合流制截排调蓄设施功能分类与容积计算理论研究进展*

张 卫 卢兴超 尹文超 董紫君 赵树旗 刘永旺 姜春成

(1.北京工业大学建筑与工程学院，北京 100124；2.中国建筑设计研究院有限公司绿色设计研究中心，北京 100044；3.深圳职业技术学院城市水良性循环工程研发中心，广东 深圳 518055)

随着全国黑臭水体治理工作的推进，在2020年底前，基本实现了地级以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内的目标。然而调研发现，治理后的水体在雨后仍出现反弹问题，可归因于城市合流制排水系统截污不彻底、不精准。合流制溢流(CSO)污染是仅次于城市点源污染的污染源[1]，全国城市仍有合流制管道1.09×105km，占城市排水管道总长度的18.8%[2]。按照《水污染防治行动计划》要求，2030年全国城市建成区黑臭水体总体得到消除，在合改分困难重重的老城区，研究精准化调蓄截污技术对降低CSO频次、削减污染物排放、改善水体环境具有重要意义。

在合流制系统调蓄设施功效研究方面，程江等[3]对污染减排效果进行了实验研究，罗婷等[4]对初期雨水调蓄池排空时间进行了探讨，聂凤等[5]对调蓄池在合流制系统中的污染物去除效果进行了梳理。在调蓄设施计算与分类研究方面，德国和日本的系统性分类与容积计算理论[6]可供我国参考。国内已根据溢流位置进行调蓄设施分类，但对于功能分类与容积计算方法的研究比较匮乏。本研究结合多种合流制截排调蓄系统，对系统调蓄设施按照功能分类，并研究不同功能调蓄设施的容积计算方法理论。

1 设施分类与介绍

1.1 按设施类型划分

合流制排水系统将城市生活污水、工业废水和雨水汇集在一个管渠内输送、处理和排放。合流制截排调蓄系统在此基础上，修建调蓄池等多种截排截污设施，以降低排入水体中的污染负荷量。其中调蓄池根据溢流条件不同，可划分为截流型调蓄池、穿流型调蓄池和混合型调蓄池3种类型[7]。

截流型调蓄池只设置进、出水口，调蓄池内设截流装置，无溢流装置(溢流装置设置在池前)。初期雨水经过调蓄池送入污水处理厂，后期污染浓度较低的混合污水经缓流调节以恒定流形式送入污水处理厂，多余的混合污水通过前置设施溢流排入城市水体。

穿流型调蓄池同时在前置池、调蓄池内设置溢流口，有利于中后期低污染物浓度混合污水排放，但同样条件下截留倍数低于截流型调蓄池，适合溢流时间长、污染峰值小的地区。

联合型调蓄池联合布置以上两种调蓄池，既能对初期雨水良好控制，又适应长时间溢流情况，适合地下空间充裕、对雨水处理要求较高的地区。

3类调蓄池特点比较见表1。

表1 3类调蓄池比较Table 1 Comparison of three types of storage tanks

1.2 按功能目标划分

国内各城市已经安装了不同功能的截排调蓄设施。然而大部分截排调蓄设施仍然被称为“调蓄池(detention)”或“蓄水池(retention)”[8]。仅考虑溢流装置的分类既无法体现功能性，也不能匹配对应的容积计算理论，应根据截排调蓄设施在合流制系统中的功能作用进行分类。对各雨水系统中不同功能定位的合流制截排调蓄设施的分类思路见表2。

表2 截排调蓄设施功能分类思路Table 2 Functional classification of intercepting-storage facilities

1.2.1 截流—调节系统

截流—调节系统(见图1)是一种存储混合污水的常见雨水系统，核心为雨水滞留池。初期雨水通过雨水井流入前置溢流池，再进入雨水滞留池持留。当降雨量逐渐增大，前置溢流池内雨水高度超过分水堰最大高度产生溢流，溢流的中后期混合污水污染物浓度较低，一部分继续滞留储存，另一部分排入自然水体。天气转晴之后开启闸门，滞留混合水经过节流池控制流速平稳后送入污水处理厂处理。

图1 截流—调节系统示意图Fig.1 Schematic diagram of closure-adjustment system

雨水滞留池在截流—调节系统中发挥核心作用，是典型的截流类封闭式调蓄池。设施将混合水持留、储存，晴天时开启闸门将混合水送入污水处理厂，能大幅减轻污水处理厂雨天时处理负担，同时减少雨水污染物对城市水环境的污染。由于一般仅具备雨水储存功能，因此结构简单、成本较低、布置广泛。主要设计内容包括池容积、闸门、出水流量。

若地处小型汇水区并能预测降雨径流冲刷高峰，同时污水处理厂规模较小，则适合采用雨水滞留池。雨水滞留池特别适用于径流在下水道管网中到达雨水池的时间小于20 min的情况。

1.2.2 净化—调蓄系统

(1)过滤—沉淀复合设施

该复合设施(见图2)将混合污水预处理和一级处理与储存结合，格栅过滤池中的过滤格栅拦截大块固体垃圾，初期雨水则流入污水处理厂。当雨水径流增加，格栅过滤池内雨水溢流进入雨水沉淀池内沉砂，澄清出水则经过溢流槽和减流渠排入自然水体。

图2 过滤—沉淀复合系统示意图Fig.2 Schematic diagram of filtration-sedimentation composite system

格栅过滤池能够处理大块固体垃圾和大颗粒悬浮物，池内入流口下方格栅可以拦截固体垃圾，防止后续设备堵塞。参考德国废水协会的一系列标准，要保证通过过滤池下级设备的混合水中不再夹杂大块固体垃圾和大颗粒悬浮物，格栅一般选取栅距为4 mm的栅条网或者孔径为6 mm的圆形孔筛网。为保证格栅尽可能保持最大过流状态，需要人工定期清理。

格栅过滤池适用于周边卫生情况不佳、地表垃圾较为集中的区域，一般与雨水沉淀池联合布置。

雨水沉淀池原理上与污水处理厂中的沉砂池相似。从格栅过滤池流入配水槽中的混合污水均匀流经雨水沉淀池，雨水沉淀池充满之前起存储作用，充满开始溢流后起沉砂作用。在上升流速0.1～0.2 m/s、停留时间60 s和矩形水池长宽比超过4∶1的条件下可获得最佳沉淀效果，可以有效去除混合污水中粒径大于0.2 mm、密度大于2.65 t/m3的无机颗粒[9]。澄清出水经溢流槽和减流渠排入受纳水体。

雨水沉淀池一般与格栅过滤池结合布置，此时雨水沉淀池溢流槽前可以不设单独的挡板和其他浮渣收集装置。雨水沉淀池适用于降雨径流在管网到达雨水池的时间长于20 min的大型汇水区和长径流历时情况。

(2)管道增容—调蓄设施

管道增容—调蓄设施利用地下管道中冗余空间进行调蓄，靠近污水处理厂的地下管道有时会扩大管道直径，增加的容积形成一种特殊的调蓄设施，其功能根据溢流构筑物位置进行变化。这种调蓄方式除了下水道本身以外无附加构筑物。根据溢流情况，分为顶端溢流增容管道和底部溢流增容管道两种类型。

顶端溢流增容管道带有存储容积和顶端溢流设施，一定程度起到了雨水滞留池的作用，管道容积起到调蓄储存作用，上部设置的溢流口相当于雨污滞水调节系统中的前置溢流池，因此本质上顶端溢流增容管道属于溢流类调蓄设施。

顶端溢流增容管道可作为替代雨水滞留池的设施，具有低成本、改造简单的优势，适合短径流历时地区和上部溢流条件较好的情况。

底部溢流增容管道带有存储容积和底部溢流设施，一定程度起到了雨水沉淀池的作用。溢流口设置格栅拦截固体垃圾后，管道本质上类似格栅过滤池与雨水沉淀池联合布置。而管道内容易堆积沉积物，应在管内合适位置安装如水力翻斗的清洗装置，避免管道堵塞和沉积物溢流。

底部溢流增容管道能够作为雨水沉淀池的替代设施，适合长径流历时地区和下部溢流条件较好的情况。

2 不同功能合流制截排调蓄设施容积计算方法

2.1 设计计算类型

合流制截排调蓄设施容积计算，需要结合地区雨型、频率、降雨径流历时、管道设计标准等因素考虑[10]。从截排调蓄设施功能出发，结合溢流构筑物位置与降雨历时、汇水区面积等因素，选取适合各调蓄设施的容积计算方法，汇总于表3。

表3 合流制截排调蓄设施容积计算思路Table 3 Volume calculation of intercepting-storage facilities

2.2 截流—调节系统容积计算方法

该计算方法属于考虑截流倍数的调蓄时间法，根据调蓄时间与系统建成前后的截流倍数确定截排调蓄容积，同时考虑到污染负荷削减因素与调蓄池进水时间。由于截流型调蓄池适合短径流历时调蓄作用，同时计算方法适用于短径流历时降雨特征，因此适合初步计算雨水滞留池的有效容积。其中进水时间适合选取0.5～1.0 h，应根据雨污混合水水质的初期效应影响程度进行上下限率定。运行后截留倍数由要求的污染负荷目标削减率、当地截流倍数和截流量占降雨量比例之间的关系求得。

若某地区长序列降雨资料充分，则可以通过确定降雨历时下的入、出流过程线进行容积计算。图3中阴影部分面积即为雨水滞留池截排调蓄容积，可以通过有限差分等方法进行推算，也可以将入、出流过程线简化为三角形过程线进行简化计算[11-12]。

图3 流量控制过程曲线Fig.3 Curve of inflow and outflow process

2.3 净化—调蓄系统容积计算方法

净化—调蓄系统的目的是尽可能对规划面积内雨水径流调蓄净化，因此格栅过滤池截排调蓄容积受汇水区服务面积权重影响较大，截排调蓄容积计算适合采用面积负荷法，这种方法同时考虑降雨历时与汇水面积，适合受汇水区面积影响较大的截排调蓄设施采用。

雨水沉淀池的功能与污水处理厂的沉砂池作用类似，因此截排调蓄容积计算可以参照平流式沉砂池计算方法。

顶端溢流增容管道的功能类型和作用与雨水滞留池类似，容积计算可参照雨水滞留池计算方法。由于管道的改建要求一般较为精确，最好在数据充足的条件下选择入、出流过程线法计算，初步估算有效容积后通过管径计算公式计算出需要扩充的管道直径长度。

底部溢流增容管道由于有沉积物溢流排入水体的风险，因此一般存储容积大于顶端溢流增容管道。由于其沉淀效果欠佳，在计算有效容积时附加一个补充参数，比存储容积的计算可参照功能类似的雨水沉淀池、沉砂室的容积计算方法。

3 基于水力模型的合流制截排调蓄容积校核方法

传统截排调蓄设施容积计算以经验公式为基准，以池容当量降雨量为根据，虽能够反映截排调蓄设施功能并且操作简便，但同时也有缺陷，例如有些经验公式法未考虑汇水面积、下垫面条件或者截污干管的截流倍数等参数的影响，而实际情况下忽略的参数可能会对容积计算结果产生巨大影响。基于上述原因，近年来国内开始研究基于水力模型的容积计算方法，作为经验公式法的校核方法。

3.1 目标溢流体积与频次控制模型

通过溢流控制标准来校核截排调蓄设施容积，标准通常为溢流频次与体积，模型校核思路见图4。根据程小文等[13]的研究结果，利用城市排水管网-河道一维水力模型模拟管网合流水量与总溢流体积，从而确定工程中截排调蓄容积，相比传统经验公式法能够更好反映截排调蓄设施在晴天、雨天下的运行状况，量化溢流频次与溢流体积，更真实反映截排调蓄设施控制效果。

图4 目标溢流体积与频次控制模型校核步骤Fig.4 Verification steps of target overflow volume and frequency control model

3.2 目标径流污染水质控制模型

以某一水质指标结果作为径流污染标准，应用暴雨洪水管理模型等模拟校核在控制目标下的截排调蓄设施容积，模型校核思路见图5。李连文等[14]对工程中初期雨水调蓄设施建模分析，以《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅴ类水标准作为控制目标，结合经验公式法初步估算容积范围，并与模型校核调整，最终得出满足水质控制标准下的截留径流深度与截排调蓄容积。

图5 目标径流污染水质控制模型校核步骤Fig.5 Verification steps of target runoff pollution and water quality control model

4 结 语

以不同功能目标需求为导向，将城市合流制截排调蓄系统划分为截流—调节系统和净化—调蓄系统，根据截流—调节与净化—调蓄两种不同功能需求将现有合流制截排调蓄设施在功能上进行分类。通过对每种功能截排调蓄设施分析讨论，结合经验公式法完成对截排调蓄设施容积计算方法的合理选择，然后提供了基于水力模型的设施容积计算校核方法与流程，提高了设计参数的科学性并形成了完整的计算体系，对正确选择、合理设计、精准计量合流制截排调蓄设施具有重要作用。更加详细的设施功能分类与计算理论体系对提升城市合流制截排系统的精准截污效率，改善城市水体环境，控制黑臭水体反弹均具有重要意义。