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  • 班尼戈閥門(中國)水業導航:基于海綿城市建設理念的排水工程設計

    2019-07-16  來自: 班尼戈閥門(北京)有限公司 瀏覽次數:119

    班尼戈閥門(中國)海綿城市建設理念越來越深入人心,“小雨不積水、大雨不內澇、河道不黑臭、熱島有緩解”的目標已成為業內共識,這就要求排水工程建設者更新理念,緊緊抓住城鎮發展過程中的高質量發展和高品質生活要求,滿足人民對美好生活的向往,建設高標準、高質量的雨水系統和污水系統。

     

    城鎮排水工程是社會文明發展的重要載體,對于改善城市居民的生活環境起到決定性的作用。2012年,我國的城鎮化率已達到52.6%,超過世界平均水平(52.5%),并以高于世界平均水平的速度(年均0.5%)快速推進。中國城鎮化將進入“下半場”預計2030年我國的城鎮化率將達到70%左右,新型城鎮化發展給排水行業帶來機遇也帶來了挑戰,應以生態文明建設的理念系統推進城鎮化建設。

     

    內澇防治要求我們高標準建設雨水系統。氣候變化致使暴雨頻率和強度都有所改變,城鎮化進程的加快加劇了暴雨內澇對城市的威脅。硬化屋頂地面的增加,致使雨水排水強度加大;規劃中片面追求用地指標,侵占或縮窄了自然水體,雨水調蓄功能嚴重萎縮;城市建設者片面追求高水位、大水面,阻礙了雨水的自然調蓄和下泄。

     

    黑臭水體治理要求我們高質量建設污水系統?!昂诔粼谒?,根源在岸上”,合流制排水系統的截流倍數偏低,造成溢流污染嚴重;分流制排水系統雨污混接嚴重,造成旱天污水直排和雨天受污染徑流放江,很多城市水體逢雨必黑,黑臭河道反復治理。

     

    在新時代海綿城市建設理念的指導下,市政雨水系統和污水系統如何高標準、高質量建設是給排水設計人員面對的新課題。海綿城市建設理念是雨水管理和污水治理中國智慧的結晶。海綿城市建設目標不能只依靠市政雨水系統實現,還需要建筑小區、綠地、道路廣場和城市水系等多系統的共同參與。污水系統則應盡快推進廠網一體化建設,建管并舉,提質增效,實現全收集、全處理,充分發揮污水收集處理系統的作用,把污染物有效輸送至污水處理廠處理,提高污染物消減量。


    1 建設高標準雨水和內澇防治系統

    雨水和內澇防治是一項系統工程,涵蓋從雨水徑流的產生到末端排放的全過程控制,應包括源頭減排、排水管渠、排澇除險等工程性措施和應急管理的非工程性措施,并應和防洪設施相銜接,而不僅僅指傳統的排水管渠設施。


    1.1 源頭減排

    源頭減排設施一般由綠色屋頂、生物滯留設施、植草溝、調蓄設施和透水鋪裝等滲透、滯蓄和凈化措施組成,主要應對低強度降雨的大概率事件,其設計應注重綠灰耦合,實現控制雨水產生、減排雨水徑流污染、收集利用雨水和削減峰值流量。

     

    源頭減排設施的設計標準應根據年徑流總量控制率確定,并應明確相應的設計降雨量。以上海為例,年徑流總量控制率為70%、75%、80%時,根據近30年的統計數據所對應的設計降雨量分別為22.2 mm、26.7 mm和33.0 mm。根據年徑流總量控制率對應的設計降雨量、徑流控制面積和相應的徑流系數,采用容積法計算得到需控制的徑流體積,以此作為源頭減排設施的設計規模。當降雨量小于規劃確定的年徑流總量控制要求時,源頭減排設施應做到不直接向市政雨水管渠排放未經控制的雨水。


    1.2 排水管渠

    排水管渠設施一般由排水管道、溝渠、雨水調蓄設施和排水泵站等組成,主要應對短歷時強降雨的大概率事件,其設計應考慮公眾日常生活的便利,并滿足較為頻繁降雨事件的排水安全要求。

     

    排水管渠的設計標準應根據雨水管渠設計重現期確定設計降雨強度。近幾年,我國的雨水管渠設計重現期標準得到提高,《室外排水設計規范》(GB 50014)在2014年修訂的時候,將原來“一般地區1~3年一遇、重要地區3~5年一遇”的規定,按不同的城鎮類型(超大城市、特大城市、大城市、中等城市和小城市)、不同的城區類型(中心城區、非中心城區、中心城區的重要地區和中心城區地下通道和下沉式廣場等)分別進行規定,比如超大城市和特大城市的中心城區要求3~5年一遇,中心城區的重要地區要求5~10年一遇,這一標準和歐盟標準基本吻合。同時各地應根據雨水管渠的設計重現期確定設計降雨強度,以便公眾理解。以上海為例,中心城區和新城、其他地區、地下通道下沉式廣場等的雨水管渠設計重現期標準分別是5年一遇、3年一遇和30年一遇,對應的小時設計降雨強度分別為58.1 mm/h、51.3 mm/h和82.2 mm/h。

     

    雨水管渠一般按滿管流設計,其傳輸能力是根據雨水管渠設計重現期下的設計降雨強度、匯水面積和徑流系數,通過推理公式法或數學模型法計算流量確定。當匯水面積>2 km2時,考慮區域降雨和地面滲透性能的時空分布不均勻性和管網匯流過程等因素,應采用數學模型法確定雨水設計流量,并應校核內澇防治設計重現期下地面的積水深度等標準。

     

    徑流系數主要取決于土地利用情況、土壤和植被類型以及地面坡度。降雨特性(例如強度、歷時)和前期降雨條件也對徑流系數具有影響。因此進行內澇防治設計校核時,如采用推理公式法或者在數學模型中采用固定徑流系數,應提高不同下墊面的徑流系數,當設計重現期為20~30年時,徑流系數提高10%~15%;當設計重現期為30~50年時,提高20%~25%;當設計重現期為50~100年時,提高30%~50%;當計算的徑流系數>1時,應按1取值。


    1.3 排澇除險

    排澇除險設施主要應對長歷時降雨的小概率事件,承擔著在暴雨期間調蓄雨水徑流、為超出源頭減排設施和排水管渠設施承載能力的雨水徑流提供行泄通道和zui終出路等重要任務,是滿足城鎮內澇防治設計重現期標準的重要保障。

     

    排澇除險設施的設計標準應根據內澇防治設計重現期確定設計降雨強度。排澇除險設施的建設,應充分利用自然蓄排水設施,充分發揮河道行泄能力和水庫、洼地、湖泊、綠地等調蓄雨水的功能,合理確定排水出路。排澇除險設施的規模,應根據其類型(調蓄或排放),進行相應的水量或流量計算,且應和源頭減排設施、排水管渠設施作為一個整體系統校核,滿足內澇防治設計重現期的設計要求。根據內澇防治設計重現期校核地面積水排除能力時,應根據當地歷史數據合理確定用于校核的降雨歷時和該時段內的降雨量分布情況,有條件的地區應采用數學模型計算,計算中降雨歷時應為長歷時。發達國家一般根據服務面積,確定降雨歷時,通常采用3~24 h。如校核結果不符合要求,應調整設計,包括放大管徑、增設滲透設施、建設調蓄管道或調蓄池等。在設計內澇防治設計重現期下,雨水管渠按壓力流計算,即雨水管渠應處于超載狀態。

     

    城鎮內澇防治的主要目的是將降雨期間的地面積水控制在可接受的范圍,因此滿足內澇防治設計重現期的標準包括地面積水深度和zui大允許退水時間標準。

     

    地面積水深度標準有兩點規定,一是居民住宅和工商業建筑物的底層不進水;二是道路中一條車道的積水深度≤15 cm。當路面積水深度>15 cm時,車道可能因機動車熄火而完全中斷,標準要求能保證城鎮道路不論寬窄,在內澇防治設計重現期下,至少有一車道能夠通行。發達國家和我國部分城市已有類似的規定,如美國丹佛市規定:當降雨重現期為100年一遇時,非主干道路中央的積水深度不應超過30 cm,主干道路和高速公路中央不應有積水。上海市規定積水深度超過道路立緣石(立緣石一般高出路面10~20 cm)即為市政道路積水。

     

    zui大允許退水時間標準是指雨停后的地面積水的zui大允許排干時間,因為道路積水對城市不同區域的影響不同,因此,可以根據不同的城區類型分別確定zui大允許退水時間,而對于交通樞紐這樣對道路積水特別敏感的區域,zui大允許退水時間應采取措施進一步縮短。上海市是全國排先規定雨停后退水時間的,并從zui初要求的≤2 h調整到≤1 h;天津市的排除積水實踐經驗為40~50 mm/h雨后1~3 h,60~70 mm/h雨后3~6 h;浙江省地方標準對積水時間進行了詳細的規定,中心城區重要地區≤0.5 h,中心城區≤1 h,非中心城區2 h。


    2 建設高質量污水與徑流污染控制系統

    改革開放40年,我國的城市建設日新月異,但城市排水系統得不到正常的建設和維護,城市管網系統雨污混接、破損淤積嚴重,造成污水管網的有效收集不夠,統計數據表明,我國污水處理水量逐年增加,2017年全國污水處理量是2007年的3.2倍,但由于進水濃度降低,2017年COD削減量僅為2007年的2.7倍。

     

    同時城市雨水徑流污染沒有得到有效控制,由于污水系統在設計的時候沒有考慮到這部分水量,從而造成大量截流或調蓄收集的受污染雨水,終無法輸送到污水處理廠處理達標后排放,而是在廠前或污水提升過程中溢流排放,造成水環境污染。因此污水系統的規劃和建設應與海綿城市建設中徑流污染控制目標和要求接軌,將受污染的雨水徑流,即截流的雨水輸送和處理納入其中。


    2.1 應建設完全的污水收集系統

    2010年作者就撰寫文章提出要逐步消除雨污混接,分析了上海市排水系統雨污混接現象,將混接類型主要歸納為系統間混接、系統內管道混接、小區管道混接和住宅內部混接4類,還要加強管理,消除洗車排擋等污水直接進入雨水管道。隨后國家地方的規范標準陸續關注由于設計不當造成的混接問題,并加以修編。國家標準《室外排水設計規范》(GB 50014)在2011年局部修訂中,新增條文內容,強調“雨水管道系統和合流管道系統之間不應設置連通管道”,以避免由設計造成的系統間混接;國家標準《住宅設計規范》(GB 50096)在2011年修訂時,新增規定“洗衣機設置在陽臺上時,其排水不應排入雨水管”;上海市地方標準《住宅設計標準》(DGJ 08-20)在2013年修訂時,也相應增加了規定“陽臺雨水應排入污水系統并應采取防臭措施”。因此,2011年之后建設的大多數住宅建筑已能在設計階段避免造成雨污混接。

     

    但是,城鎮排水系統的混接在很多已建成系統中仍然存在,同時建設周期或管理過程中的不合規操作也造成新的混接。目前城鎮排水系統混接中的重災區,包括管網河網混接、雨污系統混接和建筑小區混接。

     

    (1)管網河網混接。主要指排水管網和河網之間的混接,大多是因合流制排水系統沿河截流工程設計不當,引起合流制系統排水管網和河網的混接,其結果是在雨季,當河水水位上漲時倒灌進入截流系統,致使上游的截流污水輸送不暢而溢流入河,同時大量河水進入截流系統,造成污水處理廠進水濃度偏低。

     

    (2)雨污系統混接。雨污系統之間的混接主要是由于目前許多地區合流制和分流制排水系統并存,部分系統之間仍存在將合流管道和分流制雨水管道相連的現象;還有不少城市的合流制排水系統和分流制排水系統合用一根污水干管,分流制位于合流制的上游,在雨季,當下游污水泵站由于后續污水系統流量限制或其他原因不能按設計水位運行時,污水截流管可能處于滿管流狀態,下游頂托造成上游泵站輸送來的旱流污水從截流管進入截流井,進而溢流至雨水系統,實質上造成不同排水體制系統間的混接。

     

    (3)建筑小區混接。建筑小區(包括企事業單位)的雨污混接是城鎮雨污混接的重災區,因為市政管網系統的責任主體還是相當明確,也開始開展大量的管網普查摸清底數的工作,而建筑小區的底數更難摸清。上海中心城區某區8個分流制排水系統,共查出583個混接點,混接水量13 825.14 m3/d,其中小區混接點273個,混接水量11 365.94 m3/d,個數占比46.91%,水量占比82.21%,而小區混接中,又以陽臺污水的混接zui為嚴重。

     

    城鎮排水系統混接問題是我國城市水環境治理必須面對的“頑疾”,行業主管部門和從業人員應充分認識到混接改造工作的重要性和艱巨性,從現場調查、工程建設、技術研發、標準制定、目標管理等各項工作著手,堅持不懈地推進各種混接改造目標的達成,配合對公眾環保知識的宣傳和環保意識的培養,消除排水系統的雨污混接現象,建設完全的污水收集系統,為城市水環境治理和污水系統提質增效提供支撐。


    2.2 污水處理廠應對雨天流量的經驗

    許多國家無論合流制還是分流制排水系統,污水干管和污水處理廠的設計中除處理旱季流量之外,都預留部分雨季流量的處理能力,根據當地氣候特點、污水系統收集范圍、管網質量,雨季設計流量可以是旱季流量的3~8倍。

     

    2.2.1 美國

    美國鹿島污水處理廠位于馬薩諸塞州,其服務范圍內有超過50%的區域為合流制排水系統,因此該污水處理廠進水流量隨降雨量變化較為明顯。

    為滿足美國NPDES(國家污染物排放削減)許可證對污染物排放量為服務范圍內的合流制溢流污染控制問題,該污水處理廠日均設計流量為137萬m3/d(361×106加侖/d),雨季zui大設計流量為52.6 m3/s(1 200 ×106加侖/d),而二級處理設計能力zui高達到265萬m3/d(700 ×106加侖/d),約為日均設計流量的2倍。由圖1可知,鹿島污水處理廠的二級處理能力基本能滿足大多數降雨期間的入廠流量全量處理。

     

    2.2.2 英國

    英國為削減合流制區域的雨天溢流和分流制區域徑流污染,確定了zui大允許暴雨溢流(排放)量。對于合流制地區,要求污水設施足以應對旱季流量的晝夜峰值加上日降雨25 mm以下產生的額外流量,污水處理廠zui大處理量和zui大允許暴雨溢流排放量之間還存在6.5倍生活污水量的差值,需要進行調蓄。對于分流制地區,雨天徑流污染控制的目標是,2倍于旱季污水流量(除去地下水入滲量)的徑流不能直接放江,而應該通過截流、調蓄和處理后才排放。

     

    2.2.3 日本

    日本大阪市為削減合流制排水系統雨天溢流污染,在2002~2006年開始啟動“合流制排水系統溢流污染控制緊急對策”,合流制排水系統雨天污染物排放標準,由zui初的BOD5≤70 mg/L改為BOD5≤40 mg/L。采取的工程措施包括建設雨水調蓄池、調整雨天污水處理廠處理工藝和利用放水路調蓄雨水等措施。同時在合流污水溢流排放口增設過濾裝置,減少固體雜質的排放。

     

    雨季污水處理廠進水流量為旱流污水的3倍(3Q),傳統處理工藝是3Q的流量經過初沉后,2Q的流量被排放,1Q的流量進入后續生化處理單元。大阪市采取的新措施是多點進水,1Q的流量進入生物處理前端,2Q的流量進入生物處理后段。

     

    結果表明,采用該工藝,進水流量在1.48Q~4.62Q時,出水SS 和BOD5分別可達到9.3 mg/L和7.7 mg/L的控制目標。另外大阪市還擬將污水處理廠初沉池由平流式改為斜板沉淀池,從而減小處理合流污水所需沉淀池的容積,多余空地建設專門處理雨水的沉淀池。

     

    因此在污水系統設計能力和污水處理廠工藝選擇上,系統考慮雨季進入污水系統的受污染徑流的雨水量,是削減合流制溢流污染和暴雨排江污染的關鍵措施。


    2.3 旱季設計流量和雨季設計流量

    我國現行《室外排水設計規范》在污水處理處理構筑物流量設計中明確規定合流制處理構筑物的提升泵站、格柵、沉砂池應按合流水量設計,但是沒有明確提出雨季設計流量的概念,特別是二級處理系統,規定是按照旱流污水量設計,必要時考慮合流水量,而大多數污水處理廠,為確保出水水質達標,一般在二級處理前就把超過設計流量的部分直接超越溢流了,因此,目前我國的污水系統基本沒有應對雨天流量的能力。

     

    為保障污水系統提高應對雨天流量的能力,切實提高合流制系統截流倍數,減少雨天溢流污染,有必要在污水系統旱季設計流量的基礎上,提出雨季設計流量的概念。

     

    顯然,對于合流制系統,雨季設計流量就應該是截流后的合流污水量,而分流制污水系統的雨季設計流量,應在旱季設計流量的基礎上,根據對徑流污染控制設施的調查,增加相應的截流雨水量。

     

    在設計過程中,應從污水管道、泵站、污水處理廠各構筑物和污泥處理系統考慮旱季設計流量和雨季設計流量的協調。比如,對于分流制污水管道,應按旱季設計流量進行設計,并按雨季設計流量校核,校核的時候可采用滿管流;對于分流制污水泵站的設計流量,應按泵站進水總管的旱季設計流量確定,其總裝機流量應按泵站進水總管的雨季設計流量確定;對于分流制雨水泵站,雨污分流不徹底、短時間難以改建或考慮徑流污染控制的地區,雨水泵站中宜設置污水截流設施,輸送至污水系統進行處理達標排放;對于污水處理廠污水處理構筑物,提升泵站、格柵、沉砂池和深度處理,均應按雨季設計流量計算,初次沉淀池和二級處理系統,應按旱季設計流量設計,雨季設計流量校核,管渠應按雨季設計流量計算;當二級處理系統不能滿足要求的時候,也可參考國外的做法,在廠內增設調蓄設施,應對雨季設計流量;對于處理截流雨水的污水系統,其污泥處理處置設施的規模應統籌考慮相應的污泥增量,可在旱流污水量對應的污泥量上增加。


    3 結語

    排水工程是城鎮居民生活和社會經濟發展的生命線,是保障公眾身體健康、水環境質量和水安全的重要基礎設施,排水工程包括雨水系統和污水系統,基于海綿城市建設理念的排水工程設計需要進一步增強系統性、整體性和協同性,遵循從源頭到末端的全過程管理和控制,雨水系統和污水系統相互配合、有效銜接,建設完善的合流制排水系統,通過截流、調蓄和處理等措施,提高截流能力并結合源頭減排,控制溢流污染;建設完全的分流制排水系統,消除雨污混接,通過提升污水系統的收集和處理能力,實現對城鎮所有用水過程產生的污染水和受污染雨水徑流的全收集、全處理。實現保護水生態、改善水環境、保障水安全、提高水資源利用的目標,服務于新時代城鎮發展的需要。


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