城市排水系統(tǒng)中初期雨水調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)探討

金 敦

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 前言

大量的研究證明，初期雨水中具有較高的污染物負(fù)荷，是面源污染的主要來(lái)源。初期雨水本身夾雜著地面的殘留污染物，同時(shí)還會(huì)挾帶管道中大量的積黑泥。若任其直接排入河道后，不僅會(huì)使河水發(fā)生黑臭，破壞其感官效果，同時(shí)其本身的污染物還會(huì)給河道水環(huán)境造成污染，破壞水生動(dòng)植物的生長(zhǎng)。因此必須對(duì)初期雨水加以控制，避免其對(duì)河道等生態(tài)環(huán)境的破壞。

雖然部分雨水管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)時(shí)也考慮設(shè)有截污措施，通過(guò)提高截留倍數(shù)可以截留一部分的初期雨水量。然而由于初期雨水歷時(shí)短、瞬時(shí)流量大的特點(diǎn)，旱流污水截留設(shè)施基本無(wú)法起到截留初期雨水的作用。

為了避免初期雨水中的污染物直接通過(guò)雨水管排放，需要對(duì)初期雨水進(jìn)行收集處理，一種有效的方法是在雨水管網(wǎng)的末端，結(jié)合雨水排放泵站建設(shè)的同時(shí)設(shè)置初期雨水調(diào)蓄池。目前這種方法已經(jīng)在上海、廣州等城市被成功運(yùn)用。初期雨水調(diào)蓄池可以減少初期雨水直接排放對(duì)水環(huán)境造成的破壞，對(duì)提高水環(huán)境質(zhì)量起到了重要的作用。

本文結(jié)合石家莊市正定新區(qū)2#雨水泵站初期雨水調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)實(shí)例，介紹了城市排水系統(tǒng)中初期雨水調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為今后完善初期雨水調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)方法提供借鑒和參考。

1 工程概況

石家莊市正定新區(qū)2#雨水泵站屬于正定新區(qū)排水B片區(qū)，根據(jù)規(guī)劃該區(qū)域?qū)儆趶?qiáng)排系統(tǒng)，雨水系統(tǒng)重現(xiàn)期為1 a。泵站位于正定新區(qū)園博園的東南角，雨水經(jīng)泵站提升后排入周漢河。2#泵站的總服務(wù)面積約6.46 km2，規(guī)模為16 m3/s。

正定新區(qū)的城市建設(shè)是以“低碳、生態(tài)、智慧”為目標(biāo)，水系統(tǒng)的建設(shè)也充分體現(xiàn)了這一理念。正定新區(qū)屬于缺水性地區(qū)，通過(guò)2#雨水泵站及初期雨水調(diào)蓄池的建設(shè)，在保障地區(qū)排水安全的同時(shí)，減少初期雨水中污染物的排放，截流的初期雨水經(jīng)污水廠處理后可用來(lái)補(bǔ)充新區(qū)景觀水系，實(shí)現(xiàn)了回用，促進(jìn)新區(qū)水系統(tǒng)的良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)水資源的有效利用，改善環(huán)境質(zhì)量，保證正定新區(qū)健康發(fā)展。

2 初期雨水調(diào)蓄池的介紹

初期雨水調(diào)蓄池一般與排水系統(tǒng)的雨水泵站結(jié)合布置。根據(jù)可利用建設(shè)用地的大小，可采用與泵站合建或分建的方式。不同的布置方式，對(duì)投資和施工難度會(huì)有一定的影響。分建方式為平面上將調(diào)蓄池及泵房分開(kāi)布置，兩座構(gòu)筑物埋深均較小，基坑開(kāi)挖深度較小；合建方式是將調(diào)蓄池疊放在泵房下方，尤其是在用地受到限制時(shí)常采用此種模式，疊放后基坑開(kāi)挖深度加大，施工難度及施工工期相對(duì)增加，工程投資也相對(duì)增加。考慮到該工程的用地條件及現(xiàn)場(chǎng)情況，該工程擬采用分建式，即將初期雨水調(diào)蓄池及泵房分開(kāi)布置，降低工程投資。其工作原理如下：

晴天時(shí)排入系統(tǒng)的污水量較少（主要是路面沖洗水、洗車用水等），此時(shí)關(guān)閉雨水泵房進(jìn)水閘門，關(guān)閉調(diào)蓄池進(jìn)水閘門，開(kāi)啟截流污水泵，進(jìn)水經(jīng)泵室內(nèi)的截流污水泵提升后排入相應(yīng)的污水管道系統(tǒng)。

降雨初期時(shí)，根據(jù)水位控制開(kāi)啟雨水泵和調(diào)蓄池進(jìn)水閘門，關(guān)閉出水閘門；待調(diào)蓄池達(dá)到設(shè)定水位后，開(kāi)啟出水閘門，關(guān)閉調(diào)蓄池進(jìn)水閘門，將雨水排至河道。待晴天根據(jù)污水系統(tǒng)運(yùn)行情況，在系統(tǒng)污水量處于低谷時(shí)，啟動(dòng)初期雨水調(diào)蓄池的放空泵，將調(diào)蓄池內(nèi)的初期雨水排放至相應(yīng)的污水系統(tǒng)。

初期雨水調(diào)蓄池可以截留初期雨水，并在雨停后將截留雨水輸送至污水處理系統(tǒng)中，降低直接隨雨水排入河道的有機(jī)物負(fù)荷，減少初期雨水對(duì)河道的污染，對(duì)保護(hù)水環(huán)境質(zhì)量具有重要的意義。

3 初期雨水調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)

初期雨水調(diào)蓄池在我國(guó)應(yīng)用時(shí)間較短，其本身并沒(méi)有固定的形式和標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)面源污染的重視，初期雨水調(diào)蓄池在我國(guó)排水系統(tǒng)中的應(yīng)用逐漸增多，但是國(guó)內(nèi)尚缺乏具有可操作性的技術(shù)規(guī)范用以指導(dǎo)初期雨水調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)是調(diào)蓄池的容積計(jì)算及沖洗方式的設(shè)計(jì)等。以2#雨水泵站的調(diào)蓄池為例，其工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)有以下幾個(gè)。

3.1 初期雨水調(diào)蓄池的容積計(jì)算

調(diào)蓄池的容積計(jì)算是初期雨水調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。調(diào)蓄池設(shè)計(jì)得過(guò)小，不足以滿足對(duì)初期雨水的控制，仍會(huì)造成河道污染；而調(diào)蓄池設(shè)計(jì)得過(guò)大，則造成土建的浪費(fèi)，增加工程費(fèi)用。由于我國(guó)對(duì)分流制雨水系統(tǒng)中初期雨水調(diào)蓄池的容積計(jì)算并沒(méi)有相關(guān)規(guī)定，故該工程結(jié)合國(guó)內(nèi)類似工程的設(shè)計(jì)情況，主要參考德國(guó)廢水協(xié)會(huì)“ATV Arbeitsblatt A 1281992”標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)調(diào)蓄池進(jìn)行容積計(jì)算：

調(diào)蓄池有效容積：

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；

AU——非滲透面積，hm2，AU＝系統(tǒng)面積×徑流系數(shù)。

其中，VSR值與城市暴雨徑流污染特點(diǎn)密切相關(guān)，德國(guó)根據(jù)其自身城市特點(diǎn)，取值一般為：12≤VSR≤40，降雨均勻、衛(wèi)生條件好的城市可取較低值，反之則取較高值[1]。考慮正定新區(qū)的城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，該工程VSR取值為25。

2#雨水泵站的服務(wù)面積為646 hm2，平均徑流系數(shù) ψ＝0.6，即非滲透面積 AU=646×0.6=387.6（hm2），經(jīng)公式計(jì)算，2#雨水泵站初期雨水調(diào)蓄池的計(jì)算有效容積為：V=14535 m3，該工程設(shè)計(jì)有效容積取15000 m3。

根據(jù)國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究，若采用降雨深度法來(lái)計(jì)算初期雨水調(diào)蓄池的有效容積，其計(jì)算公式為：V=Ahψ。式中：A為雨水系統(tǒng)的服務(wù)面積；h為需要截留的降雨深度，降雨深度h一般取3.5～5 mm[2]。若該工程按此法計(jì)算，調(diào)蓄池容積為13566～19380 m3。可見(jiàn)該工程有效容積采用15000 m3也在合理范圍內(nèi)。

3.2 沖洗方式的選擇

由于初期雨水調(diào)蓄池在使用后底部不可避免地有沉積雜物，因此設(shè)計(jì)調(diào)蓄池時(shí)，必須考慮對(duì)底部地沉積物的清除。

調(diào)蓄池的沖洗有多種方法，各有利弊。隨著節(jié)能減排的政策要求，越來(lái)越多的環(huán)保型、節(jié)能型的沖洗設(shè)施和方法產(chǎn)生。調(diào)蓄池通常采用的沖洗措施有人工清洗、水射器沖洗、水力沖洗翻斗、連續(xù)溝槽自清沖洗、門式自沖洗系統(tǒng)等，該工程對(duì)其作了比較，見(jiàn)表1所列。

因該工程設(shè)計(jì)的初期雨水調(diào)蓄池除部分設(shè)備檢修孔和人孔外，基本屬于全封閉結(jié)構(gòu)，且上部擬做景觀綠化，地下調(diào)蓄池不適合開(kāi)設(shè)人員經(jīng)常進(jìn)出孔和開(kāi)大型設(shè)備吊裝孔，同時(shí)應(yīng)充分考慮節(jié)能的因素。門式自沖洗系統(tǒng)是一種節(jié)能型、無(wú)動(dòng)力、無(wú)能源消耗的清洗方式，沖洗力非常強(qiáng)大，在法國(guó)巴黎的調(diào)蓄池中，對(duì)厚達(dá)0.4 m的積泥一次沖洗即實(shí)現(xiàn)了清除，這是傳統(tǒng)沖洗方式所無(wú)法做到的。在上海世博園區(qū)浦明、后灘等雨水泵站也有成功的運(yùn)用[3]。其具有無(wú)需外動(dòng)力、無(wú)需外供水、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低、使用效率高等優(yōu)點(diǎn)。該工程推薦其作為初期雨水調(diào)蓄池的沖洗方式。

表1 調(diào)蓄池沖洗方式比較表

3.3 初期雨水調(diào)蓄池的工藝參數(shù)

根據(jù)上述內(nèi)容，該工程初期雨水調(diào)蓄池與泵站分開(kāi)布置，通過(guò)箱涵連通。調(diào)蓄池設(shè)計(jì)容積為V=15000 m3，平面尺寸為55.34 m×43.00 m，有效水深為7.7 m，內(nèi)設(shè)8套門式自動(dòng)沖洗裝置，考慮調(diào)蓄池內(nèi)的水需能排入污水管網(wǎng)最終接入污水廠處理。該工程設(shè)置3套污水潛水泵（2用1備），單泵性能參數(shù)為：Q=1275 m3/h，H=5.7 m，N=60 kW。

3.4 設(shè)計(jì)中需要注意的事項(xiàng)

為了保證初期雨水調(diào)蓄池的使用效果，在初期雨水調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）通常初期雨水調(diào)蓄池進(jìn)水端采用電動(dòng)閘門來(lái)進(jìn)行控制，但為防止意外事件，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)配有手動(dòng)切換控制功能,以備發(fā)生機(jī)械故障時(shí)可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作。

（2）由于初期雨水調(diào)蓄池一般深埋地下，在進(jìn)水過(guò)程中，其內(nèi)部氣體需要排放，故在調(diào)蓄池頂部需安裝通氣井或通氣孔，通氣孔的尺寸需根據(jù)進(jìn)水時(shí)的排氣流量進(jìn)行核算。

（3）調(diào)蓄池放空通常采用潛水離心泵進(jìn)行排放，由于初期雨水調(diào)蓄池內(nèi)的雨水是排放到城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)中，排空應(yīng)盡量設(shè)在污水管網(wǎng)流量處于低谷時(shí)，避免由于瞬間流量過(guò)大對(duì)污水系統(tǒng)造成影響。

圖1為初期雨水調(diào)蓄池設(shè)計(jì)示意圖。

圖1 初期雨水調(diào)蓄池設(shè)計(jì)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

隨著環(huán)境污染形勢(shì)的加劇和國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境重視的提高，越來(lái)越多的城市通過(guò)在排水系統(tǒng)中設(shè)置初期雨水調(diào)蓄池來(lái)控制初雨的面源污染，目前我國(guó)很多城市的雨水系統(tǒng)中已有一定的應(yīng)用實(shí)例。但由于沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范要求，其運(yùn)行效果卻參差不齊。為了能夠有效地發(fā)揮初期雨水調(diào)蓄池的作用，需結(jié)合當(dāng)?shù)爻鞘械慕涤甑奶攸c(diǎn)、衛(wèi)生水平及目標(biāo)要求來(lái)確定相關(guān)參數(shù)，以便使初期雨水調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期效果，充分發(fā)揮其控制初雨的面源污染的作用。

[1]黃建秀，等.調(diào)蓄池在排水系統(tǒng)中的研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2010，35（4）：115-118.

[2]丁志斌，等.基于降雨過(guò)程理論分析的初期雨水調(diào)蓄容積計(jì)算[J].凈水技術(shù).2011，30（1）：75-78.

[3]肖艷，徐建初.世博浦東園區(qū)雨水泵站初期雨水調(diào)蓄池沖洗方式設(shè)計(jì)[J].給水排水.2009，35（3）：50-52.