城市排水管线的优化设计

城市排水管线的优化设计

城市排水系统是城市雨水排水、污染控制和生态环境保护体系的重要组成部分。它不仅是城市生存和可持续发展的重要基础设施，也是城市“腾旧纳新”生命的保障。城市排水系统规划中的首要问题就是排水体制的选择,传统的排水体制有合流制和分流制两种基本形式,它们在城市防洪、排涝和改善城市环境卫生等方面发挥了重要作用。实践证明,随着人类活动的日益加剧以及城市建设的复杂性和管理的局限性,排水管网的逐年建设和污水处理厂的相继运行未能有效遏制城市周边河流湖泊的水环境污染。究其原因,现行排水体制在日常管理、面源污染控制、雨水利用和水环境保护等方面存在不足,需重新加以审视。1传统排水体制与存在的问题1.1污水治理及化学处理直泄式合流制是将污水和雨水混合在同一管渠内,不经处理直接就近排放的系统。由于污水未经无害化处理,使受纳水体遭受严重污染。从环境保护和卫生防护来看,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础上增设一根污水截流干管,晴天时所有的旱流污水都被截流至污水厂进行集中处理,雨天时的初期雨水径流也被截流至污水厂进行处理,部分混合污水经溢流井直接排入水体。截流式合流制较好地控制了污染较重的初期雨水地表径流所带来的污染负荷,但在降雨中后期,超过截流干管输水能力而直接排入水体的部分混合污水会周期性地给水体带来污染,甚至引发水污染事故。近年来,一些观点认为合流制已过时,以致在城市总体规划时几乎不再考虑采用合流制排水系统。事实上,英、法等国的大部分城市仍保留了合流制体系,其主要河流莱茵河和泰晤士河的水体都得到了很好的保护,主要举措是控制面源污染并保证排入河流的污水处理率。美国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须就地进行一级处理,并对每个溢流口因超载而未加处理的混合污水溢流次数加以限制(如华盛顿州每年1次,旧金山为4次),使得溢流对受纳水体水质的影响未超出控制目标。我国幅员辽阔,经济发展不平衡,在一些气候较干旱、降雨较均匀、水体环境容量较大的地区以及老城区排水管网需要改造的地区,仍可因地制宜地采用截流式合流制。只要截流措施得当、溢流污水处理措施可靠、水环境预测影响较小且未改变水体功能等,截流式合流制则是一种投资省、见效快、实施容易、维护管理简便的排水形式,尤其是在一些经济水平较落后、管理水平较低的地区实施该种排水体制,具有良好的经济效益和环境效益。1.3初期雨水径流污染分流制是将生活污水、工业废水和雨水分别在两个或两个以上各自独立的管渠内排放的系统。理论上分流制排水系统对于保护环境及防止水体污染方面无疑是较好的排水体制,但目前分流制排水系统在实施过程中却存在以下问题:①初期雨水径流直接排入水体,对城市水体造成了一定污染由于人们随意抛弃垃圾、汽车漏油、汽车轮胎磨损、尾气排放、空气湿沉降、农田肥料的大量流失,以及一些企业生产区不同程度地存在跑、冒、滴、漏等现象,使得初期雨水径流成为地表水体(尤其是湖泊水库)的重要面源污染之一。近年来,在城市入河排污口的监督管理中也发现,一些新建城区、大型厂区、工业园区虽已实施了完全分流制,但雨水排放口所排放的雨水水质很差,有时甚至直接影响流域下游水厂取水口的正常取水。随着城市化进程的加快和城市水环境压力的日益加剧,初期雨水径流已成为地表水体不可忽视的一个重要面源污染源,而传统的分流制排水系统却无法对初期雨水径流进行收集和处理。②雨、污水管道混接现象严重,污水收集率较低在分流制排水管网的运行过程中,发现雨、污水管道误接的现象较严重,导致污水处理厂平时收集不到足够的污水量,同时雨水的受纳水体在晴天时又有污水排入造成水环境污染,使得分流制排水系统的优越性未能充分体现出来。此外,在民用建筑的使用过程中,经常出现改变建筑功能的状况,如办公建筑改成餐饮或娱乐业,将阳台改成厨房、洗衣间等,使得原有排水系统被打乱,雨水管成为污水管。这种不合理地利用原有排水系统的现象,也造成了整个分流制排水系统的不良运行。2新排水系统的讨论为克服现行排水体制的不足,宜对传统排水体制作适当改进。根据规范的有关要求,并结合工程实践经验,提出了两种新型排水体制。2.1截流式分流制排水系统截流式分流制是分别设置污水和雨水两套独立的管渠系统,并在雨水支管上每隔一定距离设置1座截流井,截流井内设置截流管与污水管相通。雨季时,截流井截流的初期雨水径流通过截流管就近排至附近的污水管;旱季时,截流井将误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统见图1。截流式分流制通过在雨水管上设置截流井,较好地解决了初期雨水地表径流污染和误接入雨水管的污水的影响,克服了传统分流制排水系统雨污分流不彻底、初期雨水污染等不足,更好地保护了城市地表水环境。在已实施分流制的大型居住区、大型市场、商场等人类活动集中区和一些工业企业、交通干道等污染严重地区,可根据排水管网的高程,因地制宜地实施截流式分流制排水系统改造;在城市新建区和新建工业园区应根据用地性质,在一些可能产生较重污染的区域进行排水系统规划时可考虑实施截流式分流制排水系统,统一规划和设计,以尽可能地控制面源污染,保护水环境。截流式分流制排水系统的关键在于截流井的合理设计和建造。现有截流井的做法有截流槽式、旁侧堰式和跳越堰式三种,分别适用于不同的截流情况。与传统截流式合流制排水系统在雨污合流管上所设置的截流井不同,截流式分流制排水系统中的截流井位于雨水管上,在降雨的不同历时阶段发挥不同的功能。在降雨初期雨水径流量较小时对这部分雨水进行截流,并排入附近污水管;在降雨中后期雨水径流量较大时则使这部分雨水顺利通过截流井流入下游雨水管。根据这一要求,截流井宜采用跳越堰式截流井,其做法及运行工况见图2、3。由图2、3可知,上述截流系统适用于雨水管旁边敷设有污水管且污水管底标高低于雨水管的情况。当雨水管附近有污水管但污水管高于雨水管或附近无污水管时,该截流系统不能正常工作且污水会通过截流管倒流入雨水管。此种情况下,为截流初期雨水,建议仍采用图2、3所示的初期雨水截流系统,但截流管应引至污水管下游适当位置,在污水管标高较低处再接入污水管。采用这种截流方式必须在道路横断面上留出截流管的位置。截流式分流制排水系统的设计:截流管以下的下游污水管由于接纳了初期雨水径流,其管径应以上游转输污水量加本段污水量按非满流进行设计,并应以该污水量加上初期雨水量按满流进行校核。2.2溢流污水回用预处理溢流污水处理—截流式合流制系统是雨水和污水通过一根合流管排出,在合流管的末端设置预沉池、截流井和截流管,并在截流井的溢流堰侧设置溢流污水处理设施的新型排水系统。该排水系统如图4所示。晴天时,合流管呈非满流状态,管内为旱流污水,污水经“合流管→预沉池→截流井→截流管”流入污水厂进行集中处理。雨天时,合流管呈满流状态,管内为雨、污水的混合水体即合流污水。由于雨季时的雨水流量大,易使合流污水量大大超出污水厂的设计处理能力,因而合流污水不能全部进入污水厂进行处理。合流污水首先流至管网末端的预沉池进行预处理,预沉池下部污染物浓度较高的污水由截流管以一定的截流倍数送至污水厂进行处理,预沉池“上清液”即上部污水则经截流井溢流堰溢出。由于溢流污水在预沉池中的停留时间较短,其污染物浓度较高,不宜直接排入地表水体。为此,需对溢流污水作进一步处理。根据试验,溢流污水经进一步固液分离后,上部澄清液可基本达到《污水综合排放标准》(GB8978—1996)的二级标准,可直接排放于Ⅳ、Ⅴ类水体,其下部沉淀污泥在雨停后可借重力排至截流管,并随旱流污水一起进入污水厂进行处理。溢流污水处理—截流式合流制排水系统的关键在于预沉池、截流井和出水沉淀池的合理设计和建造。根据合流污水的水质特点和现有的工程经验,预沉池可采用平流沉淀池,截流井可以预沉池出水堰代替,出水沉淀池可采用斜管或斜板沉淀池。为减小水头损失、节省占地,预沉池、截流井和出水沉淀池可采用合建形式,具体见图5。溢流污水处理—截流式合流制排水系统的设计:①预沉池应以合流管的最大排水能力为设计流量,按平流沉淀池自然沉淀进行设计,但沉淀时间、水平流速等参数应以原水沉淀试验确定;②截流管的设计应与污水厂的处理能力相匹配,截流倍数可取1～5,按满流设计,并以旱流污水量加初期雨水径流量来进行复核;③出水沉淀池的设计应以预沉池溢流堰的过水能力为设计流量,可采用斜管或斜板沉淀池。合流污水水质不同于工业废水和生活污水,其悬浮物含量较高且易于沉淀,所含污染物如TP、COD等主要以颗粒吸附态为主,出水沉淀池沉淀区的水力负荷取值可适当放宽。根据相关试验报道,当水力负荷达50～60m3/(m2·h)时,对SS、COD和TP的去除率≥80%。由于不同地区的合流污水水质存在一定差异,预沉截流池和斜板沉淀池的设计参数应以原水