城市初期雨水調蓄池的生態設計

根據大量研究，原雨中的污染物負荷高，是污染物的主要來源。初期雨水本身夾雜著地面的殘留污染物,同時還會挾帶管道中大量的積黑泥。若任其直接排入河道后,不僅會使河水發生黑臭,破壞其感官效果,同時其本身的污染物還會給河道水環境造成污染,破壞水生動植物的生長。因此必須對初期雨水加以控制,避免其對河道等生態環境的破壞。雖然部分雨水管網系統建設時也考慮設有截污措施,通過提高截留倍數可以截留一部分的初期雨水量。然而由于初期雨水歷時短、瞬時流量大的特點,旱流污水截留設施基本無法起到截留初期雨水的作用。為了避免初期雨水中的污染物直接通過雨水管排放,需要對初期雨水進行收集處理,一種有效的方法是在雨水管網的末端,結合雨水排放泵站建設的同時設置初期雨水調蓄池。目前這種方法已經在上海、廣州等城市被成功運用。初期雨水調蓄池可以減少初期雨水直接排放對水環境造成的破壞,對提高水環境質量起到了重要的作用。本文結合石家莊市正定新區2#雨水泵站初期雨水調蓄池的設計實例,介紹了城市排水系統中初期雨水調蓄池的設計要點,為今后完善初期雨水調蓄池的設計方法提供借鑒和參考。1站和泵站的建設石家莊市正定新區2#雨水泵站屬于正定新區排水B片區,根據規劃該區域屬于強排系統,雨水系統重現期為1a。泵站位于正定新區園博園的東南角,雨水經泵站提升后排入周漢河。2#泵站的總服務面積約6.46km2,規模為16m3/s。正定新區的城市建設是以“低碳、生態、智慧”為目標,水系統的建設也充分體現了這一理念。正定新區屬于缺水性地區,通過2#雨水泵站及初期雨水調蓄池的建設,在保障地區排水安全的同時,減少初期雨水中污染物的排放,截流的初期雨水經污水廠處理后可用來補充新區景觀水系,實現了回用,促進新區水系統的良性循環,實現水資源的有效利用,改善環境質量,保證正定新區健康發展。2雨水調蓄池及泵房分開布置初期雨水調蓄池一般與排水系統的雨水泵站結合布置。根據可利用建設用地的大小,可采用與泵站合建或分建的方式。不同的布置方式,對投資和施工難度會有一定的影響。分建方式為平面上將調蓄池及泵房分開布置,兩座構筑物埋深均較小,基坑開挖深度較小;合建方式是將調蓄池疊放在泵房下方,尤其是在用地受到限制時常采用此種模式,疊放后基坑開挖深度加大,施工難度及施工工期相對增加,工程投資也相對增加。考慮到該工程的用地條件及現場情況,該工程擬采用分建式,即將初期雨水調蓄池及泵房分開布置,降低工程投資。其工作原理如下:晴天時排入系統的污水量較少(主要是路面沖洗水、洗車用水等),此時關閉雨水泵房進水閘門,關閉調蓄池進水閘門,開啟截流污水泵,進水經泵室內的截流污水泵提升后排入相應的污水管道系統。降雨初期時,根據水位控制開啟雨水泵和調蓄池進水閘門,關閉出水閘門;待調蓄池達到設定水位后,開啟出水閘門,關閉調蓄池進水閘門,將雨水排至河道。待晴天根據污水系統運行情況,在系統污水量處于低谷時,啟動初期雨水調蓄池的放空泵,將調蓄池內的初期雨水排放至相應的污水系統。初期雨水調蓄池可以截留初期雨水,并在雨停后將截留雨水輸送至污水處理系統中,降低直接隨雨水排入河道的有機物負荷,減少初期雨水對河道的污染,對保護水環境質量具有重要的意義。3缺乏可操作性的規范初期雨水調蓄池在我國應用時間較短,其本身并沒有固定的形式和標準。近年來,隨著我國對面源污染的重視,初期雨水調蓄池在我國排水系統中的應用逐漸增多,但是國內尚缺乏具有可操作性的技術規范用以指導初期雨水調蓄池的設計。在設計中重點是調蓄池的容積計算及沖洗方式的設計等。以2#雨水泵站的調蓄池為例,其工藝設計要點有以下幾個。3.1雨水調蓄池容積調蓄池的容積計算是初期雨水調蓄池的設計重點。調蓄池設計得過小,不足以滿足對初期雨水的控制,仍會造成河道污染;而調蓄池設計得過大,則造成土建的浪費,增加工程費用。由于我國對分流制雨水系統中初期雨水調蓄池的容積計算并沒有相關規定,故該工程結合國內類似工程的設計情況,主要參考德國廢水協會“ATVArbeitsblattA1281992”標準,對調蓄池進行容積計算:調蓄池有效容積:式中:V———調蓄池容積,m3;VSR———每公頃面積需調蓄雨水量,m3/hm2;AU———非滲透面積,hm2,AU=系統面積×徑流系數。其中,VSR值與城市暴雨徑流污染特點密切相關,德國根據其自身城市特點,取值一般為:12≤VSR≤40,降雨均勻、衛生條件好的城市可取較低值,反之則取較高值。考慮正定新區的城市建設標準,該工程VSR取值為25。2#雨水泵站的服務面積為646hm2,平均徑流系數ψ=0.6,即非滲透面積AU=646×0.6=387.6(hm2),經公式計算,2#雨水泵站初期雨水調蓄池的計算有效容積為:V=14535m3,該工程設計有效容積取15000m3。根據國內的相關研究,若采用降雨深度法來計算初期雨水調蓄池的有效容積,其計算公式為:V=Ahψ。式中:A為雨水系統的服務面積;h為需要截留的降雨深度,降雨深度h一般取3.5~5mm。若該工程按此法計算,調蓄池容積為13566~19380m3。可見該工程有效容積采用15000m3也在合理范圍內。3.2雨水調蓄池的沖洗設計由于初期雨水調蓄池在使用后底部不可避免地有沉積雜物,因此設計調蓄池時,必須考慮對底部地沉積物的清除。調蓄池的沖洗有多種方法,各有利弊。隨著節能減排的政策要求,越來越多的環保型、節能型的沖洗設施和方法產生。調蓄池通常采用的沖洗措施有人工清洗、水射器沖洗、水力沖洗翻斗、連續溝槽自清沖洗、門式自沖洗系統等,該工程對其作了比較,見表1所列。因該工程設計的初期雨水調蓄池除部分設備檢修孔和人孔外,基本屬于全封閉結構,且上部擬做景觀綠化,地下調蓄池不適合開設人員經常進出孔和開大型設備吊裝孔,同時應充分考慮節能的因素。門式自沖洗系統是一種節能型、無動力、無能源消耗的清洗方式,沖洗力非常強大,在法國巴黎的調蓄池中,對厚達0.4m的積泥一次沖洗即實現了清除,這是傳統沖洗方式所無法做到的。在上海世博園區浦明、后灘等雨水泵站也有成功的運用。其具有無需外動力、無需外供水、控制系統簡單、運行成本低、使用效率高等優點。該工程推薦其作為初期雨水調蓄池的沖洗方式。3.3污水廠回用污水廠根據上述內容,該工程初期雨水調蓄池與泵站分開布置,通過箱涵連通。調蓄池設計容積為V=15000m3,平面尺寸為55.34m×43.00m,有效水深為7.7m,內設8套門式自動沖洗裝置,考慮調蓄池內的水需能排入污水管網最終接入污水廠處理。該工程設置3套污水潛水泵(2用1備),單泵性能參數為:Q=1275m3/h,H=5.7m,N=60kW。3.4調蓄池、放空為了保證初期雨水調蓄池的使用效果,在初期雨水調蓄池的設計過程中,還應注意以下幾點:(1)通常初期雨水調蓄池進水端采用電動閘門來進行控制,但為防止意外事件,在現場應配有手動切換控制功能,以備發生機械故障時可在現場進行操作。(2)由于初期雨水調蓄池一般深埋地下,在進水過程中,其內部氣體需要排放,故在調蓄池頂部需安裝通氣井或通氣孔,通氣孔的尺寸需根據進水時的排氣流量進行核算。(3)調蓄池放空通常采用潛水離心泵進行排放,由于初期雨水調蓄池內的雨水是排放到城市污水管網系統中,排空應盡量設在污水管網流量處于低谷時,避免由于瞬間流量過大對污水系統造成影響。圖1為初期雨水調蓄池設計示意圖。4面源污染控制隨著環境污染形勢的加劇和國家對生態環境重視的提高,越來越多的城市通