流域水環境治理中初雨調蓄池的功能及應用

何慧彬，黃紫龍

(深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518001)

1 項目建設背景

近年來，深圳市龍崗區以全面推行河長制為契機，著力推進治水提質各項工作，在河道綜合治理、污水廠網建設等方面取得重大的突破。2019年以“考核斷面旱季水質達標，全面消除流域內的小微水體，提高污水處理能力，消減雨季入河污染負荷，提高河道水質保證率”為工程目標，以流域為單位開展了2019年龍崗區龍崗河流域消除黑臭及河流水質保障工程，調蓄池可兼具調蓄溢流污水及初期雨水等功能[1]，丁山河調蓄池為本工程建設的7座初雨調蓄池之一。

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

圖1 丁山河流域初雨水質達標方案圖

2 初雨調蓄池的功能

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

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入河道截流管，對丁山河下游及龍崗河干流箱涵，在10mm/1.5h初雨工況下，仍會發生溢流污染。而當在丁山河中下游設置調蓄池后，下游截污管僅收集丁山河下游流域內初雨及少量漏排污水，現狀截污管能夠滿足10mm/1.5h初雨截流規模。因此，在丁山河中下游設置初雨調蓄池，對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穩定達標有著重要意義。另外，調蓄池的調蓄作用可有效調節進廠水質、水量后還可避免對污水處理廠的負荷沖擊[6- 7]。

2.2 中期削減面源污染

當正本清源、雨污分流工程全覆蓋時，雨、污水系統完全獨立，污水全部進入市政污水管，初雨截入沿河截污系統，通過設置調蓄池可收集初雨標準下的面源污染，雨后錯峰排入污水處理廠處理，從而削減大部分的入河面源污染，進一步保障河道水質。

2.3 遠期雨水資源利用

當海綿城市實施到一定程度后，城市管理也達到了一定水平，城區內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，不會影響河道水質，此時調蓄池則可作為雨水收集利用設施。通過調蓄池收集的雨水，可作為旱季對下游河道的補水水源，對河道生態保護、環境增容有著重要意義。

3 初雨調蓄池的設計

3.1 規模計算

根據本項目特點，結合地形、雨水管網、截流(管)箱涵、調蓄池等建立模型，復核截流系統過流能力及調蓄池規模，因此選取DHI MIKE URBAN作為本次建模的方式。根據雨水管網及兩岸截污(管)箱涵信息，包括：檢查井數據、檢查井與管道的拓撲關系、管道形狀、尺寸、管底高程、地面高程、排放口位置等，搭建排水管網模型。

3.1.1子匯水區劃分

確定調蓄池集水區的邊界范圍，使用集水區劃分工具進行子匯水分區的劃分，使每一個入孔對應一個子匯水分區，丁山河調蓄范圍內子匯水分區如圖2所示。

圖2 丁山河調蓄池子匯水分區圖

3.1.2降雨邊界

本工程設計截流標準為10mm/場、降雨歷時1.5h形成的初雨。MIKE URBAN的上邊界條件為降雨過程，如圖3所示。結合本工程特征和深圳市降雨規律，降雨過程采用深圳市暴雨強度公式，根據芝加哥雨型(以1min為單位時段)確定。深圳市暴雨強度公式如下：

(1)

式中：i—暴雨強度，mm/min；P—重現期，a；t—降雨歷時，min。

圖3 設計降雨過程圖(10mm/1.5h)

3.1.3參數設置

集水區參數：本次產匯流模型采用T-A曲線模型，不透水系數根據不同的下墊面類型設置，并參考GB 50014—2021《室外排水設計標準》[8]，道路、建筑物等建成區不透水系數綜合選取0.6，生態區、綠地等區域不透水系數綜合選取0.2。

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

3.1.4計算結果

通過MKE URBAN模型對丁山河調蓄池服務范圍內的區域進行降雨-徑流-管流模擬，如圖4所示，并對模型各個參數的合理調整與優化，使其符合規范要求，較好地反應模擬區域的真實性。

圖4 丁山河調蓄池水位變化過程圖

丁山河調蓄池服務范圍面積為6.29km2，10mm/場、降雨歷時1.5h形成的徑流量，MIKE URBAN模型復核結果為2.30萬m3，擬建調蓄池規模為2.50萬m3，滿足要求。

3.2 布置形式

根據謝玉霞等對調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，流程簡短，注意綠化，盡量考慮到運行管理方便和較好的環境條件。建構筑物間的相互關系，在總圖布置和高程設計時進行統一考慮。調蓄池總圖布置應符合以下原則：①結合現狀地形標高，用綠化帶和道路分隔；②各構筑物之間的距離，需考慮到各種管道施工及維修方便；③考慮設備安裝、運輸的方便。場地現狀地面平坦，高程為29.6～36.8m，調蓄池北側為市政道路，交通便利，可利用現有的公路作為進廠道路。用地主要為調蓄池部分，調蓄池采用多邊形結構，該處丁山河防洪標準為50年一遇，河底高程為22.90m，設計防洪水位28.24m，現狀河道左岸地面高程約為30.92m，右岸高程約為30.2m。調蓄池整體平面布置如圖5所示。

3.3 工藝設計

丁山河調蓄池及附屬設施工程分為初雨收集轉輸系統和調蓄系統兩個部分，其中初雨收集轉輸部分包括黃竹坑水河口雨季水質保障氣盾壩及閘門、花園河河口雨季水質保障氣盾壩及閘門、花園河初雨轉輸管等；調蓄池部分主要包括進水提升系統(進水閘、檢修閘、進水格柵、提升泵房、智能噴射器、排污泵、排砂泵等)、沖洗系統(真空沖洗設備、排砂泵)、通風除臭系統、出水系統和場區排水系統。調蓄池處理工藝如圖6所示。

3.3.1通風設計

丁山河調蓄池內部靜面積為3373m2，考慮找坡和內部梁柱等結構，調蓄池內部空間約2.9萬m3，按每小時換氣2次計算，則調蓄池所需通風量為5.8萬m3/h。因調蓄池通風量不是特別大，本工程采用整體通風方案，把整個調蓄池作為一個整體進行通風設計。風機數量初定為6臺，單臺分機設計通風量為10000m3/h，功率N=4kW，帶閥單層百葉風口420只，設風井6座。

圖6 丁山河調蓄池工藝流程圖

3.3.2除臭設計

由于本工程調蓄池近期主要存儲混流雨水，相比純污水臭氣較淡，且調蓄池存儲混流雨水時間一般為2d，時間比較短，除臭標準參照貯水池及水泵房的換氣次數取1次/h。除臭規模根據調蓄池的有效空間確定，除臭規模為2.9萬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，且可間歇運行，系統主體設備使用壽命可達10年以上，技術可靠且非常穩定，凈化設備無需日常維護，只需接通電源，即可正常工作，運行維護費用極低。生物除臭微生物活性好時除臭效率為75%，耐沖擊負荷差，影響因素多，為保證微生物活性，需連續運行，且養護困難，需頻繁添加藥劑、控制pH值、溫度等，運行維護費用也較高，需經常投放藥劑，以保持微生物活性，而且對循環水要求較高，如微生物死亡將需較長時間重新培養。考慮到本工程臭氣主要來源為初雨調蓄池，濃度較低，同時需要間歇式運行，從運行維護的角度考慮，調蓄池的設計采用離子除臭設備。

3.3.3沖洗設計

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

沖洗廊道設計：本調蓄池根據調蓄池的分隔以及立柱布置間隔約為5～7.5m設置一道隔墻，將調蓄池劃分為10個沖洗廊道，每個沖洗廊道寬度為5～7.5m，沖洗廊道坡度不小于1%，廊道之間隔墻高0.5m。

真空沖洗系統設計：真空沖洗系統廊道寬度最大可做到10m(門式沖洗廊道寬度最大為5m)，設計寬度為5～7.5m，共計10套。

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

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

4 初雨調蓄池的運行模式

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

圖7 丁山河調蓄池雨季運行流程高程圖(高程單位：m)

圖8 丁山河調蓄池運行調度方案示意圖

圖9 丁山河調蓄池建成效果圖

5 結論

初雨調蓄池作為流域水環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，遠期可實現雨水資源利用。目前丁山河調蓄池已建成并處于試運行階段，后續將根據本地降雨特點及目標要求合理確定相關參數，使初雨調蓄池能達到設計預期效果，在流域水環境治理中充分發揮其功能。