城市排水管線的優(yōu)化設(shè)計

城市排水管線的優(yōu)化設(shè)計

城市排水系統(tǒng)是城市雨水排水、污染控制和生態(tài)環(huán)境保護體系的重要組成部分。它不僅是城市生存和可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是城市“騰舊納新”生命的保障。城市排水系統(tǒng)規(guī)劃中的首要問題就是排水體制的選擇,傳統(tǒng)的排水體制有合流制和分流制兩種基本形式,它們在城市防洪、排澇和改善城市環(huán)境衛(wèi)生等方面發(fā)揮了重要作用。實踐證明,隨著人類活動的日益加劇以及城市建設(shè)的復(fù)雜性和管理的局限性,排水管網(wǎng)的逐年建設(shè)和污水處理廠的相繼運行未能有效遏制城市周邊河流湖泊的水環(huán)境污染。究其原因,現(xiàn)行排水體制在日常管理、面源污染控制、雨水利用和水環(huán)境保護等方面存在不足,需重新加以審視。1傳統(tǒng)排水體制與存在的問題1.1污水治理及化學(xué)處理直泄式合流制是將污水和雨水混合在同一管渠內(nèi),不經(jīng)處理直接就近排放的系統(tǒng)。由于污水未經(jīng)無害化處理,使受納水體遭受嚴重污染。從環(huán)境保護和衛(wèi)生防護來看,直泄式合流制是不可取的。1.2排水是否可采用合流制截流式合流制是在直泄式合流制的基礎(chǔ)上增設(shè)一根污水截流干管,晴天時所有的旱流污水都被截流至污水廠進行集中處理,雨天時的初期雨水徑流也被截流至污水廠進行處理,部分混合污水經(jīng)溢流井直接排入水體。截流式合流制較好地控制了污染較重的初期雨水地表徑流所帶來的污染負荷,但在降雨中后期,超過截流干管輸水能力而直接排入水體的部分混合污水會周期性地給水體帶來污染,甚至引發(fā)水污染事故。近年來,一些觀點認為合流制已過時,以致在城市總體規(guī)劃時幾乎不再考慮采用合流制排水系統(tǒng)。事實上,英、法等國的大部分城市仍保留了合流制體系,其主要河流萊茵河和泰晤士河的水體都得到了很好的保護,主要舉措是控制面源污染并保證排入河流的污水處理率。美國一些州也仍保留了合流制,其主要措施是要求混合污水在溢流前必須就地進行一級處理,并對每個溢流口因超載而未加處理的混合污水溢流次數(shù)加以限制(如華盛頓州每年1次,舊金山為4次),使得溢流對受納水體水質(zhì)的影響未超出控制目標。我國幅員遼闊,經(jīng)濟發(fā)展不平衡,在一些氣候較干旱、降雨較均勻、水體環(huán)境容量較大的地區(qū)以及老城區(qū)排水管網(wǎng)需要改造的地區(qū),仍可因地制宜地采用截流式合流制。只要截流措施得當、溢流污水處理措施可靠、水環(huán)境預(yù)測影響較小且未改變水體功能等,截流式合流制則是一種投資省、見效快、實施容易、維護管理簡便的排水形式,尤其是在一些經(jīng)濟水平較落后、管理水平較低的地區(qū)實施該種排水體制,具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。1.3初期雨水徑流污染分流制是將生活污水、工業(yè)廢水和雨水分別在兩個或兩個以上各自獨立的管渠內(nèi)排放的系統(tǒng)。理論上分流制排水系統(tǒng)對于保護環(huán)境及防止水體污染方面無疑是較好的排水體制,但目前分流制排水系統(tǒng)在實施過程中卻存在以下問題:①初期雨水徑流直接排入水體,對城市水體造成了一定污染由于人們隨意拋棄垃圾、汽車漏油、汽車輪胎磨損、尾氣排放、空氣濕沉降、農(nóng)田肥料的大量流失,以及一些企業(yè)生產(chǎn)區(qū)不同程度地存在跑、冒、滴、漏等現(xiàn)象,使得初期雨水徑流成為地表水體(尤其是湖泊水庫)的重要面源污染之一。近年來,在城市入河排污口的監(jiān)督管理中也發(fā)現(xiàn),一些新建城區(qū)、大型廠區(qū)、工業(yè)園區(qū)雖已實施了完全分流制,但雨水排放口所排放的雨水水質(zhì)很差,有時甚至直接影響流域下游水廠取水口的正常取水。隨著城市化進程的加快和城市水環(huán)境壓力的日益加劇,初期雨水徑流已成為地表水體不可忽視的一個重要面源污染源,而傳統(tǒng)的分流制排水系統(tǒng)卻無法對初期雨水徑流進行收集和處理。②雨、污水管道混接現(xiàn)象嚴重,污水收集率較低在分流制排水管網(wǎng)的運行過程中,發(fā)現(xiàn)雨、污水管道誤接的現(xiàn)象較嚴重,導(dǎo)致污水處理廠平時收集不到足夠的污水量,同時雨水的受納水體在晴天時又有污水排入造成水環(huán)境污染,使得分流制排水系統(tǒng)的優(yōu)越性未能充分體現(xiàn)出來。此外,在民用建筑的使用過程中,經(jīng)常出現(xiàn)改變建筑功能的狀況,如辦公建筑改成餐飲或娛樂業(yè),將陽臺改成廚房、洗衣間等,使得原有排水系統(tǒng)被打亂,雨水管成為污水管。這種不合理地利用原有排水系統(tǒng)的現(xiàn)象,也造成了整個分流制排水系統(tǒng)的不良運行。2新排水系統(tǒng)的討論為克服現(xiàn)行排水體制的不足,宜對傳統(tǒng)排水體制作適當改進。根據(jù)規(guī)范的有關(guān)要求,并結(jié)合工程實踐經(jīng)驗,提出了兩種新型排水體制。2.1截流式分流制排水系統(tǒng)截流式分流制是分別設(shè)置污水和雨水兩套獨立的管渠系統(tǒng),并在雨水支管上每隔一定距離設(shè)置1座截流井,截流井內(nèi)設(shè)置截流管與污水管相通。雨季時,截流井截流的初期雨水徑流通過截流管就近排至附近的污水管;旱季時,截流井將誤排入雨水管的少量污水也截流至附近的污水管。截流式分流制排水系統(tǒng)見圖1。截流式分流制通過在雨水管上設(shè)置截流井,較好地解決了初期雨水地表徑流污染和誤接入雨水管的污水的影響,克服了傳統(tǒng)分流制排水系統(tǒng)雨污分流不徹底、初期雨水污染等不足,更好地保護了城市地表水環(huán)境。在已實施分流制的大型居住區(qū)、大型市場、商場等人類活動集中區(qū)和一些工業(yè)企業(yè)、交通干道等污染嚴重地區(qū),可根據(jù)排水管網(wǎng)的高程,因地制宜地實施截流式分流制排水系統(tǒng)改造;在城市新建區(qū)和新建工業(yè)園區(qū)應(yīng)根據(jù)用地性質(zhì),在一些可能產(chǎn)生較重污染的區(qū)域進行排水系統(tǒng)規(guī)劃時可考慮實施截流式分流制排水系統(tǒng),統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計,以盡可能地控制面源污染,保護水環(huán)境。截流式分流制排水系統(tǒng)的關(guān)鍵在于截流井的合理設(shè)計和建造。現(xiàn)有截流井的做法有截流槽式、旁側(cè)堰式和跳越堰式三種,分別適用于不同的截流情況。與傳統(tǒng)截流式合流制排水系統(tǒng)在雨污合流管上所設(shè)置的截流井不同,截流式分流制排水系統(tǒng)中的截流井位于雨水管上,在降雨的不同歷時階段發(fā)揮不同的功能。在降雨初期雨水徑流量較小時對這部分雨水進行截流,并排入附近污水管;在降雨中后期雨水徑流量較大時則使這部分雨水順利通過截流井流入下游雨水管。根據(jù)這一要求,截流井宜采用跳越堰式截流井,其做法及運行工況見圖2、3。由圖2、3可知,上述截流系統(tǒng)適用于雨水管旁邊敷設(shè)有污水管且污水管底標高低于雨水管的情況。當雨水管附近有污水管但污水管高于雨水管或附近無污水管時,該截流系統(tǒng)不能正常工作且污水會通過截流管倒流入雨水管。此種情況下,為截流初期雨水,建議仍采用圖2、3所示的初期雨水截流系統(tǒng),但截流管應(yīng)引至污水管下游適當位置,在污水管標高較低處再接入污水管。采用這種截流方式必須在道路橫斷面上留出截流管的位置。截流式分流制排水系統(tǒng)的設(shè)計:截流管以下的下游污水管由于接納了初期雨水徑流,其管徑應(yīng)以上游轉(zhuǎn)輸污水量加本段污水量按非滿流進行設(shè)計,并應(yīng)以該污水量加上初期雨水量按滿流進行校核。2.2溢流污水回用預(yù)處理溢流污水處理—截流式合流制系統(tǒng)是雨水和污水通過一根合流管排出,在合流管的末端設(shè)置預(yù)沉池、截流井和截流管,并在截流井的溢流堰側(cè)設(shè)置溢流污水處理設(shè)施的新型排水系統(tǒng)。該排水系統(tǒng)如圖4所示。晴天時,合流管呈非滿流狀態(tài),管內(nèi)為旱流污水,污水經(jīng)“合流管→預(yù)沉池→截流井→截流管”流入污水廠進行集中處理。雨天時,合流管呈滿流狀態(tài),管內(nèi)為雨、污水的混合水體即合流污水。由于雨季時的雨水流量大,易使合流污水量大大超出污水廠的設(shè)計處理能力,因而合流污水不能全部進入污水廠進行處理。合流污水首先流至管網(wǎng)末端的預(yù)沉池進行預(yù)處理,預(yù)沉池下部污染物濃度較高的污水由截流管以一定的截流倍數(shù)送至污水廠進行處理,預(yù)沉池“上清液”即上部污水則經(jīng)截流井溢流堰溢出。由于溢流污水在預(yù)沉池中的停留時間較短,其污染物濃度較高,不宜直接排入地表水體。為此,需對溢流污水作進一步處理。根據(jù)試驗,溢流污水經(jīng)進一步固液分離后,上部澄清液可基本達到《污水綜合排放標準》(GB8978—1996)的二級標準,可直接排放于Ⅳ、Ⅴ類水體,其下部沉淀污泥在雨停后可借重力排至截流管,并隨旱流污水一起進入污水廠進行處理。溢流污水處理—截流式合流制排水系統(tǒng)的關(guān)鍵在于預(yù)沉池、截流井和出水沉淀池的合理設(shè)計和建造。根據(jù)合流污水的水質(zhì)特點和現(xiàn)有的工程經(jīng)驗,預(yù)沉池可采用平流沉淀池,截流井可以預(yù)沉池出水堰代替,出水沉淀池可采用斜管或斜板沉淀池。為減小水頭損失、節(jié)省占地,預(yù)沉池、截流井和出水沉淀池可采用合建形式,具體見圖5。溢流污水處理—截流式合流制排水系統(tǒng)的設(shè)計:①預(yù)沉池應(yīng)以合流管的最大排水能力為設(shè)計流量,按平流沉淀池自然沉淀進行設(shè)計,但沉淀時間、水平流速等參數(shù)應(yīng)以原水沉淀試驗確定;②截流管的設(shè)計應(yīng)與污水廠的處理能力相匹配,截流倍數(shù)可取1～5,按滿流設(shè)計,并以旱流污水量加初期雨水徑流量來進行復(fù)核;③出水沉淀池的設(shè)計應(yīng)以預(yù)沉池溢流堰的過水能力為設(shè)計流量,可采用斜管或斜板沉淀池。合流污水水質(zhì)不同于工業(yè)廢水和生活污水,其懸浮物含量較高且易于沉淀,所含污染物如TP、COD等主要以顆粒吸附態(tài)為主,出水沉淀池沉淀區(qū)的水力負荷取值可適當放寬。根據(jù)相關(guān)試驗報道,當水力負荷達50～60m3/(m2·h)時,對SS、COD和TP的去除率≥80%。由于不同地區(qū)的合流污水水質(zhì)存在一定差異,預(yù)沉截流池和斜板沉淀池的設(shè)計參數(shù)應(yīng)以原水