流域水環(huán)境治理中初雨調(diào)蓄池的功能及應(yīng)用

何慧彬，黃紫龍

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518001)

1 項(xiàng)目建設(shè)背景

近年來(lái)，深圳市龍崗區(qū)以全面推行河長(zhǎng)制為契機(jī)，著力推進(jìn)治水提質(zhì)各項(xiàng)工作，在河道綜合治理、污水廠網(wǎng)建設(shè)等方面取得重大的突破。2019年以“考核斷面旱季水質(zhì)達(dá)標(biāo)，全面消除流域內(nèi)的小微水體，提高污水處理能力，消減雨季入河污染負(fù)荷，提高河道水質(zhì)保證率”為工程目標(biāo)，以流域?yàn)閱挝婚_(kāi)展了2019年龍崗區(qū)龍崗河流域消除黑臭及河流水質(zhì)保障工程，調(diào)蓄池可兼具調(diào)蓄溢流污水及初期雨水等功能[1]，丁山河調(diào)蓄池為本工程建設(shè)的7座初雨調(diào)蓄池之一。

丁山河為龍崗河的一級(jí)支流，河道全長(zhǎng)約23.65km(深圳境內(nèi)6.7km)，集雨面積79.16km2(深圳境內(nèi)23.49km2)。如圖1所示，丁山河調(diào)蓄池位于丁山河龍崗大道下游右岸，規(guī)劃為城市綠地，總占地面積7438m2，調(diào)蓄有效容積2.5萬(wàn)m3，調(diào)蓄池服務(wù)面積為6.29km2，工程投資約1.51億。

圖1 丁山河流域初雨水質(zhì)達(dá)標(biāo)方案圖

2 初雨調(diào)蓄池的功能

王斑、顏夢(mèng)宇等對(duì)城市初期雨水處理提出了初步思路，主要有源頭處理、調(diào)蓄處理和污水處理廠等3種措施。初雨調(diào)蓄池是河流水質(zhì)保障的重要組成部分，在排水系統(tǒng)的末端設(shè)置初雨調(diào)蓄池是減少初期雨水污染物排放的有效手段[2- 5]，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 近期控制溢流污染

在正本清源、雨污分流工程未完全覆蓋的情況下，仍有部分生活污水及面源污染進(jìn)入河道截流管，對(duì)丁山河下游及龍崗河干流箱涵，在10mm/1.5h初雨工況下，仍會(huì)發(fā)生溢流污染。而當(dāng)在丁山河中下游設(shè)置調(diào)蓄池后，下游截污管僅收集丁山河下游流域內(nèi)初雨及少量漏排污水，現(xiàn)狀截污管能夠滿足10mm/1.5h初雨截流規(guī)模。因此，在丁山河中下游設(shè)置初雨調(diào)蓄池，對(duì)控制丁山河下游及龍崗河干流沿河截污箱涵溢流污染、保證下游龍崗河水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)有著重要意義。另外，調(diào)蓄池的調(diào)蓄作用可有效調(diào)節(jié)進(jìn)廠水質(zhì)、水量后還可避免對(duì)污水處理廠的負(fù)荷沖擊[6- 7]。

2.2 中期削減面源污染

當(dāng)正本清源、雨污分流工程全覆蓋時(shí)，雨、污水系統(tǒng)完全獨(dú)立，污水全部進(jìn)入市政污水管，初雨截入沿河截污系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置調(diào)蓄池可收集初雨標(biāo)準(zhǔn)下的面源污染，雨后錯(cuò)峰排入污水處理廠處理，從而削減大部分的入河面源污染，進(jìn)一步保障河道水質(zhì)。

2.3 遠(yuǎn)期雨水資源利用

當(dāng)海綿城市實(shí)施到一定程度后，城市管理也達(dá)到了一定水平，城區(qū)內(nèi)的面源污染能在源頭上得到有效控制，即使是初雨攜帶的污染物濃度也較低，不會(huì)影響河道水質(zhì)，此時(shí)調(diào)蓄池則可作為雨水收集利用設(shè)施。通過(guò)調(diào)蓄池收集的雨水，可作為旱季對(duì)下游河道的補(bǔ)水水源，對(duì)河道生態(tài)保護(hù)、環(huán)境增容有著重要意義。

3 初雨調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)

3.1 規(guī)模計(jì)算

根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，結(jié)合地形、雨水管網(wǎng)、截流(管)箱涵、調(diào)蓄池等建立模型，復(fù)核截流系統(tǒng)過(guò)流能力及調(diào)蓄池規(guī)模，因此選取DHI MIKE URBAN作為本次建模的方式。根據(jù)雨水管網(wǎng)及兩岸截污(管)箱涵信息，包括：檢查井?dāng)?shù)據(jù)、檢查井與管道的拓?fù)潢P(guān)系、管道形狀、尺寸、管底高程、地面高程、排放口位置等，搭建排水管網(wǎng)模型。

3.1.1子匯水區(qū)劃分

確定調(diào)蓄池集水區(qū)的邊界范圍，使用集水區(qū)劃分工具進(jìn)行子匯水分區(qū)的劃分，使每一個(gè)入孔對(duì)應(yīng)一個(gè)子匯水分區(qū)，丁山河調(diào)蓄范圍內(nèi)子匯水分區(qū)如圖2所示。

圖2 丁山河調(diào)蓄池子匯水分區(qū)圖

3.1.2降雨邊界

本工程設(shè)計(jì)截流標(biāo)準(zhǔn)為10mm/場(chǎng)、降雨歷時(shí)1.5h形成的初雨。MIKE URBAN的上邊界條件為降雨過(guò)程，如圖3所示。結(jié)合本工程特征和深圳市降雨規(guī)律，降雨過(guò)程采用深圳市暴雨強(qiáng)度公式，根據(jù)芝加哥雨型(以1min為單位時(shí)段)確定。深圳市暴雨強(qiáng)度公式如下：

(1)

式中：i—暴雨強(qiáng)度，mm/min；P—重現(xiàn)期，a；t—降雨歷時(shí)，min。

圖3 設(shè)計(jì)降雨過(guò)程圖(10mm/1.5h)

3.1.3參數(shù)設(shè)置

集水區(qū)參數(shù)：本次產(chǎn)匯流模型采用T-A曲線模型，不透水系數(shù)根據(jù)不同的下墊面類型設(shè)置，并參考GB 50014—2021《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[8]，道路、建筑物等建成區(qū)不透水系數(shù)綜合選取0.6，生態(tài)區(qū)、綠地等區(qū)域不透水系數(shù)綜合選取0.2。

其他參數(shù)：本次建立的MIKE URBAN模型，地面平均流速取0.3m/s，水文衰減系數(shù)取0.9，初始損失取0.0006m。

3.1.4計(jì)算結(jié)果

通過(guò)MKE URBAN模型對(duì)丁山河調(diào)蓄池服務(wù)范圍內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行降雨-徑流-管流模擬，如圖4所示，并對(duì)模型各個(gè)參數(shù)的合理調(diào)整與優(yōu)化，使其符合規(guī)范要求，較好地反應(yīng)模擬區(qū)域的真實(shí)性。

圖4 丁山河調(diào)蓄池水位變化過(guò)程圖

丁山河調(diào)蓄池服務(wù)范圍面積為6.29km2，10mm/場(chǎng)、降雨歷時(shí)1.5h形成的徑流量，MIKE URBAN模型復(fù)核結(jié)果為2.30萬(wàn)m3，擬建調(diào)蓄池規(guī)模為2.50萬(wàn)m3，滿足要求。

3.2 布置形式

根據(jù)謝玉霞等對(duì)調(diào)蓄池平面布置的研究[9]，在滿足處理工藝的前提下，平面布置力求功能明確，流程簡(jiǎn)短，注意綠化，盡量考慮到運(yùn)行管理方便和較好的環(huán)境條件。建構(gòu)筑物間的相互關(guān)系，在總圖布置和高程設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行統(tǒng)一考慮。調(diào)蓄池總圖布置應(yīng)符合以下原則：①結(jié)合現(xiàn)狀地形標(biāo)高，用綠化帶和道路分隔；②各構(gòu)筑物之間的距離，需考慮到各種管道施工及維修方便；③考慮設(shè)備安裝、運(yùn)輸?shù)姆奖恪?chǎng)地現(xiàn)狀地面平坦，高程為29.6～36.8m，調(diào)蓄池北側(cè)為市政道路，交通便利，可利用現(xiàn)有的公路作為進(jìn)廠道路。用地主要為調(diào)蓄池部分，調(diào)蓄池采用多邊形結(jié)構(gòu)，該處丁山河防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，河底高程為22.90m，設(shè)計(jì)防洪水位28.24m，現(xiàn)狀河道左岸地面高程約為30.92m，右岸高程約為30.2m。調(diào)蓄池整體平面布置如圖5所示。

3.3 工藝設(shè)計(jì)

丁山河調(diào)蓄池及附屬設(shè)施工程分為初雨收集轉(zhuǎn)輸系統(tǒng)和調(diào)蓄系統(tǒng)兩個(gè)部分，其中初雨收集轉(zhuǎn)輸部分包括黃竹坑水河口雨季水質(zhì)保障氣盾壩及閘門、花園河河口雨季水質(zhì)保障氣盾壩及閘門、花園河初雨轉(zhuǎn)輸管等；調(diào)蓄池部分主要包括進(jìn)水提升系統(tǒng)(進(jìn)水閘、檢修閘、進(jìn)水格柵、提升泵房、智能噴射器、排污泵、排砂泵等)、沖洗系統(tǒng)(真空沖洗設(shè)備、排砂泵)、通風(fēng)除臭系統(tǒng)、出水系統(tǒng)和場(chǎng)區(qū)排水系統(tǒng)。調(diào)蓄池處理工藝如圖6所示。

3.3.1通風(fēng)設(shè)計(jì)

丁山河調(diào)蓄池內(nèi)部靜面積為3373m2，考慮找坡和內(nèi)部梁柱等結(jié)構(gòu)，調(diào)蓄池內(nèi)部空間約2.9萬(wàn)m3，按每小時(shí)換氣2次計(jì)算，則調(diào)蓄池所需通風(fēng)量為5.8萬(wàn)m3/h。因調(diào)蓄池通風(fēng)量不是特別大，本工程采用整體通風(fēng)方案，把整個(gè)調(diào)蓄池作為一個(gè)整體進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)。風(fēng)機(jī)數(shù)量初定為6臺(tái)，單臺(tái)分機(jī)設(shè)計(jì)通風(fēng)量為10000m3/h，功率N=4kW，帶閥單層百葉風(fēng)口420只，設(shè)風(fēng)井6座。

圖6 丁山河調(diào)蓄池工藝流程圖

3.3.2除臭設(shè)計(jì)

由于本工程調(diào)蓄池近期主要存儲(chǔ)混流雨水，相比純污水臭氣較淡，且調(diào)蓄池存儲(chǔ)混流雨水時(shí)間一般為2d，時(shí)間比較短，除臭標(biāo)準(zhǔn)參照貯水池及水泵房的換氣次數(shù)取1次/h。除臭規(guī)模根據(jù)調(diào)蓄池的有效空間確定，除臭規(guī)模為2.9萬(wàn)m3/h。

常用的除臭工藝主要有離子除臭和生物除臭，離子除臭的去除率可達(dá)90%以上，臭氣處理適用范圍廣，主要包括甲硫醇、氨、硫化氫、醚類、胺類等污染臭氣因子，且可間歇運(yùn)行，系統(tǒng)主體設(shè)備使用壽命可達(dá)10年以上，技術(shù)可靠且非常穩(wěn)定，凈化設(shè)備無(wú)需日常維護(hù)，只需接通電源，即可正常工作，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用極低。生物除臭微生物活性好時(shí)除臭效率為75%，耐沖擊負(fù)荷差，影響因素多，為保證微生物活性，需連續(xù)運(yùn)行，且養(yǎng)護(hù)困難，需頻繁添加藥劑、控制pH值、溫度等，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也較高，需經(jīng)常投放藥劑，以保持微生物活性，而且對(duì)循環(huán)水要求較高，如微生物死亡將需較長(zhǎng)時(shí)間重新培養(yǎng)?？紤]到本工程臭氣主要來(lái)源為初雨調(diào)蓄池，濃度較低，同時(shí)需要間歇式運(yùn)行，從運(yùn)行維護(hù)的角度考慮，調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)采用離子除臭設(shè)備。

3.3.3沖洗設(shè)計(jì)

由于初雨調(diào)蓄池在使用后底部不可避免地有沉積雜物，因此調(diào)蓄池設(shè)計(jì)須考慮對(duì)底部地沉積物的清除[4]。丁山河調(diào)蓄池采用真空沖洗設(shè)備，利用設(shè)備高速水流對(duì)調(diào)蓄池清淤，在每次調(diào)蓄池儲(chǔ)水周期運(yùn)行完后，清理掉池內(nèi)存積淤泥和有機(jī)污染，避免存在臭氣和毒氣。真空沖洗系統(tǒng)利用真空泵的抽真空作用，通過(guò)真空控制系統(tǒng)和真空閥將存水室中的空氣抽出，形成一定的真空度，使存水室內(nèi)的液位升高至設(shè)定液位，調(diào)蓄池需要沖洗時(shí)將存水室頂部的隔膜閥打開(kāi)，破壞真空，通過(guò)存水室內(nèi)的蓄水對(duì)調(diào)蓄池底泥進(jìn)行沖洗。真空沖洗系統(tǒng)全套設(shè)備均設(shè)置于調(diào)蓄池外部。真空沖洗系統(tǒng)的組成包括真空隔膜閥、控制柜及電纜、超聲波液位計(jì)等。

沖洗廊道設(shè)計(jì)：本調(diào)蓄池根據(jù)調(diào)蓄池的分隔以及立柱布置間隔約為5～7.5m設(shè)置一道隔墻，將調(diào)蓄池劃分為10個(gè)沖洗廊道，每個(gè)沖洗廊道寬度為5～7.5m，沖洗廊道坡度不小于1%，廊道之間隔墻高0.5m。

真空沖洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)：真空沖洗系統(tǒng)廊道寬度最大可做到10m(門式?jīng)_洗廊道寬度最大為5m)，設(shè)計(jì)寬度為5～7.5m，共計(jì)10套。

存水室設(shè)計(jì)：存水室容積約為60～70m3，蓄水量大于4.7m3/m(每米廊道寬度)，存水室水位設(shè)計(jì)高度為5m，存水室寬度為2.5m。

集水槽設(shè)計(jì)：在沖洗廊道的末端設(shè)置有共用的沖洗水收集廊道，沖洗水廊道的設(shè)計(jì)坡度為1.5%，沖洗水廊道的理論最小容積為65m3，設(shè)計(jì)寬度為5.0m，沖洗廢水由一邊向另一邊匯集，經(jīng)污水泵提升至雨水處理設(shè)施。丁山河調(diào)蓄池雨季運(yùn)行流程高程圖如圖7所示。

4 初雨調(diào)蓄池的運(yùn)行模式

丁山河調(diào)蓄池采用泵前調(diào)蓄工藝，通過(guò)進(jìn)水閘門井控制調(diào)蓄池的進(jìn)水，經(jīng)過(guò)格柵攔截大的漂浮物后，進(jìn)入提升泵房，并通過(guò)提升泵將初雨提升至調(diào)蓄池主體中進(jìn)行調(diào)蓄，待降雨結(jié)束后，調(diào)蓄的初雨通過(guò)調(diào)蓄池出水井自流進(jìn)入丁山河沿河截污管，轉(zhuǎn)輸至橫嶺污水處理廠處理。調(diào)蓄池運(yùn)行主要分為6種工況：①晴天工況；②初雨運(yùn)行工況；③雨中(后)停運(yùn)工況；④雨后排空工況；⑤沖淤維護(hù)工況；⑥進(jìn)池檢修工況[10]。各工況具體判定條件如圖8所示，圖9為調(diào)蓄池建成效果圖。

圖7 丁山河調(diào)蓄池雨季運(yùn)行流程高程圖(高程單位：m)

圖8 丁山河調(diào)蓄池運(yùn)行調(diào)度方案示意圖

圖9 丁山河調(diào)蓄池建成效果圖

5 結(jié)論

初雨調(diào)蓄池作為流域水環(huán)境治理中的重要組成部分，近期可控制溢流污染，中期削減面源污染，遠(yuǎn)期可實(shí)現(xiàn)雨水資源利用。目前丁山河調(diào)蓄池已建成并處于試運(yùn)行階段，后續(xù)將根據(jù)本地降雨特點(diǎn)及目標(biāo)要求合理確定相關(guān)參數(shù)，使初雨調(diào)蓄池能達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果，在流域水環(huán)境治理中充分發(fā)揮其功能。