分河段出現(xiàn)返黑返臭現(xiàn)象。結合智能分流井在流域水環(huán)境治理中的應用，從項目設計角度分析，筆者認為可從以下幾點進行反思：

⑴流域水環(huán)境治理是個綜合性、系統(tǒng)系的工程，要徹底改善河涌水質，必須從控源截污、內源治理、活水保質、生態(tài)修復等多方面綜合施策。從控源截污角度，應盡量消除排入河涌的污水，就排污口截流改造而言，仍需在以下幾方面的進一步完善：①項目建設范圍僅對河道排污口進行沿河截流改造，仍需對上游市政道路的雨污水管道的錯、混、漏接及社區(qū)、城中村等排水單元雨污分流進行改造；②未對下游污水主干管進行檢測分析，評估其污水輸送能力及缺陷；③綠塘河排?？谖丛O置排澇閘門及泵站，河水受潮汐影響較大，導致雨天溢流進河道的污水、污泥難以轉移輸出，沉積于河底導致黑臭。

⑵在流域治理中，對上游尚未完成雨污分流改造的大型排污口設置截流井改造時，應考慮同步實施合流制溢流（CSOs）污染控制措施，如設置溢流調蓄池、以過濾技術為主的CSOs處理裝置或初雨處理設施等，減少CSOs 污染負荷對河道水質的影響。如2022 年7 月某場雨導致溢流污染，雨后河道內滯留大量黑泥，如黑芝麻糊狀，導致河涌水質近一個月都處于劣V類標準。

⑶對沿河的排污口進行截流改造僅能實現(xiàn)階段性目標，為實現(xiàn)流域治理長制久清，應根據(jù)城市總規(guī)、排水專規(guī)等要求，結合城市發(fā)展實施系統(tǒng)性污水管網(wǎng)完善工程：①要完善市政雨污水管網(wǎng)的錯、混、漏接的改造；②要開展流域范圍內排水單元（社區(qū)、城中村、企事業(yè)單位等）的源頭精準截污，有條件時實施完全雨污分流改造；③要治理流域范圍的面源污染，如城市“小散亂”污水排入雨水系統(tǒng)、初雨污染、城市垃圾等。

4 結語

相較于常規(guī)截流井，智能分流井具有智能化程度高，可隨運行工況進行靈活切換不同模式，遠程操控及數(shù)字化運維的優(yōu)勢，且可與其他治理設施實現(xiàn)聯(lián)動，保障設備的穩(wěn)定性和可靠性，減少維護和故障，在流域水環(huán)境治理中對主要排污點源及初雨面源的污染控制可發(fā)揮重大作用［10］。本文通過介紹下開式堰門截流井在沿河主要排污口中的應用，證實智能分流井在防止河水倒灌及溢流污染控制方面的巨大優(yōu)勢，能夠有效減少河水倒灌和溢流污染，改善水質，提高水環(huán)境的治理效果，為其他水環(huán)境治理項目提供借鑒。同時，提出沿河排污口截流改造僅是水環(huán)境治理的措施之一，從控源截污角度出發(fā)，要實現(xiàn)水環(huán)境的長制久清，應考慮同步實施合流制溢流CSOs 控制措施，完善市政道路下的雨污分流錯混漏接改造、排水單元的源頭精準截污或雨污分流改造等。