合流制排水系統管網改造探討

陳重遠

［上海機場(集團)有限公司虹橋國際機場公司，上海 200335］

1 項目背景

研究分析的某一合流制排水系統位于上海市普陀區，緊鄰蘇州河，服務范圍為208 hm2。該排水系統始建于20世紀60年代，上世紀70～80年代進行改造和擴建，排水體制為合流制，由于由多個較小的排水系統組合而成，標準各不相同。有的排水標準為暴雨重現期P=0.5 a，徑流系數Ψ=0.5；有的排水標準為暴雨重現期P=0.5 a，徑流系數Ψ=0.4。服務范圍內的旱流污水和截流倍數確定的截留初期雨水分別截流至合流污水總管，輸送至污水處理廠處理，已敷設DN300～DN2400排水管道約5.8 km，建有污水截流泵站2座，雨水泵站3座，泵站總裝機容量619 kW，污水截流量為2.91 m3/s，雨水排放量僅為2.84 m3/s，遠沒有達到規劃目標。

該排水系統所轄區域的合流制系統采用水泵截流的方式截流旱季污水和初期雨水，但已建成的截流設施不完善，截流方式不合理，截流量難以控制，大量污水和初期雨水仍然溢流至蘇州河。尤其是某些地區，排水系統內無任何截流設施，大量污水和初期雨水直接排入蘇州河，嚴重影響了蘇州河的水環境質量，限制了蘇州河環境治理項目工程效益的發揮。

為適應上海國民經濟和城市建設飛速發展的新形勢，實現城市的可持續發展，全面提升城市水環境質量，阻斷危害蘇州河水質的污染源，加快低標排水系統改造工程的實施，是十分必要和迫切的。

2 項目特點和應對措施

2.1 污水量的預測

該排水系統大部分為建成區，區內占絕大多數的污水量應為現狀污水量，其余部分為舊區改造產生的新增污水量，由此得出污水量有以下5部分組成：

（1）納入該排水系統通過區內已建泵站排放的污水量；

（2）納入周邊鄰近地區排水系統的污水量；（3）地區改造新增的污水量；

（4）工業區改造新增的污水量；（5）在建住宅小區新增的污水量。

據此計算地區平均旱流污水量為2.37萬m3/d，設計污水總量為2.6萬m3/d，地下水滲入量按旱流污水量的10%計。

該地區屬于蘇州河支流污水截流工程研究范圍，支流截污工程中對該地區的旱季污水總量預測為5.44萬m3/d。

根據《上海市中心城分區規劃說明-普陀》，該排水系統的規劃污水量為1.55萬m3/d。采用規劃方法計算出的污水量小于目前納入排水系統的泵站排放量。原因分析后認為，該地區屬合流污水治理一期工程、六支流工程的研究范圍。在規劃設計階段，該區域屬于工業區，污水產生量較大，隨著區域定位和規劃調整，大部分區域由工業用地轉變為居住用地，污水量相應變化，而采用規劃方法計算出的污水量并不能完全反映該地區的實際污水排放量，而采用分析研究現狀排水量的方法計算出的污水量應更為準確可靠，更能反映當前和未來該地區污水量變化的趨勢。因此，該工程的設計污水量確定為2.6萬m3/d。

2.2 減少初期雨水對河道的污染

2.2.1 初期雨水的特征

初期雨水由于挾帶了大量地面路面污染物，其水質往往較差，加之雨水進入管道后，會使管道內的沉泥翻動，使進入泵站的初期雨水水質會和污水的濃度相差不多，特別是合流制排水區域，雨天時合流污水的BOD5濃度與晴天時污水BOD5濃度非常接近，甚至發現在發生溢流初期，溢流水質較晴天污水水質更差的情況，經對上海合流制泵站雨天水質的數據進行監測，也得到了類似的結果。

2.2.2 控制初期雨水污染物的重要手段

雨水調蓄是調節高峰流量，控制分流制和合流制排水系統初期雨水污染物的重要手段。近年來該課題的探討已經成為國內排水工程界研究的熱點之一。在這一領域，國外發達國家有許多先進成熟的經驗可以借鑒。目前，發達國家的雨水排水管理正逐步擺脫過去傳統的孤立考慮水患控制的思路，從僅關注管道末端快速排除雨水，轉向將城市生態、環境保護、與水資源利用統籌考慮的綜合管理理念，國外城市雨水綜合管理的主要內容包括：

（1）從單純重視工程技術措施轉向工程措施和法律法規管理、養護并重；

（2）從偏重大型處理設施轉向同時注重中小型就近收集、處理設施；

（3）用源頭控制代替管道末端集中處理，降低雨水徑流量和合流制管道的溢流；

（4）關注就地處理、雨水蓄滲回用利用；

（5）盡可能采用接近自然生態的雨水排水系統，保護生態、促進良性循環。

2.2.3 雨水調蓄的工程目標

雨水調蓄就是這些全新的思路和理念在工程措施上的具體體現，采用雨水調蓄主要可以達到兩方面的工程目標。

2.2.3.1 形式多樣的調蓄措施為提高城市抗洪防汛標準創造了條件

發達國家一方面在防汛設施上有較大投入，建立比較完善的防汛安全體系，另一方面，建設形式多樣的調蓄措施，為防汛安全提供了輔助作用。由于雨水設施使用頻率不高，如果無限制提高標準，使設施的利用率降低，經濟上也不盡合理。從技術、經濟的角度進行綜合分析考慮，通過設置調蓄池將降雨過程中超出設計標準的雨量暫時儲存起來，待雨停或排水系統設施空余時，再輸送排放，這種方法較好地解決了投資和規模的矛盾，尤其適應于系統建成后需再提高標準的地區。另外，國外還有一種較為通常方法是將一些室外停車場、公共綠地、娛樂設施、健身場地等作為調蓄用途，將其地面標高比一般的地坪低，一旦降雨量超過管道允許的承受量時，就利用這些場所做臨時的調蓄，這實際上是另一種十分經濟且行之有效的辦法，中國2010年上海世博會城市最佳實踐區內的荷蘭鹿特丹案例館，就是一個水廣場，值得人們認真思考。

2.2.3.2 減少雨水排放對水環境質量產生的影響

發達國家對初期雨水的處理十分重視，德國將超過合流管道和泵站截流能力的污水和初期雨水暫時儲存在調蓄池內，待管道有空余能力時再輸送至污水處理廠處理后排放。有些國家則利用調蓄池作為預沉池，將較大的顆粒預沉后排放。使用雨水調蓄的方法，實際上達到了提高截流倍數，減少合流污水排放量的目的。

本文研究的排水系統是已建截流式合流制排水系統，系統內的旱季污水和初期雨水通過截流泵站截流，過量雨水通過雨水泵站溢流至蘇州河。現場實測數據表明，雖經截流，溢流的合流污水中仍含有大量的污染物，雨季時仍對蘇州河水質造成相當程度的污染。為削減雨季時沿岸泵站對蘇州河大量排放的污染物，在無法提高截流總管和輸送泵站輸送能力的前提下，建設雨水調蓄池是控制泵站排江量的有效手段。

該系統經低標改造后仍維持合流制排水系統，并通過水泵截流的方式截流旱流污水和初期雨水，截流倍數n0=3，旱季污水和初期雨水的出路為合流污水輸送總管，并通過泵站提升后送往城市污水處理廠處理后達標排放。在不可能增加合流輸送總管和泵站輸送能力的前提下，建設調蓄設施是大幅度減少地區雨水溢流量，提高系統截流倍數的有效方法。

2.3 地下調蓄池的設置規模和工程效益分析

2.3.1 調蓄池設置規模

參考德國廢水協會“ATVArbeitsblattA1281992”標準，調蓄池容積按下式計算：

式中：V——調蓄池容積，m3；

VSR——每公頃面積需調蓄雨水量，m3/hm2；12≤VSR≤40，一般可取 20；

AU——非滲透面積；AU=系統面積×徑流系數。

該排水系統面積為208 hm2，綜合徑流系數Ψ=0.52，代入上式計算調蓄池容積，V=1.5×20×208×0.49=3 057.6（m3），設計調蓄池體積 V 取3 500m3。

上海暴雨重現期P=1a時的降雨量為35.5mm/h，因此調蓄池相當于截取1 a降雨頻率5.75 min的降雨量。

2.3.2 工程效益分析

雨水調蓄池采用和污水截流雨水泵房合建的形式。晴天時，污水截流泵房輸送旱季污水量。雨季時，降雨量未超過截流倍數，由污水截流泵輸送旱流污水和初期雨水；降雨量超過截流倍數，合流污水溢流入調蓄池儲存，同時污水截流泵仍繼續輸送旱流污水和初期雨水。調蓄池蓄滿后，污水截流泵仍繼續輸送旱流污水和初期雨水，過量雨水則由雨水泵提升后排入蘇州河，待合流污水輸送總管有空余能力時，調蓄池通過污水截流泵及時排空，并沖洗清理干凈，以備下次使用。

合建式泵站如圖1所示。

為計算調蓄池工程效益，需要引入污水量當量降雨強度的概念，該地區旱流污水量的當量降雨強度為：

截流倍數為3，則截流初期雨水降雨強度為3.0 mm/h。

為定量分析降雨、調蓄和溢流的關系，根據上海市中心氣象臺提供的小時降雨統計資料，將這些數據進行分類整理如表1所列。

3 a平均降雨量為1 414.3 mm。

建設截流設施后，初期雨水被截流，過量雨水則溢流至蘇州河，增加截流設施后溢流量如表2所列。

建設截流設施后，每年平均溢流量467.0 mm，溢流率為33.0%，可見建設截流設施后，大部分的初期雨水被截流，雨季時溢流入蘇州河的雨水量明顯減少。

在建設截流設施的基礎上，再輔助雨水調蓄設施，將進一步減少雨季溢流雨水量，增加雨水調蓄池后溢流量如表3所列。

增加雨水調蓄設施后，每年平均溢流量減少至337.1 mm，溢流率降低為23.8%，溢流量減少了129.9 mm，溢流率減少了9.2%。假設初期雨水CODcr平均濃度為300 mg/L，則增設雨水調蓄池后，每年可減少CODcr排江量39 776 kg。

由此可見，新師大排水系統建設雨水調蓄池3 500 m3后，可在截取3倍初期雨水的基礎上，進一步減少雨季時的溢流次數和溢流量，達到大幅削減排入蘇州河污染物總量的工程目標。

表1 近年降雨量統計表（單位：mm）

表2 建設截流設施后溢流雨水量統計表（單位：mm）

表3 建設雨水調蓄設施后溢流雨水量統計表（單位：mm）

2.4 調蓄池沖洗方式選擇和優化

初雨徑流中夾帶大量地面和管道沉積污物雜質，初雨調蓄池在使用后底部不可避免滯留沉積雜物，初期雨水儲存在池內數小時，水中污物物會沉淀，如果不及時清理會造成污染物變質，產生異味。因此在設計初期雨水調蓄池時必須考慮對底部沉積物的有效沖洗和清除。

調蓄池的沖洗有多種方法，各有利弊。隨著節能減排政策的要求，產生了越來越多的環保節能型的沖洗設施和方法。調蓄池通常采用的沖洗措施有人工清洗、水射器沖洗、水力翻斗沖洗、連續溝槽自清沖洗和門式自沖洗等。

經過研究和比較，確定在水力翻斗沖洗和門式自沖洗系統中選定該工程的最終沖洗方式。

2.4.1 水力翻斗沖洗

水力翻斗沖洗是一種節能型沖洗方式，由斷面為圓形和30°儲水三角水槽組成，翻斗安裝于調蓄池寬度方向池壁的上沿口，工作待命狀態翻斗口朝上。當需清洗調蓄池時，利用翻斗上方的進水管道向翻斗內充水。當翻斗內滿水后，由于翻斗的偏心設計，斗體在偏心力矩作用下失穩，水斗自動翻轉，斗內儲水瞬間從斗口倒出，對池底進行沖洗，待水倒空后，翻斗自動回復原位。該方法的優點是無需電力或機械驅動，控制簡單；缺點是必須提供外部水源給翻斗進行沖洗，運行費用較高。水力翻斗沖洗效果如圖2所示。

2.4.2 門式自沖洗

調蓄池進水先進入儲水池，并逐檔進入各廊道的儲水池，待儲水池蓄滿水后，水再從儲水池上部溢出進入調蓄池廊道。無論何種進水流量，進水總是先充滿儲水池，儲存一定的沖洗水量。調蓄池排空時，控制浮筒隨水位降低至設置標高，由控制系統觸發，沖洗門瞬間將儲水釋放，水從門底部快速流出，形成強力的席卷式的射流，射流形成的波浪將池底的沉積物卷起，沖到調蓄池末端的收集渠，通過泵排出。門式自沖洗系統適用于方形、矩形和異形調蓄池，也可設置在管網中。門式自沖洗效果如圖3所示。

該方式的優點是無需電力或機械驅動，無需外部供水，控制系統簡單，單個沖洗波的沖洗距離長；缺點是目前使用進口設備，初期建設投資較高。

該工程為合流制排水區域，晴天管道內為污水且初期雨水水質較差，如采用門式自沖洗系統易造成二次沉積，除污效果不佳，為此該工程采用水力翻斗沖洗方式。

為解決水力沖洗翻斗用水量較大而造成運行成本較高的問題，泵站設置沖洗水管引入蘇州河河水作為沖洗水源，并設置格柵阻擋河水中粗大的雜物，降低運行費用，同時設置市政給水作為水源的備用沖洗系統，確保沖洗效果。

3 結語

隨著城市的快速發展和市民生活水準提高，對城市舊城區改造的要求也日益迫切，初期雨水對河道的面源污染是繼污水處理后水污染治理方面的重要課題之一。

雨水調蓄池兼具提高城市防洪排澇標準和初期雨水污染控制功能，可減小初期雨水對河道的污染。對于整個排水系統的改造具有投資相對較低、工程涉及范圍相對較小的優勢。對于已建排水系統，特別是合流制排水系統的達標改造有著較大的借鑒意義。