初期雨水調蓄池進水方式比較及設計案例

葉 寧

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

近些年來，國內多地頻發極端降雨天氣，對于人員安全以及農業發展等產生了嚴重不利的影響，特別是徑流污染等問題的發生直接影響到了城市企業的生產和居民的生活，并成為一個普遍關注的環境問題[1]。徑流污染的形成與城市化進程加速密切相關，致使初期雨水中存在較多的污染物，進一步加劇了污染。在一些研究中指出，初期雨水是受納水體面源污染的主要來源，對于水體水質會產生顯著的影響[2]。研究發現，影響主要與存在于初期徑流雨水內的殘留污染物有關，如果此類物質排入到河道中，必然會導致較大程度的污染問題，影響到水中生物的生存，繼而引發惡性循環。綜合考慮到上述問題，有必要針對初期雨水進行深入研究，結合存在的問題制定針對性的防范策略，最大限度降低初期雨水對于周邊環境的不利影響。

在一些管網系統建設過程中采用了增大截留倍數的方式，由此將初期雨水量進行截留。但是受到瞬時流量大等因素的影響，此類措施并不能保證達到較好的效果[3]。

一些國家針對上述問題進行了大量的研究，提出了不同類型的解決對策，并且在實際應用中取得了一定的效果，其中一種常用的技術是建設初期雨水調蓄池，可用于對初期雨水污染進行控制，減少污染，該技術也成為控制城市內澇和徑流污染最常用的工程措施之一。初期雨水調蓄池的建設具有重要的作用，能夠有效減少進入到地塊周邊城市河道的初期雨水，降低對周邊水環境的負面影響，有助于改善水質，并為城市居民提供優質的水環境。

很多城市已經開始建設初期雨水調蓄池，上海作為國內最早建設初雨調蓄池的城市之一，也在謀劃新一輪的初雨調蓄池建設。為貫徹上海和區域新一輪城市總規（2035 版規劃）對城鎮雨水排水的要求，全面落實《上海市水污染防治行動計劃實施方案》、《上海市城鎮雨水排水規劃（2020—2035 年）》、《上海市污水處理系統及污泥處理處置規劃（2017—2035）》和市局相關文件（水務局533號文等）等相關工作要求，提升上海的排水安全和水環境質量，目前各區均在加快深化完善區級雨水排水規劃編制，落實全市雨水規劃指標，明確初雨調蓄設施建設要求和計劃安排。十四五期間全市規劃建設的初雨調蓄池均需開工，同時其中的30%需建設完成并運行。這對初期雨水調蓄池的設計和施工提出了更高的要求。

1 初期雨水調蓄池簡介

雨水調蓄池按照主要功能不同可以分為控制城鎮雨水徑流和溢流污染的調蓄池、內澇防治和應急削峰調蓄池、雨水管渠提標調蓄池以及雨水綜合利用調蓄池。初期雨水調蓄池是以控制雨水徑流和溢流污染為主要功能的一種構筑物，能夠儲存在降雨初期形成的污染物濃度比較高的地表徑流，是緩解受納水體面源污染的有效措施。

根據《城鎮徑流污染控制調蓄池技術規程》（CECS416:2015）,城鎮徑流污染主要包括兩種形式，一是通過降雨和地表徑流沖刷，將城鎮大氣和地表中的污染物帶入受納水體；二是在合流制排水系統中，超過截流倍數的雨污水溢流進入受納水體，使受納水體遭受污染。初期雨水調蓄池能夠較好地解決上述兩種情況造成的徑流和溢流污染。

一些發達國家很早開始對城市徑流污染問題進行了研究，從20 世紀70 年代開始，美、日等國逐步采用了初期雨水調蓄池，以應對頻發的徑流污染問題。國內在此領域研究晚一些，在理論研究以及技術應用等方面相對于上述國家均存在一定的差距。隨著國內徑流污染等問題的出現，一些城市紛紛采用了建立初期雨水調蓄池的應對方式，并取得了積極的作用，代表性的城市包括上海、深圳等。

在20 世紀末期，為了解決在旱季污水排入蘇州河的問題，上海提出一系列針對合流制排水系統的污染控制管理措施和工程措施。在蘇州河二期治理過程中，上海分別建立了江蘇路、夢清園、昌平、成都路和芙蓉江調蓄池，服務面積為306 hm2，總體積達到7.26 萬m3。其中，成都路雨水調蓄池容積為7400 m3；夢清園調蓄池總容積30000 m3，有效調節容積為25000 m3。昌平調蓄池有效容積為15000 m3，調蓄時間為1 h，能夠容納服務片區內6 mm 的雨水量。這些措施的實施產生了積極的影響，顯著降低了蘇州河的污染負荷，降幅基本達到了50%[4]。作為國內第一個投入工作的雨水調蓄池，蘇州河成都路雨水調蓄池已經在運行過程中發揮了重要的作用，同樣為國內其他地區治理此類問題提供了典范。后續包括上海市桃浦污水處理廠等也改為調蓄池，對于初期雨水污染控制產生了顯著的效果[5]。

在初期雨水調蓄池規劃設計過程中需要綜合考慮到多方面的因素，通常情況下需要結合排水系統的雨水泵站進行布置，一般可以與其進行分開建設或者是合建，前者指的是獨立對泵房和調蓄池進行設置，基坑開挖的深度相對較小；后者一般用于用地受限的情況，指的是在泵房下部位置疊放調蓄池的設計方式，在疊放之后增大了基坑開挖深度，提高了工作量，同時也增大了施工的成本。所以在選擇布置方式時必須綜合考慮到多方面的因素，包括工期、工程難度以及成本等，在此基礎上選擇最優的方案，科學設置調蓄設施，由此滿足可靠性、實用性以及經濟性的要求。一般是根據先淺層后深層、先地上后地下的原則，按照需求有序建設初期雨水調蓄設施。

初期雨水調蓄池的出水，一般是在雨停之后12～24 h 內，由下游污水管道輸送至末端污水處理廠處理達標后排入受納水體。

2 初期雨水調蓄池進水方式比較

2.1 初期雨水調蓄池進水方式分類

調蓄池進水可采用重力進水、水泵進水或兩者相結合的形式。

（1）重力進水

初期雨水通過重力自流進入調蓄池，該進水方式保障性較高，可避免因水泵等設備故障導致的無法進水問題，但要注意調蓄池最高設計水位應低于泵站的設計最低水位。

（2）水泵進水

初期雨水通過水泵提升進入調蓄池，一般是在調蓄池埋深受限、無法滿足重力進水的要求或者用地較為寬裕需要節省建設投資時采用。該形式有兩種類型，一種是用雨水泵房的放江泵提升，另一種是新建獨立泵房提升。雨水泵房的放江泵一般流量較大、揚程較低，與調蓄池所需的水泵流量和揚程不一致，且運行時模式切換較為復雜，一般推薦采用新建獨立泵房提升的方式。

（3）重力與水泵進水相結合

該方式將上述兩種方式結合起來，在降雨初期水位較低調蓄池內水位還未達到泵站的設計最低水位時通過重力進水，當水位繼續上升后通過閘門切換啟動水泵采用水泵提升進水。該模式可取得上述兩種進水方式的平衡，既節約了重力進水部分的運行費用，又降低了調蓄池的整體埋深節省了工程費用。

2.2 重力進水與水泵提升進水的比較

當前在調蓄池運行中廣泛采用了重力進水方式，具備了較高的可靠性與穩定性，可顯著降低初期雨水面源污染。在此模式下為了減小占地面積，在一定計算容積條件下調蓄池一般較深，土建造價費用高，經濟性不佳，尤其是圍護形式從灌注樁升級到地連墻之后造價增幅比較明顯。目前上海的調蓄池基本都采用重力進水的方式，由于調蓄池的深度較高，壓力大而容易對設備運行產生不利的影響，引發一定的隱患；防汛過程中必須考慮到進水水位的影響，如果其超過防汛水位，則防汛將受到負面影響[6]。

在無法達到重力進水要求的情況下，選擇水泵提升進水方式是比較合適的，進水時間一般為0.5～1.0 h，但調蓄池進水泵不應影響防汛泵站本身的防汛配泵和電氣配置能力。該方式會增加水泵等設備投資和部分泵房空間的土建投資，運行費用也會增加，但因調蓄池埋深可降低3～5 m，土建費用節省較多，尤其是圍護可從地連墻形式可改為灌注樁形式后，節省投資的優勢更為明顯。調蓄池深度降低后，可降低施工難度，也可以應對不良地質條件。調蓄池的進水方式對于調蓄池雨量調控、截留效果以及操作安全都有較大影響。重力流進水難以保證良好的水位控制效果；而選擇水泵進水方式有助于解決上述問題。

因此在選擇進水方式時應該充分考慮到多方面的因素，包括調蓄池位置等[7]，其中在池體位置較高、較低的兩種情況下，應該分別選擇水泵進水、重力進水方式。另外，還應該考慮到進水水位，如果其相對于防汛水位更高，則應該選擇水泵進水方式。

除了上述因素之外，在設計過程中還必須考慮到暴雨等極端天氣導致的安全問題，需要盡可能減少長距離輸水的情況。

3 重力與泵提升協同進水設計案例

3.1 概況

本調蓄規池規模取10700 m3，位于現狀雨水泵站西側，目前是荒地。平面布置見圖1。本工程在現狀雨水泵站西側有較大范圍的空地，如能將調蓄池盡量做淺，并通過水泵提升進水以利用淺層空間，可將結構圍護形式限制在用不到地連墻的程度，以節約工程投資。調蓄池主體工程為地下式，除臭設備設置于地下夾層內，通風設備設置于地上暖通機房內。

圖1 工程選址位置及平面布置圖

調蓄池在原泵站用地基礎上新增西側用地約2052 m3。規劃用地性質為防護綠地，調蓄池室外設計地坪標高4.80 m（吳淞高程）。

調蓄池地上部分暖通機房、格柵除臭罩與檢修孔及檢修平臺、通風井合計面積約130 m3。其中，暖通機房為上部建筑，建筑面積68.94 m3。格柵除臭罩與檢修孔及檢修平臺等合計約50 m2，通風井8m3。

除臭設備置于地下夾層中。

除建筑物、檢修平臺及檢修孔外，用地范圍內包括調蓄池頂部均設綠化。綠化盡量體現海綿城市的建設理念，擬采用植草溝、下凹式綠地、屋面雨水斷接等海綿城市措施。

3.2 調蓄池進水方式比選

本工程調蓄池位于地下，根據設計水位及市政管網標高情況，設計進水可采用重力進水和水泵提升協同進水（地下淺池）與重力進水（地下深池）二種方式，放空方式可采用水泵強排放空。

對上述二種方式進行比選，結果見表1。

表1 調蓄池進水方式比選

方案一重力進水和水泵提升協同進水（地下淺池）：方案整體平衡性最佳，運行相對安全，投資相對節省，地面建筑物少；

方案二重力進水（地下深池）：進水模式較為簡單，運行簡易安全，地面建筑少，但埋深較大投資較高，影響到了經濟效益；

綜合考慮投資、運行安全性和難易程度，如采用方案二重力進水（地下深池）投資增加較大，推薦選用方案一重力進水和水泵提升協同進水（地下淺池）方案，水泵強排放空的模式。

3.3 調蓄池主要構筑物設計

（1）進水管

為滿足調蓄池進水需求，同時保證調蓄池有效進水，調蓄池進水管為φ2700 鋼混凝土管55 m，自現狀泵站進水井接入調蓄池進水格柵間。進水管采用開槽施工，埋深約9.6 m。主要設計參數如下：

設計流量：7.20 m3/s（4 臺雨水泵流量）。

管徑：φ2700 mm。

流速：1.26 m/s。

中心標高：-2.95 m。

管材：鋼混凝土管。

（2）進水閘門

進水閘門采用液控不銹鋼閘門，規格為φ2700，閘門啟閉速度0.5 m/min。閘門的泄漏量不大于1.0L/（min·m）（密封長度）。

（3）格柵間

調蓄池進水前需經過格柵除污機進行預處理，格柵渠道寬2000 mm，柵條間隙20 mm，共2 臺。

（4）新建調蓄池進水泵房

泵房剖面見圖2。

圖2 進水泵房剖面設計圖（單位：mm）

設置4 臺軸流泵，流量滿足0.5 h 內裝滿調蓄池有效容積的要求，不設置備用，考慮20%的安全系數，單臺流量1.8 m3/s，揚程5.8 m，電機功率200 kW。軸流泵的主要設計參數如下：

水泵臺數：4 臺。

水泵流量：1.8 m3/s。

水泵揚程：5.8 m。

開泵水位：-4.5 m/-4.0 m/-3.5 m/-3.0 m（開泵臺數：1/2/3/4）。

停泵水位：0.3 m/0.8 m/1.3 m/1.8 m（停泵臺數：1/2/3/4）。

（5）調蓄池

調蓄池采用地下式，內凈尺寸約為72 m×23 m，內設4 艙，單艙凈寬5.3 m。設置4 套門式水力沖洗系統。調蓄池設計有效水深為8.4 m。設計最高水位取1.80 m。調蓄池頂部部分為綠化。

調蓄池平面見圖3。

圖3 調蓄池平面設計圖（單位：mm）

（6）新建調蓄池放空泵房

調蓄池設計放空時間為24 h，通過水泵放空，放空泵集水池內共布置2 臺潛污泵，1 用1 備，外部條件允許時可2 用12 h 內放空，單泵流量450 m3/h，揚程12.7 m，電機功率22 kW。

水泵臺數：2 臺（1 用1 備）。

水泵流量：450 m3/h；。

水泵揚程：9.1 m。

開泵水位：1.8 m（調蓄池水位）。

停泵水位：-8.3 m（調蓄池水位）。

（7）放空管道

調蓄池放空管道管徑DN400，長度約20 m，接入化工路西側綠化帶內新敷設的φ600 污水管道。調蓄池放空管道主要設計參數如下：

放空水深：9.1 m。

放空體積：10700 m3。

放空管直徑：DN400 一根。

管材：鋼管。

放空流量：0.125 m3/s。

放空管運行時間：24 h。

（8）配套建筑

暖通機房68.94 m3，位于調蓄池頂東南角；除臭設備設于地下夾層頂部設排放口，格柵除臭罩、檢修平臺包括吊裝孔等面積總計約50 m3，通風井8 m3；配電間并入現狀南大北泵站變配電間合并設置。

3.4 調蓄池雙碳戰略應用

為實現“碳達峰，碳中和”目標，可充分結合雨水調蓄設施的場地空間布局，設置分布式光伏發電系統與儲能消納一體化應用裝置，在充分發揮雨水調蓄設施功能的基礎之上，提高可再生能源用裝置，在充分發揮雨水調蓄設施功能的基礎之上，提高可再生能源的滲透比例與消納能力，實現雨水調蓄設施的綠色低碳運行。

針對本調蓄池的應用場景及運行工況，本工程設置一套光儲直柔一體化智能系統，該系統集成市電、光伏、儲能、能量轉換裝置、直流配電、柔性控制器于一體，通過750 V 直流母線為調蓄池放空泵以及直流負荷供電，同時根據天氣情況及系統調度指令對調蓄池不同運行工況下的能量消耗進行調節控制，優先高效利用光伏可再生能源，實現系統性的節能降碳，可進一步減少污染，降低成本，改善綜合效益。

3.5 調蓄池運行調度[8，9]

（1）晴天模式：不使用調蓄池，將進水閘門關閉。

（2）進水模式：雨天時開啟調蓄池進水閘門，先是重力進水，待調蓄池水位分別升高至-4.50 m、-4.00 m、-3.50 m、-3.00 m 后，依次啟動4 臺調蓄池雨水泵進水。

（3）滿水模式：當調蓄池內液位分別到達0.30 m、0.80 m、1.30 m、1.80 m 時，依次關停調蓄池雨水泵，當水位到達1.80 m 時，關閉調蓄池進水閘門，雨水進入雨水泵房排放河道。

（4）調蓄池排空模式：在液位為1.80 m 的情況下執行對應的控制操作，使得進水閘門、放空泵分別處于關閉、開啟狀態，將調蓄池調蓄的初期雨水用泵放空至化工路新敷設的DN600 污水管中。當液位達到-8.30 m 時，調蓄池排空結束，關停放空泵。

（5）沖洗模式：調蓄池放空后，關閉進水閘門，開啟門式自沖洗設施，對調蓄池進行沖洗。

（6）存水放空模式：開啟放空泵，對沖洗水進行放空。

4 結論

（1）為控制區域性面源污染，在雨水排水系統末端建設初雨調蓄池是十分必要的；

（2）為貫徹落實“雙碳戰略”，可在調蓄池頂部設置光伏發電系統，實現節能降碳；

（3）調蓄池進水可采用重力進水、水泵進水或兩者相結合的形式，從經濟效益的角度建議采用重力與泵提升協同進水的方式。