合流制截排調蓄設施功能分類與容積計算理論研究進展*

張 衛 盧興超 尹文超 董紫君 趙樹旗 劉永旺 姜春成

(1.北京工業大學建筑與工程學院，北京 100124；2.中國建筑設計研究院有限公司綠色設計研究中心，北京 100044；3.深圳職業技術學院城市水良性循環工程研發中心，廣東 深圳 518055)

隨著全國黑臭水體治理工作的推進，在2020年底前，基本實現了地級以上城市建成區黑臭水體均控制在10%以內的目標。然而調研發現，治理后的水體在雨后仍出現反彈問題，可歸因于城市合流制排水系統截污不徹底、不精準。合流制溢流(CSO)污染是僅次于城市點源污染的污染源[1]，全國城市仍有合流制管道1.09×105km，占城市排水管道總長度的18.8%[2]。按照《水污染防治行動計劃》要求，2030年全國城市建成區黑臭水體總體得到消除，在合改分困難重重的老城區，研究精準化調蓄截污技術對降低CSO頻次、削減污染物排放、改善水體環境具有重要意義。

在合流制系統調蓄設施功效研究方面，程江等[3]對污染減排效果進行了實驗研究，羅婷等[4]對初期雨水調蓄池排空時間進行了探討，聶鳳等[5]對調蓄池在合流制系統中的污染物去除效果進行了梳理。在調蓄設施計算與分類研究方面，德國和日本的系統性分類與容積計算理論[6]可供我國參考。國內已根據溢流位置進行調蓄設施分類，但對于功能分類與容積計算方法的研究比較匱乏。本研究結合多種合流制截排調蓄系統，對系統調蓄設施按照功能分類，并研究不同功能調蓄設施的容積計算方法理論。

1 設施分類與介紹

1.1 按設施類型劃分

合流制排水系統將城市生活污水、工業廢水和雨水匯集在一個管渠內輸送、處理和排放。合流制截排調蓄系統在此基礎上，修建調蓄池等多種截排截污設施，以降低排入水體中的污染負荷量。其中調蓄池根據溢流條件不同，可劃分為截流型調蓄池、穿流型調蓄池和混合型調蓄池3種類型[7]。

截流型調蓄池只設置進、出水口，調蓄池內設截流裝置，無溢流裝置(溢流裝置設置在池前)。初期雨水經過調蓄池送入污水處理廠，后期污染濃度較低的混合污水經緩流調節以恒定流形式送入污水處理廠，多余的混合污水通過前置設施溢流排入城市水體。

穿流型調蓄池同時在前置池、調蓄池內設置溢流口，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低于截流型調蓄池，適合溢流時間長、污染峰值小的地區。

聯合型調蓄池聯合布置以上兩種調蓄池，既能對初期雨水良好控制，又適應長時間溢流情況，適合地下空間充裕、對雨水處理要求較高的地區。

3類調蓄池特點比較見表1。

表1 3類調蓄池比較Table 1 Comparison of three types of storage tanks

1.2 按功能目標劃分

國內各城市已經安裝了不同功能的截排調蓄設施。然而大部分截排調蓄設施仍然被稱為“調蓄池(detention)”或“蓄水池(retention)”[8]。僅考慮溢流裝置的分類既無法體現功能性，也不能匹配對應的容積計算理論，應根據截排調蓄設施在合流制系統中的功能作用進行分類。對各雨水系統中不同功能定位的合流制截排調蓄設施的分類思路見表2。

表2 截排調蓄設施功能分類思路Table 2 Functional classification of intercepting-storage facilities

1.2.1 截流—調節系統

截流—調節系統(見圖1)是一種存儲混合污水的常見雨水系統，核心為雨水滯留池。初期雨水通過雨水井流入前置溢流池，再進入雨水滯留池持留。當降雨量逐漸增大，前置溢流池內雨水高度超過分水堰最大高度產生溢流，溢流的中后期混合污水污染物濃度較低，一部分繼續滯留儲存，另一部分排入自然水體。天氣轉晴之后開啟閘門，滯留混合水經過節流池控制流速平穩后送入污水處理廠處理。

圖1 截流—調節系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of closure-adjustment system

雨水滯留池在截流—調節系統中發揮核心作用，是典型的截流類封閉式調蓄池。設施將混合水持留、儲存，晴天時開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處理負擔，同時減少雨水污染物對城市水環境的污染。由于一般僅具備雨水儲存功能，因此結構簡單、成本較低、布置廣泛。主要設計內容包括池容積、閘門、出水流量。

若地處小型匯水區并能預測降雨徑流沖刷高峰，同時污水處理廠規模較小，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中到達雨水池的時間小于20 min的情況。

1.2.2 凈化—調蓄系統

(1)過濾—沉淀復合設施

該復合設施(見圖2)將混合污水預處理和一級處理與儲存結合，格柵過濾池中的過濾格柵攔截大塊固體垃圾，初期雨水則流入污水處理廠。當雨水徑流增加，格柵過濾池內雨水溢流進入雨水沉淀池內沉砂，澄清出水則經過溢流槽和減流渠排入自然水體。

圖2 過濾—沉淀復合系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of filtration-sedimentation composite system

格柵過濾池能夠處理大塊固體垃圾和大顆粒懸浮物，池內入流口下方格柵可以攔截固體垃圾，防止后續設備堵塞。參考德國廢水協會的一系列標準，要保證通過過濾池下級設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的柵條網或者孔徑為6 mm的圓形孔篩網。為保證格柵盡可能保持最大過流狀態，需要人工定期清理。

格柵過濾池適用于周邊衛生情況不佳、地表垃圾較為集中的區域，一般與雨水沉淀池聯合布置。

雨水沉淀池原理上與污水處理廠中的沉砂池相似。從格柵過濾池流入配水槽中的混合污水均勻流經雨水沉淀池，雨水沉淀池充滿之前起存儲作用，充滿開始溢流后起沉砂作用。在上升流速0.1～0.2 m/s、停留時間60 s和矩形水池長寬比超過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的無機顆粒[9]。澄清出水經溢流槽和減流渠排入受納水體。

雨水沉淀池一般與格柵過濾池結合布置，此時雨水沉淀池溢流槽前可以不設單獨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到達雨水池的時間長于20 min的大型匯水區和長徑流歷時情況。

(2)管道增容—調蓄設施

管道增容—調蓄設施利用地下管道中冗余空間進行調蓄，靠近污水處理廠的地下管道有時會擴大管道直徑，增加的容積形成一種特殊的調蓄設施，其功能根據溢流構筑物位置進行變化。這種調蓄方式除了下水道本身以外無附加構筑物。根據溢流情況，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容積和頂端溢流設施，一定程度起到了雨水滯留池的作用，管道容積起到調蓄儲存作用，上部設置的溢流口相當于雨污滯水調節系統中的前置溢流池，因此本質上頂端溢流增容管道屬于溢流類調蓄設施。

頂端溢流增容管道可作為替代雨水滯留池的設施，具有低成本、改造簡單的優勢，適合短徑流歷時地區和上部溢流條件較好的情況。

底部溢流增容管道帶有存儲容積和底部溢流設施，一定程度起到了雨水沉淀池的作用。溢流口設置格柵攔截固體垃圾后，管道本質上類似格柵過濾池與雨水沉淀池聯合布置。而管道內容易堆積沉積物，應在管內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施，適合長徑流歷時地區和下部溢流條件較好的情況。

2 不同功能合流制截排調蓄設施容積計算方法

2.1 設計計算類型

合流制截排調蓄設施容積計算，需要結合地區雨型、頻率、降雨徑流歷時、管道設計標準等因素考慮[10]。從截排調蓄設施功能出發，結合溢流構筑物位置與降雨歷時、匯水區面積等因素，選取適合各調蓄設施的容積計算方法，匯總于表3。

表3 合流制截排調蓄設施容積計算思路Table 3 Volume calculation of intercepting-storage facilities

2.2 截流—調節系統容積計算方法

該計算方法屬于考慮截流倍數的調蓄時間法，根據調蓄時間與系統建成前后的截流倍數確定截排調蓄容積，同時考慮到污染負荷削減因素與調蓄池進水時間。由于截流型調蓄池適合短徑流歷時調蓄作用，同時計算方法適用于短徑流歷時降雨特征，因此適合初步計算雨水滯留池的有效容積。其中進水時間適合選取0.5～1.0 h，應根據雨污混合水水質的初期效應影響程度進行上下限率定。運行后截留倍數由要求的污染負荷目標削減率、當地截流倍數和截流量占降雨量比例之間的關系求得。

若某地區長序列降雨資料充分，則可以通過確定降雨歷時下的入、出流過程線進行容積計算。圖3中陰影部分面積即為雨水滯留池截排調蓄容積，可以通過有限差分等方法進行推算，也可以將入、出流過程線簡化為三角形過程線進行簡化計算[11-12]。

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

2.3 凈化—調蓄系統容積計算方法

凈化—調蓄系統的目的是盡可能對規劃面積內雨水徑流調蓄凈化，因此格柵過濾池截排調蓄容積受匯水區服務面積權重影響較大，截排調蓄容積計算適合采用面積負荷法，這種方法同時考慮降雨歷時與匯水面積，適合受匯水區面積影響較大的截排調蓄設施采用。

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

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

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

3 基于水力模型的合流制截排調蓄容積校核方法

傳統截排調蓄設施容積計算以經驗公式為基準，以池容當量降雨量為根據，雖能夠反映截排調蓄設施功能并且操作簡便，但同時也有缺陷，例如有些經驗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等參數的影響，而實際情況下忽略的參數可能會對容積計算結果產生巨大影響。基于上述原因，近年來國內開始研究基于水力模型的容積計算方法，作為經驗公式法的校核方法。

3.1 目標溢流體積與頻次控制模型

通過溢流控制標準來校核截排調蓄設施容積，標準通常為溢流頻次與體積，模型校核思路見圖4。根據程小文等[13]的研究結果，利用城市排水管網-河道一維水力模型模擬管網合流水量與總溢流體積，從而確定工程中截排調蓄容積，相比傳統經驗公式法能夠更好反映截排調蓄設施在晴天、雨天下的運行狀況，量化溢流頻次與溢流體積，更真實反映截排調蓄設施控制效果。

圖4 目標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 目標徑流污染水質控制模型

以某一水質指標結果作為徑流污染標準，應用暴雨洪水管理模型等模擬校核在控制目標下的截排調蓄設施容積，模型校核思路見圖5。李連文等[14]對工程中初期雨水調蓄設施建模分析，以《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅴ類水標準作為控制目標，結合經驗公式法初步估算容積范圍，并與模型校核調整，最終得出滿足水質控制標準下的截留徑流深度與截排調蓄容積。

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

4 結 語

以不同功能目標需求為導向，將城市合流制截排調蓄系統劃分為截流—調節系統和凈化—調蓄系統，根據截流—調節與凈化—調蓄兩種不同功能需求將現有合流制截排調蓄設施在功能上進行分類。通過對每種功能截排調蓄設施分析討論，結合經驗公式法完成對截排調蓄設施容積計算方法的合理選擇，然后提供了基于水力模型的設施容積計算校核方法與流程，提高了設計參數的科學性并形成了完整的計算體系，對正確選擇、合理設計、精準計量合流制截排調蓄設施具有重要作用。更加詳細的設施功能分類與計算理論體系對提升城市合流制截排系統的精準截污效率，改善城市水體環境，控制黑臭水體反彈均具有重要意義。