分散式初期雨水调蓄池的设计与应用

雷 璇 李庆伟

（1 中建生态环境集团有限公司 北京 100037 2 中建三局集团有限公司 湖北武汉 430064）

引言

随着城市的发展，城市地表硬化程度不断增加，雨水在形成地表径流过程中携带的空气和地面污染物日益增多。一方面，雨水汇流形成径流的时间变短，导致雨污管网负荷变大，由于现状雨污管网分流建设不完善，合流制或混接导致下雨时大量雨水进入城市截污管网，对截污管网造成较大冲击；另一方面，地表污染物随着雨水形成的径流直接进入河道，影响河道水质，造成水体污染。因此，有必要对面源污染物浓度较高的初期雨水进行收集和处理。

随着时间的推移和技术的发展，利用调蓄池截流初期雨水成为了解决高浓度的初期雨水对于城市河道水体污染的必要且高效的工程措施。调蓄池技术在国内外相关工程中得到了广泛的应用，国外代表性的比如日本的长津川调蓄池、德国的屋面雨水调蓄池等，我国代表性的有上海苏州河二期工程调蓄池、昆明市第二污水处理厂雨污调蓄池等。

在国内外相关工程的应用中，初期雨水的处理方式主要有分散处理和集中处理两种[1]。本文以坪山河干流综合整治及水质提升工程为例，主要介绍了分散式初期雨水调蓄池的设计与应用。

1 坪山河流域水环境现状

1.1 流域水系

坪山河属于东江流域淡水河水系，地处深圳市东北部坪山区，坪山河干流起点为三洲田大桥，终点为深惠交接断面兔岗岭水陂，干流从西南至东北方向贯穿坪山区全境，河道全长13.5km，其中属深圳境内的流域面积约为129.4km2。坪山河有11 条一级支流，3 条二级支流，上游有水库16 座。

1.2 流域初期雨水污染问题分析

（1）初期雨水的定义。正常情况下，在降雨的初期，雨水会比较“脏”，因为初期雨水携带的空气和地表上的污染物较多。经过多年的了解，初期雨水已经成为了一种水体污染的代名词，是一种面源污染。初期雨水中一般含有COD、BOD、SS、NH3-N、TP、重金属等污染物，不同地区的初期雨水污染情况不同。在深圳地区，雨水系统的漏失污水与降雨初期形成的径流冲刷携带的面源污染流入河道，是造成初期雨水污染物浓度较高的主要原因。根据深圳市白芒河、福田河等流域的相关地表径流污染研究结果表明，流域初期雨水污染严重，前期（径流开始后的前30min）污染物浓度较高，中后期（径流开始30min 之后直至径流结束）水质快速转好，初期雨水径流中含有的污染物浓度明显高于中后期雨水径流污染物浓度，初期雨水中，COD、SS 的浓度峰值显著高于普通生活污水的污染指标[2][3]。由此将初期雨水定义为：在一定的区域范围（深圳市）内，径流开始后的前30min 径流时段携带了较大比例的污染负荷，促使形成这30min 径流的降水量称为初期雨水。

（2）初期雨水对坪山河流域水质的影响。经过对坪山河流域雨水径流水质分析发现，直接排入坪山河的污染物包括：工业企业直排污染物、污水处理厂出水以及通过雨水径流进入河道的面源污染物。由于部分控制单元没有直排企业，加上坪山河流域截污系统不断升级改造优化，点源污染物在坪山河流域污染负荷中不占主导并且影响越来越小，从而凸显了面源污染的严重程度。由此可以知道，提升坪山河河道水质以及改善坪山河流域水环境的关键在于控制排入河道的面源污染物含量，那么就需要对面源污染物浓度较高的初期雨水进行收集和处理。

1.3 流域排水现状

坪山区的排水体制以雨污合流制为主，随着坪山河沿河截污系统的建成，截流式合流排水体制占比扩大。大工业区新建区域为雨污分流制排水体制，部分旧村（南布、六和、竹坑）为合流制排水体制。目前在分流制排水体制的建成区，由于污水系统尚未全部贯通，污水仍然通过合流制污水管道就近排入河道中，实际上仍等同于合流制排水。根据工程前期实地测量成果，坪山河沿岸两侧的排放口共292 个。其中坪山河中上游段（荔景南路以上）排放口较密集，共269 个排放口，占全河段排放口总数的92.1%；中下游段（荔景南路以下）排放口较少，共23 个排放口，占全河段排放口总数的7.9%。目前坪山区排水管网分流制比例约占35%，合流制比例约占65%，总体而言分流制比例相对较低，需要同步开展雨污分流制管网改造工程，才能确保坪山河水环境全面提升。对于近期确实无法实现雨污分流改造的区域，可在截流干管沿线修建调蓄池形成截流式合流排水形式，收集处理合流管道中的雨污混流水，待降雨过后再将其引入污水厂或水质净化站进行处理，改善流域水质[4]。

2 调蓄池在坪山河项目中的设计和应用

2.1 调蓄池设计总体思路

由于坪山河流域汇水范围较大，从坪山河干流起点到干流终点，水体流行的时间大概需要2.5 到3 个小时，如果只在末端布置调蓄池，考虑到前30min 的初期雨水污染物浓度较高，那么会导致靠近下游的排放口排出的水体水质已经变好时，上游污染物浓度很高的水才流到下游，这无疑会加大污水处理的难度。所以本次设计采用分散调蓄的方式，在坪山河干流沿河布置分散式调蓄池，将流域的污水按上、中、下游汇水面积进行分配，更好地符合初期雨水产生的规律以及水质的变化过程，更准确地将含有较高浓度污染物的初期雨水进行收集，一定程度上实现清浊分流，减少调蓄和处理的规模。

调蓄池按功能可分为削减洪峰流量的雨水调蓄池和收集合流污水（包括初期雨水）的污水调蓄池[5]。按照排水现状和功能需要，本次工程设置的调蓄池除上洋调蓄池以外均为污水调蓄池。由于荔景南路以下河段未新建沿河截污管，而是利用老截污干管系统，另外考虑到上洋污水处理厂进水管、处理规模等因素，将上洋调蓄池设置为能够削减洪峰流量的大容积调蓄池。

2.2 调蓄池选址及规模

2.2.1 调蓄池选址原则

调蓄池位置的选择对于调蓄池削减径流及其污染负荷功能的实现非常关键，同时调蓄池不同的位置选择也会影响调蓄池的容积大小、施工的难易程度以及调蓄池的造价高低。调蓄池应当并联设置在排水干管上，在收集上游干管雨水量的同时也可减轻下游干管的排水压力[6]。根据工程的实际情况对调蓄池的布局进行综合考量，调蓄池可以作为整体结构来设置，也可以分散式布置。调蓄池既可以设置于地上也可以设置于地下，地上式的调蓄池可以是封闭结构也可以是敞开结构，地下式调蓄池则为封闭式结构。地上式调蓄池应充分利用池塘洼地等天然低凹处，与周围景观进行结合设计，一般造价较低、施工维护方便。地下式调蓄池一般应用在土地资源较为缺乏的地区，更加适用于城市河道的雨水调蓄，造价较高，施工难度较大。

2.2.2 调蓄池规模确定原则

（1）确定调蓄池的规模即确定调蓄池的容积，有条件建立数学模型的工程，根据排水模式、雨水径流量、管道布置、上下游水位流量等因素结合周围环境特点综合确定调蓄池的容积。

（2）对于建立数学模型有困难的工程项目，根据《城镇雨水调蓄工程技术规范》（GB 51174-2017）[7]，调蓄池容积按照下列公式确定：

式中：V—调蓄量或调蓄池有效容积（m3）；Qi—调蓄池上游设计流量（m3/s）；Q0—调蓄池下游设计流量（m3/s）；t—降雨历时（min）。

（3）当调蓄池上下游流量资料不充分时，可选择脱过系数法确定调蓄池容积：

式中：b—降雨历时修正参数；n—暴雨衰减指数，与重现期相关；α—脱过系数，取值为调蓄设施下游和上游设计流量之比。

《城镇雨水调蓄工程技术规范》（GB 51174-2017）建议采用3～24h 较长降雨历时计算，本次根据坪山河干流设计防洪标准采用3h 降雨历时进行计算。由于本次调蓄池主要用于径流污染控制，本次计算根据已确定规模，反向推算调蓄池在不同位置设置对于坪山河干流对应河段防洪的削减洪峰作用。由于缺乏上下游流量过程线，本次计算采用脱过系数法进行核算。

2.2.3 坪山河项目调蓄池的选址及规模

按照上、中、下游均衡布置的原则，结合初期雨水水质随时间变化的规律，考虑到管道中水体流行时间、用地以及高程等情况，本次沿坪山河干流分散布置7座地下式调蓄池，分别为碧岭、锦龙、汤坑、南布、墩子河、石井及上洋调蓄池，总容积为22 万m3。调蓄池规模主要根据其服务范围内的排放口在降雨前期30min的排放流量来确定，上洋调蓄池规模按照削减洪峰流量来计算确定。各调蓄池规模见表1。

表1 坪山河干流新建调蓄池规模

2.3 调蓄池设计

2.3.1 进水方式的选择

本次设计的调蓄池主要是收集其服务范围内的初期雨水以及少量的漏失污水，旱季污水不进入调蓄池，而进入沿河的两座净化站和下游污水处理厂进行处理。由于调蓄池所在位置基本在建成区，考虑到景观要求，本次调蓄池采用地下式。根据每座调蓄池的进水管埋深以及周边地势的情况，采用两种进水方式：泵提升和重力自流。碧岭、汤坑、南布、石井和上洋调蓄池采用泵提升进水方式。这5 座调蓄池进水管道埋深均在10m 左右，若采用重力自流进水方式，则需要较大的基坑深度，会导致工程投资增加、施工难度大、施工周期长、安全隐患增大，后期调蓄池清淤维护也不方便。考虑到工程投资、施工周期以及工程安全等方面的原因，这5 座调蓄池采用泵提升进水方式。锦龙、墩子河调蓄池采用重力自流进水方式。锦龙调蓄池受周边用地限制，选址位于现状坪山河底，故采用重力进水方式；墩子河调蓄池选址位于现状墩子河口，地势低洼，也采用重力进水方式。各调蓄池的池体最大埋深及进出水方式见表2。

表2 坪山河干流新建调蓄池进出水方式

2.3.2 提升泵的选择

由于本次调蓄池收集的是降雨期前30min 的初期雨水以及少量的漏失污水，进水时间短，进水流量大，扬程较低。另外，根据深圳市的相关降雨资料，年降雨天数不超过50 天，调蓄池提升泵站使用频率较低，大部分时间处在闲置状态，所以选择设备应当考虑降低工程费用。经综合考虑，本次提升泵选用潜水轴流泵。

2.3.3 调蓄池通风除臭设计

初期雨水调蓄池因为其收集的初期雨水中污染物含量较高，因而在使用过程中会产生大量臭气。初期雨水通过进水管道进入调蓄池，初期雨水跌落过程中会有大量臭气散出。当出现连续强降雨时，受到下游排水管道的流量限制，调蓄池中的初期雨水留存的时间会比较长，调蓄池的封闭环境会产生厌氧反应生成大量臭气。因而有必要进行合理的通风除臭设计来排出调蓄池内部的臭气。坪山河项目的7 座调蓄池中，根据各个调蓄池的实际情况，因地制宜设置了不同的通风除臭方式。碧岭调蓄池和南布调蓄池旁边分别建设有碧岭水质净化站和南布水质净化站，碧岭调蓄池和南布调蓄池内部的臭气通过除臭风管收集后进入水质净化站内除臭滤池处理。汤坑调蓄池单独设置了一体化除臭装置，整个装置内通过过滤、紫外、喷淋，可以有效去除H2S、CH4、CO 等有毒有害气体。考虑到其他调蓄池的臭气排放情况对周围居民生活影响较轻，暂不设置除臭装置，调蓄池内部气体直接通过调蓄池顶部的风机排放至外部，后续可根据实际情况安装除臭设施。

2.3.4 运行模式

（1）采用泵提升进水方式的调蓄池。沿岸截污系统的污水在调蓄池进水井处汇合，然后经过格栅、沉砂池预处理后，由泵房提升进入调蓄池。待调蓄池内蓄水水位达到设计水位之后关闭进水闸门。对于汤坑、石井和上洋调蓄池，降雨过后，当下游截污总管及污水处理厂负荷降低，有足够容量处理调蓄池内污水时，调蓄池出水闸门开启，内部污水经重力作用自流至沿河截污系统，进入下游污水厂处理，原则上污水在调蓄池内贮存时间不超过2 天。对于碧岭和南布调蓄池，降雨过后，调蓄池内的污水经重力作用自流分别进入碧岭、南布水质净化站处理，原则上污水在调蓄池内贮存时间不超过3 天。调蓄池排空以后，通过设置在调蓄池内的智能清洗器将调蓄池冲洗干净，待下次使用。

（2）采用重力自流进水方式的调蓄池。沿岸截污系统的污水在调蓄池进水井处汇合，流经格栅后经沉砂池沉砂，再自流进入调蓄池。待调蓄池内蓄水水位达到设计水位之后关闭进水闸门。对于锦龙、墩子河调蓄池，降雨过后，当下游截污总管及污水处理厂负荷降低，有足够容量处理调蓄池内污水时，由调蓄池内的潜污泵将调蓄池内污水抽排至沿河截污系统，进入下游污水厂处理。原则上污水在调蓄池内贮存时间不超过2 天。调蓄池排空以后，通过设置在调蓄池内的智能清洗器将调蓄池冲洗干净，待下次使用。

3 初期雨水收集率及污染物削减分析

截至完稿，坪山河干流沿线已建成总容积22 万m3的分散式调蓄池，用于收集降雨初期污染的雨水径流。收集的混流污水进入水质净化站、人工湿地及污水处理厂处理后，对坪山河雨季水质的影响明显降低。

3.1 初期雨水收集率及达标率分析

根据深圳市三洲田雨量站典型年1979 年的降雨资料，在不同重现期暴雨强度公式下，按照收集坪山区建成区前30 分钟初期雨水的方案，分析建成区初期雨水的收集率和达标率。

典型年1979 年中，降雨天数为102 天，形成洪水径流的场次为44 场，各场次前30min 的初期雨水均可得到截流，初期雨水收集率为100%。按雨季天数（102天）计算，初期雨水完全收集场次44 次，雨季水质达标保证率为56.9%；按全年天数（365 天）计算，初期雨水完全收集场次44 次，全年水质达标保证率为87.9%。

3.2 雨季入河污染物削减率分析

按照收集建成区前30min 初期雨水的方案，通过对调蓄工程理论计算分析得到雨季入河污染物的理论削减率。通过工程建设，雨季COD 理论削减率为77.1%，氨氮削减率为74.1%，总磷削减率为67.3%，雨季入河污染物浓度大幅降低。

结语

调蓄池是收集和处理污染的初期雨水的重要有效措施。在坪山河沿河新建7 座分散式调蓄池收集前30min 的初期雨水，有效收集初期雨水，减少初期雨水溢流对河道的污染，入河污染物浓度显著降低，实现了雨季坪山河入河污染物的有效削减，证明了分散式调蓄池在提升流域水体水质方面的重要性。

自包括新建7 座分散式调蓄池在内的坪山河干流综合整治及水质提升工程投入使用以来，各系统运营良好，工程产能达到建设预期。2018 年12 月，上洋交接断面氨氮指标达到地表水Ⅲ类，总磷指标优于Ⅳ类；2021 年7 月，坪山河干流水质氨氮、总磷指标优于地表水III 类。2019 年5 月至2022 年2 月，坪山河上洋交接断面水质连续34 个月稳定优于地表水IV 类，全年平均水质达到地表水III 类，考核断面水质持续优于合同目标，坪山河流域水环境得到了显著改善。