智慧截流井在福州市黑臭河道治理中的应用

朱云燕

（福州北控三江口水环境有限公司，福州 350001）

1 工程概况

福州市地处我国东南沿海，河网密布，水系发达，在历年整治的基础上，内河环境虽然有所改善，但部分河段仍然存在黑臭水体问题。

为彻底解决河道黑臭问题，福州市水系治理以“控源截污、内源削减、清水补给、活水循环、水质净化、生态修复、分步实施、阶段见效”为整治总体思路，基于“环境效果”出发，以“水质目标”为导向，通过工程和非工程措施的实施，统筹“流域控制、水陆一体、协同治理”，打造“水环境、水安全、水资源、水生态、水文化、水智慧”六位一体水生态文明格局，达到城市内河的“长治久清”，实现治理区“河畅、水清、岸绿、景美”的总体目标。

“控源截污”是黑臭水体治理的基础与前提。福州市中心大多是老旧小区，征地拆迁困难，而且市区地势平坦，汛期降雨时容易内涝，基于以上两点，截流井的选型就至关重要。

2 传统截流井形式

近年来，应用在我国截流井系统中的传统截流井主要有堰式截流井、槽式截流井、槽堰结合式截流井。

2.1 堰式截流井

堰式截流井是国内外截流式合流制改造中使用较普遍的一种截流井，不需要改变管线标高，也不用减小截流管的高程[1]。堰式截流井是在截流井内设置一道溢流堰，晴天时截流旱流污水，降雨时截流混合污水，超出截流井能力的混合污水则越过溢流堰排入水体。堰式截流井可以有效避免河水倒灌，但会影响泄洪[2]。

2.2 槽式截流井

槽式截流井是在截流井内建造一道与截流管管道直径同宽的截流槽，槽底低于被截流管的管道内底[2]。堰式截流井形式简单，截流成效好，对上游影响小，也不影响下游溢流管泄水能力，可是需降低溢流管的设计高程，在设计管道标高受约束的情况下不适用。因未设置截流堰，雨天时槽式截流井基本不影响行洪，但是无法防止河水倒灌[3]。

2.3 槽堰结合式截流井

槽堰结合式是截流井在截流井内建造一道较低的溢流堰，并在溢流堰前设置一道截流槽。井内的溢流堰高度可以等其他结构施工结束后结合进水量确定[1]。

3 智慧截流井的优点及分类

传统的截流井采用堰式、槽式、槽堰结合式的截流设施，在外江水位高时容易倒灌，为了防止倒灌则需要把堰加高，但这样做影响排涝。在截流管方面，多采用管径限流方式，无法解决雨天雨水倒灌、晴天瞬时大流量污水排放不畅的问题。福州市水系经过多轮整治，截流井形式从堰（槽）式1.0 版进化到适用于鸭嘴阀或普通闸门的2.0 版，但始终存在一些弊端，导致难以“长治久清”。通过总结前面几轮的经验教训，在本项目实施过程中，采用“防倒灌设施+限流阀”的智慧截流井，可有效解决外江倒灌、雨天大量雨水进入污水系统及瞬时溢流的问题。设备形式有下开式堰门、液压旋转堰、液压上开式堰门、传统螺杆式电动闸门等，应因地制宜，合理选用，以实现经济合理、操作可靠。

3.1 智慧截流井的优点

相比传统截流井，智慧截流井的自动化程度较高，智慧截流井在传统截流井的形式上增加了闸门、雨量计、超声波液位计等设备，安装在露天的雨量计能监测降雨量，通过分析雨量大小，自动控制闸门的启闭[3]。

智慧截流井可以更好地弥补传统截流井的缺陷，主要具备以下优势:（1）智慧截流井截流管前安装了液动限流阀，可以对直通污水处理厂的最大流量实现限流，而且能够避免污水回流；（2）截流高度能够自动调整，而且能避免河水倒灌；（3）智慧截流井采用水质法、雨量法、时间法和水位法进行控制；（4）智慧截流井可实现多个设备的联动控制[4]。

3.2 智慧截流井的分类

A 型（下开式液动调节堰+限流阀）截流井，主要特点：（1）闸门为下开式，井室挖深较深，对现场地质或支护条件要求较高；（2）下开式闸门可根据河道水位上升而升高，可有效防止河道水位倒灌，适用于溢流口标高低于河道常水位的情况；（3）闸体不易被杂物堵塞，可靠性高；（4）闸门提升系统位于地下，不影响地面景观效果；（5）单价相对较高。A 型截流井见图1。

B 型（液压旋转堰+限流阀）截流井，主要特点：（1）闸门为液动旋转，井室长度方向较长，适用于狭长空间的施工；（2）旋转堰可根据河道水位上升而升高，有效防止河道水位倒灌，适用于溢流口标高低于河道常水位的情况；（3）闸门为平面旋转，安装不占用高度空间，截流井埋深较浅，施工难度小；（4）因闸门提升系统位于地下，不影响地面景观效果，适用于景观效果要求较高或者上部空间有通行需求的场所；（5）上部空间为非全封闭，短时降雨来不及开闸放水时雨水可从上方溢流，防止内涝。B 型截流井见图2。

C 型（上开式闸门+限流阀）截流井，主要特点：（1）闸体不易被杂物堵塞，可靠性高；（2）适用于溢流口标高高于河道常水位的情况；（3）闸门控制系统位于地上，方便检修维护；（4）闸门根据安装空间可选择液压上开或传统螺杆式电动闸门；（5）传统螺杆式电动闸门的螺杆突出地面，不适合位于道路中间的截流井或者对周边景观有较高要求的情况。C 型截流井见图3

图1 A 型截流井图

图2 B 型截流井图

图3 C 型截流井图

4 截流井在实际河道中的运用

4.1 A 型截流井

当溢流管出口内底低于河道常水位时，采用A型截流井。因闸门提升系统位于地下，不影响地面景观效果，适用于景观效果要求较高或者上部空间有通行需求的场合。例如，东西河广达路有一根DN1200 雨污混接管直排入河，地面标高6.11m，雨污混接管内底标高3.52m，河道常水位3.85m，由于该雨水排口标高低于河道常水位标高且周边位置开阔，在此处选用A 型截流井。截流井尺寸为3.9m×3.1m×5.85m（长× 宽× 高）。选用1.5m 宽的堰门，挡水高度为1.5m，截流井内底标高为3.0m。最高挡水高度为4.5m，高于河道常水位3.85m，可保证平常运行时河水不倒灌。A 型截流井现场安装情况见图4。

4.2 B 型截流井

当溢流管的出口内底低于河道常水位，而且截流井周边紧邻建筑物或者没有条件深度开挖时，采用B型截流井。因闸门提升系统位于地下，不影响地面景观效果，适用于景观效果要求较高或者上部空间有通行需求的场所。例如，本项目的大庆河紧邻工业路，工业路为市区主要交通干道，工业路上早期修建的直排入河的雨水管，由于前端污水的混接，在晴天时会有污水流出，需对直排入此处外河的排口进行控源截污治理。由于该雨水管位于主要交通干道上，边上的步道仅有2m 宽，没有足够的空间安装露出地面的控制系统，因此此处不适合安装上开式闸门截流井。该雨水管进水管径为DN1000，地面标高7.47m，雨污混接管底标高4.62m，河道常水位标高4.75m。由于溢流管的出口标高低于河道常水位，而且截流井上方有通行需求，此处采用B 型截流井。晴天时截流后污水进入周边市政干管，雨天时通过超声波液位计及雨量计控制闸门的启闭，保证雨天雨水入河不内涝。B 型截流井现场安装情况见图5。

图4 A 型截流井现场安装情况图

图5 B 型截流井现场安装情况图

4.3 C 型截流井

当溢流管的出口内底高于河道常水位时，采用C 型截流井。闸门控制系统需露出地面以上，便于后期的运维管理，但是会影响景观效果，因此适用于截流井位于绿化带里或较开阔的步道上。例如，由于陆庄河西洪小区拆除了杂物间，步道在最开阔处有12m，陆庄河在西洪小区边上有直排入河的DN1200混接排口，地面标高7.86m，雨污混接管底标高4.84m，河道常水位4.68m。由于溢流管标高高于河道常水位，而且步道较开阔，因此在此处设置C 型截流井。截流井尺寸为2.4m×2.4m×4.1m（长×宽×高），露出地面的电动闸门高度为1.5m，截流井设置在步道边上，露出地面的控制系统采用花箱进行围挡，既起到美化景观的作用，又能防止周边居民对控制系统进行操控，保证了截流系统的安全运行。C 型截流现场安装情况见图6。

图6 C 型截流井现场安装情况图

5 截流井的控制运行

5.1 构造

智慧截流井由构筑设施与设备组成，构筑设施包括进水管、出水管（至河道）、截污管（至污水处理厂）；设备包括液动旋转堰门（下开式液动调节堰、上开式闸门）、液动限流阀、拦渣滤网、超声波液位计、摄像头、控制系统[6]。智慧截流井大样见图7。

图7 智慧截流井大样图

5.2 防止河道倒灌的控制原理

当河道水位上升时，超声波液位计将信号传送给控制室，控制室控制液动旋转堰门旋转上升，使堰顶始终比河道水位高150mm，防止河水倒灌。当河道水位下降时，液动旋转堰门随河道水位下降而下降，直至堰顶下降到警戒水位后停止下降。

当发生强降雨时，洪水可以从旋转堰门上方溢流，不会因未及时打开闸门而造成内涝，不影响溢流行洪。防止河水倒灌的控制原理见图8、图9。

5.3 工作原理

5.3.1 晴天时

液动限流阀处于开启状态，液动旋转堰门处于关闭状态，生活污水完全截流至截污管并输送到污水处理厂（见图10）。

图8 液动旋转堰防止河水倒灌示意图

图9 液动旋转堰防止河水倒灌示意图

图10 智慧截流井晴天运行示意图

图11 智慧截流井在初雨期运行示意图

5.3.2 降雨时（井内水位＜警戒水位）

在到达警戒水位时液动旋转堰门关闭，液动限流阀开启，液动限流阀的开度取决于流量，从而保证通过截污管的流量不会超过设定流量（见图11）。

5.3.3 降雨时（井内水位＞警戒水位）

关闭液动限流阀，可确保雨水不倒灌进入污水系统；开启液动旋转堰门，可确保不内涝，将雨水排放到河道（见图12）。

图12 智慧截流井在降雨中后期运行示意图

5.4 智能控制系统

智慧截流井设备的智能控制系统包含由雨量计，液位计构成的传感子系统，通讯模块、控制模块和控制逻辑构成的自动控制子系统。

通过超声波液位计和雨量计调控闸门的启闭，可实现设备的自动控制、远程管理功能，还可以实现与一体化提升泵站、一体化泵闸、钢坝控制系统的联动[5],同时搭建智慧水务平台，基于地理信息系统（GIS）地图与数据可视化的一体化管理平台，将设备接入控制终端，可实现数据的实时监控、采集及远程操控，从而实现城市排水系统的智能化管理（见图13、图14）。

图13 A 型智慧截流井控制系统画面

图14 B 型智慧截流井控制系统画面

6 结语

新型智能化截流井对传统的截流式合流制与完全分流制进行了改进，避免了分流制初期雨水与合流制混合污水对水体造成的污染。通过闸门与限流阀的设置，可以有效控制污水截流主干管的流量，从而选择合适的主干管管径，节省投资。减少进入污水泵站和污水处理厂的流量，可节省污水泵站和污水处理厂的投资及运行管理费用，同时有效保证污水和初期雨水优先流入截流主干管，达到保护水体和满足污水处理厂水质要求的目的，具有较好的经济效益和环境效益。

新型智能化截流井通过超声波液位计及雨量计调控闸门的启闭，可实现设备的自动控制。搭建智慧水务平台，通过系统集成，将设备接入控制终端，可实现数据的实时监控、采集、分析及远程操控，从而减少人工成本。