合流制排水系統(tǒng)管網(wǎng)改造探討

陳重遠(yuǎn)

［上海機(jī)場(chǎng)(集團(tuán))有限公司虹橋國(guó)際機(jī)場(chǎng)公司，上海 200335］

1 項(xiàng)目背景

研究分析的某一合流制排水系統(tǒng)位于上海市普陀區(qū)，緊鄰蘇州河，服務(wù)范圍為208 hm2。該排水系統(tǒng)始建于20世紀(jì)60年代，上世紀(jì)70～80年代進(jìn)行改造和擴(kuò)建，排水體制為合流制，由于由多個(gè)較小的排水系統(tǒng)組合而成，標(biāo)準(zhǔn)各不相同。有的排水標(biāo)準(zhǔn)為暴雨重現(xiàn)期P=0.5 a，徑流系數(shù)Ψ=0.5；有的排水標(biāo)準(zhǔn)為暴雨重現(xiàn)期P=0.5 a，徑流系數(shù)Ψ=0.4。服務(wù)范圍內(nèi)的旱流污水和截流倍數(shù)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(shè)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(jī)容量619 kW，污水截流量為2.91 m3/s，雨水排放量?jī)H為2.84 m3/s，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到規(guī)劃目標(biāo)。

該排水系統(tǒng)所轄區(qū)域的合流制系統(tǒng)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(shè)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(qū)，排水系統(tǒng)內(nèi)無(wú)任何截流設(shè)施，大量污水和初期雨水直接排入蘇州河，嚴(yán)重影響了蘇州河的水環(huán)境質(zhì)量，限制了蘇州河環(huán)境治理項(xiàng)目工程效益的發(fā)揮。

為適應(yīng)上海國(guó)民經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)飛速發(fā)展的新形勢(shì)，實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展，全面提升城市水環(huán)境質(zhì)量，阻斷危害蘇州河水質(zhì)的污染源，加快低標(biāo)排水系統(tǒng)改造工程的實(shí)施，是十分必要和迫切的。

2 項(xiàng)目特點(diǎn)和應(yīng)對(duì)措施

2.1 污水量的預(yù)測(cè)

該排水系統(tǒng)大部分為建成區(qū)，區(qū)內(nèi)占絕大多數(shù)的污水量應(yīng)為現(xiàn)狀污水量，其余部分為舊區(qū)改造產(chǎn)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(tǒng)通過(guò)區(qū)內(nèi)已建泵站排放的污水量；

（2）納入周邊鄰近地區(qū)排水系統(tǒng)的污水量；（3）地區(qū)改造新增的污水量；

（4）工業(yè)區(qū)改造新增的污水量；（5）在建住宅小區(qū)新增的污水量。

據(jù)此計(jì)算地區(qū)平均旱流污水量為2.37萬(wàn)m3/d，設(shè)計(jì)污水總量為2.6萬(wàn)m3/d，地下水滲入量按旱流污水量的10%計(jì)。

該地區(qū)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(duì)該地區(qū)的旱季污水總量預(yù)測(cè)為5.44萬(wàn)m3/d。

根據(jù)《上海市中心城分區(qū)規(guī)劃說(shuō)明-普陀》，該排水系統(tǒng)的規(guī)劃污水量為1.55萬(wàn)m3/d。采用規(guī)劃方法計(jì)算出的污水量小于目前納入排水系統(tǒng)的泵站排放量。原因分析后認(rèn)為，該地區(qū)屬合流污水治理一期工程、六支流工程的研究范圍。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，該區(qū)域?qū)儆诠I(yè)區(qū)，污水產(chǎn)生量較大，隨著區(qū)域定位和規(guī)劃調(diào)整，大部分區(qū)域由工業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榫幼∮玫兀鬯肯鄳?yīng)變化，而采用規(guī)劃方法計(jì)算出的污水量并不能完全反映該地區(qū)的實(shí)際污水排放量，而采用分析研究現(xiàn)狀排水量的方法計(jì)算出的污水量應(yīng)更為準(zhǔn)確可靠，更能反映當(dāng)前和未來(lái)該地區(qū)污水量變化的趨勢(shì)。因此，該工程的設(shè)計(jì)污水量確定為2.6萬(wàn)m3/d。

2.2 減少初期雨水對(duì)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(zhì)往往較差，加之雨水進(jìn)入管道后，會(huì)使管道內(nèi)的沉泥翻動(dòng)，使進(jìn)入泵站的初期雨水水質(zhì)會(huì)和污水的濃度相差不多，特別是合流制排水區(qū)域，雨天時(shí)合流污水的BOD5濃度與晴天時(shí)污水BOD5濃度非常接近，甚至發(fā)現(xiàn)在發(fā)生溢流初期，溢流水質(zhì)較晴天污水水質(zhì)更差的情況，經(jīng)對(duì)上海合流制泵站雨天水質(zhì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也得到了類(lèi)似的結(jié)果。

2.2.2 控制初期雨水污染物的重要手段

雨水調(diào)蓄是調(diào)節(jié)高峰流量，控制分流制和合流制排水系統(tǒng)初期雨水污染物的重要手段。近年來(lái)該課題的探討已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)排水工程界研究的熱點(diǎn)之一。在這一領(lǐng)域，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家有許多先進(jìn)成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家的雨水排水管理正逐步擺脫過(guò)去傳統(tǒng)的孤立考慮水患控制的思路，從僅關(guān)注管道末端快速排除雨水，轉(zhuǎn)向?qū)⒊鞘猩鷳B(tài)、環(huán)境保護(hù)、與水資源利用統(tǒng)籌考慮的綜合管理理念，國(guó)外城市雨水綜合管理的主要內(nèi)容包括：

（1）從單純重視工程技術(shù)措施轉(zhuǎn)向工程措施和法律法規(guī)管理、養(yǎng)護(hù)并重；

（2）從偏重大型處理設(shè)施轉(zhuǎn)向同時(shí)注重中小型就近收集、處理設(shè)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(guān)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(tài)的雨水排水系統(tǒng)，保護(hù)生態(tài)、促進(jìn)良性循環(huán)。

2.2.3 雨水調(diào)蓄的工程目標(biāo)

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

2.2.3.1 形式多樣的調(diào)蓄措施為提高城市抗洪防汛標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)造了條件

發(fā)達(dá)國(guó)家一方面在防汛設(shè)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(shè)形式多樣的調(diào)蓄措施，為防汛安全提供了輔助作用。由于雨水設(shè)施使用頻率不高，如果無(wú)限制提高標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)施的利用率降低，經(jīng)濟(jì)上也不盡合理。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的角度進(jìn)行綜合分析考慮，通過(guò)設(shè)置調(diào)蓄池將降雨過(guò)程中超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的雨量暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)，待雨停或排水系統(tǒng)設(shè)施空余時(shí)，再輸送排放，這種方法較好地解決了投資和規(guī)模的矛盾，尤其適應(yīng)于系統(tǒng)建成后需再提高標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)。另外，國(guó)外還有一種較為通常方法是將一些室外停車(chē)場(chǎng)、公共綠地、娛樂(lè)設(shè)施、健身場(chǎng)地等作為調(diào)蓄用途，將其地面標(biāo)高比一般的地坪低，一旦降雨量超過(guò)管道允許的承受量時(shí)，就利用這些場(chǎng)所做臨時(shí)的調(diào)蓄，這實(shí)際上是另一種十分經(jīng)濟(jì)且行之有效的辦法，中國(guó)2010年上海世博會(huì)城市最佳實(shí)踐區(qū)內(nèi)的荷蘭鹿特丹案例館，就是一個(gè)水廣場(chǎng)，值得人們認(rèn)真思考。

2.2.3.2 減少雨水排放對(duì)水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生的影響

發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)初期雨水的處理十分重視，德國(guó)將超過(guò)合流管道和泵站截流能力的污水和初期雨水暫時(shí)儲(chǔ)存在調(diào)蓄池內(nèi)，待管道有空余能力時(shí)再輸送至污水處理廠處理后排放。有些國(guó)家則利用調(diào)蓄池作為預(yù)沉池，將較大的顆粒預(yù)沉后排放。使用雨水調(diào)蓄的方法，實(shí)際上達(dá)到了提高截流倍數(shù)，減少合流污水排放量的目的。

本文研究的排水系統(tǒng)是已建截流式合流制排水系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的旱季污水和初期雨水通過(guò)截流泵站截流，過(guò)量雨水通過(guò)雨水泵站溢流至蘇州河。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，雖經(jīng)截流，溢流的合流污水中仍含有大量的污染物，雨季時(shí)仍對(duì)蘇州河水質(zhì)造成相當(dāng)程度的污染。為削減雨季時(shí)沿岸泵站對(duì)蘇州河大量排放的污染物，在無(wú)法提高截流總管和輸送泵站輸送能力的前提下，建設(shè)雨水調(diào)蓄池是控制泵站排江量的有效手段。

該系統(tǒng)經(jīng)低標(biāo)改造后仍維持合流制排水系統(tǒng)，并通過(guò)水泵截流的方式截流旱流污水和初期雨水，截流倍數(shù)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(guò)泵站提升后送往城市污水處理廠處理后達(dá)標(biāo)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(shè)調(diào)蓄設(shè)施是大幅度減少地區(qū)雨水溢流量，提高系統(tǒng)截流倍數(shù)的有效方法。

2.3 地下調(diào)蓄池的設(shè)置規(guī)模和工程效益分析

2.3.1 調(diào)蓄池設(shè)置規(guī)模

參考德國(guó)廢水協(xié)會(huì)“ATVArbeitsblattA1281992”標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)蓄池容積按下式計(jì)算：

式中：V——調(diào)蓄池容積，m3；

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

AU——非滲透面積；AU=系統(tǒng)面積×徑流系數(shù)。

該排水系統(tǒng)面積為208 hm2，綜合徑流系數(shù)Ψ=0.52，代入上式計(jì)算調(diào)蓄池容積，V=1.5×20×208×0.49=3 057.6（m3），設(shè)計(jì)調(diào)蓄池體積 V 取3 500m3。

上海暴雨重現(xiàn)期P=1a時(shí)的降雨量為35.5mm/h，因此調(diào)蓄池相當(dāng)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(diào)蓄池采用和污水截流雨水泵房合建的形式。晴天時(shí)，污水截流泵房輸送旱季污水量。雨季時(shí)，降雨量未超過(guò)截流倍數(shù)，由污水截流泵輸送旱流污水和初期雨水；降雨量超過(guò)截流倍數(shù)，合流污水溢流入調(diào)蓄池儲(chǔ)存，同時(shí)污水截流泵仍繼續(xù)輸送旱流污水和初期雨水。調(diào)蓄池蓄滿(mǎn)后，污水截流泵仍繼續(xù)輸送旱流污水和初期雨水，過(guò)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(shí)，調(diào)蓄池通過(guò)污水截流泵及時(shí)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(jì)算調(diào)蓄池工程效益，需要引入污水量當(dāng)量降雨強(qiáng)度的概念，該地區(qū)旱流污水量的當(dāng)量降雨強(qiáng)度為：

截流倍數(shù)為3，則截流初期雨水降雨強(qiáng)度為3.0 mm/h。

為定量分析降雨、調(diào)蓄和溢流的關(guān)系，根據(jù)上海市中心氣象臺(tái)提供的小時(shí)降雨統(tǒng)計(jì)資料，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)整理如表1所列。

3 a平均降雨量為1 414.3 mm。

建設(shè)截流設(shè)施后，初期雨水被截流，過(guò)量雨水則溢流至蘇州河，增加截流設(shè)施后溢流量如表2所列。

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

在建設(shè)截流設(shè)施的基礎(chǔ)上，再輔助雨水調(diào)蓄設(shè)施，將進(jìn)一步減少雨季溢流雨水量，增加雨水調(diào)蓄池后溢流量如表3所列。

增加雨水調(diào)蓄設(shè)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(shè)初期雨水CODcr平均濃度為300 mg/L，則增設(shè)雨水調(diào)蓄池后，每年可減少CODcr排江量39 776 kg。

由此可見(jiàn)，新師大排水系統(tǒng)建設(shè)雨水調(diào)蓄池3 500 m3后，可在截取3倍初期雨水的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減少雨季時(shí)的溢流次數(shù)和溢流量，達(dá)到大幅削減排入蘇州河污染物總量的工程目標(biāo)。

表1 近年降雨量統(tǒng)計(jì)表（單位：mm）

表2 建設(shè)截流設(shè)施后溢流雨水量統(tǒng)計(jì)表（單位：mm）

表3 建設(shè)雨水調(diào)蓄設(shè)施后溢流雨水量統(tǒng)計(jì)表（單位：mm）

2.4 調(diào)蓄池沖洗方式選擇和優(yōu)化

初雨徑流中夾帶大量地面和管道沉積污物雜質(zhì)，初雨調(diào)蓄池在使用后底部不可避免滯留沉積雜物，初期雨水儲(chǔ)存在池內(nèi)數(shù)小時(shí)，水中污物物會(huì)沉淀，如果不及時(shí)清理會(huì)造成污染物變質(zhì)，產(chǎn)生異味。因此在設(shè)計(jì)初期雨水調(diào)蓄池時(shí)必須考慮對(duì)底部沉積物的有效沖洗和清除。

調(diào)蓄池的沖洗有多種方法，各有利弊。隨著節(jié)能減排政策的要求，產(chǎn)生了越來(lái)越多的環(huán)保節(jié)能型的沖洗設(shè)施和方法。調(diào)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(xù)溝槽自清沖洗和門(mén)式自沖洗等。

經(jīng)過(guò)研究和比較，確定在水力翻斗沖洗和門(mén)式自沖洗系統(tǒng)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(jié)能型沖洗方式，由斷面為圓形和30°儲(chǔ)水三角水槽組成，翻斗安裝于調(diào)蓄池寬度方向池壁的上沿口，工作待命狀態(tài)翻斗口朝上。當(dāng)需清洗調(diào)蓄池時(shí)，利用翻斗上方的進(jìn)水管道向翻斗內(nèi)充水。當(dāng)翻斗內(nèi)滿(mǎn)水后，由于翻斗的偏心設(shè)計(jì)，斗體在偏心力矩作用下失穩(wěn)，水斗自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，斗內(nèi)儲(chǔ)水瞬間從斗口倒出，對(duì)池底進(jìn)行沖洗，待水倒空后，翻斗自動(dòng)回復(fù)原位。該方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需電力或機(jī)械驅(qū)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是必須提供外部水源給翻斗進(jìn)行沖洗，運(yùn)行費(fèi)用較高。水力翻斗沖洗效果如圖2所示。

2.4.2 門(mén)式自沖洗

調(diào)蓄池進(jìn)水先進(jìn)入儲(chǔ)水池，并逐檔進(jìn)入各廊道的儲(chǔ)水池，待儲(chǔ)水池蓄滿(mǎn)水后，水再?gòu)膬?chǔ)水池上部溢出進(jìn)入調(diào)蓄池廊道。無(wú)論何種進(jìn)水流量，進(jìn)水總是先充滿(mǎn)儲(chǔ)水池，儲(chǔ)存一定的沖洗水量。調(diào)蓄池排空時(shí)，控制浮筒隨水位降低至設(shè)置標(biāo)高，由控制系統(tǒng)觸發(fā)，沖洗門(mén)瞬間將儲(chǔ)水釋放，水從門(mén)底部快速流出，形成強(qiáng)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(diào)蓄池末端的收集渠，通過(guò)泵排出。門(mén)式自沖洗系統(tǒng)適用于方形、矩形和異形調(diào)蓄池，也可設(shè)置在管網(wǎng)中。門(mén)式自沖洗效果如圖3所示。

該方式的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需電力或機(jī)械驅(qū)動(dòng)，無(wú)需外部供水，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，單個(gè)沖洗波的沖洗距離長(zhǎng)；缺點(diǎn)是目前使用進(jìn)口設(shè)備，初期建設(shè)投資較高。

該工程為合流制排水區(qū)域，晴天管道內(nèi)為污水且初期雨水水質(zhì)較差，如采用門(mén)式自沖洗系統(tǒng)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(yùn)行成本較高的問(wèn)題，泵站設(shè)置沖洗水管引入蘇州河河水作為沖洗水源，并設(shè)置格柵阻擋河水中粗大的雜物，降低運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)設(shè)置市政給水作為水源的備用沖洗系統(tǒng)，確保沖洗效果。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著城市的快速發(fā)展和市民生活水準(zhǔn)提高，對(duì)城市舊城區(qū)改造的要求也日益迫切，初期雨水對(duì)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(diào)蓄池兼具提高城市防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)和初期雨水污染控制功能，可減小初期雨水對(duì)河道的污染。對(duì)于整個(gè)排水系統(tǒng)的改造具有投資相對(duì)較低、工程涉及范圍相對(duì)較小的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于已建排水系統(tǒng)，特別是合流制排水系統(tǒng)的達(dá)標(biāo)改造有著較大的借鑒意義。