葉 寧

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

近些年來，國內(nèi)多地頻發(fā)極端降雨天氣，對(duì)于人員安全以及農(nóng)業(yè)發(fā)展等產(chǎn)生了嚴(yán)重不利的影響，特別是徑流污染等問題的發(fā)生直接影響到了城市企業(yè)的生產(chǎn)和居民的生活，并成為一個(gè)普遍關(guān)注的環(huán)境問題[1]。徑流污染的形成與城市化進(jìn)程加速密切相關(guān)，致使初期雨水中存在較多的污染物，進(jìn)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(duì)于水體水質(zhì)會(huì)產(chǎn)生顯著的影響[2]。研究發(fā)現(xiàn)，影響主要與存在于初期徑流雨水內(nèi)的殘留污染物有關(guān)，如果此類物質(zhì)排入到河道中，必然會(huì)導(dǎo)致較大程度的污染問題，影響到水中生物的生存，繼而引發(fā)惡性循環(huán)。綜合考慮到上述問題，有必要針對(duì)初期雨水進(jìn)行深入研究，結(jié)合存在的問題制定針對(duì)性的防范策略，最大限度降低初期雨水對(duì)于周邊環(huán)境的不利影響。

在一些管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)過程中采用了增大截留倍數(shù)的方式，由此將初期雨水量進(jìn)行截留。但是受到瞬時(shí)流量大等因素的影響，此類措施并不能保證達(dá)到較好的效果[3]。

一些國家針對(duì)上述問題進(jìn)行了大量的研究，提出了不同類型的解決對(duì)策，并且在實(shí)際應(yīng)用中取得了一定的效果，其中一種常用的技術(shù)是建設(shè)初期雨水調(diào)蓄池，可用于對(duì)初期雨水污染進(jìn)行控制，減少污染，該技術(shù)也成為控制城市內(nèi)澇和徑流污染最常用的工程措施之一。初期雨水調(diào)蓄池的建設(shè)具有重要的作用，能夠有效減少進(jìn)入到地塊周邊城市河道的初期雨水，降低對(duì)周邊水環(huán)境的負(fù)面影響，有助于改善水質(zhì)，并為城市居民提供優(yōu)質(zhì)的水環(huán)境。

很多城市已經(jīng)開始建設(shè)初期雨水調(diào)蓄池，上海作為國內(nèi)最早建設(shè)初雨調(diào)蓄池的城市之一，也在謀劃新一輪的初雨調(diào)蓄池建設(shè)。為貫徹上海和區(qū)域新一輪城市總規(guī)（2035 版規(guī)劃）對(duì)城鎮(zhèn)雨水排水的要求，全面落實(shí)《上海市水污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施方案》、《上海市城鎮(zhèn)雨水排水規(guī)劃（2020—2035 年）》、《上海市污水處理系統(tǒng)及污泥處理處置規(guī)劃（2017—2035）》和市局相關(guān)文件（水務(wù)局533號(hào)文等）等相關(guān)工作要求，提升上海的排水安全和水環(huán)境質(zhì)量，目前各區(qū)均在加快深化完善區(qū)級(jí)雨水排水規(guī)劃編制，落實(shí)全市雨水規(guī)劃指標(biāo)，明確初雨調(diào)蓄設(shè)施建設(shè)要求和計(jì)劃安排。十四五期間全市規(guī)劃建設(shè)的初雨調(diào)蓄池均需開工，同時(shí)其中的30%需建設(shè)完成并運(yùn)行。這對(duì)初期雨水調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)和施工提出了更高的要求。

1 初期雨水調(diào)蓄池簡(jiǎn)介

雨水調(diào)蓄池按照主要功能不同可以分為控制城鎮(zhèn)雨水徑流和溢流污染的調(diào)蓄池、內(nèi)澇防治和應(yīng)急削峰調(diào)蓄池、雨水管渠提標(biāo)調(diào)蓄池以及雨水綜合利用調(diào)蓄池。初期雨水調(diào)蓄池是以控制雨水徑流和溢流污染為主要功能的一種構(gòu)筑物，能夠儲(chǔ)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(jù)《城鎮(zhèn)徑流污染控制調(diào)蓄池技術(shù)規(guī)程》（CECS416:2015）,城鎮(zhèn)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(zhèn)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(tǒng)中，超過截流倍數(shù)的雨污水溢流進(jìn)入受納水體，使受納水體遭受污染。初期雨水調(diào)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(fā)達(dá)國家很早開始對(duì)城市徑流污染問題進(jìn)行了研究，從20 世紀(jì)70 年代開始，美、日等國逐步采用了初期雨水調(diào)蓄池，以應(yīng)對(duì)頻發(fā)的徑流污染問題。國內(nèi)在此領(lǐng)域研究晚一些，在理論研究以及技術(shù)應(yīng)用等方面相對(duì)于上述國家均存在一定的差距。隨著國內(nèi)徑流污染等問題的出現(xiàn)，一些城市紛紛采用了建立初期雨水調(diào)蓄池的應(yīng)對(duì)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(jì)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(duì)合流制排水系統(tǒng)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(mèng)清園、昌平、成都路和芙蓉江調(diào)蓄池，服務(wù)面積為306 hm2，總體積達(dá)到7.26 萬m3。其中，成都路雨水調(diào)蓄池容積為7400 m3；夢(mèng)清園調(diào)蓄池總?cè)莘e30000 m3，有效調(diào)節(jié)容積為25000 m3。昌平調(diào)蓄池有效容積為15000 m3，調(diào)蓄時(shí)間為1 h，能夠容納服務(wù)片區(qū)內(nèi)6 mm 的雨水量。這些措施的實(shí)施產(chǎn)生了積極的影響，顯著降低了蘇州河的污染負(fù)荷，降幅基本達(dá)到了50%[4]。作為國內(nèi)第一個(gè)投入工作的雨水調(diào)蓄池，蘇州河成都路雨水調(diào)蓄池已經(jīng)在運(yùn)行過程中發(fā)揮了重要的作用，同樣為國內(nèi)其他地區(qū)治理此類問題提供了典范。后續(xù)包括上海市桃浦污水處理廠等也改為調(diào)蓄池，對(duì)于初期雨水污染控制產(chǎn)生了顯著的效果[5]。

在初期雨水調(diào)蓄池規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮到多方面的因素，通常情況下需要結(jié)合排水系統(tǒng)的雨水泵站進(jìn)行布置，一般可以與其進(jìn)行分開建設(shè)或者是合建，前者指的是獨(dú)立對(duì)泵房和調(diào)蓄池進(jìn)行設(shè)置，基坑開挖的深度相對(duì)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(diào)蓄池的設(shè)計(jì)方式，在疊放之后增大了基坑開挖深度，提高了工作量，同時(shí)也增大了施工的成本。所以在選擇布置方式時(shí)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(chǔ)上選擇最優(yōu)的方案，科學(xué)設(shè)置調(diào)蓄設(shè)施，由此滿足可靠性、實(shí)用性以及經(jīng)濟(jì)性的要求。一般是根據(jù)先淺層后深層、先地上后地下的原則，按照需求有序建設(shè)初期雨水調(diào)蓄設(shè)施。

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

2 初期雨水調(diào)蓄池進(jìn)水方式比較

2.1 初期雨水調(diào)蓄池進(jìn)水方式分類

調(diào)蓄池進(jìn)水可采用重力進(jìn)水、水泵進(jìn)水或兩者相結(jié)合的形式。

（1）重力進(jìn)水

初期雨水通過重力自流進(jìn)入調(diào)蓄池，該進(jìn)水方式保障性較高，可避免因水泵等設(shè)備故障導(dǎo)致的無法進(jìn)水問題，但要注意調(diào)蓄池最高設(shè)計(jì)水位應(yīng)低于泵站的設(shè)計(jì)最低水位。

（2）水泵進(jìn)水

初期雨水通過水泵提升進(jìn)入調(diào)蓄池，一般是在調(diào)蓄池埋深受限、無法滿足重力進(jìn)水的要求或者用地較為寬裕需要節(jié)省建設(shè)投資時(shí)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(dú)立泵房提升。雨水泵房的放江泵一般流量較大、揚(yáng)程較低，與調(diào)蓄池所需的水泵流量和揚(yáng)程不一致，且運(yùn)行時(shí)模式切換較為復(fù)雜，一般推薦采用新建獨(dú)立泵房提升的方式。

（3）重力與水泵進(jìn)水相結(jié)合

該方式將上述兩種方式結(jié)合起來，在降雨初期水位較低調(diào)蓄池內(nèi)水位還未達(dá)到泵站的設(shè)計(jì)最低水位時(shí)通過重力進(jìn)水，當(dāng)水位繼續(xù)上升后通過閘門切換啟動(dòng)水泵采用水泵提升進(jìn)水。該模式可取得上述兩種進(jìn)水方式的平衡，既節(jié)約了重力進(jìn)水部分的運(yùn)行費(fèi)用，又降低了調(diào)蓄池的整體埋深節(jié)省了工程費(fèi)用。

2.2 重力進(jìn)水與水泵提升進(jìn)水的比較

當(dāng)前在調(diào)蓄池運(yùn)行中廣泛采用了重力進(jìn)水方式，具備了較高的可靠性與穩(wěn)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(jì)算容積條件下調(diào)蓄池一般較深，土建造價(jià)費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)性不佳，尤其是圍護(hù)形式從灌注樁升級(jí)到地連墻之后造價(jià)增幅比較明顯。目前上海的調(diào)蓄池基本都采用重力進(jìn)水的方式，由于調(diào)蓄池的深度較高，壓力大而容易對(duì)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響，引發(fā)一定的隱患；防汛過程中必須考慮到進(jìn)水水位的影響，如果其超過防汛水位，則防汛將受到負(fù)面影響[6]。

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

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

除了上述因素之外，在設(shè)計(jì)過程中還必須考慮到暴雨等極端天氣導(dǎo)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(xié)同進(jìn)水設(shè)計(jì)案例

3.1 概況

本調(diào)蓄規(guī)池規(guī)模取10700 m3，位于現(xiàn)狀雨水泵站西側(cè)，目前是荒地。平面布置見圖1。本工程在現(xiàn)狀雨水泵站西側(cè)有較大范圍的空地，如能將調(diào)蓄池盡量做淺，并通過水泵提升進(jìn)水以利用淺層空間，可將結(jié)構(gòu)圍護(hù)形式限制在用不到地連墻的程度，以節(jié)約工程投資。調(diào)蓄池主體工程為地下式，除臭設(shè)備設(shè)置于地下夾層內(nèi)，通風(fēng)設(shè)備設(shè)置于地上暖通機(jī)房內(nèi)。

圖1 工程選址位置及平面布置圖

調(diào)蓄池在原泵站用地基礎(chǔ)上新增西側(cè)用地約2052 m3。規(guī)劃用地性質(zhì)為防護(hù)綠地，調(diào)蓄池室外設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高4.80 m（吳淞高程）。

調(diào)蓄池地上部分暖通機(jī)房、格柵除臭罩與檢修孔及檢修平臺(tái)、通風(fēng)井合計(jì)面積約130 m3。其中，暖通機(jī)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(tái)等合計(jì)約50 m2，通風(fēng)井8m3。

除臭設(shè)備置于地下夾層中。

除建筑物、檢修平臺(tái)及檢修孔外，用地范圍內(nèi)包括調(diào)蓄池頂部均設(shè)綠化。綠化盡量體現(xiàn)海綿城市的建設(shè)理念，擬采用植草溝、下凹式綠地、屋面雨水?dāng)嘟拥群＞d城市措施。

3.2 調(diào)蓄池進(jìn)水方式比選

本工程調(diào)蓄池位于地下，根據(jù)設(shè)計(jì)水位及市政管網(wǎng)標(biāo)高情況，設(shè)計(jì)進(jìn)水可采用重力進(jìn)水和水泵提升協(xié)同進(jìn)水（地下淺池）與重力進(jìn)水（地下深池）二種方式，放空方式可采用水泵強(qiáng)排放空。

對(duì)上述二種方式進(jìn)行比選，結(jié)果見表1。

表1 調(diào)蓄池進(jìn)水方式比選

方案一重力進(jìn)水和水泵提升協(xié)同進(jìn)水（地下淺池）：方案整體平衡性最佳，運(yùn)行相對(duì)安全，投資相對(duì)節(jié)省，地面建筑物少；

方案二重力進(jìn)水（地下深池）：進(jìn)水模式較為簡(jiǎn)單，運(yùn)行簡(jiǎn)易安全，地面建筑少，但埋深較大投資較高，影響到了經(jīng)濟(jì)效益；

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

3.3 調(diào)蓄池主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

（1）進(jìn)水管

為滿足調(diào)蓄池進(jìn)水需求，同時(shí)保證調(diào)蓄池有效進(jìn)水，調(diào)蓄池進(jìn)水管為φ2700 鋼混凝土管55 m，自現(xiàn)狀泵站進(jìn)水井接入調(diào)蓄池進(jìn)水格柵間。進(jìn)水管采用開槽施工，埋深約9.6 m。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)流量：7.20 m3/s（4 臺(tái)雨水泵流量）。

管徑：φ2700 mm。

流速：1.26 m/s。

中心標(biāo)高：-2.95 m。

管材：鋼混凝土管。

（2）進(jìn)水閘門

進(jìn)水閘門采用液控不銹鋼閘門，規(guī)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(diào)蓄池進(jìn)水前需經(jīng)過格柵除污機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，格柵渠道寬2000 mm，柵條間隙20 mm，共2 臺(tái)。

（4）新建調(diào)蓄池進(jìn)水泵房

泵房剖面見圖2。

圖2 進(jìn)水泵房剖面設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

設(shè)置4 臺(tái)軸流泵，流量滿足0.5 h 內(nèi)裝滿調(diào)蓄池有效容積的要求，不設(shè)置備用，考慮20%的安全系數(shù)，單臺(tái)流量1.8 m3/s，揚(yáng)程5.8 m，電機(jī)功率200 kW。軸流泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

水泵臺(tái)數(shù)：4 臺(tái)。

水泵流量：1.8 m3/s。

水泵揚(yáng)程：5.8 m。

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

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

（5）調(diào)蓄池

調(diào)蓄池采用地下式，內(nèi)凈尺寸約為72 m×23 m，內(nèi)設(shè)4 艙，單艙凈寬5.3 m。設(shè)置4 套門式水力沖洗系統(tǒng)。調(diào)蓄池設(shè)計(jì)有效水深為8.4 m。設(shè)計(jì)最高水位取1.80 m。調(diào)蓄池頂部部分為綠化。

調(diào)蓄池平面見圖3。

圖3 調(diào)蓄池平面設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

（6）新建調(diào)蓄池放空泵房

調(diào)蓄池設(shè)計(jì)放空時(shí)間為24 h，通過水泵放空，放空泵集水池內(nèi)共布置2 臺(tái)潛污泵，1 用1 備，外部條件允許時(shí)可2 用12 h 內(nèi)放空，單泵流量450 m3/h，揚(yáng)程12.7 m，電機(jī)功率22 kW。

水泵臺(tái)數(shù)：2 臺(tái)（1 用1 備）。

水泵流量：450 m3/h；。

水泵揚(yáng)程：9.1 m。

開泵水位：1.8 m（調(diào)蓄池水位）。

停泵水位：-8.3 m（調(diào)蓄池水位）。

（7）放空管道

調(diào)蓄池放空管道管徑DN400，長度約20 m，接入化工路西側(cè)綠化帶內(nèi)新敷設(shè)的φ600 污水管道。調(diào)蓄池放空管道主要設(shè)計(jì)參數(shù)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(yùn)行時(shí)間：24 h。

（8）配套建筑

暖通機(jī)房68.94 m3，位于調(diào)蓄池頂東南角；除臭設(shè)備設(shè)于地下夾層頂部設(shè)排放口，格柵除臭罩、檢修平臺(tái)包括吊裝孔等面積總計(jì)約50 m3，通風(fēng)井8 m3；配電間并入現(xiàn)狀南大北泵站變配電間合并設(shè)置。

3.4 調(diào)蓄池雙碳戰(zhàn)略應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)，可充分結(jié)合雨水調(diào)蓄設(shè)施的場(chǎng)地空間布局，設(shè)置分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能消納一體化應(yīng)用裝置，在充分發(fā)揮雨水調(diào)蓄設(shè)施功能的基礎(chǔ)之上，提高可再生能源用裝置，在充分發(fā)揮雨水調(diào)蓄設(shè)施功能的基礎(chǔ)之上，提高可再生能源的滲透比例與消納能力，實(shí)現(xiàn)雨水調(diào)蓄設(shè)施的綠色低碳運(yùn)行。

針對(duì)本調(diào)蓄池的應(yīng)用場(chǎng)景及運(yùn)行工況，本工程設(shè)置一套光儲(chǔ)直柔一體化智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成市電、光伏、儲(chǔ)能、能量轉(zhuǎn)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(diào)蓄池放空泵以及直流負(fù)荷供電，同時(shí)根據(jù)天氣情況及系統(tǒng)調(diào)度指令對(duì)調(diào)蓄池不同運(yùn)行工況下的能量消耗進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，優(yōu)先高效利用光伏可再生能源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性的節(jié)能降碳，可進(jìn)一步減少污染，降低成本，改善綜合效益。

3.5 調(diào)蓄池運(yùn)行調(diào)度[8，9]

（1）晴天模式：不使用調(diào)蓄池，將進(jìn)水閘門關(guān)閉。

（2）進(jìn)水模式：雨天時(shí)開啟調(diào)蓄池進(jìn)水閘門，先是重力進(jìn)水，待調(diào)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(dòng)4 臺(tái)調(diào)蓄池雨水泵進(jìn)水。

（3）滿水模式：當(dāng)調(diào)蓄池內(nèi)液位分別到達(dá)0.30 m、0.80 m、1.30 m、1.80 m 時(shí)，依次關(guān)停調(diào)蓄池雨水泵，當(dāng)水位到達(dá)1.80 m 時(shí)，關(guān)閉調(diào)蓄池進(jìn)水閘門，雨水進(jìn)入雨水泵房排放河道。

（4）調(diào)蓄池排空模式：在液位為1.80 m 的情況下執(zhí)行對(duì)應(yīng)的控制操作，使得進(jìn)水閘門、放空泵分別處于關(guān)閉、開啟狀態(tài)，將調(diào)蓄池調(diào)蓄的初期雨水用泵放空至化工路新敷設(shè)的DN600 污水管中。當(dāng)液位達(dá)到-8.30 m 時(shí)，調(diào)蓄池排空結(jié)束，關(guān)停放空泵。

（5）沖洗模式：調(diào)蓄池放空后，關(guān)閉進(jìn)水閘門，開啟門式自沖洗設(shè)施，對(duì)調(diào)蓄池進(jìn)行沖洗。

（6）存水放空模式：開啟放空泵，對(duì)沖洗水進(jìn)行放空。

4 結(jié)論

（1）為控制區(qū)域性面源污染，在雨水排水系統(tǒng)末端建設(shè)初雨調(diào)蓄池是十分必要的；

（2）為貫徹落實(shí)“雙碳戰(zhàn)略”，可在調(diào)蓄池頂部設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳；

（3）調(diào)蓄池進(jìn)水可采用重力進(jìn)水、水泵進(jìn)水或兩者相結(jié)合的形式，從經(jīng)濟(jì)效益的角度建議采用重力與泵提升協(xié)同進(jìn)水的方式。