周麟，施墨華，毛文

1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.云南建工集團(tuán)國內(nèi)事業(yè)部，云南 昆明 650000

截流式排水系統(tǒng)的優(yōu)越性分析

周麟1，施墨華1，毛文2*

1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.云南建工集團(tuán)國內(nèi)事業(yè)部，云南 昆明 650000

地球表面的污染日益嚴(yán)重，武漢市排水系統(tǒng)現(xiàn)有的傳統(tǒng)的分流制、合流制無法解決初期雨水問題，導(dǎo)致受納水體被嚴(yán)重污染.以武漢市陽邏經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)A區(qū)為研究對象，采用芝加哥降雨過程線和雨水管理模型SWMM建模，模擬該區(qū)域降雨、地表產(chǎn)流、地表匯流、管道輸送等過程，對比分析傳統(tǒng)排水系統(tǒng)與截流式排水系統(tǒng)的總溢流量、污染物總懸浮物累積溢流量等參數(shù).結(jié)果表明，從環(huán)境效益角度考慮，截流式排水系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)的分流制、合流制排水系統(tǒng).建議類似A區(qū)等新建地區(qū)，采用截流式分流制排水系統(tǒng)，新建地區(qū)外主干道若為合流制，采用截流式合流制排水系統(tǒng).

排水系統(tǒng)；截流式；合流制；分流制

0 引言

城市排水主要是為了排除生活污水、工業(yè)廢水和雨水.不合理的排水系統(tǒng)對河湖水系有很大程度的影響.早在19世紀(jì)中期西方國家就開始關(guān)注水污染對人們生活的危害，發(fā)展現(xiàn)代城市給水排水系統(tǒng)；到了六、七十年代，西方國家經(jīng)濟(jì)的突飛猛進(jìn)也暴露了經(jīng)濟(jì)給水資源帶來的嚴(yán)重危害.為此，西方國家開始大量鋪設(shè)排水管道、建設(shè)污水處理廠，對工業(yè)廢水和污水進(jìn)行了嚴(yán)格的“點源”治理.例如，1979年東京的污水入網(wǎng)率達(dá)到70%，1987年前西德污水入網(wǎng)率達(dá)到95%，污水處理率為86．5%，城市居民人均污水管道長達(dá)4 m［1］.但人們發(fā)現(xiàn)“點源”治理有其局限性，它不能解決初期雨水對受納水體的污染；19世紀(jì)70年代至今，西方國家經(jīng)歷了從“點源”治理到“非點源”治理的重大轉(zhuǎn)變.2002年德國已擁有38 000座雨水池，總?cè)莘e達(dá)到0．4×108m3，平均每座污水廠擁有近4座雨水池［2］.

目前，西方國家致力于暴雨雨水的管理，只有對雨水徑流過程的熟知、準(zhǔn)確的預(yù)測和模擬，才能對其做更好的管理.當(dāng)前最為著名的程序有Wallingford Procedure（英國環(huán)境部及全國水資源委員會的沃林福特程序）、STORM（美國陸軍工程師兵團(tuán)水文中心的“暴雨”模型）、SWMM（Storm Water Management Model雨水管理模型）［3－6］，這些程序能部分或全部實現(xiàn)降雨、地表徑流、地表產(chǎn)流及其挾帶的污染物質(zhì)從地面經(jīng)過輸送管道、存儲和處理設(shè)施，最終到達(dá)受納水體的整個運動、變化的復(fù)雜過程.

我國排水系統(tǒng)真正的發(fā)展是從改革開放開始，沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的飛躍使得人們對城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)、水資源的保護(hù)有了強(qiáng)烈的意識.但由于我國人口較多，城市給水排水系統(tǒng)發(fā)展較晚，我國現(xiàn)有排水系統(tǒng)大部分還處于“點源”治理階段，在一些經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的小城鎮(zhèn)地區(qū)還存在著直泄式排水.就武漢市而言，武漢市老城區(qū)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后地區(qū)的排水系統(tǒng)多為合流制，市區(qū)則多為分流制.

1 排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 多種排水系統(tǒng)存在

直泄式排水系統(tǒng)早期在國內(nèi)城市普遍存在，后隨著城市的建設(shè)，城市排水系統(tǒng)也在日益前進(jìn)，有些城市改建為截流式合流制.我國《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50016－2006）中規(guī)定新建地區(qū)宜采用分流制排水系統(tǒng)，而我國大多數(shù)城市舊城區(qū)的排水系統(tǒng)依然以合流制排水系統(tǒng)為主體，這樣國內(nèi)城市的排水系統(tǒng)為多種排水系統(tǒng)同時存在的混合制.

1.2 雨污水混接

分流制排水是要求雨污水完全按兩套排水系統(tǒng)排出，但在實際中難以實現(xiàn).國內(nèi)大部分市政排水管道的建設(shè)滯后于小區(qū)內(nèi)排水管道的建設(shè)，污水分區(qū)、城市污水廠建設(shè)滯后于市政污水管道的建設(shè)，導(dǎo)致小區(qū)生活污水管道接入雨水管道，部分污水不能收集到污水處理廠，只能就近排入附近水體.據(jù)報道，某分流制排水系統(tǒng)中經(jīng)雨水口流入受納水體的污水量占總污水量的30%～40%［7］.

部分地區(qū)為了避免建設(shè)滯后問題，從規(guī)劃開始就采用分流制，不過效果仍然不佳.例如，從規(guī)劃到建設(shè)均采用完全分流制的深圳市區(qū)排水系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，實際的雨水管道中仍然混有污水，按分流制規(guī)劃建設(shè)的排水系統(tǒng)實際是合流系統(tǒng)［8］.

1.3 初期雨水的污染

由于人們隨意堆放垃圾、汽車輪胎磨損及尾氣排放、街道及公園綠化噴灑藥物等原因，初期雨水會混雜著空氣和地表污染物流入雨水管道，導(dǎo)致湖泊水庫等受納水體受到污染.近年來，通過監(jiān)督管理受納水體排污口發(fā)現(xiàn)，已實施了完全分流制的廠區(qū)、工業(yè)園等，其排放的雨水水質(zhì)較差，這是由于初期雨水在降雨徑流過程中被地表所污染，現(xiàn)有的排水系統(tǒng)中并未對雨水的排除做特殊處理，導(dǎo)致受納水體污染.

2 工程概況

武漢市陽邏經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)A區(qū)位于長江以東，總匯流面積約為60.83 hm2，規(guī)劃該研究區(qū)域采用分流制排水系統(tǒng).該區(qū)域雨水通過管徑為DN800 mm～DN1 200 mm的雨水管道收集至官叉湖，通過官叉湖與柴泊湖之間的連通管道最終排入柴泊湖內(nèi)；污水通過管徑為DN300 mm～DN400 mm的污水管道排入污水處理廠處理.

3 優(yōu)化設(shè)計方案

排水系統(tǒng)帶來的環(huán)境問題日益突出，為了解決這一問題，建議采用截流式排水系統(tǒng).截流式排水系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的直泄式合流、分流制排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)截流管道、預(yù)沉池、截流井等構(gòu)筑物.它可以較好的處理混接污水、初期雨水等情況，提高污水處理廠的污水處理率，與環(huán)境友好相處.

3.1 截流式分流制

從日益嚴(yán)重的地表污染來看，環(huán)境友好型的截流式分流制排水系統(tǒng)是一種發(fā)展趨勢，適用于新建地區(qū)的排水系統(tǒng).截流式分流制是在分流制基礎(chǔ)上，每隔一段增設(shè)一座截流井，截流井內(nèi)通過截流管道將雨水管道和污水管道就近連接（雨水管道高程大于污水管道高程）.晴天時，截流井將混流至雨水管道的污水截流至污水處理廠；雨天時，截流井將初期雨水就近截流至污水管道，而降雨中期，污染較小的雨水直接排入受納水體（見圖1）.

圖1 截流式分流制排水系統(tǒng)Fig.1 Separate drainage system with interception

排水系統(tǒng)的重點是初期雨水截流井的合理設(shè)計和建造，它需要保證截流到初期雨水，中期雨水能順利排入水體，并且截流井中的污水不能溢流至受納水體.現(xiàn)有截流井的形式有跳躍式截流井、截流槽式截流井、側(cè)堰式截流井、帶閘板截流井［9］，它們分別適用于不同截流情況.對于分流制的截流而言，它的截流井是設(shè)置在雨水管道上，在降雨初期，雨水流量較小，將這部分雨水直接截流至就近的污水管道；在降雨中后期，雨水流量較大，需保證這部分徑流量能順利流到下游雨水管道.為了滿足這樣的截流要求，截流式分流制排水系統(tǒng)的截流井建議采用帶閘板的跳躍式截流井.

3.2 截流式合流制

截流式合流制是在傳統(tǒng)合流制的基礎(chǔ)上，增設(shè)截流管道、截流井、預(yù)沉池等構(gòu)筑物.旱季時，合流管呈非滿流狀態(tài)，污水從合流管徑流至沉泥井，被截流管截流至污水處理廠.雨天時，合流管呈滿流狀態(tài)，管內(nèi)為雨、污水的混合污水.混合污水的流量比較大，污水處理廠的處理能力有限.因此，合流污水首先收集到預(yù)沉池進(jìn)行預(yù)沉處理，濃度較高的混合污水處于預(yù)沉池的下部，可以通過截流管截流至污水處理廠；濃度較低的混合污水處于預(yù)沉池上部，經(jīng)截流井的溢流堰溢出.溢出混合污水在排入受納水體之前需在儲蓄池里鑒定，必須滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918－2002），將不符合要求的混合污水輸送至污泥濃縮池進(jìn)行濃縮、加壓，并在污泥脫水間脫水，脫水后污泥運往污泥處理廠.

對不符合要求的混合污水進(jìn)行處理直至達(dá)到排放要求為止.

武漢市老城區(qū)的排水系統(tǒng)多為合流制，為了平衡環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)成本兩方面，建議采用截流式合流制的排水系統(tǒng)（見圖2）.

圖2 截流式合流制排水系統(tǒng)Fig.2 Intercepted combination drainage system

4 環(huán)境效益分析

傳統(tǒng)的合流制排水系統(tǒng)直接將收集到的混合污水排入受納水體，相對于這種排水系統(tǒng)，截流式合流制排水系統(tǒng)的對環(huán)境的保護(hù)能力是毋容置疑的.本文僅對傳統(tǒng)的分流制排水系統(tǒng)和截流式分流制排水系統(tǒng)從環(huán)境效益角度對比，采用芝加哥降雨過程線，通過雨水管理模型SWMM建模，分析兩種排水系統(tǒng)的總溢流量和污染物TSS累積溢流量.結(jié)果見圖3、圖4.

由圖3、圖4可知，在一次降雨事件中，隨著降雨時間的變化，排水系統(tǒng)的總溢流量和污染物TSS累積溢流量趨向于平衡；且傳統(tǒng)分流制排水系統(tǒng)的總溢流量和污染物TSS累積溢流量約為截流式分流制排水系統(tǒng)累積溢流污染物量的2倍.由此可知，從排水系統(tǒng)總溢流量和污染物TSS累積溢流量考慮，截流式分流制排水系統(tǒng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)分流制排水系統(tǒng).

圖3 兩種排水系統(tǒng)總溢流量隨時間的變化過程Fig.3 The changing process of total flow capacity over time in the two kinds of drainage system

圖4 兩種排水系統(tǒng)污染物TSS累積溢流量隨時間的變化過程Fig.4 The changing process of TSS contaminant cumulative flow capacity over time in two kinds of drainage system

5 結(jié)語

上述研究表明，從環(huán)境等因素考慮，截流式排水系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)的合流制、分流制排水系統(tǒng).類似武漢市陽邏經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)A區(qū)等新建地區(qū)，建議采用截流式分流制排水系統(tǒng)，使得園區(qū)建設(shè)的步伐與水資源的保護(hù)協(xié)調(diào)前進(jìn)；園區(qū)外主干道現(xiàn)為合流制，建議沿柴泊湖一側(cè)鋪設(shè)截流管道，與合流管道交叉，在交叉口處設(shè)置截流井，將旱季污水和初期雨水截流至污水處理廠.

致謝

感謝武漢工程大學(xué)交通研究中心及課題組的老師、同學(xué)們給予的支持和幫助！感謝武漢市陽邏經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)對本研究提供的相關(guān)資料！

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Analysis on superiority of intercepting drainage system

ZHOU Lin1,SHI Mohua1,MAO Wen2
1.School of Resource and Civil Engineering,Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074,China；2.Yunnan Construction General Domestic Business,Kunming 650000,China

With the increasingly serious pollution of the earth's surface,the existing drainage system in Wuhan is confronted with a problem of initial rainwater,which cannot be solved by traditional combined and separated drainage system;as a result,the receiving waters are severely polluted.Taking A zone of Wuhan Yangluo economic development zone as the research object,we built a model simulating the process of rainfall process,yield runoff of rainfall,flow concentration of surface runoff and the transport process by adopting the Chicago rainfall scenarios and Storm Water Management Model;then,we compared and analyzed the parameters,such as the total flow rate,the total suspended solids accumulation flow capacity of pollutants, between traditional drainage and intercepting drainage system.The results show that the intercepting drainage system is superior to the traditional combined and separated drainage system considering the environmental benefits.Therefore,we suggest that the new construction area similar to A zone should adopt intercepting separated drainage system,and use intercepting combined drainage system if the main road with a combined drainage system is not included in the areas of new construction.

drainage system;intercepting system;combined system;separated system

TU992

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.04.007

1674-2869（2015）04-0032-04

本文編輯：龔曉寧

2015－01－16

武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金（CX2013120）

周麟（1964－），男，重慶人，副教授.研究方向：工程結(jié)構(gòu)分析及災(zāi)害控制.*通信作者