智慧截流井在福州市黑臭河道治理中的應用

朱云燕

（福州北控三江口水環境有限公司，福州 350001）

1 工程概況

福州市地處我國東南沿海，河網密布，水系發達，在歷年整治的基礎上，內河環境雖然有所改善，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、內源削減、清水補給、活水循環、水質凈化、生態修復、分步實施、階段見效”為整治總體思路，基于“環境效果”出發，以“水質目標”為導向，通過工程和非工程措施的實施，統籌“流域控制、水陸一體、協同治理”，打造“水環境、水安全、水資源、水生態、水文化、水智慧”六位一體水生態文明格局，達到城市內河的“長治久清”，實現治理區“河暢、水清、岸綠、景美”的總體目標。

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

2 傳統截流井形式

近年來，應用在我國截流井系統中的傳統截流井主要有堰式截流井、槽式截流井、槽堰結合式截流井。

2.1 堰式截流井

堰式截流井是國內外截流式合流制改造中使用較普遍的一種截流井，不需要改變管線標高，也不用減小截流管的高程[1]。堰式截流井是在截流井內設置一道溢流堰，晴天時截流旱流污水，降雨時截流混合污水，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計高程，在設計管道標高受約束的情況下不適用。因未設置截流堰，雨天時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 槽堰結合式截流井

槽堰結合式是截流井在截流井內建造一道較低的溢流堰，并在溢流堰前設置一道截流槽。井內的溢流堰高度可以等其他結構施工結束后結合進水量確定[1]。

3 智慧截流井的優點及分類

傳統的截流井采用堰式、槽式、槽堰結合式的截流設施，在外江水位高時容易倒灌，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、晴天瞬時大流量污水排放不暢的問題。福州市水系經過多輪整治，截流井形式從堰（槽）式1.0 版進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，導致難以“長治久清”。通過總結前面幾輪的經驗教訓，在本項目實施過程中，采用“防倒灌設施+限流閥”的智慧截流井，可有效解決外江倒灌、雨天大量雨水進入污水系統及瞬時溢流的問題。設備形式有下開式堰門、液壓旋轉堰、液壓上開式堰門、傳統螺桿式電動閘門等，應因地制宜，合理選用，以實現經濟合理、操作可靠。

3.1 智慧截流井的優點

相比傳統截流井，智慧截流井的自動化程度較高，智慧截流井在傳統截流井的形式上增加了閘門、雨量計、超聲波液位計等設備，安裝在露天的雨量計能監測降雨量，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傳統截流井的缺陷，主要具備以下優勢:（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現限流，而且能夠避免污水回流；（2）截流高度能夠自動調整，而且能避免河水倒灌；（3）智慧截流井采用水質法、雨量法、時間法和水位法進行控制；（4）智慧截流井可實現多個設備的聯動控制[4]。

3.2 智慧截流井的分類

A 型（下開式液動調節堰+限流閥）截流井，主要特點：（1）閘門為下開式，井室挖深較深，對現場地質或支護條件要求較高；（2）下開式閘門可根據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）閘門提升系統位于地下，不影響地面景觀效果；（5）單價相對較高。A 型截流井見圖1。

B 型（液壓旋轉堰+限流閥）截流井，主要特點：（1）閘門為液動旋轉，井室長度方向較長，適用于狹長空間的施工；（2）旋轉堰可根據河道水位上升而升高，有效防止河道水位倒灌，適用于溢流口標高低于河道常水位的情況；（3）閘門為平面旋轉，安裝不占用高度空間，截流井埋深較淺，施工難度小；（4）因閘門提升系統位于地下，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，短時降雨來不及開閘放水時雨水可從上方溢流，防止內澇。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：（1）閘體不易被雜物堵塞，可靠性高；（2）適用于溢流口標高高于河道常水位的情況；（3）閘門控制系統位于地上，方便檢修維護；（4）閘門根據安裝空間可選擇液壓上開或傳統螺桿式電動閘門；（5）傳統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 截流井在實際河道中的運用

4.1 A 型截流井

當溢流管出口內底低于河道常水位時，采用A型截流井。因閘門提升系統位于地下，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，東西河廣達路有一根DN1200 雨污混接管直排入河，地面標高6.11m，雨污混接管內底標高3.52m，河道常水位3.85m，由于該雨水排口標高低于河道常水位標高且周邊位置開闊，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，截流井內底標高為3.0m。最高擋水高度為4.5m，高于河道常水位3.85m，可保證平常運行時河水不倒灌。A 型截流井現場安裝情況見圖4。

4.2 B 型截流井

當溢流管的出口內底低于河道常水位，而且截流井周邊緊鄰建筑物或者沒有條件深度開挖時，采用B型截流井。因閘門提升系統位于地下，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，本項目的大慶河緊鄰工業路，工業路為市區主要交通干道，工業路上早期修建的直排入河的雨水管，由于前端污水的混接，在晴天時會有污水流出，需對直排入此處外河的排口進行控源截污治理。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，因此此處不適合安裝上開式閘門截流井。該雨水管進水管徑為DN1000，地面標高7.47m，雨污混接管底標高4.62m，河道常水位標高4.75m。由于溢流管的出口標高低于河道常水位，而且截流井上方有通行需求，此處采用B 型截流井。晴天時截流后污水進入周邊市政干管，雨天時通過超聲波液位計及雨量計控制閘門的啟閉，保證雨天雨水入河不內澇。B 型截流井現場安裝情況見圖5。

圖4 A 型截流井現場安裝情況圖

圖5 B 型截流井現場安裝情況圖

4.3 C 型截流井

當溢流管的出口內底高于河道常水位時，采用C 型截流井。閘門控制系統需露出地面以上，便于后期的運維管理，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拆除了雜物間，步道在最開闊處有12m，陸莊河在西洪小區邊上有直排入河的DN1200混接排口，地面標高7.86m，雨污混接管底標高4.84m，河道常水位4.68m。由于溢流管標高高于河道常水位，而且步道較開闊，因此在此處設置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，截流井設置在步道邊上，露出地面的控制系統采用花箱進行圍擋，既起到美化景觀的作用，又能防止周邊居民對控制系統進行操控，保證了截流系統的安全運行。C 型截流現場安裝情況見圖6。

圖6 C 型截流井現場安裝情況圖

5 截流井的控制運行

5.1 構造

智慧截流井由構筑設施與設備組成，構筑設施包括進水管、出水管（至河道）、截污管（至污水處理廠）；設備包括液動旋轉堰門（下開式液動調節堰、上開式閘門）、液動限流閥、攔渣濾網、超聲波液位計、攝像頭、控制系統[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

當河道水位上升時，超聲波液位計將信號傳送給控制室，控制室控制液動旋轉堰門旋轉上升，使堰頂始終比河道水位高150mm，防止河水倒灌。當河道水位下降時，液動旋轉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。

當發生強降雨時，洪水可以從旋轉堰門上方溢流，不會因未及時打開閘門而造成內澇，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

液動限流閥處于開啟狀態，液動旋轉堰門處于關閉狀態，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 液動旋轉堰防止河水倒灌示意圖

圖9 液動旋轉堰防止河水倒灌示意圖

圖10 智慧截流井晴天運行示意圖

圖11 智慧截流井在初雨期運行示意圖

5.3.2 降雨時（井內水位＜警戒水位）

在到達警戒水位時液動旋轉堰門關閉，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定流量（見圖11）。

5.3.3 降雨時（井內水位＞警戒水位）

關閉液動限流閥，可確保雨水不倒灌進入污水系統；開啟液動旋轉堰門，可確保不內澇，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行示意圖

5.4 智能控制系統

智慧截流井設備的智能控制系統包含由雨量計，液位計構成的傳感子系統，通訊模塊、控制模塊和控制邏輯構成的自動控制子系統。

通過超聲波液位計和雨量計調控閘門的啟閉，可實現設備的自動控制、遠程管理功能，還可以實現與一體化提升泵站、一體化泵閘、鋼壩控制系統的聯動[5],同時搭建智慧水務平臺，基于地理信息系統（GIS）地圖與數據可視化的一體化管理平臺，將設備接入控制終端，可實現數據的實時監控、采集及遠程操控，從而實現城市排水系統的智能化管理（見圖13、圖14）。

圖13 A 型智慧截流井控制系統畫面

圖14 B 型智慧截流井控制系統畫面

6 結語

新型智能化截流井對傳統的截流式合流制與完全分流制進行了改進，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，節省投資。減少進入污水泵站和污水處理廠的流量，可節省污水泵站和污水處理廠的投資及運行管理費用，同時有效保證污水和初期雨水優先流入截流主干管，達到保護水體和滿足污水處理廠水質要求的目的，具有較好的經濟效益和環境效益。

新型智能化截流井通過超聲波液位計及雨量計調控閘門的啟閉，可實現設備的自動控制。搭建智慧水務平臺，通過系統集成，將設備接入控制終端，可實現數據的實時監控、采集、分析及遠程操控，從而減少人工成本。