海绵城市下一种便于冲洗淤泥的调蓄池设计

王明明，史志立，王 东

（四川大学水利水电学院，成都 610065）

海绵城市是一个新兴的城市水资源管理概念，可以让城市更好地适应暴风雨等强降水自然灾害，其遵照生态优先等原则，在确保城市防涝安全的前提下，尽可能地让雨水在城市区域储存、渗透和净化，合理地利用和保护雨水资源[1]。作为城市建设方式和发展理念转型的重要标志，目前，全国制定了海绵城市建设方案的城市已有130 多个[2]。

雨水调蓄池主要用于调蓄和储存雨水，是海绵城市排水系统的一部分，能缓解城市洪涝灾害，提高雨水利用率，是海绵城市建设的一个重要内容[3]。在每次降雨调蓄和放排空之后，调蓄池底会沉积一层淤泥，需要耗费大量的人力、物力清除。从保护水环境的角度考虑，须尽快地除去池内的淤泥，否则在下一次降雨时，污染物会被带入水体，同时淤积的沉积物会影响调蓄池的功能[4]。因此，调蓄池的清洗设计是雨水调蓄池设计中非常重要的内容。

1 现阶段常见的调蓄池冲洗方式

调蓄池内调蓄的初雨或合流污水含有大量的固体悬浮物（SS），由于调蓄池排空时间较长，调蓄池底部不可避免地会发生沉积。这就需要对池底进行冲洗，以避免淤泥长时间沉积在底部。调蓄池冲洗设备主要利用水力冲刷作用，对底部进行冲洗。其主要设备有如下几种类型。

1.1 水力翻斗冲洗

水力翻斗设置在调蓄池顶部，由开口向翻斗注水，达到设计的注水量后，翻斗和翻斗内的水的合成重心偏向翻斗的开口，此时翻斗倾翻，水从翻斗的开口倾泻而出，从而将调蓄池池底的固体污染物冲走[5]。该冲洗方式单位水量冲洗势能大，操作方便，但存在冲洗水量小、冲洗距离短、需外接水源等缺点，渠道宽度也受到一定的限制[6]。

1.2 水力冲洗门

水力冲洗门设置在调蓄池底部，通过蓄存水的势能突然释放形成冲刷。该冲洗方式需要设置存水池、蓄水廊道，存水池深度蓄水有限制，冲洗水位一般为2～3 m，冲洗强度较弱，冲洗长度一般不大于150 m。冲洗门一般是进口设备，初期投资较高[6]。设备位于水下，易被污染损坏[7]。

1.3 真空冲洗

真空冲洗系统的调蓄池由存水室、雨水储存区和冲洗水排放区组成。当储存区中的水位升高时，真空泵启动，将存水室中的空气抽空，调蓄池中的水在大气压的作用下压入存水室，存储系统被抽空的同时，真空阀便会打开，存水室内的真空被破坏，此时存水室的水依靠重力迅速释放势能，在调蓄池底部产生水平冲洗波，对池底进行清洗。真空冲洗设备具有操作简单、维护简单、冲洗水量大、冲洗势能大等特点，真空室施工质量要求略高，适合于大型调蓄池[5]。

1.4 智能喷射器冲洗系统

智能喷射器冲洗系统一般安装于调蓄池底部，利用高速的气液混合物对调蓄池底部进行冲洗搅拌，不仅可以自动全面冲洗，而且可以点对点地冲刷。喷射器有较多移动部件，需要维护的设备较多，不易于维护[5]。设备位于水下，易被污染损坏，不易检修，并且需建造冲洗水储水池，运行成本较高[7]。

2 设计原理

国内外采取的清洗方式并无明显异同，本文主要针对水流直接冲刷清洗的方式，对调蓄池进行改造设计。本设计对调蓄池结构进行改良，利用蓄水所具有的水头，从正面和底部两个方向冲击淤泥。打开闸门正式冲水前，先打开阀门，利用底部管道将水引至池底，竖直冲击淤泥，使淤泥隆起，不仅减小了淤泥与池底的接触面积，降低了摩擦力，还增大了正面水流冲击淤泥的面积。预处理使得正式冲水时，淤泥在正面水流冲击的作用下更容易被带走。冲洗原理如图1所示。

图1 冲洗原理图

改进后调蓄池结构如图2所示，从上游至下游有雨箱、水位传感器及其自动化系统、闸门、阀门、底部管道、蓄水室、冲水竖管和尾水槽。

图2 调蓄池平面图

雨箱主要提供冲洗需水，水箱有上下两部分开口，分别通过闸门和阀门控制水流，上部开口为清洗水流进入冲水廊道提供通道，开口下缘与廊道最高点齐平，能够提供完全覆盖廊道的水流；下部开口连接底部入水管道，管道延伸分布至廊道中，其上有竖向分支细管连接至冲水廊道表面，为节约空间和节省水头，按梅花桩形交错分布布置。

水位传感器及其自动化控制系统采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。底部管道利用连通器原理，在水箱中蓄有较高水头的水时，打开阀门开关，在水头差的作用下，在竖管出口处产生射流，水流产生的向上的冲击力将使得受冲击底泥局部隆起，底泥间的内力将冲击力传递至周围底泥。

闸门、阀门均由自动化系统控制其启闭。当雨箱中的水位到达一定高度时，其就会将信息反馈到控制中心，控制闸门和阀门的启闭。冲水廊道与闸门连接，设计为一斜坡，坡度保证冲水廊道中水的流态，便于后续衔接，同时也能保证水流有足够的冲击力作用于底泥。尾水槽主要接收来自上游的清洗水流，起到缓冲作用并将其向外排出。具体实施过程如下。

第一次暴雨前，闸门处于开启状态，调蓄池底部的两个阀门和后闸门关闭，等待暴雨停止后关闭前闸门，开启后闸门，放空调蓄池，此时雨箱中保持第一次暴雨结束后的水位。

第二次暴雨，等雨箱中的水上升到一定高度（根据实际情况水位传感器预设的压力所对应的高度），保证了水有较大的势能。控制系统将根据水位传感器的电信号进行驱动，自动依次执行开启调蓄池底部的前阀门和前后闸门动作（前阀门和前后闸门的开启间隔时间可根据实际情况，如调蓄池的长度、大小及管道的长度粗细等设置延时，以确保竖向管道始终保持较大的压强），对调蓄池底部进行双向冲洗。

冲洗完成后，开启前闸门，关闭后闸门进行本次暴雨的蓄水。待本次暴雨结束后进行泄水。如此一来，在暴雨每次来临，调蓄池进行蓄水时都会利用天然雨水高效冲洗上次暴雨所堆积的淤泥。另外，为了防止淤泥堵塞管道，调蓄池每次泄水完成以后可以打开前后阀门，同时稍微开启前闸门进行管道的冲洗。冲洗完成后，等待下一次蓄水。

往复循环以上操作即可实现调蓄池的蓄水和自动冲洗。

3 结果分析

利用模型试验，设置对照组和试验组。对照组将竖管封堵，只打开前闸门和后闸门，模拟原有的单向冲洗方式。试验组打开竖管，模拟改进后的双向冲洗方式。池底大致均匀铺设1 cm 厚、60 cm 长的黏土，每组冲洗15 次，记录直到池底淤泥完全冲洗干净时的用水量。

由初步试验数据分析得到，采用改进后的双向冲洗单次用水量大约是单向冲洗的1/3，节约了大量水。此外，改进后的调蓄池冲洗效果更好，运行管理更加方便，一定程度上减少了劳动力的投入。

4 结论

能源时代，节约能源就是创造能源，节能是未来的发展主流。我国是一个用水量较多但又干旱缺水严重的国家，发展高效节水、经济用水是急需寻求突破的问题[8]。该设计最大化利用天然水头，有效提高了原型调蓄池的实用性和经济性。无需提供外部动力，符合当代节能环保的发展趋势，可以推广运用到污水沉淀池、冲沙池等的建设中。

目前，我国的海绵城市建设还处于发展期，技术与发展尚不成熟，已建的大部分海绵城市都属于试点[9]。据统计，已经试点建设的海绵城市中有许多城市仍然有内涝灾害发生。因此，对海绵城市任何一个部分的优化改进，都将推动其加快发展，达到目标要求。改良后的调蓄池结构简单，底部管道部分设计成本低，自动化程度高，便于维护。随着信息技术的发展，将自动控制原理应用到海绵城市中，有利于科学、实时地进行检测，及时进行故障排除，提高运行可靠性，推动海绵城市更快更好建设，其具有较好的应用前景。