合流制截排調(diào)蓄設(shè)施功能分類與容積計(jì)算理論研究進(jìn)展*

張 衛(wèi) 盧興超 尹文超 董紫君 趙樹(shù)旗 劉永旺 姜春成

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑與工程學(xué)院，北京 100124；2.中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司綠色設(shè)計(jì)研究中心，北京 100044；3.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市水良性循環(huán)工程研發(fā)中心，廣東 深圳 518055)

隨著全國(guó)黑臭水體治理工作的推進(jìn)，在2020年底前，基本實(shí)現(xiàn)了地級(jí)以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi)的目標(biāo)。然而調(diào)研發(fā)現(xiàn)，治理后的水體在雨后仍出現(xiàn)反彈問(wèn)題，可歸因于城市合流制排水系統(tǒng)截污不徹底、不精準(zhǔn)。合流制溢流(CSO)污染是僅次于城市點(diǎn)源污染的污染源[1]，全國(guó)城市仍有合流制管道1.09×105km，占城市排水管道總長(zhǎng)度的18.8%[2]。按照《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》要求，2030年全國(guó)城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除，在合改分困難重重的老城區(qū)，研究精準(zhǔn)化調(diào)蓄截污技術(shù)對(duì)降低CSO頻次、削減污染物排放、改善水體環(huán)境具有重要意義。

在合流制系統(tǒng)調(diào)蓄設(shè)施功效研究方面，程江等[3]對(duì)污染減排效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，羅婷等[4]對(duì)初期雨水調(diào)蓄池排空時(shí)間進(jìn)行了探討，聶鳳等[5]對(duì)調(diào)蓄池在合流制系統(tǒng)中的污染物去除效果進(jìn)行了梳理。在調(diào)蓄設(shè)施計(jì)算與分類研究方面，德國(guó)和日本的系統(tǒng)性分類與容積計(jì)算理論[6]可供我國(guó)參考。國(guó)內(nèi)已根據(jù)溢流位置進(jìn)行調(diào)蓄設(shè)施分類，但對(duì)于功能分類與容積計(jì)算方法的研究比較匱乏。本研究結(jié)合多種合流制截排調(diào)蓄系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)調(diào)蓄設(shè)施按照功能分類，并研究不同功能調(diào)蓄設(shè)施的容積計(jì)算方法理論。

1 設(shè)施分類與介紹

1.1 按設(shè)施類型劃分

合流制排水系統(tǒng)將城市生活污水、工業(yè)廢水和雨水匯集在一個(gè)管渠內(nèi)輸送、處理和排放。合流制截排調(diào)蓄系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上，修建調(diào)蓄池等多種截排截污設(shè)施，以降低排入水體中的污染負(fù)荷量。其中調(diào)蓄池根據(jù)溢流條件不同，可劃分為截流型調(diào)蓄池、穿流型調(diào)蓄池和混合型調(diào)蓄池3種類型[7]。

截流型調(diào)蓄池只設(shè)置進(jìn)、出水口，調(diào)蓄池內(nèi)設(shè)截流裝置，無(wú)溢流裝置(溢流裝置設(shè)置在池前)。初期雨水經(jīng)過(guò)調(diào)蓄池送入污水處理廠，后期污染濃度較低的混合污水經(jīng)緩流調(diào)節(jié)以恒定流形式送入污水處理廠，多余的混合污水通過(guò)前置設(shè)施溢流排入城市水體。

穿流型調(diào)蓄池同時(shí)在前置池、調(diào)蓄池內(nèi)設(shè)置溢流口，有利于中后期低污染物濃度混合污水排放，但同樣條件下截留倍數(shù)低于截流型調(diào)蓄池，適合溢流時(shí)間長(zhǎng)、污染峰值小的地區(qū)。

聯(lián)合型調(diào)蓄池聯(lián)合布置以上兩種調(diào)蓄池，既能對(duì)初期雨水良好控制，又適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間溢流情況，適合地下空間充裕、對(duì)雨水處理要求較高的地區(qū)。

3類調(diào)蓄池特點(diǎn)比較見(jiàn)表1。

表1 3類調(diào)蓄池比較Table 1 Comparison of three types of storage tanks

1.2 按功能目標(biāo)劃分

國(guó)內(nèi)各城市已經(jīng)安裝了不同功能的截排調(diào)蓄設(shè)施。然而大部分截排調(diào)蓄設(shè)施仍然被稱為“調(diào)蓄池(detention)”或“蓄水池(retention)”[8]。僅考慮溢流裝置的分類既無(wú)法體現(xiàn)功能性，也不能匹配對(duì)應(yīng)的容積計(jì)算理論，應(yīng)根據(jù)截排調(diào)蓄設(shè)施在合流制系統(tǒng)中的功能作用進(jìn)行分類。對(duì)各雨水系統(tǒng)中不同功能定位的合流制截排調(diào)蓄設(shè)施的分類思路見(jiàn)表2。

表2 截排調(diào)蓄設(shè)施功能分類思路Table 2 Functional classification of intercepting-storage facilities

1.2.1 截流—調(diào)節(jié)系統(tǒng)

截流—調(diào)節(jié)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)是一種存儲(chǔ)混合污水的常見(jiàn)雨水系統(tǒng)，核心為雨水滯留池。初期雨水通過(guò)雨水井流入前置溢流池，再進(jìn)入雨水滯留池持留。當(dāng)降雨量逐漸增大，前置溢流池內(nèi)雨水高度超過(guò)分水堰最大高度產(chǎn)生溢流，溢流的中后期混合污水污染物濃度較低，一部分繼續(xù)滯留儲(chǔ)存，另一部分排入自然水體。天氣轉(zhuǎn)晴之后開(kāi)啟閘門，滯留混合水經(jīng)過(guò)節(jié)流池控制流速平穩(wěn)后送入污水處理廠處理。

圖1 截流—調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of closure-adjustment system

雨水滯留池在截流—調(diào)節(jié)系統(tǒng)中發(fā)揮核心作用，是典型的截流類封閉式調(diào)蓄池。設(shè)施將混合水持留、儲(chǔ)存，晴天時(shí)開(kāi)啟閘門將混合水送入污水處理廠，能大幅減輕污水處理廠雨天時(shí)處理負(fù)擔(dān)，同時(shí)減少雨水污染物對(duì)城市水環(huán)境的污染。由于一般僅具備雨水儲(chǔ)存功能，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、布置廣泛。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括池容積、閘門、出水流量。

若地處小型匯水區(qū)并能預(yù)測(cè)降雨徑流沖刷高峰，同時(shí)污水處理廠規(guī)模較小，則適合采用雨水滯留池。雨水滯留池特別適用于徑流在下水道管網(wǎng)中到達(dá)雨水池的時(shí)間小于20 min的情況。

1.2.2 凈化—調(diào)蓄系統(tǒng)

(1)過(guò)濾—沉淀復(fù)合設(shè)施

該復(fù)合設(shè)施(見(jiàn)圖2)將混合污水預(yù)處理和一級(jí)處理與儲(chǔ)存結(jié)合，格柵過(guò)濾池中的過(guò)濾格柵攔截大塊固體垃圾，初期雨水則流入污水處理廠。當(dāng)雨水徑流增加，格柵過(guò)濾池內(nèi)雨水溢流進(jìn)入雨水沉淀池內(nèi)沉砂，澄清出水則經(jīng)過(guò)溢流槽和減流渠排入自然水體。

圖2 過(guò)濾—沉淀復(fù)合系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of filtration-sedimentation composite system

格柵過(guò)濾池能夠處理大塊固體垃圾和大顆粒懸浮物，池內(nèi)入流口下方格柵可以攔截固體垃圾，防止后續(xù)設(shè)備堵塞。參考德國(guó)廢水協(xié)會(huì)的一系列標(biāo)準(zhǔn)，要保證通過(guò)過(guò)濾池下級(jí)設(shè)備的混合水中不再夾雜大塊固體垃圾和大顆粒懸浮物，格柵一般選取柵距為4 mm的柵條網(wǎng)或者孔徑為6 mm的圓形孔篩網(wǎng)。為保證格柵盡可能保持最大過(guò)流狀態(tài)，需要人工定期清理。

格柵過(guò)濾池適用于周邊衛(wèi)生情況不佳、地表垃圾較為集中的區(qū)域，一般與雨水沉淀池聯(lián)合布置。

雨水沉淀池原理上與污水處理廠中的沉砂池相似。從格柵過(guò)濾池流入配水槽中的混合污水均勻流經(jīng)雨水沉淀池，雨水沉淀池充滿之前起存儲(chǔ)作用，充滿開(kāi)始溢流后起沉砂作用。在上升流速0.1～0.2 m/s、停留時(shí)間60 s和矩形水池長(zhǎng)寬比超過(guò)4∶1的條件下可獲得最佳沉淀效果，可以有效去除混合污水中粒徑大于0.2 mm、密度大于2.65 t/m3的無(wú)機(jī)顆粒[9]。澄清出水經(jīng)溢流槽和減流渠排入受納水體。

雨水沉淀池一般與格柵過(guò)濾池結(jié)合布置，此時(shí)雨水沉淀池溢流槽前可以不設(shè)單獨(dú)的擋板和其他浮渣收集裝置。雨水沉淀池適用于降雨徑流在管網(wǎng)到達(dá)雨水池的時(shí)間長(zhǎng)于20 min的大型匯水區(qū)和長(zhǎng)徑流歷時(shí)情況。

(2)管道增容—調(diào)蓄設(shè)施

管道增容—調(diào)蓄設(shè)施利用地下管道中冗余空間進(jìn)行調(diào)蓄，靠近污水處理廠的地下管道有時(shí)會(huì)擴(kuò)大管道直徑，增加的容積形成一種特殊的調(diào)蓄設(shè)施，其功能根據(jù)溢流構(gòu)筑物位置進(jìn)行變化。這種調(diào)蓄方式除了下水道本身以外無(wú)附加構(gòu)筑物。根據(jù)溢流情況，分為頂端溢流增容管道和底部溢流增容管道兩種類型。

頂端溢流增容管道帶有存儲(chǔ)容積和頂端溢流設(shè)施，一定程度起到了雨水滯留池的作用，管道容積起到調(diào)蓄儲(chǔ)存作用，上部設(shè)置的溢流口相當(dāng)于雨污滯水調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的前置溢流池，因此本質(zhì)上頂端溢流增容管道屬于溢流類調(diào)蓄設(shè)施。

頂端溢流增容管道可作為替代雨水滯留池的設(shè)施，具有低成本、改造簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，適合短徑流歷時(shí)地區(qū)和上部溢流條件較好的情況。

底部溢流增容管道帶有存儲(chǔ)容積和底部溢流設(shè)施，一定程度起到了雨水沉淀池的作用。溢流口設(shè)置格柵攔截固體垃圾后，管道本質(zhì)上類似格柵過(guò)濾池與雨水沉淀池聯(lián)合布置。而管道內(nèi)容易堆積沉積物，應(yīng)在管內(nèi)合適位置安裝如水力翻斗的清洗裝置，避免管道堵塞和沉積物溢流。

底部溢流增容管道能夠作為雨水沉淀池的替代設(shè)施，適合長(zhǎng)徑流歷時(shí)地區(qū)和下部溢流條件較好的情況。

2 不同功能合流制截排調(diào)蓄設(shè)施容積計(jì)算方法

2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算類型

合流制截排調(diào)蓄設(shè)施容積計(jì)算，需要結(jié)合地區(qū)雨型、頻率、降雨徑流歷時(shí)、管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等因素考慮[10]。從截排調(diào)蓄設(shè)施功能出發(fā)，結(jié)合溢流構(gòu)筑物位置與降雨歷時(shí)、匯水區(qū)面積等因素，選取適合各調(diào)蓄設(shè)施的容積計(jì)算方法，匯總于表3。

表3 合流制截排調(diào)蓄設(shè)施容積計(jì)算思路Table 3 Volume calculation of intercepting-storage facilities

2.2 截流—調(diào)節(jié)系統(tǒng)容積計(jì)算方法

該計(jì)算方法屬于考慮截流倍數(shù)的調(diào)蓄時(shí)間法，根據(jù)調(diào)蓄時(shí)間與系統(tǒng)建成前后的截流倍數(shù)確定截排調(diào)蓄容積，同時(shí)考慮到污染負(fù)荷削減因素與調(diào)蓄池進(jìn)水時(shí)間。由于截流型調(diào)蓄池適合短徑流歷時(shí)調(diào)蓄作用，同時(shí)計(jì)算方法適用于短徑流歷時(shí)降雨特征，因此適合初步計(jì)算雨水滯留池的有效容積。其中進(jìn)水時(shí)間適合選取0.5～1.0 h，應(yīng)根據(jù)雨污混合水水質(zhì)的初期效應(yīng)影響程度進(jìn)行上下限率定。運(yùn)行后截留倍數(shù)由要求的污染負(fù)荷目標(biāo)削減率、當(dāng)?shù)亟亓鞅稊?shù)和截流量占降雨量比例之間的關(guān)系求得。

若某地區(qū)長(zhǎng)序列降雨資料充分，則可以通過(guò)確定降雨歷時(shí)下的入、出流過(guò)程線進(jìn)行容積計(jì)算。圖3中陰影部分面積即為雨水滯留池截排調(diào)蓄容積，可以通過(guò)有限差分等方法進(jìn)行推算，也可以將入、出流過(guò)程線簡(jiǎn)化為三角形過(guò)程線進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算[11-12]。

圖3 流量控制過(guò)程曲線Fig.3 Curve of inflow and outflow process

2.3 凈化—調(diào)蓄系統(tǒng)容積計(jì)算方法

凈化—調(diào)蓄系統(tǒng)的目的是盡可能對(duì)規(guī)劃面積內(nèi)雨水徑流調(diào)蓄凈化，因此格柵過(guò)濾池截排調(diào)蓄容積受匯水區(qū)服務(wù)面積權(quán)重影響較大，截排調(diào)蓄容積計(jì)算適合采用面積負(fù)荷法，這種方法同時(shí)考慮降雨歷時(shí)與匯水面積，適合受匯水區(qū)面積影響較大的截排調(diào)蓄設(shè)施采用。

雨水沉淀池的功能與污水處理廠的沉砂池作用類似，因此截排調(diào)蓄容積計(jì)算可以參照平流式沉砂池計(jì)算方法。

頂端溢流增容管道的功能類型和作用與雨水滯留池類似，容積計(jì)算可參照雨水滯留池計(jì)算方法。由于管道的改建要求一般較為精確，最好在數(shù)據(jù)充足的條件下選擇入、出流過(guò)程線法計(jì)算，初步估算有效容積后通過(guò)管徑計(jì)算公式計(jì)算出需要擴(kuò)充的管道直徑長(zhǎng)度。

底部溢流增容管道由于有沉積物溢流排入水體的風(fēng)險(xiǎn)，因此一般存儲(chǔ)容積大于頂端溢流增容管道。由于其沉淀效果欠佳，在計(jì)算有效容積時(shí)附加一個(gè)補(bǔ)充參數(shù)，比存儲(chǔ)容積的計(jì)算可參照功能類似的雨水沉淀池、沉砂室的容積計(jì)算方法。

3 基于水力模型的合流制截排調(diào)蓄容積校核方法

傳統(tǒng)截排調(diào)蓄設(shè)施容積計(jì)算以經(jīng)驗(yàn)公式為基準(zhǔn)，以池容當(dāng)量降雨量為根據(jù)，雖能夠反映截排調(diào)蓄設(shè)施功能并且操作簡(jiǎn)便，但同時(shí)也有缺陷，例如有些經(jīng)驗(yàn)公式法未考慮匯水面積、下墊面條件或者截污干管的截流倍數(shù)等參數(shù)的影響，而實(shí)際情況下忽略的參數(shù)可能會(huì)對(duì)容積計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生巨大影響。基于上述原因，近年來(lái)國(guó)內(nèi)開(kāi)始研究基于水力模型的容積計(jì)算方法，作為經(jīng)驗(yàn)公式法的校核方法。

3.1 目標(biāo)溢流體積與頻次控制模型

通過(guò)溢流控制標(biāo)準(zhǔn)來(lái)校核截排調(diào)蓄設(shè)施容積，標(biāo)準(zhǔn)通常為溢流頻次與體積，模型校核思路見(jiàn)圖4。根據(jù)程小文等[13]的研究結(jié)果，利用城市排水管網(wǎng)-河道一維水力模型模擬管網(wǎng)合流水量與總溢流體積，從而確定工程中截排調(diào)蓄容積，相比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式法能夠更好反映截排調(diào)蓄設(shè)施在晴天、雨天下的運(yùn)行狀況，量化溢流頻次與溢流體積，更真實(shí)反映截排調(diào)蓄設(shè)施控制效果。

圖4 目標(biāo)溢流體積與頻次控制模型校核步驟Fig.4 Verification steps of target overflow volume and frequency control model

3.2 目標(biāo)徑流污染水質(zhì)控制模型

以某一水質(zhì)指標(biāo)結(jié)果作為徑流污染標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用暴雨洪水管理模型等模擬校核在控制目標(biāo)下的截排調(diào)蓄設(shè)施容積，模型校核思路見(jiàn)圖5。李連文等[14]對(duì)工程中初期雨水調(diào)蓄設(shè)施建模分析，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)作為控制目標(biāo)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式法初步估算容積范圍，并與模型校核調(diào)整，最終得出滿足水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)下的截留徑流深度與截排調(diào)蓄容積。

圖5 目標(biāo)徑流污染水質(zhì)控制模型校核步驟Fig.5 Verification steps of target runoff pollution and water quality control model

4 結(jié) 語(yǔ)

以不同功能目標(biāo)需求為導(dǎo)向，將城市合流制截排調(diào)蓄系統(tǒng)劃分為截流—調(diào)節(jié)系統(tǒng)和凈化—調(diào)蓄系統(tǒng)，根據(jù)截流—調(diào)節(jié)與凈化—調(diào)蓄兩種不同功能需求將現(xiàn)有合流制截排調(diào)蓄設(shè)施在功能上進(jìn)行分類。通過(guò)對(duì)每種功能截排調(diào)蓄設(shè)施分析討論，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式法完成對(duì)截排調(diào)蓄設(shè)施容積計(jì)算方法的合理選擇，然后提供了基于水力模型的設(shè)施容積計(jì)算校核方法與流程，提高了設(shè)計(jì)參數(shù)的科學(xué)性并形成了完整的計(jì)算體系，對(duì)正確選擇、合理設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)計(jì)量合流制截排調(diào)蓄設(shè)施具有重要作用。更加詳細(xì)的設(shè)施功能分類與計(jì)算理論體系對(duì)提升城市合流制截排系統(tǒng)的精準(zhǔn)截污效率，改善城市水體環(huán)境，控制黑臭水體反彈均具有重要意義。