智慧截流井在福州市黑臭河道治理中的應(yīng)用

朱云燕

（福州北控三江口水環(huán)境有限公司，福州 350001）

1 工程概況

福州市地處我國東南沿海，河網(wǎng)密布，水系發(fā)達(dá)，在歷年整治的基礎(chǔ)上，內(nèi)河環(huán)境雖然有所改善，但部分河段仍然存在黑臭水體問題。

為徹底解決河道黑臭問題，福州市水系治理以“控源截污、內(nèi)源削減、清水補(bǔ)給、活水循環(huán)、水質(zhì)凈化、生態(tài)修復(fù)、分步實(shí)施、階段見效”為整治總體思路，基于“環(huán)境效果”出發(fā)，以“水質(zhì)目標(biāo)”為導(dǎo)向，通過工程和非工程措施的實(shí)施，統(tǒng)籌“流域控制、水陸一體、協(xié)同治理”，打造“水環(huán)境、水安全、水資源、水生態(tài)、水文化、水智慧”六位一體水生態(tài)文明格局，達(dá)到城市內(nèi)河的“長治久清”，實(shí)現(xiàn)治理區(qū)“河暢、水清、岸綠、景美”的總體目標(biāo)。

“控源截污”是黑臭水體治理的基礎(chǔ)與前提。福州市中心大多是老舊小區(qū)，征地拆遷困難，而且市區(qū)地勢平坦，汛期降雨時(shí)容易內(nèi)澇，基于以上兩點(diǎn)，截流井的選型就至關(guān)重要。

2 傳統(tǒng)截流井形式

近年來，應(yīng)用在我國截流井系統(tǒng)中的傳統(tǒng)截流井主要有堰式截流井、槽式截流井、槽堰結(jié)合式截流井。

2.1 堰式截流井

堰式截流井是國內(nèi)外截流式合流制改造中使用較普遍的一種截流井，不需要改變管線標(biāo)高，也不用減小截流管的高程[1]。堰式截流井是在截流井內(nèi)設(shè)置一道溢流堰，晴天時(shí)截流旱流污水，降雨時(shí)截流混合污水，超出截流井能力的混合污水則越過溢流堰排入水體。堰式截流井可以有效避免河水倒灌，但會影響泄洪[2]。

2.2 槽式截流井

槽式截流井是在截流井內(nèi)建造一道與截流管管道直徑同寬的截流槽，槽底低于被截流管的管道內(nèi)底[2]。堰式截流井形式簡單，截流成效好，對上游影響小，也不影響下游溢流管泄水能力，可是需降低溢流管的設(shè)計(jì)高程，在設(shè)計(jì)管道標(biāo)高受約束的情況下不適用。因未設(shè)置截流堰，雨天時(shí)槽式截流井基本不影響行洪，但是無法防止河水倒灌[3]。

2.3 槽堰結(jié)合式截流井

槽堰結(jié)合式是截流井在截流井內(nèi)建造一道較低的溢流堰，并在溢流堰前設(shè)置一道截流槽。井內(nèi)的溢流堰高度可以等其他結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后結(jié)合進(jìn)水量確定[1]。

3 智慧截流井的優(yōu)點(diǎn)及分類

傳統(tǒng)的截流井采用堰式、槽式、槽堰結(jié)合式的截流設(shè)施，在外江水位高時(shí)容易倒灌，為了防止倒灌則需要把堰加高，但這樣做影響排澇。在截流管方面，多采用管徑限流方式，無法解決雨天雨水倒灌、晴天瞬時(shí)大流量污水排放不暢的問題。福州市水系經(jīng)過多輪整治，截流井形式從堰（槽）式1.0 版進(jìn)化到適用于鴨嘴閥或普通閘門的2.0 版，但始終存在一些弊端，導(dǎo)致難以“長治久清”。通過總結(jié)前面幾輪的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在本項(xiàng)目實(shí)施過程中，采用“防倒灌設(shè)施+限流閥”的智慧截流井，可有效解決外江倒灌、雨天大量雨水進(jìn)入污水系統(tǒng)及瞬時(shí)溢流的問題。設(shè)備形式有下開式堰門、液壓旋轉(zhuǎn)堰、液壓上開式堰門、傳統(tǒng)螺桿式電動閘門等，應(yīng)因地制宜，合理選用，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理、操作可靠。

3.1 智慧截流井的優(yōu)點(diǎn)

相比傳統(tǒng)截流井，智慧截流井的自動化程度較高，智慧截流井在傳統(tǒng)截流井的形式上增加了閘門、雨量計(jì)、超聲波液位計(jì)等設(shè)備，安裝在露天的雨量計(jì)能監(jiān)測降雨量，通過分析雨量大小，自動控制閘門的啟閉[3]。

智慧截流井可以更好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)截流井的缺陷，主要具備以下優(yōu)勢:（1）智慧截流井截流管前安裝了液動限流閥，可以對直通污水處理廠的最大流量實(shí)現(xiàn)限流，而且能夠避免污水回流；（2）截流高度能夠自動調(diào)整，而且能避免河水倒灌；（3）智慧截流井采用水質(zhì)法、雨量法、時(shí)間法和水位法進(jìn)行控制；（4）智慧截流井可實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的聯(lián)動控制[4]。

3.2 智慧截流井的分類

A 型（下開式液動調(diào)節(jié)堰+限流閥）截流井，主要特點(diǎn)：（1）閘門為下開式，井室挖深較深，對現(xiàn)場地質(zhì)或支護(hù)條件要求較高；（2）下開式閘門可根據(jù)河道水位上升而升高，可有效防止河道水位倒灌，適用于溢流口標(biāo)高低于河道常水位的情況；（3）閘體不易被雜物堵塞，可靠性高；（4）閘門提升系統(tǒng)位于地下，不影響地面景觀效果；（5）單價(jià)相對較高。A 型截流井見圖1。

B 型（液壓旋轉(zhuǎn)堰+限流閥）截流井，主要特點(diǎn)：（1）閘門為液動旋轉(zhuǎn)，井室長度方向較長，適用于狹長空間的施工；（2）旋轉(zhuǎn)堰可根據(jù)河道水位上升而升高，有效防止河道水位倒灌，適用于溢流口標(biāo)高低于河道常水位的情況；（3）閘門為平面旋轉(zhuǎn)，安裝不占用高度空間，截流井埋深較淺，施工難度??；（4）因閘門提升系統(tǒng)位于地下，不影響地面景觀效果，適用于景觀效果要求較高或者上部空間有通行需求的場所；（5）上部空間為非全封閉，短時(shí)降雨來不及開閘放水時(shí)雨水可從上方溢流，防止內(nèi)澇。B 型截流井見圖2。

C 型（上開式閘門+限流閥）截流井，主要特點(diǎn)：（1）閘體不易被雜物堵塞，可靠性高；（2）適用于溢流口標(biāo)高高于河道常水位的情況；（3）閘門控制系統(tǒng)位于地上，方便檢修維護(hù)；（4）閘門根據(jù)安裝空間可選擇液壓上開或傳統(tǒng)螺桿式電動閘門；（5）傳統(tǒng)螺桿式電動閘門的螺桿突出地面，不適合位于道路中間的截流井或者對周邊景觀有較高要求的情況。C 型截流井見圖3

圖1 A 型截流井圖

圖2 B 型截流井圖

圖3 C 型截流井圖

4 截流井在實(shí)際河道中的運(yùn)用

4.1 A 型截流井

當(dāng)溢流管出口內(nèi)底低于河道常水位時(shí)，采用A型截流井。因閘門提升系統(tǒng)位于地下，不影響地面景觀效果，適用于景觀效果要求較高或者上部空間有通行需求的場合。例如，東西河廣達(dá)路有一根DN1200 雨污混接管直排入河，地面標(biāo)高6.11m，雨污混接管內(nèi)底標(biāo)高3.52m，河道常水位3.85m，由于該雨水排口標(biāo)高低于河道常水位標(biāo)高且周邊位置開闊，在此處選用A 型截流井。截流井尺寸為3.9m×3.1m×5.85m（長× 寬× 高）。選用1.5m 寬的堰門，擋水高度為1.5m，截流井內(nèi)底標(biāo)高為3.0m。最高擋水高度為4.5m，高于河道常水位3.85m，可保證平常運(yùn)行時(shí)河水不倒灌。A 型截流井現(xiàn)場安裝情況見圖4。

4.2 B 型截流井

當(dāng)溢流管的出口內(nèi)底低于河道常水位，而且截流井周邊緊鄰建筑物或者沒有條件深度開挖時(shí)，采用B型截流井。因閘門提升系統(tǒng)位于地下，不影響地面景觀效果，適用于景觀效果要求較高或者上部空間有通行需求的場所。例如，本項(xiàng)目的大慶河緊鄰工業(yè)路，工業(yè)路為市區(qū)主要交通干道，工業(yè)路上早期修建的直排入河的雨水管，由于前端污水的混接，在晴天時(shí)會有污水流出，需對直排入此處外河的排口進(jìn)行控源截污治理。由于該雨水管位于主要交通干道上，邊上的步道僅有2m 寬，沒有足夠的空間安裝露出地面的控制系統(tǒng)，因此此處不適合安裝上開式閘門截流井。該雨水管進(jìn)水管徑為DN1000，地面標(biāo)高7.47m，雨污混接管底標(biāo)高4.62m，河道常水位標(biāo)高4.75m。由于溢流管的出口標(biāo)高低于河道常水位，而且截流井上方有通行需求，此處采用B 型截流井。晴天時(shí)截流后污水進(jìn)入周邊市政干管，雨天時(shí)通過超聲波液位計(jì)及雨量計(jì)控制閘門的啟閉，保證雨天雨水入河不內(nèi)澇。B 型截流井現(xiàn)場安裝情況見圖5。

圖4 A 型截流井現(xiàn)場安裝情況圖

圖5 B 型截流井現(xiàn)場安裝情況圖

4.3 C 型截流井

當(dāng)溢流管的出口內(nèi)底高于河道常水位時(shí)，采用C 型截流井。閘門控制系統(tǒng)需露出地面以上，便于后期的運(yùn)維管理，但是會影響景觀效果，因此適用于截流井位于綠化帶里或較開闊的步道上。例如，由于陸莊河西洪小區(qū)拆除了雜物間，步道在最開闊處有12m，陸莊河在西洪小區(qū)邊上有直排入河的DN1200混接排口，地面標(biāo)高7.86m，雨污混接管底標(biāo)高4.84m，河道常水位4.68m。由于溢流管標(biāo)高高于河道常水位，而且步道較開闊，因此在此處設(shè)置C 型截流井。截流井尺寸為2.4m×2.4m×4.1m（長×寬×高），露出地面的電動閘門高度為1.5m，截流井設(shè)置在步道邊上，露出地面的控制系統(tǒng)采用花箱進(jìn)行圍擋，既起到美化景觀的作用，又能防止周邊居民對控制系統(tǒng)進(jìn)行操控，保證了截流系統(tǒng)的安全運(yùn)行。C 型截流現(xiàn)場安裝情況見圖6。

圖6 C 型截流井現(xiàn)場安裝情況圖

5 截流井的控制運(yùn)行

5.1 構(gòu)造

智慧截流井由構(gòu)筑設(shè)施與設(shè)備組成，構(gòu)筑設(shè)施包括進(jìn)水管、出水管（至河道）、截污管（至污水處理廠）；設(shè)備包括液動旋轉(zhuǎn)堰門（下開式液動調(diào)節(jié)堰、上開式閘門）、液動限流閥、攔渣濾網(wǎng)、超聲波液位計(jì)、攝像頭、控制系統(tǒng)[6]。智慧截流井大樣見圖7。

圖7 智慧截流井大樣圖

5.2 防止河道倒灌的控制原理

當(dāng)河道水位上升時(shí)，超聲波液位計(jì)將信號傳送給控制室，控制室控制液動旋轉(zhuǎn)堰門旋轉(zhuǎn)上升，使堰頂始終比河道水位高150mm，防止河水倒灌。當(dāng)河道水位下降時(shí)，液動旋轉(zhuǎn)堰門隨河道水位下降而下降，直至堰頂下降到警戒水位后停止下降。

當(dāng)發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)，洪水可以從旋轉(zhuǎn)堰門上方溢流，不會因未及時(shí)打開閘門而造成內(nèi)澇，不影響溢流行洪。防止河水倒灌的控制原理見圖8、圖9。

5.3 工作原理

5.3.1 晴天時(shí)

液動限流閥處于開啟狀態(tài)，液動旋轉(zhuǎn)堰門處于關(guān)閉狀態(tài)，生活污水完全截流至截污管并輸送到污水處理廠（見圖10）。

圖8 液動旋轉(zhuǎn)堰防止河水倒灌示意圖

圖9 液動旋轉(zhuǎn)堰防止河水倒灌示意圖

圖10 智慧截流井晴天運(yùn)行示意圖

圖11 智慧截流井在初雨期運(yùn)行示意圖

5.3.2 降雨時(shí)（井內(nèi)水位＜警戒水位）

在到達(dá)警戒水位時(shí)液動旋轉(zhuǎn)堰門關(guān)閉，液動限流閥開啟，液動限流閥的開度取決于流量，從而保證通過截污管的流量不會超過設(shè)定流量（見圖11）。

5.3.3 降雨時(shí)（井內(nèi)水位＞警戒水位）

關(guān)閉液動限流閥，可確保雨水不倒灌進(jìn)入污水系統(tǒng)；開啟液動旋轉(zhuǎn)堰門，可確保不內(nèi)澇，將雨水排放到河道（見圖12）。

圖12 智慧截流井在降雨中后期運(yùn)行示意圖

5.4 智能控制系統(tǒng)

智慧截流井設(shè)備的智能控制系統(tǒng)包含由雨量計(jì)，液位計(jì)構(gòu)成的傳感子系統(tǒng)，通訊模塊、控制模塊和控制邏輯構(gòu)成的自動控制子系統(tǒng)。

通過超聲波液位計(jì)和雨量計(jì)調(diào)控閘門的啟閉，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動控制、遠(yuǎn)程管理功能，還可以實(shí)現(xiàn)與一體化提升泵站、一體化泵閘、鋼壩控制系統(tǒng)的聯(lián)動[5],同時(shí)搭建智慧水務(wù)平臺，基于地理信息系統(tǒng)（GIS）地圖與數(shù)據(jù)可視化的一體化管理平臺，將設(shè)備接入控制終端，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、采集及遠(yuǎn)程操控，從而實(shí)現(xiàn)城市排水系統(tǒng)的智能化管理（見圖13、圖14）。

圖13 A 型智慧截流井控制系統(tǒng)畫面

圖14 B 型智慧截流井控制系統(tǒng)畫面

6 結(jié)語

新型智能化截流井對傳統(tǒng)的截流式合流制與完全分流制進(jìn)行了改進(jìn)，避免了分流制初期雨水與合流制混合污水對水體造成的污染。通過閘門與限流閥的設(shè)置，可以有效控制污水截流主干管的流量，從而選擇合適的主干管管徑，節(jié)省投資。減少進(jìn)入污水泵站和污水處理廠的流量，可節(jié)省污水泵站和污水處理廠的投資及運(yùn)行管理費(fèi)用，同時(shí)有效保證污水和初期雨水優(yōu)先流入截流主干管，達(dá)到保護(hù)水體和滿足污水處理廠水質(zhì)要求的目的，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

新型智能化截流井通過超聲波液位計(jì)及雨量計(jì)調(diào)控閘門的啟閉，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動控制。搭建智慧水務(wù)平臺，通過系統(tǒng)集成，將設(shè)備接入控制終端，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、采集、分析及遠(yuǎn)程操控，從而減少人工成本。