智能截流井在某大型湖泊沿湖排口截污改造工程中的应用

王 彬，高 磊，李 虹，李 璐，吕 阳，王璐露

(1. 武汉市城市建设投资开发集团，湖北武汉 430063；2. 中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010)

排水系统是最重要的城镇基础设施之一，我国多数城市新建区域基本采用了完全分流制排水体制，然而我国的城市水环境并没有得到根本性的转变，许多城市水体的水环境依然难以令人满意，主要问题就是分流制排水系统存在的雨污水管道混接以及初期降雨径流。

分流制排水系统中要求的雨污水分流在实际中难以实现，晴天时雨水管网仍有污水出流，未能充分发挥分流制管网的优越性，同时，造成污水收集率低、污水厂运行负荷不足等问题。初期径流水质甚至比城市污水水质还差，而传统的分流制排水系统对初期降雨径流直接进行排放，不能避免由初期降雨径流带来的面源污染问题。对分流制雨水管道进行截流，能够很好地解决混接及地表降雨径流污染问题，因此，对分流制雨水管道进行截流就显得尤为必要。

某大型湖泊沿湖地块基本建成，由于建设时序存在偏差且开发企业的素质参差不齐，流域范围内管网混错接问题较为严重，存在混错接点1 189处，其中污水接入雨水731处，从而造成污水直接进入湖泊，严重污染了湖泊水质。以武汉市南湖及广东等地岸域雨污分流经验，要实现彻底雨污分流及混错接改造需要3～5年，而为了避免湖泊水质进一步恶化，消除点源污染时不可待，在混流排口上游混错接改造的同时迫切需要末端截流作为过渡。另一方面，面源污染是该湖泊水质恶化的一个重要因素，根据计算结果，面源污染在全湖CODCr、氨氮、TP和TN污染总量的占比分别为63.72%、31.89%、25.59%和21.22%。截流井作为点源和面源污染治理中均会用到的一种工具，在水环境综合治理的过程中受到广泛应用，而如何根据水环境综合治理工程的实施进度及时调整截流井的工作状态成为需要格外关注的问题。

1 工程现状

1.1 某大型湖泊流域系统现状

1.1.1 某大型湖泊流域概况

某大型湖泊是亚洲最大的城市内湖，流域面积为240.48 km2，水域面积为47.62 km2，湖泊岸线长度为122.8 km。流域涉及3个行政区，常住人口约为67.73万人，人口密度约为0.28万人/km2。随着城市快速发展及人口急剧增加，该湖泊周边排水系统和水环境面临巨大压力。

1.1.2 水质现状

近5年，该湖泊透明度、COD较为稳定，氨氮有所降低，TN和TP指标持续增高，水质整体呈现湖心优于湖湾的变化规律。该湖泊2011年—2013年为轻度富营养，2014年—2018年为中度富营养。根据2019年1月—8月水质监测数据，其整体水质为Ⅴ类～劣Ⅴ类，主要超标污染物为COD、氨氮以及TP。

1.1.3 市政管网及排口现状

该大型湖泊流域范围内管网混错接问题较为严重，存在混错接点1 189处，其中污水接入雨水731处，占比为61%，雨水接入污水458处，占比为39%。部分污水管网建设年代较为久远，结构性缺陷和功能性缺陷较多。该湖泊沿线各类排口共计666个。从排口类型来看，其中，管网类排口586个，入湖河沟和渠道38个(包含水系连通渠)，涵闸和泵站类42个。

1.2 某大型湖泊流域系统存在的问题及对策

1.2.1 某大型湖泊流域系统存在的问题

2005年以来，由于该大型湖泊流域范围内20年间城市建成区扩大3倍，且流域市政基础设施建设滞后于城市开发，该大型湖泊水质逐步变差，虽然环湖各区开展了大量的水环境治理工作，如2006年以来先后建了2座污水厂、实施沿湖截污；2013年后实施了污水厂提标改造、区域雨污分流等工程；2019年实施了湖泊蓝藻应急控制等工程。但由于该大型湖泊水域大、流域广，现有治理工程较零碎、缺乏统筹，2019年湖泊水质仍为Ⅴ类～劣Ⅴ类，水质恶化趋势仍未得到有效遏制，流域入湖污染总量为CODCr=18 751.13 t，氨氮=1 105.55 t，TN=3 293.28 t，TP=209.06 t，是现状湖泊纳污能力的2.04～4.47倍(2021年V类水质目标)，远超湖泊水环境容量和水体自净能力。

1.2.2 某大型湖泊沿湖排口截污改造工程

通过沿湖现场调查，结合排口晴天排水情况和上游排水管网普查成果，筛选出分流制污水直排口3处、分流制雨污混接雨水排放口72处，具体分布情况如图1所示。

图1 某大型湖泊沿湖直排或混流排口分布图Fig.1 Distribution of Direct-Discharge or Mixed-Flow Outlet along Large Lake

经计算，上述点源污染产生的入湖污染负荷为CODCr=788.40 t/a、氨氮=166.44 t/a、TN=140.16 t/a、TP=7.01 t/a，成为该大型湖泊水质恶化的一个重要因素。

另一方面，面源污染是该大型湖泊水质恶化的一个关键因素，根据计算结果，面源污染在全湖CODCr、氨氮、TP和TN污染总量的占比分别为63.72%、31.89%、25.59%和21.22%。

沿湖排口截污改造工程作为该流域水环境综合治理一期工程的一个子项，旨在通过对沿湖直排或混流排口实施截污改造以消除该大型湖泊沿湖旱季污水直排，并在一定程度上削减雨季溢流污染，其治理目标如下。

(1)旱天时，确保各类排水口无污水排放。

(2)雨天时,近期(混错接改造未完成)截流倍数n=2～5；远期(混错接改造完成后)结合初雨污染治理工程截留8 mm以上的初雨。

该大型湖泊沿湖排口截污改造工程近期主要是为了消除旱季污水入湖，随着周边排水管网不断完善，远期可结合该流域水环境综合治理的面源治理项目重点控制入湖面源污染。如何根据水环境综合治理工程的实施进度及时调整截流井的工作状态成为需要格外关注的问题。

2 工程治理方案设计

2.1 排口截流形式的选择

1)传统形式截流井[1]

近年来，应用在我国截流系统中的传统截流井主要包括堰式、槽式、拍门式和水闸式等几类，这类截流井构造简单，建造成本低，但是存在以下缺点：①截污管容易淤积；②合流污水直接溢流至自然水体中，污染河道；③存在污水及自然水体倒灌的情形(拍门易被漂浮物卡住)；④固定堰影响行洪；⑤截流管流量无法控制，影响污水厂正常运行。例如惠州老城区某处采用槽式截流井，雨天时截流井上下游管道均为满流，截流井出现湖水倒灌现象，冲击现状污水管线且截流井淤积现象严重[2]；北京部分老城区仍在用拍门式截流井，经常出现拍门连接杆被杂质堵塞缠绕或连接杆生锈使拍门无法正常和漏水的情况，且拍门需要定期维护，包括转动轴的维护，密封装置的维护和拍门板的维护[3]；河网地区常用的水闸式截流井造价较高，在人工控制下，难以保证闸门的及时开启和关闭，维护管理困难[4]。

国外新建的分流制管道常设置跳跃式截流井，对于已有的合流制管道，不宜采用；另一种新型的旋流阀式截流井通过在截污管道上安装旋流阀,就能精准控制雨季截污流量，但因整体造价较高目前在我国还没有广泛推行[5]。

2)智能截流井

相较于传统截流井，智能分流井智能化程度更高，可有效克服传统截流井的不足，其主要具有以下优点：①智能分流井截流管前装有堰板式可调堰或液动控制闸门，对通往污水处理厂的最大量能够进行控制，同时可以防止污水回流；②截流高度可以智能调节，同时可以防止自然水体的倒灌，但普通的截流井只是固定堰，无法调节截流高度和防止河水倒灌；③智能分流井采用水质法、雨量法、时间法和水位法进行控制，普通的截流井只是水位控制；④智能分流井可进行智能控制，普通的截流井仅仅只是对单个的设备进行人工控制。

目前,市场上主要有如下几种智能分流井。

(1)翻板堰式可控智能截流井

这类智能截流井在出水管前装有堰板式可调堰，在截污管上装有调流阀，可以把污水截流至市政污水管网，对进入污水处理厂或进入调蓄池储存的截流量能够进行控制，同时可以防止污水回流。清水则直接排放到自然水体，通过监测堰门前后的液位差，可智能控制溢流量减少溢流污染。堰系统配有倾角仪和上下限位开关，可通过液位仪控制堰板式可调堰的角度，同时还具有土建简单、施工难度小、土建成本低、安装不占用高度空间等优点。

翻板堰式可控智能截流井运行原理如图2所示。

图2 翻板堰式可控智能截流井运行原理Fig.2 Operation Schematic of Aqua-Gate Shield Intelligent Intercepting Well

(2)下开堰式截流井

这类智能分流井截污管前装有下开式液动控制闸门，对通往污水处理厂的最大量能够进行控制，同时可以防止污水回流。可采用水质法、雨量法、时间法和水位法进行控制。

①晴天时，液动限流闸门处于开启状态，液动下开式堰门处于关闭状态，生活污水完全截流至截污管并输送到污水处理厂。

②当降雨量小于设定值或井内液位低于警戒水位时，液动下开式堰门关闭至警戒水位对应的开度，液动限流闸门开启，液动限流闸门的开度值取决于流过的流量值，保证通过截污管的流量不会超过设定的流量值。

③当降雨量达到设定值或井内液位达到设定液位时，液动限流闸门关闭(或部分关闭)，液动下开式堰门开启，后期雨水排放到自然水体。

④当井内水位大于警戒水位时，液动限流闸门关闭，液动下开式堰门开启行洪。

下开堰式截流井构造如图3所示。

图3 下开堰式截流井构造图Fig.3 Structural Diagram of Cascade Weir Intelligent Intercepting Well

(3)液动限流阀截流井

这类智能截流井的截流管位置安装液动限流阀，对分流制管道初雨截流量和合流制管道合流污水截流量，均可进行准确限量控制。液动限流阀是上开式，阀底流速较高，可产生局部的负压抽吸左右，将截流井内残余下沉的污物高速从阀底排入截流管，避免井内积存杂质沉淀；同时，也避免降雨过程中井河道溢流处发生溢流时，井内或者进水的较重颗粒污物带入收纳水体。

(4)自动浮控堰阀截流井

自动浮控堰阀的功能是在达到设定水位前，阻止截流井或调蓄池内雨水或合流污水的溢流排放，在达到设定水位后，只有堰板下的水会溢流排放，通过控制单独构筑物内的浮子，确保堰板在达到设定水位之前不被打开，且当低于设定水位后再次关闭。

该类智能截流井能理想地利用现有的管道存储空间，减少溢流排放，通过浮箱控制堰门开启，无动力设计，但其尺寸一般较大。

某大型湖泊沿湖排口截污改造工程是该流域水环境综合治理的一部分，需结合其他项目的推进情况灵活调整截流井的工况，故本项目选用的截流井对其智能化程度要求较高。

从经济型、施工难度、适用性等方面对智能截流井的形式进行综合比选，如表1所示。

表1 智能截流井形式比选Tab.1 Comparison of Intelligent Intercepting Well Forms

本项目涉及的排口尺寸差别较大，最小为DN300，最大为9 500 mm×2 500 mm，大多数排口尺寸小于DN2000，而自动浮控堰阀截流井一般适合尺寸较大的排口；液动限流阀截流井于出水管一侧设置液动限流阀，为上开式，降雨时易对水体造成溢流污染；下开堰式截流井性能较翻板堰式可控智能截流井更稳定，但造价较高；翻板堰式可控智能截流井在小排口的截污改造中有一定优势。

针对本工程的特点，经过综合比选，最终确定当排口尺寸小于DN800时，选用翻板堰式可控智能截流井进行混流排口截污改造；当排口尺寸大于等于DN800时，选用下开堰式截流井进行混流排口截污改造。

2.2 排口截流方案的选择

2.2.1 污水直排口

本工程共有3处污水直排口，均予以封堵，将污水接入邻近污水管网，进一步处理后达标排放。

2.2.2 混流排口

本工程共有该类排口72处。采用智能分流井截流：当上游混错接未改造完成时，主要截流上游混入污水，接入邻近污水管网进一步处理；当上游混错接改造完成时，结合周边面源治理工程截流上游初期雨水，接入邻近初雨收集管网进一步处理。

结合不同类型智能分流井的产品性能及实际工程经验，当管径小于800 mm时，选用翻板堰式可控智能截流井进行截流；当管径大于等于800 mm时，选用下开堰式截流井截流。当截流污水和初期雨水不能满足自流排入邻近污水管网和初雨收集管网时，设置相应的一体化提升泵站。

本工程共新建28座翻板堰式可控智能截流井和44座下开堰式截流井，分别以196#和490#排口为例,说明两种智能截流井在排口改造中的具体应用。

如图4所示，196#排口为分流制雨水排口，尺寸为Φ=600 mm，汇水面积约为306 142 m2，晴天可见明显水流排出，结合上游排水管网普查成果，发现接入地块存在多处雨污混接情况。本项目采用的工程措施：于排口末端设置翻板堰式可控智能截流井，目前，将截流后的污水接至临近现状污水检查井(DN400污水管道，管底标高为17.98 m)，待上游混错接改造完成后，结合周边面源治理工程，将截流的初期雨水接入初雨调蓄池经处理后排放。翻板堰式可控智能截流井进、出水管管径为DN600，管底设计标高为19.55 m；截流管管径为DN400，管底设计标高为19.35 m；顶板设计标高为21.37 m，与周边地坪保持一致，比该湖泊最高渍水位(19.15 m)超高2.22 m，防洪能力较强。翻板堰式可控智能截流井智能化程度较高，可通过液动旋转翻板堰前后的液位、下游污水的流量、进水的CODCr等数据控制液动翻板堰以及液动限流阀的开合，从而控制截流量。根据水环境综合治理工程的实施进度及时调整翻板堰式可控智能截流井的控制信号，即可让翻板堰式可控智能截流井发挥的作用与水环境综合治理工程不同阶段的治理目标相适应。

图4 196#排口截污改造平面布置图Fig.4 Plan of Sewage Interception Reconstruction of 196# Outlet

如图5所示，490#排口为分流制雨水排口，尺寸为DN1500，汇流面积约为134 719 m2，晴天可见明显水流排出，结合上游排水管网普查成果，发现接入地块存在多处雨污混接情况。本项目采用的工程措施：于排口末端设置下开堰式截流井，一进三出，预留初雨管道接口。目前，将截流后的污水接至临近现状污水管线(DN500污水管道，管底标高约为20.70 m)，结合周边面源治理工程，后期可将截流的初期雨水接入初雨调蓄池经处理后排放。由于截流污水不能满足自流排入邻近污水管网，考虑与下开堰式截流井合建1座提升泵站，规模约为2 000 m3/d。下开堰式截流井进、出水管管径为DN1500，管底设计标高为19.00 m；泵站出水管管径为DN200，管底设计标高为21.50 m；预留初雨管管径为DN800，管底设计标高为19.00 m。该截流井地处绿化带，顶板设计标高为22.83 m，与周边道路标高为0.15 m，比该湖泊最高渍水位(19.15 m)超高3.68 m，防洪能力较强。由于下开堰式智能截流井远期截流的初雨量较大，周边的污水系统可能无法承担，远期截流的初雨主要通过预留的初雨管进行转输。下开堰式截流井智能化程度较高，可通过下开堰前后的液位、下游污水井的液位、进水的CODCr等数据控制下开堰以及液动限流阀的开合，从而控制截流量。根据水环境综合治理工程的实施进度及时调整下开堰式截流井的控制信号，即可让下开堰式截流井发挥的作用与水环境综合治理工程不同阶段的治理目标相适应。

图5 490#排口截污改造平面布置图Fig.5 Plan of Sewage Interception Reconstruction of 490# Outlet

3 预计成果

通过沿湖排口截污改造工程，近期可消除旱季污水入湖，并在一定程度上削减雨季溢流污染，随着周边排水管网不断完善，远期可结合该流域水环境综合治理的面源治理项目重点控制入湖面源污染。

该大型湖泊沿湖排口晴天污水排放量为2.4万m3/d，折合约为876万t/a。排放浓度按照2019年7月—12月排口平均排放浓度(CODCr：90 mg/L、TN：19 mg/L、氮氮：16 mg/L、TP：0.8 mg/L)，排口改造后可削减污染物情况为CODCr：788.40 t/a、氮氮：166.44 t/a、TN：140.16 t/a、TP：7.01 t/a。

4 结论

(1)传统的截流井存在无法精确控制截流量且可操作性较差等缺点。翻板堰式可控智能截流井和下开堰式截流井作为新型智能截流井，通过堰板式可调堰和液动下开式堰门达到控制截流流量和防止污水回流的目的；其截流高度可以智能调节，同时可以防止自然水体的倒灌。

(2)某大型湖泊沿湖排口截污改造工程通过采用翻板堰式可控智能截流井和下开堰式截流井这两种新型智能分流井,对沿湖混流排口实施截污改造近期可消除旱季污水入湖，随着周边排水管网不断完善，远期可结合该流域水环境综合治理的面源治理项目重点控制入湖面源污染。

(3)智能截流井智能化程度较高，可随着外界条件的变化灵活调整工况，在水环境综合治理项目中可分别在点源污染和面源污染治理中发挥巨大作用，并随着周边工程的建设情况及时改变工作状态以充分挖掘其潜力，具有明显优势。本文通过介绍翻板堰式可控智能截流井和下开堰式截流井两种智能截流井,在某大型湖泊沿湖排口截污改造中的应用,可为其他水环境综合治理项目提供参考。