雷 璇 李慶偉

（1 中建生態(tài)環(huán)境集團有限公司 北京 100037 2 中建三局集團有限公司 湖北武漢 430064）

引言

隨著城市的發(fā)展，城市地表硬化程度不斷增加，雨水在形成地表徑流過程中攜帶的空氣和地面污染物日益增多。一方面，雨水匯流形成徑流的時間變短，導致雨污管網負荷變大，由于現狀雨污管網分流建設不完善，合流制或混接導致下雨時大量雨水進入城市截污管網，對截污管網造成較大沖擊；另一方面，地表污染物隨著雨水形成的徑流直接進入河道，影響河道水質，造成水體污染。因此，有必要對面源污染物濃度較高的初期雨水進行收集和處理。

隨著時間的推移和技術的發(fā)展，利用調蓄池截流初期雨水成為了解決高濃度的初期雨水對于城市河道水體污染的必要且高效的工程措施。調蓄池技術在國內外相關工程中得到了廣泛的應用，國外代表性的比如日本的長津川調蓄池、德國的屋面雨水調蓄池等，我國代表性的有上海蘇州河二期工程調蓄池、昆明市第二污水處理廠雨污調蓄池等。

在國內外相關工程的應用中，初期雨水的處理方式主要有分散處理和集中處理兩種[1]。本文以坪山河干流綜合整治及水質提升工程為例，主要介紹了分散式初期雨水調蓄池的設計與應用。

1 坪山河流域水環(huán)境現狀

1.1 流域水系

坪山河屬于東江流域淡水河水系，地處深圳市東北部坪山區(qū)，坪山河干流起點為三洲田大橋，終點為深惠交接斷面兔崗嶺水陂，干流從西南至東北方向貫穿坪山區(qū)全境，河道全長13.5km，其中屬深圳境內的流域面積約為129.4km2。坪山河有11 條一級支流，3 條二級支流，上游有水庫16 座。

1.2 流域初期雨水污染問題分析

（1）初期雨水的定義。正常情況下，在降雨的初期，雨水會比較“臟”，因為初期雨水攜帶的空氣和地表上的污染物較多。經過多年的了解，初期雨水已經成為了一種水體污染的代名詞，是一種面源污染。初期雨水中一般含有COD、BOD、SS、NH3-N、TP、重金屬等污染物，不同地區(qū)的初期雨水污染情況不同。在深圳地區(qū)，雨水系統(tǒng)的漏失污水與降雨初期形成的徑流沖刷攜帶的面源污染流入河道，是造成初期雨水污染物濃度較高的主要原因。根據深圳市白芒河、福田河等流域的相關地表徑流污染研究結果表明，流域初期雨水污染嚴重，前期（徑流開始后的前30min）污染物濃度較高，中后期（徑流開始30min 之后直至徑流結束）水質快速轉好，初期雨水徑流中含有的污染物濃度明顯高于中后期雨水徑流污染物濃度，初期雨水中，COD、SS 的濃度峰值顯著高于普通生活污水的污染指標[2][3]。由此將初期雨水定義為：在一定的區(qū)域范圍（深圳市）內，徑流開始后的前30min 徑流時段攜帶了較大比例的污染負荷，促使形成這30min 徑流的降水量稱為初期雨水。

（2）初期雨水對坪山河流域水質的影響。經過對坪山河流域雨水徑流水質分析發(fā)現，直接排入坪山河的污染物包括：工業(yè)企業(yè)直排污染物、污水處理廠出水以及通過雨水徑流進入河道的面源污染物。由于部分控制單元沒有直排企業(yè)，加上坪山河流域截污系統(tǒng)不斷升級改造優(yōu)化，點源污染物在坪山河流域污染負荷中不占主導并且影響越來越小，從而凸顯了面源污染的嚴重程度。由此可以知道，提升坪山河河道水質以及改善坪山河流域水環(huán)境的關鍵在于控制排入河道的面源污染物含量，那么就需要對面源污染物濃度較高的初期雨水進行收集和處理。

1.3 流域排水現狀

坪山區(qū)的排水體制以雨污合流制為主，隨著坪山河沿河截污系統(tǒng)的建成，截流式合流排水體制占比擴大。大工業(yè)區(qū)新建區(qū)域為雨污分流制排水體制，部分舊村（南布、六和、竹坑）為合流制排水體制。目前在分流制排水體制的建成區(qū)，由于污水系統(tǒng)尚未全部貫通，污水仍然通過合流制污水管道就近排入河道中，實際上仍等同于合流制排水。根據工程前期實地測量成果，坪山河沿岸兩側的排放口共292 個。其中坪山河中上游段（荔景南路以上）排放口較密集，共269 個排放口，占全河段排放口總數的92.1%；中下游段（荔景南路以下）排放口較少，共23 個排放口，占全河段排放口總數的7.9%。目前坪山區(qū)排水管網分流制比例約占35%，合流制比例約占65%，總體而言分流制比例相對較低，需要同步開展雨污分流制管網改造工程，才能確保坪山河水環(huán)境全面提升。對于近期確實無法實現雨污分流改造的區(qū)域，可在截流干管沿線修建調蓄池形成截流式合流排水形式，收集處理合流管道中的雨污混流水，待降雨過后再將其引入污水廠或水質凈化站進行處理，改善流域水質[4]。

2 調蓄池在坪山河項目中的設計和應用

2.1 調蓄池設計總體思路

由于坪山河流域匯水范圍較大，從坪山河干流起點到干流終點，水體流行的時間大概需要2.5 到3 個小時，如果只在末端布置調蓄池，考慮到前30min 的初期雨水污染物濃度較高，那么會導致靠近下游的排放口排出的水體水質已經變好時，上游污染物濃度很高的水才流到下游，這無疑會加大污水處理的難度。所以本次設計采用分散調蓄的方式，在坪山河干流沿河布置分散式調蓄池，將流域的污水按上、中、下游匯水面積進行分配，更好地符合初期雨水產生的規(guī)律以及水質的變化過程，更準確地將含有較高濃度污染物的初期雨水進行收集，一定程度上實現清濁分流，減少調蓄和處理的規(guī)模。

調蓄池按功能可分為削減洪峰流量的雨水調蓄池和收集合流污水（包括初期雨水）的污水調蓄池[5]。按照排水現狀和功能需要，本次工程設置的調蓄池除上洋調蓄池以外均為污水調蓄池。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統(tǒng)，另外考慮到上洋污水處理廠進水管、處理規(guī)模等因素，將上洋調蓄池設置為能夠削減洪峰流量的大容積調蓄池。

2.2 調蓄池選址及規(guī)模

2.2.1 調蓄池選址原則

調蓄池位置的選擇對于調蓄池削減徑流及其污染負荷功能的實現非常關鍵，同時調蓄池不同的位置選擇也會影響調蓄池的容積大小、施工的難易程度以及調蓄池的造價高低。調蓄池應當并聯(lián)設置在排水干管上，在收集上游干管雨水量的同時也可減輕下游干管的排水壓力[6]。根據工程的實際情況對調蓄池的布局進行綜合考量，調蓄池可以作為整體結構來設置，也可以分散式布置。調蓄池既可以設置于地上也可以設置于地下，地上式的調蓄池可以是封閉結構也可以是敞開結構，地下式調蓄池則為封閉式結構。地上式調蓄池應充分利用池塘洼地等天然低凹處，與周圍景觀進行結合設計，一般造價較低、施工維護方便。地下式調蓄池一般應用在土地資源較為缺乏的地區(qū)，更加適用于城市河道的雨水調蓄，造價較高，施工難度較大。

2.2.2 調蓄池規(guī)模確定原則

（1）確定調蓄池的規(guī)模即確定調蓄池的容積，有條件建立數學模型的工程，根據排水模式、雨水徑流量、管道布置、上下游水位流量等因素結合周圍環(huán)境特點綜合確定調蓄池的容積。

（2）對于建立數學模型有困難的工程項目，根據《城鎮(zhèn)雨水調蓄工程技術規(guī)范》（GB 51174-2017）[7]，調蓄池容積按照下列公式確定：

式中：V—調蓄量或調蓄池有效容積（m3）；Qi—調蓄池上游設計流量（m3/s）；Q0—調蓄池下游設計流量（m3/s）；t—降雨歷時（min）。

（3）當調蓄池上下游流量資料不充分時，可選擇脫過系數法確定調蓄池容積：

式中：b—降雨歷時修正參數；n—暴雨衰減指數，與重現期相關；α—脫過系數，取值為調蓄設施下游和上游設計流量之比。

《城鎮(zhèn)雨水調蓄工程技術規(guī)范》（GB 51174-2017）建議采用3～24h 較長降雨歷時計算，本次根據坪山河干流設計防洪標準采用3h 降雨歷時進行計算。由于本次調蓄池主要用于徑流污染控制，本次計算根據已確定規(guī)模，反向推算調蓄池在不同位置設置對于坪山河干流對應河段防洪的削減洪峰作用。由于缺乏上下游流量過程線，本次計算采用脫過系數法進行核算。

2.2.3 坪山河項目調蓄池的選址及規(guī)模

按照上、中、下游均衡布置的原則，結合初期雨水水質隨時間變化的規(guī)律，考慮到管道中水體流行時間、用地以及高程等情況，本次沿坪山河干流分散布置7座地下式調蓄池，分別為碧嶺、錦龍、湯坑、南布、墩子河、石井及上洋調蓄池，總容積為22 萬m3。調蓄池規(guī)模主要根據其服務范圍內的排放口在降雨前期30min的排放流量來確定，上洋調蓄池規(guī)模按照削減洪峰流量來計算確定。各調蓄池規(guī)模見表1。

表1 坪山河干流新建調蓄池規(guī)模

2.3 調蓄池設計

2.3.1 進水方式的選擇

本次設計的調蓄池主要是收集其服務范圍內的初期雨水以及少量的漏失污水，旱季污水不進入調蓄池，而進入沿河的兩座凈化站和下游污水處理廠進行處理。由于調蓄池所在位置基本在建成區(qū)，考慮到景觀要求，本次調蓄池采用地下式。根據每座調蓄池的進水管埋深以及周邊地勢的情況，采用兩種進水方式：泵提升和重力自流。碧嶺、湯坑、南布、石井和上洋調蓄池采用泵提升進水方式。這5 座調蓄池進水管道埋深均在10m 左右，若采用重力自流進水方式，則需要較大的基坑深度，會導致工程投資增加、施工難度大、施工周期長、安全隱患增大，后期調蓄池清淤維護也不方便?？紤]到工程投資、施工周期以及工程安全等方面的原因，這5 座調蓄池采用泵提升進水方式。錦龍、墩子河調蓄池采用重力自流進水方式。錦龍調蓄池受周邊用地限制，選址位于現狀坪山河底，故采用重力進水方式；墩子河調蓄池選址位于現狀墩子河口，地勢低洼，也采用重力進水方式。各調蓄池的池體最大埋深及進出水方式見表2。

表2 坪山河干流新建調蓄池進出水方式

2.3.2 提升泵的選擇

由于本次調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，進水時間短，進水流量大，揚程較低。另外，根據深圳市的相關降雨資料，年降雨天數不超過50 天，調蓄池提升泵站使用頻率較低，大部分時間處在閑置狀態(tài)，所以選擇設備應當考慮降低工程費用。經綜合考慮，本次提升泵選用潛水軸流泵。

2.3.3 調蓄池通風除臭設計

初期雨水調蓄池因為其收集的初期雨水中污染物含量較高，因而在使用過程中會產生大量臭氣。初期雨水通過進水管道進入調蓄池，初期雨水跌落過程中會有大量臭氣散出。當出現連續(xù)強降雨時，受到下游排水管道的流量限制，調蓄池中的初期雨水留存的時間會比較長，調蓄池的封閉環(huán)境會產生厭氧反應生成大量臭氣。因而有必要進行合理的通風除臭設計來排出調蓄池內部的臭氣。坪山河項目的7 座調蓄池中，根據各個調蓄池的實際情況，因地制宜設置了不同的通風除臭方式。碧嶺調蓄池和南布調蓄池旁邊分別建設有碧嶺水質凈化站和南布水質凈化站，碧嶺調蓄池和南布調蓄池內部的臭氣通過除臭風管收集后進入水質凈化站內除臭濾池處理。湯坑調蓄池單獨設置了一體化除臭裝置，整個裝置內通過過濾、紫外、噴淋，可以有效去除H2S、CH4、CO 等有毒有害氣體?？紤]到其他調蓄池的臭氣排放情況對周圍居民生活影響較輕，暫不設置除臭裝置，調蓄池內部氣體直接通過調蓄池頂部的風機排放至外部，后續(xù)可根據實際情況安裝除臭設施。

2.3.4 運行模式

（1）采用泵提升進水方式的調蓄池。沿岸截污系統(tǒng)的污水在調蓄池進水井處匯合，然后經過格柵、沉砂池預處理后，由泵房提升進入調蓄池。待調蓄池內蓄水水位達到設計水位之后關閉進水閘門。對于湯坑、石井和上洋調蓄池，降雨過后，當下游截污總管及污水處理廠負荷降低，有足夠容量處理調蓄池內污水時，調蓄池出水閘門開啟，內部污水經重力作用自流至沿河截污系統(tǒng)，進入下游污水廠處理，原則上污水在調蓄池內貯存時間不超過2 天。對于碧嶺和南布調蓄池，降雨過后，調蓄池內的污水經重力作用自流分別進入碧嶺、南布水質凈化站處理，原則上污水在調蓄池內貯存時間不超過3 天。調蓄池排空以后，通過設置在調蓄池內的智能清洗器將調蓄池沖洗干凈，待下次使用。

（2）采用重力自流進水方式的調蓄池。沿岸截污系統(tǒng)的污水在調蓄池進水井處匯合，流經格柵后經沉砂池沉砂，再自流進入調蓄池。待調蓄池內蓄水水位達到設計水位之后關閉進水閘門。對于錦龍、墩子河調蓄池，降雨過后，當下游截污總管及污水處理廠負荷降低，有足夠容量處理調蓄池內污水時，由調蓄池內的潛污泵將調蓄池內污水抽排至沿河截污系統(tǒng)，進入下游污水廠處理。原則上污水在調蓄池內貯存時間不超過2 天。調蓄池排空以后，通過設置在調蓄池內的智能清洗器將調蓄池沖洗干凈，待下次使用。

3 初期雨水收集率及污染物削減分析

截至完稿，坪山河干流沿線已建成總容積22 萬m3的分散式調蓄池，用于收集降雨初期污染的雨水徑流。收集的混流污水進入水質凈化站、人工濕地及污水處理廠處理后，對坪山河雨季水質的影響明顯降低。

3.1 初期雨水收集率及達標率分析

根據深圳市三洲田雨量站典型年1979 年的降雨資料，在不同重現期暴雨強度公式下，按照收集坪山區(qū)建成區(qū)前30 分鐘初期雨水的方案，分析建成區(qū)初期雨水的收集率和達標率。

典型年1979 年中，降雨天數為102 天，形成洪水徑流的場次為44 場，各場次前30min 的初期雨水均可得到截流，初期雨水收集率為100%。按雨季天數（102天）計算，初期雨水完全收集場次44 次，雨季水質達標保證率為56.9%；按全年天數（365 天）計算，初期雨水完全收集場次44 次，全年水質達標保證率為87.9%。

3.2 雨季入河污染物削減率分析

按照收集建成區(qū)前30min 初期雨水的方案，通過對調蓄工程理論計算分析得到雨季入河污染物的理論削減率。通過工程建設，雨季COD 理論削減率為77.1%，氨氮削減率為74.1%，總磷削減率為67.3%，雨季入河污染物濃度大幅降低。

結語

調蓄池是收集和處理污染的初期雨水的重要有效措施。在坪山河沿河新建7 座分散式調蓄池收集前30min 的初期雨水，有效收集初期雨水，減少初期雨水溢流對河道的污染，入河污染物濃度顯著降低，實現了雨季坪山河入河污染物的有效削減，證明了分散式調蓄池在提升流域水體水質方面的重要性。

自包括新建7 座分散式調蓄池在內的坪山河干流綜合整治及水質提升工程投入使用以來，各系統(tǒng)運營良好，工程產能達到建設預期。2018 年12 月，上洋交接斷面氨氮指標達到地表水Ⅲ類，總磷指標優(yōu)于Ⅳ類；2021 年7 月，坪山河干流水質氨氮、總磷指標優(yōu)于地表水III 類。2019 年5 月至2022 年2 月，坪山河上洋交接斷面水質連續(xù)34 個月穩(wěn)定優(yōu)于地表水IV 類，全年平均水質達到地表水III 類，考核斷面水質持續(xù)優(yōu)于合同目標，坪山河流域水環(huán)境得到了顯著改善。