陳重遠(yuǎn)

［上海機(jī)場(集團(tuán))有限公司虹橋國際機(jī)場公司，上海 200335］

1 項(xiàng)目背景

研究分析的某一合流制排水系統(tǒng)位于上海市普陀區(qū)，緊鄰蘇州河，服務(wù)范圍為208 hm2。該排水系統(tǒng)始建于20世紀(jì)60年代，上世紀(jì)70～80年代進(jìn)行改造和擴(kuò)建，排水體制為合流制，由于由多個(gè)較小的排水系統(tǒng)組合而成，標(biāo)準(zhǔn)各不相同。有的排水標(biāo)準(zhǔn)為暴雨重現(xiàn)期P=0.5 a，徑流系數(shù)Ψ=0.5；有的排水標(biāo)準(zhǔn)為暴雨重現(xiàn)期P=0.5 a，徑流系數(shù)Ψ=0.4。服務(wù)范圍內(nèi)的旱流污水和截流倍數(shù)確定的截留初期雨水分別截流至合流污水總管，輸送至污水處理廠處理，已敷設(shè)DN300～DN2400排水管道約5.8 km，建有污水截流泵站2座，雨水泵站3座，泵站總裝機(jī)容量619 kW，污水截流量為2.91 m3/s，雨水排放量僅為2.84 m3/s，遠(yuǎn)沒有達(dá)到規(guī)劃目標(biāo)。

該排水系統(tǒng)所轄區(qū)域的合流制系統(tǒng)采用水泵截流的方式截流旱季污水和初期雨水，但已建成的截流設(shè)施不完善，截流方式不合理，截流量難以控制，大量污水和初期雨水仍然溢流至蘇州河。尤其是某些地區(qū)，排水系統(tǒng)內(nèi)無任何截流設(shè)施，大量污水和初期雨水直接排入蘇州河，嚴(yán)重影響了蘇州河的水環(huán)境質(zhì)量，限制了蘇州河環(huán)境治理項(xiàng)目工程效益的發(fā)揮。

為適應(yīng)上海國民經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)飛速發(fā)展的新形勢，實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展，全面提升城市水環(huán)境質(zhì)量，阻斷危害蘇州河水質(zhì)的污染源，加快低標(biāo)排水系統(tǒng)改造工程的實(shí)施，是十分必要和迫切的。

2 項(xiàng)目特點(diǎn)和應(yīng)對措施

2.1 污水量的預(yù)測

該排水系統(tǒng)大部分為建成區(qū)，區(qū)內(nèi)占絕大多數(shù)的污水量應(yīng)為現(xiàn)狀污水量，其余部分為舊區(qū)改造產(chǎn)生的新增污水量，由此得出污水量有以下5部分組成：

（1）納入該排水系統(tǒng)通過區(qū)內(nèi)已建泵站排放的污水量；

（2）納入周邊鄰近地區(qū)排水系統(tǒng)的污水量；（3）地區(qū)改造新增的污水量；

（4）工業(yè)區(qū)改造新增的污水量；（5）在建住宅小區(qū)新增的污水量。

據(jù)此計(jì)算地區(qū)平均旱流污水量為2.37萬m3/d，設(shè)計(jì)污水總量為2.6萬m3/d，地下水滲入量按旱流污水量的10%計(jì)。

該地區(qū)屬于蘇州河支流污水截流工程研究范圍，支流截污工程中對該地區(qū)的旱季污水總量預(yù)測為5.44萬m3/d。

根據(jù)《上海市中心城分區(qū)規(guī)劃說明-普陀》，該排水系統(tǒng)的規(guī)劃污水量為1.55萬m3/d。采用規(guī)劃方法計(jì)算出的污水量小于目前納入排水系統(tǒng)的泵站排放量。原因分析后認(rèn)為，該地區(qū)屬合流污水治理一期工程、六支流工程的研究范圍。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，該區(qū)域?qū)儆诠I(yè)區(qū)，污水產(chǎn)生量較大，隨著區(qū)域定位和規(guī)劃調(diào)整，大部分區(qū)域由工業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榫幼∮玫?，污水量相?yīng)變化，而采用規(guī)劃方法計(jì)算出的污水量并不能完全反映該地區(qū)的實(shí)際污水排放量，而采用分析研究現(xiàn)狀排水量的方法計(jì)算出的污水量應(yīng)更為準(zhǔn)確可靠，更能反映當(dāng)前和未來該地區(qū)污水量變化的趨勢。因此，該工程的設(shè)計(jì)污水量確定為2.6萬m3/d。

2.2 減少初期雨水對河道的污染

2.2.1 初期雨水的特征

初期雨水由于挾帶了大量地面路面污染物，其水質(zhì)往往較差，加之雨水進(jìn)入管道后，會(huì)使管道內(nèi)的沉泥翻動(dòng)，使進(jìn)入泵站的初期雨水水質(zhì)會(huì)和污水的濃度相差不多，特別是合流制排水區(qū)域，雨天時(shí)合流污水的BOD5濃度與晴天時(shí)污水BOD5濃度非常接近，甚至發(fā)現(xiàn)在發(fā)生溢流初期，溢流水質(zhì)較晴天污水水質(zhì)更差的情況，經(jīng)對上海合流制泵站雨天水質(zhì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，也得到了類似的結(jié)果。

2.2.2 控制初期雨水污染物的重要手段

雨水調(diào)蓄是調(diào)節(jié)高峰流量，控制分流制和合流制排水系統(tǒng)初期雨水污染物的重要手段。近年來該課題的探討已經(jīng)成為國內(nèi)排水工程界研究的熱點(diǎn)之一。在這一領(lǐng)域，國外發(fā)達(dá)國家有許多先進(jìn)成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。目前，發(fā)達(dá)國家的雨水排水管理正逐步擺脫過去傳統(tǒng)的孤立考慮水患控制的思路，從僅關(guān)注管道末端快速排除雨水，轉(zhuǎn)向?qū)⒊鞘猩鷳B(tài)、環(huán)境保護(hù)、與水資源利用統(tǒng)籌考慮的綜合管理理念，國外城市雨水綜合管理的主要內(nèi)容包括：

（1）從單純重視工程技術(shù)措施轉(zhuǎn)向工程措施和法律法規(guī)管理、養(yǎng)護(hù)并重；

（2）從偏重大型處理設(shè)施轉(zhuǎn)向同時(shí)注重中小型就近收集、處理設(shè)施；

（3）用源頭控制代替管道末端集中處理，降低雨水徑流量和合流制管道的溢流；

（4）關(guān)注就地處理、雨水蓄滲回用利用；

（5）盡可能采用接近自然生態(tài)的雨水排水系統(tǒng)，保護(hù)生態(tài)、促進(jìn)良性循環(huán)。

2.2.3 雨水調(diào)蓄的工程目標(biāo)

雨水調(diào)蓄就是這些全新的思路和理念在工程措施上的具體體現(xiàn)，采用雨水調(diào)蓄主要可以達(dá)到兩方面的工程目標(biāo)。

2.2.3.1 形式多樣的調(diào)蓄措施為提高城市抗洪防汛標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)造了條件

發(fā)達(dá)國家一方面在防汛設(shè)施上有較大投入，建立比較完善的防汛安全體系，另一方面，建設(shè)形式多樣的調(diào)蓄措施，為防汛安全提供了輔助作用。由于雨水設(shè)施使用頻率不高，如果無限制提高標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)施的利用率降低，經(jīng)濟(jì)上也不盡合理。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的角度進(jìn)行綜合分析考慮，通過設(shè)置調(diào)蓄池將降雨過程中超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的雨量暫時(shí)儲(chǔ)存起來，待雨停或排水系統(tǒng)設(shè)施空余時(shí)，再輸送排放，這種方法較好地解決了投資和規(guī)模的矛盾，尤其適應(yīng)于系統(tǒng)建成后需再提高標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)。另外，國外還有一種較為通常方法是將一些室外停車場、公共綠地、娛樂設(shè)施、健身場地等作為調(diào)蓄用途，將其地面標(biāo)高比一般的地坪低，一旦降雨量超過管道允許的承受量時(shí)，就利用這些場所做臨時(shí)的調(diào)蓄，這實(shí)際上是另一種十分經(jīng)濟(jì)且行之有效的辦法，中國2010年上海世博會(huì)城市最佳實(shí)踐區(qū)內(nèi)的荷蘭鹿特丹案例館，就是一個(gè)水廣場，值得人們認(rèn)真思考。

2.2.3.2 減少雨水排放對水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生的影響

發(fā)達(dá)國家對初期雨水的處理十分重視，德國將超過合流管道和泵站截流能力的污水和初期雨水暫時(shí)儲(chǔ)存在調(diào)蓄池內(nèi)，待管道有空余能力時(shí)再輸送至污水處理廠處理后排放。有些國家則利用調(diào)蓄池作為預(yù)沉池，將較大的顆粒預(yù)沉后排放。使用雨水調(diào)蓄的方法，實(shí)際上達(dá)到了提高截流倍數(shù)，減少合流污水排放量的目的。

本文研究的排水系統(tǒng)是已建截流式合流制排水系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的旱季污水和初期雨水通過截流泵站截流，過量雨水通過雨水泵站溢流至蘇州河?，F(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)表明，雖經(jīng)截流，溢流的合流污水中仍含有大量的污染物，雨季時(shí)仍對蘇州河水質(zhì)造成相當(dāng)程度的污染。為削減雨季時(shí)沿岸泵站對蘇州河大量排放的污染物，在無法提高截流總管和輸送泵站輸送能力的前提下，建設(shè)雨水調(diào)蓄池是控制泵站排江量的有效手段。

該系統(tǒng)經(jīng)低標(biāo)改造后仍維持合流制排水系統(tǒng)，并通過水泵截流的方式截流旱流污水和初期雨水，截流倍數(shù)n0=3，旱季污水和初期雨水的出路為合流污水輸送總管，并通過泵站提升后送往城市污水處理廠處理后達(dá)標(biāo)排放。在不可能增加合流輸送總管和泵站輸送能力的前提下，建設(shè)調(diào)蓄設(shè)施是大幅度減少地區(qū)雨水溢流量，提高系統(tǒng)截流倍數(shù)的有效方法。

2.3 地下調(diào)蓄池的設(shè)置規(guī)模和工程效益分析

2.3.1 調(diào)蓄池設(shè)置規(guī)模

參考德國廢水協(xié)會(huì)“ATVArbeitsblattA1281992”標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)蓄池容積按下式計(jì)算：

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；12≤VSR≤40，一般可取 20；

AU——非滲透面積；AU=系統(tǒng)面積×徑流系數(shù)。

該排水系統(tǒng)面積為208 hm2，綜合徑流系數(shù)Ψ=0.52，代入上式計(jì)算調(diào)蓄池容積，V=1.5×20×208×0.49=3 057.6（m3），設(shè)計(jì)調(diào)蓄池體積 V 取3 500m3。

上海暴雨重現(xiàn)期P=1a時(shí)的降雨量為35.5mm/h，因此調(diào)蓄池相當(dāng)于截取1 a降雨頻率5.75 min的降雨量。

2.3.2 工程效益分析

雨水調(diào)蓄池采用和污水截流雨水泵房合建的形式。晴天時(shí)，污水截流泵房輸送旱季污水量。雨季時(shí)，降雨量未超過截流倍數(shù)，由污水截流泵輸送旱流污水和初期雨水；降雨量超過截流倍數(shù)，合流污水溢流入調(diào)蓄池儲(chǔ)存，同時(shí)污水截流泵仍繼續(xù)輸送旱流污水和初期雨水。調(diào)蓄池蓄滿后，污水截流泵仍繼續(xù)輸送旱流污水和初期雨水，過量雨水則由雨水泵提升后排入蘇州河，待合流污水輸送總管有空余能力時(shí)，調(diào)蓄池通過污水截流泵及時(shí)排空，并沖洗清理干凈，以備下次使用。

合建式泵站如圖1所示。

為計(jì)算調(diào)蓄池工程效益，需要引入污水量當(dāng)量降雨強(qiáng)度的概念，該地區(qū)旱流污水量的當(dāng)量降雨強(qiáng)度為：

截流倍數(shù)為3，則截流初期雨水降雨強(qiáng)度為3.0 mm/h。

為定量分析降雨、調(diào)蓄和溢流的關(guān)系，根據(jù)上海市中心氣象臺(tái)提供的小時(shí)降雨統(tǒng)計(jì)資料，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理如表1所列。

3 a平均降雨量為1 414.3 mm。

建設(shè)截流設(shè)施后，初期雨水被截流，過量雨水則溢流至蘇州河，增加截流設(shè)施后溢流量如表2所列。

建設(shè)截流設(shè)施后，每年平均溢流量467.0 mm，溢流率為33.0%，可見建設(shè)截流設(shè)施后，大部分的初期雨水被截流，雨季時(shí)溢流入蘇州河的雨水量明顯減少。

在建設(shè)截流設(shè)施的基礎(chǔ)上，再輔助雨水調(diào)蓄設(shè)施，將進(jìn)一步減少雨季溢流雨水量，增加雨水調(diào)蓄池后溢流量如表3所列。

增加雨水調(diào)蓄設(shè)施后，每年平均溢流量減少至337.1 mm，溢流率降低為23.8%，溢流量減少了129.9 mm，溢流率減少了9.2%。假設(shè)初期雨水CODcr平均濃度為300 mg/L，則增設(shè)雨水調(diào)蓄池后，每年可減少CODcr排江量39 776 kg。

由此可見，新師大排水系統(tǒng)建設(shè)雨水調(diào)蓄池3 500 m3后，可在截取3倍初期雨水的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減少雨季時(shí)的溢流次數(shù)和溢流量，達(dá)到大幅削減排入蘇州河污染物總量的工程目標(biāo)。

表1 近年降雨量統(tǒng)計(jì)表（單位：mm）

表2 建設(shè)截流設(shè)施后溢流雨水量統(tǒng)計(jì)表（單位：mm）

表3 建設(shè)雨水調(diào)蓄設(shè)施后溢流雨水量統(tǒng)計(jì)表（單位：mm）

2.4 調(diào)蓄池沖洗方式選擇和優(yōu)化

初雨徑流中夾帶大量地面和管道沉積污物雜質(zhì)，初雨調(diào)蓄池在使用后底部不可避免滯留沉積雜物，初期雨水儲(chǔ)存在池內(nèi)數(shù)小時(shí)，水中污物物會(huì)沉淀，如果不及時(shí)清理會(huì)造成污染物變質(zhì)，產(chǎn)生異味。因此在設(shè)計(jì)初期雨水調(diào)蓄池時(shí)必須考慮對底部沉積物的有效沖洗和清除。

調(diào)蓄池的沖洗有多種方法，各有利弊。隨著節(jié)能減排政策的要求，產(chǎn)生了越來越多的環(huán)保節(jié)能型的沖洗設(shè)施和方法。調(diào)蓄池通常采用的沖洗措施有人工清洗、水射器沖洗、水力翻斗沖洗、連續(xù)溝槽自清沖洗和門式自沖洗等。

經(jīng)過研究和比較，確定在水力翻斗沖洗和門式自沖洗系統(tǒng)中選定該工程的最終沖洗方式。

2.4.1 水力翻斗沖洗

水力翻斗沖洗是一種節(jié)能型沖洗方式，由斷面為圓形和30°儲(chǔ)水三角水槽組成，翻斗安裝于調(diào)蓄池寬度方向池壁的上沿口，工作待命狀態(tài)翻斗口朝上。當(dāng)需清洗調(diào)蓄池時(shí)，利用翻斗上方的進(jìn)水管道向翻斗內(nèi)充水。當(dāng)翻斗內(nèi)滿水后，由于翻斗的偏心設(shè)計(jì)，斗體在偏心力矩作用下失穩(wěn)，水斗自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，斗內(nèi)儲(chǔ)水瞬間從斗口倒出，對池底進(jìn)行沖洗，待水倒空后，翻斗自動(dòng)回復(fù)原位。該方法的優(yōu)點(diǎn)是無需電力或機(jī)械驅(qū)動(dòng)，控制簡單；缺點(diǎn)是必須提供外部水源給翻斗進(jìn)行沖洗，運(yùn)行費(fèi)用較高。水力翻斗沖洗效果如圖2所示。

2.4.2 門式自沖洗

調(diào)蓄池進(jìn)水先進(jìn)入儲(chǔ)水池，并逐檔進(jìn)入各廊道的儲(chǔ)水池，待儲(chǔ)水池蓄滿水后，水再從儲(chǔ)水池上部溢出進(jìn)入調(diào)蓄池廊道。無論何種進(jìn)水流量，進(jìn)水總是先充滿儲(chǔ)水池，儲(chǔ)存一定的沖洗水量。調(diào)蓄池排空時(shí)，控制浮筒隨水位降低至設(shè)置標(biāo)高，由控制系統(tǒng)觸發(fā)，沖洗門瞬間將儲(chǔ)水釋放，水從門底部快速流出，形成強(qiáng)力的席卷式的射流，射流形成的波浪將池底的沉積物卷起，沖到調(diào)蓄池末端的收集渠，通過泵排出。門式自沖洗系統(tǒng)適用于方形、矩形和異形調(diào)蓄池，也可設(shè)置在管網(wǎng)中。門式自沖洗效果如圖3所示。

該方式的優(yōu)點(diǎn)是無需電力或機(jī)械驅(qū)動(dòng)，無需外部供水，控制系統(tǒng)簡單，單個(gè)沖洗波的沖洗距離長；缺點(diǎn)是目前使用進(jìn)口設(shè)備，初期建設(shè)投資較高。

該工程為合流制排水區(qū)域，晴天管道內(nèi)為污水且初期雨水水質(zhì)較差，如采用門式自沖洗系統(tǒng)易造成二次沉積，除污效果不佳，為此該工程采用水力翻斗沖洗方式。

為解決水力沖洗翻斗用水量較大而造成運(yùn)行成本較高的問題，泵站設(shè)置沖洗水管引入蘇州河河水作為沖洗水源，并設(shè)置格柵阻擋河水中粗大的雜物，降低運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)設(shè)置市政給水作為水源的備用沖洗系統(tǒng)，確保沖洗效果。

3 結(jié)語

隨著城市的快速發(fā)展和市民生活水準(zhǔn)提高，對城市舊城區(qū)改造的要求也日益迫切，初期雨水對河道的面源污染是繼污水處理后水污染治理方面的重要課題之一。

雨水調(diào)蓄池兼具提高城市防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)和初期雨水污染控制功能，可減小初期雨水對河道的污染。對于整個(gè)排水系統(tǒng)的改造具有投資相對較低、工程涉及范圍相對較小的優(yōu)勢。對于已建排水系統(tǒng)，特別是合流制排水系統(tǒng)的達(dá)標(biāo)改造有著較大的借鑒意義。