流域水环境治理中初雨调蓄池的功能及应用

何慧彬，黄紫龙

(深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518001)

1 项目建设背景

近年来，深圳市龙岗区以全面推行河长制为契机，着力推进治水提质各项工作，在河道综合治理、污水厂网建设等方面取得重大的突破。2019年以“考核断面旱季水质达标，全面消除流域内的小微水体，提高污水处理能力，消减雨季入河污染负荷，提高河道水质保证率”为工程目标，以流域为单位开展了2019年龙岗区龙岗河流域消除黑臭及河流水质保障工程，调蓄池可兼具调蓄溢流污水及初期雨水等功能[1]，丁山河调蓄池为本工程建设的7座初雨调蓄池之一。

丁山河为龙岗河的一级支流，河道全长约23.65km(深圳境内6.7km)，集雨面积79.16km2(深圳境内23.49km2)。如图1所示，丁山河调蓄池位于丁山河龙岗大道下游右岸，规划为城市绿地，总占地面积7438m2，调蓄有效容积2.5万m3，调蓄池服务面积为6.29km2，工程投资约1.51亿。

图1 丁山河流域初雨水质达标方案图

2 初雨调蓄池的功能

王斑、颜梦宇等对城市初期雨水处理提出了初步思路，主要有源头处理、调蓄处理和污水处理厂等3种措施。初雨调蓄池是河流水质保障的重要组成部分，在排水系统的末端设置初雨调蓄池是减少初期雨水污染物排放的有效手段[2- 5]，主要体现在以下几个方面。

2.1 近期控制溢流污染

在正本清源、雨污分流工程未完全覆盖的情况下，仍有部分生活污水及面源污染进入河道截流管，对丁山河下游及龙岗河干流箱涵，在10mm/1.5h初雨工况下，仍会发生溢流污染。而当在丁山河中下游设置调蓄池后，下游截污管仅收集丁山河下游流域内初雨及少量漏排污水，现状截污管能够满足10mm/1.5h初雨截流规模。因此，在丁山河中下游设置初雨调蓄池，对控制丁山河下游及龙岗河干流沿河截污箱涵溢流污染、保证下游龙岗河水质稳定达标有着重要意义。另外，调蓄池的调蓄作用可有效调节进厂水质、水量后还可避免对污水处理厂的负荷冲击[6- 7]。

2.2 中期削减面源污染

当正本清源、雨污分流工程全覆盖时，雨、污水系统完全独立，污水全部进入市政污水管，初雨截入沿河截污系统，通过设置调蓄池可收集初雨标准下的面源污染，雨后错峰排入污水处理厂处理，从而削减大部分的入河面源污染，进一步保障河道水质。

2.3 远期雨水资源利用

当海绵城市实施到一定程度后，城市管理也达到了一定水平，城区内的面源污染能在源头上得到有效控制，即使是初雨携带的污染物浓度也较低，不会影响河道水质，此时调蓄池则可作为雨水收集利用设施。通过调蓄池收集的雨水，可作为旱季对下游河道的补水水源，对河道生态保护、环境增容有着重要意义。

3 初雨调蓄池的设计

3.1 规模计算

根据本项目特点，结合地形、雨水管网、截流(管)箱涵、调蓄池等建立模型，复核截流系统过流能力及调蓄池规模，因此选取DHI MIKE URBAN作为本次建模的方式。根据雨水管网及两岸截污(管)箱涵信息，包括：检查井数据、检查井与管道的拓扑关系、管道形状、尺寸、管底高程、地面高程、排放口位置等，搭建排水管网模型。

3.1.1子汇水区划分

确定调蓄池集水区的边界范围，使用集水区划分工具进行子汇水分区的划分，使每一个入孔对应一个子汇水分区，丁山河调蓄范围内子汇水分区如图2所示。

图2 丁山河调蓄池子汇水分区图

3.1.2降雨边界

本工程设计截流标准为10mm/场、降雨历时1.5h形成的初雨。MIKE URBAN的上边界条件为降雨过程，如图3所示。结合本工程特征和深圳市降雨规律，降雨过程采用深圳市暴雨强度公式，根据芝加哥雨型(以1min为单位时段)确定。深圳市暴雨强度公式如下：

(1)

式中：i—暴雨强度，mm/min；P—重现期，a；t—降雨历时，min。

图3 设计降雨过程图(10mm/1.5h)

3.1.3参数设置

集水区参数：本次产汇流模型采用T-A曲线模型，不透水系数根据不同的下垫面类型设置，并参考GB 50014—2021《室外排水设计标准》[8]，道路、建筑物等建成区不透水系数综合选取0.6，生态区、绿地等区域不透水系数综合选取0.2。

其他参数：本次建立的MIKE URBAN模型，地面平均流速取0.3m/s，水文衰减系数取0.9，初始损失取0.0006m。

3.1.4计算结果

通过MKE URBAN模型对丁山河调蓄池服务范围内的区域进行降雨-径流-管流模拟，如图4所示，并对模型各个参数的合理调整与优化，使其符合规范要求，较好地反应模拟区域的真实性。

图4 丁山河调蓄池水位变化过程图

丁山河调蓄池服务范围面积为6.29km2，10mm/场、降雨历时1.5h形成的径流量，MIKE URBAN模型复核结果为2.30万m3，拟建调蓄池规模为2.50万m3，满足要求。

3.2 布置形式

根据谢玉霞等对调蓄池平面布置的研究[9]，在满足处理工艺的前提下，平面布置力求功能明确，流程简短，注意绿化，尽量考虑到运行管理方便和较好的环境条件。建构筑物间的相互关系，在总图布置和高程设计时进行统一考虑。调蓄池总图布置应符合以下原则：①结合现状地形标高，用绿化带和道路分隔；②各构筑物之间的距离，需考虑到各种管道施工及维修方便；③考虑设备安装、运输的方便。场地现状地面平坦，高程为29.6～36.8m，调蓄池北侧为市政道路，交通便利，可利用现有的公路作为进厂道路。用地主要为调蓄池部分，调蓄池采用多边形结构，该处丁山河防洪标准为50年一遇，河底高程为22.90m，设计防洪水位28.24m，现状河道左岸地面高程约为30.92m，右岸高程约为30.2m。调蓄池整体平面布置如图5所示。

3.3 工艺设计

丁山河调蓄池及附属设施工程分为初雨收集转输系统和调蓄系统两个部分，其中初雨收集转输部分包括黄竹坑水河口雨季水质保障气盾坝及闸门、花园河河口雨季水质保障气盾坝及闸门、花园河初雨转输管等；调蓄池部分主要包括进水提升系统(进水闸、检修闸、进水格栅、提升泵房、智能喷射器、排污泵、排砂泵等)、冲洗系统(真空冲洗设备、排砂泵)、通风除臭系统、出水系统和场区排水系统。调蓄池处理工艺如图6所示。

3.3.1通风设计

丁山河调蓄池内部静面积为3373m2，考虑找坡和内部梁柱等结构，调蓄池内部空间约2.9万m3，按每小时换气2次计算，则调蓄池所需通风量为5.8万m3/h。因调蓄池通风量不是特别大，本工程采用整体通风方案，把整个调蓄池作为一个整体进行通风设计。风机数量初定为6台，单台分机设计通风量为10000m3/h，功率N=4kW，带阀单层百叶风口420只，设风井6座。

图6 丁山河调蓄池工艺流程图

3.3.2除臭设计

由于本工程调蓄池近期主要存储混流雨水，相比纯污水臭气较淡，且调蓄池存储混流雨水时间一般为2d，时间比较短，除臭标准参照贮水池及水泵房的换气次数取1次/h。除臭规模根据调蓄池的有效空间确定，除臭规模为2.9万m3/h。

常用的除臭工艺主要有离子除臭和生物除臭，离子除臭的去除率可达90%以上，臭气处理适用范围广，主要包括甲硫醇、氨、硫化氢、醚类、胺类等污染臭气因子，且可间歇运行，系统主体设备使用寿命可达10年以上，技术可靠且非常稳定，净化设备无需日常维护，只需接通电源，即可正常工作，运行维护费用极低。生物除臭微生物活性好时除臭效率为75%，耐冲击负荷差，影响因素多，为保证微生物活性，需连续运行，且养护困难，需频繁添加药剂、控制pH值、温度等，运行维护费用也较高，需经常投放药剂，以保持微生物活性，而且对循环水要求较高，如微生物死亡将需较长时间重新培养。考虑到本工程臭气主要来源为初雨调蓄池，浓度较低，同时需要间歇式运行，从运行维护的角度考虑，调蓄池的设计采用离子除臭设备。

3.3.3冲洗设计

由于初雨调蓄池在使用后底部不可避免地有沉积杂物，因此调蓄池设计须考虑对底部地沉积物的清除[4]。丁山河调蓄池采用真空冲洗设备，利用设备高速水流对调蓄池清淤，在每次调蓄池储水周期运行完后，清理掉池内存积淤泥和有机污染，避免存在臭气和毒气。真空冲洗系统利用真空泵的抽真空作用，通过真空控制系统和真空阀将存水室中的空气抽出，形成一定的真空度，使存水室内的液位升高至设定液位，调蓄池需要冲洗时将存水室顶部的隔膜阀打开，破坏真空，通过存水室内的蓄水对调蓄池底泥进行冲洗。真空冲洗系统全套设备均设置于调蓄池外部。真空冲洗系统的组成包括真空隔膜阀、控制柜及电缆、超声波液位计等。

冲洗廊道设计：本调蓄池根据调蓄池的分隔以及立柱布置间隔约为5～7.5m设置一道隔墙，将调蓄池划分为10个冲洗廊道，每个冲洗廊道宽度为5～7.5m，冲洗廊道坡度不小于1%，廊道之间隔墙高0.5m。

真空冲洗系统设计：真空冲洗系统廊道宽度最大可做到10m(门式冲洗廊道宽度最大为5m)，设计宽度为5～7.5m，共计10套。

存水室设计：存水室容积约为60～70m3，蓄水量大于4.7m3/m(每米廊道宽度)，存水室水位设计高度为5m，存水室宽度为2.5m。

集水槽设计：在冲洗廊道的末端设置有共用的冲洗水收集廊道，冲洗水廊道的设计坡度为1.5%，冲洗水廊道的理论最小容积为65m3，设计宽度为5.0m，冲洗废水由一边向另一边汇集，经污水泵提升至雨水处理设施。丁山河调蓄池雨季运行流程高程图如图7所示。

4 初雨调蓄池的运行模式

丁山河调蓄池采用泵前调蓄工艺，通过进水闸门井控制调蓄池的进水，经过格栅拦截大的漂浮物后，进入提升泵房，并通过提升泵将初雨提升至调蓄池主体中进行调蓄，待降雨结束后，调蓄的初雨通过调蓄池出水井自流进入丁山河沿河截污管，转输至横岭污水处理厂处理。调蓄池运行主要分为6种工况：①晴天工况；②初雨运行工况；③雨中(后)停运工况；④雨后排空工况；⑤冲淤维护工况；⑥进池检修工况[10]。各工况具体判定条件如图8所示，图9为调蓄池建成效果图。

图7 丁山河调蓄池雨季运行流程高程图(高程单位：m)

图8 丁山河调蓄池运行调度方案示意图

图9 丁山河调蓄池建成效果图

5 结论

初雨调蓄池作为流域水环境治理中的重要组成部分，近期可控制溢流污染，中期削减面源污染，远期可实现雨水资源利用。目前丁山河调蓄池已建成并处于试运行阶段，后续将根据本地降雨特点及目标要求合理确定相关参数，使初雨调蓄池能达到设计预期效果，在流域水环境治理中充分发挥其功能。