董浩，李微

(西安市南郊市政養(yǎng)護管理公司，陜西 西安 710061)

雨水口是城市雨水管道系統(tǒng)的起點，承擔著收集雨水，留滯淤泥、垃圾的基本功能.在日常運行中為了保證雨水口的泄水功能，需要對雨水口進行經常性的清掏.傳統(tǒng)的雨水口清掏方式是用人工使用鐵锨等工具進行清掏并轉運、傾倒.這種方式存在著效率低下、雨水口連接管清掏不徹底，進而造成雨季排水不暢并易污染雨水管道系統(tǒng)等問題.

早在1955年美國就開始研制并設置雨水口截污過濾裝置，根據(jù)不同場地、不同污染程度所設裝置的內部結構不同，主要有集水型、沉淀過濾型、可調節(jié)型、過濾凈化型、防護型等型式[1].德國在近些年研制的雨水口截污掛籃中使用土工布作為攔截介質，可攔截樹葉、垃圾等雜物，降低管道污染物沉積和堵塞的風險[2].

中國也一直在探索雨水口的截污方法.在20世紀70年代，上海市養(yǎng)護工人用麻袋作網兜，用鋼筋制作方框，用鐵絲將網兜繞在鋼筋制作的方框上，用于雨水口截污，采用粗格柵和細格柵制成的截污掛籃去除2 mm以上的顆粒物[3].不同規(guī)格的短纖無紡土工布作為截污網袋制作材料制作截污掛籃去除雨水口內雜物[4].采用能夠分離固體雜物與雨水的隔離罩去除徑流中的污染物[5].采用新型雨水口對固體廢棄物攔截和防臭氣外逸技術的裝置[6].西安市市政部門也在2012年引進過無紡土工布截污網袋進行安裝試驗，由于西安市位于關中平原，路面浮土較多，塵土及雜質堵塞土工布袋的空隙后，過水效率大幅下降，因此未能廣泛采用.

近些年國家大力發(fā)展海綿城市，雨水的初段截污問題已經不側重在雨水口討論解決，相關研究較少，但老城區(qū)仍然存在大量的雨水口無法進行改造升級，亟待解決雨水初段的雜質過濾問題.

針對目前存在的問題，文中通過對現(xiàn)有雨水口淤泥情況的統(tǒng)計分析以及雨水流量的計算和模擬試驗，研發(fā)出一種在不需要對現(xiàn)有雨水井進行改造的情況下，具備耐久性好、透水性好、承重能力強的截污裝置，以期提高城市雨水口的攔截效率、清掏速度和質量，在降低雨水口清掏設備人員投資的情況下同時能夠減少對城市排水系統(tǒng)的污染.

1 西安市雨水口的現(xiàn)狀

1.1 雨水口的型式

雨水口型式分為平箅式、偏溝式、立箅式、聯(lián)合式4種.經調查，在西安市南郊地區(qū)85%以上的雨水口型式為偏溝式，無沉泥槽雨水口.與之配套的井室深h≤1 000 mm，平面尺寸為680 mm×380 mm.

1.2 雨水口內垃圾的特點

對西安市南郊地區(qū)的雨水口清掏物進行了分類隨機抽樣，按照快速路、主干道、次干道和支路的等級劃分，對照其整體占比進行了分類抽樣，分別抽取了快速路中的南二環(huán)(朱雀路-長安路)段，5條主干道，3條次干道，8條支路.共計抽取1 909座雨水口，對其垃圾種類進行了調查，如表1所示.

表1 各級道路雨水口垃圾種類調查表

Tab.1 Debris type and quantity at rainwater gutter entry on road with various grades

根據(jù)調查數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果顯示，雨水口垃圾特點及來源分析如表2所示.

表2 雨水口垃圾特點及來源分析表

Tab.2 List of characteristic and source of debris at rainwater gutter entry

序號垃圾種類垃圾量占比從大到小垃圾來源1以淤泥為主,摻雜樹葉、煙頭煙盒、紙屑、塑料包裝等雜物快速路,主干道,支路和次干道灑水車沖洗路面泥水,初段雨水泥沙沉積2以剩飯泔水、一次性筷子和飲食油污等其他生活垃圾為主支路和次干道,主干道,快速路餐飲攤點,居民生活聚集區(qū)垃圾

在調查雨水口內垃圾種類的同時，對垃圾體量進行同步調查，統(tǒng)計數(shù)據(jù)結果如表3所示.表中,n為雨水口數(shù)量，V為雨水口垃圾總量，Vmax為雨水口垃圾量最大值，Va為雨水口垃圾量平均值.

表3 各級道路雨水口垃圾量統(tǒng)計表

Tab.3 Summary of volume of debris at rainwater gutter entry on road with various grades

道路等級n/座V/m3Vmax/(m3·座-1)Va/(m3·座-1)快速路 541.150.0730.021主干道1 28142.170.0720.033次干道32211.260.0750.035支路2524.520.0710.018合計1 90980.95

調查結果顯示，雨水口的淤泥量特點如下：

1) 雨水口的垃圾量由大到小的分布特征為主干道、次干道、快速路和支路.

2) 各等級道路雨水口內垃圾量的最大值變化不大，都小于0.075 m3.雨水口一般內徑尺寸為680 mm×380 mm，可計算出雨水口內垃圾最大厚度為290 mm.

1.3 日常清掏情況

西安市南郊地區(qū)共有雨水口1.49萬座，按照《城鎮(zhèn)排水管渠與泵站維護技術規(guī)程》(CJJ 68—2016)規(guī)定：雨水口內不得留有雜物，無沉泥槽的雨水口允許積泥深度為管底以上50 mm；雨水口垃圾攔截裝置中的垃圾應定期清除；雨水口的養(yǎng)護頻率為4次/a.但由于地理及氣候等原因，西安市雨水口內垃圾產生速度快，市政管理部門要求維護部門的雨水口清掏頻率為12次/a，同時還要求主汛期對積水點附近雨水口的清掏頻率增大1倍.因此，西安市南郊地區(qū)的每月雨水口的清掏量平均約為1.5萬座.將南郊地區(qū)分為3個片區(qū)，其中1個片區(qū)每天2班清掏，另外2個片區(qū)每天1班清掏，日平均工作量每班組清掏130～150座雨水口.若遇突發(fā)事件或其他特殊因素影響，則無法保證每月按計劃完成工作量.因此，亟待采取措施提高雨水口的清掏效率，確保每個月清掏任務的完成.

對南郊地區(qū)雨水口垃圾量進行了逐月統(tǒng)計.2016年11月至2017年10月南郊地區(qū)雨水口清除的垃圾量如表4所示.

表4 各級道路雨水口垃圾量逐月統(tǒng)計表

Tab.4 Monthly volume of debris at rainwater gutter entry on road with various grades

年份月份V/m3201611573.512567.220171522.12543.83536.74551.55521.76499.67500.18513.29553.210576.3平均538.2

由以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)結果可知，最大月垃圾量為576.3 m3，最大月時雨水口內垃圾的平均量為0.038 m3/座，可計算出雨水口內垃圾平均厚度為150 mm.

2 截污網籃的結構與材料

2.1 截污網籃結構形式的確定

嘗試將截污裝置設計為倒置的矩形棱臺形成網籃結構，整體分為3部分，分別為懸掛區(qū)、溢流區(qū)以及儲存?zhèn)}，如圖1所示.上部為懸掛區(qū)，主要為了適應現(xiàn)狀的雨水口支座的尺寸，將網籃自身懸掛在雨水井箅以下、雨水連接管以上，并且在承重及過水的情況下，不彎曲變形或損壞，懸掛區(qū)內側設有提手，方便清理時將網籃從雨水口中提出.中部為溢流區(qū)，為長條形的格柵開孔區(qū)，目的是降雨時泄水.儲存?zhèn)}處于截污網籃的最下部，目的是截留垃圾等雜物和避免儲存?zhèn)}積水，同時還兼具雨量較小時的泄水功能.使用時截污網籃放置在雨水口上，當井箅蓋上后，截污網籃就固定在雨水井箅和井框之間.

圖1 網籃結構示意圖

2.2 截污網籃流量的確定

根據(jù)《城市道路設計規(guī)范》，道路雨水口的設計重現(xiàn)期根據(jù)道路等級不同各異，一般0.5～5.0 a.本項目取西安市目前常采用的雨水口設計重現(xiàn)期為3 a.根據(jù)西安市暴雨強度公式和小流域匯水徑流量推理公式，以單箅雨水口集流面積上限300 m2計算.

(1)

Qd=qAΨ,

(2)

式中：q為設計暴雨強度，L/(s·hm2)；P為設計重現(xiàn)期，3 a；t為地面集流時間，通常取10～15min；Qd為設計徑流量，L/s；Ψ為徑流系數(shù)，0.6；A為集流面積，hm2.

根據(jù)計算結果可知單箅雨水口3 a一遇的暴雨設計徑流量Qd=3.26 L/s，因此截污裝置應滿足該過水流量.

溢流孔溢流為水力學上大孔徑出流問題，孔口出流量計算公式為

(3)

式中：Q為孔口出流量，m3/s；μ為孔口流量系數(shù)，取0.7；ω為溢流孔孔口面積，m2；h為滿流狀態(tài)下溢流孔的水頭高度，取0.08 m；g為重力加速度，9.8 m/s2.

根據(jù)式(3)，可計算出所需溢流孔孔口面積為0.003 7 m2.

2.3 截污網籃材料的確定

截污網籃應有足夠的強度，能承受垃圾的重量而不造成變形或損壞，在暴雨期間應能夠承受水頭壓力，還應有一定的耐候性，在酸雨、暴曬情況下保證結構.為此，將幾種材料進行對比，結果如表5所示.

表5 材料評價對比表

經比較，選擇取材容易的不銹鋼作為截污網籃的試驗材料.

2.4 截污網籃尺寸的確定

根據(jù)以上雨水口垃圾量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)及計算結果，考慮截污網籃有效容積的預留量，對截污網籃的尺寸進行設計.截污網籃壁與雨水口壁之間應有一定的空隙，以避免因兩壁之間相距太近而阻水的現(xiàn)象，同時考慮到施工誤差、雨水口輕度變形導致的雨水口尺寸大小不一現(xiàn)象，將截污網籃底部的平面尺寸設計為565 mm×250 mm.

根據(jù)表3及表4，計算出雨水口垃圾厚度最大值290 mm，最大月每座雨水口污泥量的平均厚度為150 mm.對調查的1 909座雨水口的垃圾厚度進行統(tǒng)計分析，超過150 mm的雨水口共計96座，占調查總數(shù)的5%，屬特殊情況，本研究暫時忽略.當雨水口內污泥厚度為150 mm時，同等體積污泥在儲存?zhèn)}的高度應為270 mm.考慮儲存?zhèn)}有效容積的預留量為10%，取儲存?zhèn)}的高度為300 mm，因此設計截污網籃的有效截污體積為0.042 3 m3.

現(xiàn)狀雨水箅子是球墨鑄鐵雨水口箅子，其空隙為218 mm×28 mm，較大的樹葉及垃圾在下雨時被井箅過濾，下落至雨水口內的垃圾成分中，以煙頭、紙屑和一次性筷子及食物殘渣為主，在儲存?zhèn)}設計二次過濾結構，將其過濾.根據(jù)計算結果，溢流孔孔口總面積應不小于0.003 7 m2，但孔口面積還應不小于現(xiàn)狀雨水口井箅的孔口面積.現(xiàn)狀雨水口井箅大多采用標準圖集，該箅子的開孔面積為0.114 8 m2.

考慮到儲存?zhèn)}主要過濾掉落的煙頭及傾倒的泔水殘渣，其尺寸均為10 mm左右，小于10 mm的垃圾在水流較小時就能夠被沖走，不易形成沉積.另外考慮到清理網籃時，需要用到高壓水槍及鐵鏟等工具，因此選取10 mm孔徑×10 mm間距的沖孔板作為過濾結構以保證強度，不考慮鋼絲網篩結構.

泄水區(qū)主要滿足最不利水力條件下的排水需求，在存儲倉未能及時清掏，達到容量上限時，依然滿足3 a重現(xiàn)期暴雨的排水需求，但又要兼顧一定的結構強度和過濾效能，且不易堵塞，因此泄水區(qū)設寬度為20 mm、間隔寬度為20 mm、高度160 mm的泄水口.

綜上所述，最終確定的截污網籃的總高度為

Ht=H1+H2+H3，

(4)

式中：H1為倉儲區(qū)高度；H2為泄水口高度；H3為結構框高度.

文中取500 mm作為截污網籃的總高度.

2.5 泄水及截污試驗

對以上確定的結構尺寸試制部分樣品進行測試.在試驗現(xiàn)場(見圖2)，將截污網籃安裝于現(xiàn)有雨水口下，采用帶有專業(yè)流量計的泵車供水，調節(jié)水流量，將水流逐步加大至暴雨3 a重現(xiàn)期的3.26 L/s，并保持模擬流量10 min，觀測結果排水順利未發(fā)生溢流，截污網籃滿足泄水功能.

圖2 網籃截污泄水試驗

選取具有代表性的3組雨水口污泥成分：A組以淤泥為主，摻雜樹葉、煙頭煙盒、紙屑、塑料包裝等雜物；B組以剩飯泔水為主摻雜一次性筷子和飲食油污等其他生活垃圾；C組為A，B 2組等量混合物，分別充分拌勻后各取20 kg混合污泥作為試驗物.選取一處偏溝式雨水口作為試驗場地，采用灑水車在5 m外常壓出水，調整流量，將雨水口處箅前水深調整為2 cm，污泥分別在安裝截污網籃前后距離雨水口1 m處沖入雨水口，直至路面污泥完全進入雨水口后停止出水.分別記錄井底垃圾淤積厚度，如表6所示,表中dw為井底沉積厚度，db為截污網籃沉積厚度.

表6 截污網籃截污效果統(tǒng)計表

Tab.6 Residual debris heights before and after basket filters were installed

截污網籃 狀態(tài)dw/mmdb/mmA組安裝前66—安裝后4220B組安裝前87—安裝后14178C組安裝前79安裝后10209

經現(xiàn)場測試，未安裝截污網籃的情況下，有部分垃圾被沖入了雨水連接管，安裝截污網籃后，其攔截了大量的混合污泥，將井底污泥沉平均積厚度由77.3 mm降低至9.3 mm.

3 討 論

3.1 泄水效果

2017年，在西安市南郊地區(qū)5個積水點放置了40個截污網籃，并分別對降雨時截污網籃的工作情況進行了觀察登記，結果如表7所示.表中，Qmax為最大降雨量，Qt為總降雨量，t為降雨時間，M為滿溢情況，N為滿溢個數(shù).

表7 現(xiàn)場試驗前未清理的截污網籃泄水效果統(tǒng)計表

Tab.7 Drainage effect of 40 basket filters (not cleaned before field trial)

日期Qmax/(mm·h-1)Qt/mmt/hMN05-225.311.3740006-048.618.42040706-294.710.09400

有7個截污網籃發(fā)生滿溢現(xiàn)象，滿溢的原因是雨前未對截污網籃進行傾倒，截污網籃內的垃圾量超過了溢流區(qū)，減小了泄水面積.

隨后又在這5個積水點放置了40個截污網籃，并在雨前傾倒了截污網籃，繼續(xù)對降雨時截污網籃的工作情況進行了觀察登記，結果如表8所示.

表8 現(xiàn)場試驗前已清理的截污網籃泄水效果統(tǒng)計表

Tab.8 Drainage effect of 40 basket filters(cleaned before field trial)

日期Qmax/(mm·h-1)Qt/mmt/hMN07-180.81.3440008-079.327.41440009-097.722.617400

經過5個積水點的實地驗證，2017年加裝了截污網籃的積水點在汛期沒有出現(xiàn)因截污網籃的加裝而影響雨水口的泄水功能.因此，截污網籃的泄水性能可以滿足汛期要求.

3.2 截污效果驗證

根據(jù)垃圾的類型特征，在西安市南郊地區(qū)選取了8條道路作為試驗路段，其中包括快速路、主干道、次干道、支路.每條道路選取8～10座雨水口放置截污網籃，其中有單箅、雙箅式雨水口，遇雙箅式雨水口并行安裝兩套截污網籃.

選定同一條道路上與放置截污網籃條件相同數(shù)量相同的雨水口作為對照.在放置截污網籃前，對試驗段的雨水口統(tǒng)一進行清掏，以保證試驗條件的相同，一個月后對對比路段的雨水口從截污網籃下的遺留垃圾、清掏時間、清掏質量幾方面的數(shù)據(jù)對截污網籃的截污效果驗證和分析.

對比雨水口截污網籃下的遺留垃圾厚度統(tǒng)計，結果如表9所示,dy為籃下遺留垃圾厚度.

表9 截污網籃下遺留垃圾厚度統(tǒng)計表

Tab.9 Residual debris heights in gutter well on eight roads

道路名稱dy/mm[0,5)[5,10)[10,20)[20,30)[30,∞)南二環(huán)54100太乙路13420安西街16100邊西街61100振興路43100紅纓路21500朱雀東坊32500紅纓東坊52100合計27221920

由表9可以看出，加裝了截污網籃的雨水口遺留在雨水口底部的垃圾量很少，其中97%以上的遺留垃圾厚度為5～20 mm，滿足規(guī)范[6]要求.每月只需將截污網籃內的垃圾進行傾倒，同時觀察雨水口底的剩余污泥量，當污泥厚度即將超標(50 mm)時進行清掏即可.清掏雨水口的時間間隔可由1個月延長至3～5個月，污泥平均沉積量也由原來的150 mm降低至50 mm以內.

截污網籃目前已經在西安市南郊地區(qū)部分道路試運行，并由專人負責跟蹤運行狀況，采集數(shù)據(jù)，在為期1 a的運行后將會對監(jiān)測數(shù)據(jù)整理，作為后續(xù)評估改進的依據(jù).

4 結 論

1) 各級別道路偏溝式雨水口的污泥平均沉積量均小于0.075 m3.

2) 當截污網籃倉儲區(qū)為10 mm圓孔×10 mm間距時，對路面各類垃圾的過濾能力良好，將井底的平均殘余垃圾量由安裝前的150 mm降至50 mm以內.

3) 本研究所研制的雨水口截污網籃適用于已建成的單箅式雨水口，在3 a暴雨強度下不影響排水，且能夠提高雨水口截污效率.