王 彬，高 磊，李 虹，李 璐，呂 陽，王璐露

(1. 武漢市城市建設(shè)投資開發(fā)集團(tuán)，湖北武漢 430063；2. 中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

排水系統(tǒng)是最重要的城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施之一，我國多數(shù)城市新建區(qū)域基本采用了完全分流制排水體制，然而我國的城市水環(huán)境并沒有得到根本性的轉(zhuǎn)變，許多城市水體的水環(huán)境依然難以令人滿意，主要問題就是分流制排水系統(tǒng)存在的雨污水管道混接以及初期降雨徑流。

分流制排水系統(tǒng)中要求的雨污水分流在實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)，晴天時(shí)雨水管網(wǎng)仍有污水出流，未能充分發(fā)揮分流制管網(wǎng)的優(yōu)越性，同時(shí)，造成污水收集率低、污水廠運(yùn)行負(fù)荷不足等問題。初期徑流水質(zhì)甚至比城市污水水質(zhì)還差，而傳統(tǒng)的分流制排水系統(tǒng)對(duì)初期降雨徑流直接進(jìn)行排放，不能避免由初期降雨徑流帶來的面源污染問題。對(duì)分流制雨水管道進(jìn)行截流，能夠很好地解決混接及地表降雨徑流污染問題，因此，對(duì)分流制雨水管道進(jìn)行截流就顯得尤為必要。

某大型湖泊沿湖地塊基本建成，由于建設(shè)時(shí)序存在偏差且開發(fā)企業(yè)的素質(zhì)參差不齊，流域范圍內(nèi)管網(wǎng)混錯(cuò)接問題較為嚴(yán)重，存在混錯(cuò)接點(diǎn)1 189處，其中污水接入雨水731處，從而造成污水直接進(jìn)入湖泊，嚴(yán)重污染了湖泊水質(zhì)。以武漢市南湖及廣東等地岸域雨污分流經(jīng)驗(yàn)，要實(shí)現(xiàn)徹底雨污分流及混錯(cuò)接改造需要3～5年，而為了避免湖泊水質(zhì)進(jìn)一步惡化，消除點(diǎn)源污染時(shí)不可待，在混流排口上游混錯(cuò)接改造的同時(shí)迫切需要末端截流作為過渡。另一方面，面源污染是該湖泊水質(zhì)惡化的一個(gè)重要因素，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，面源污染在全湖CODCr、氨氮、TP和TN污染總量的占比分別為63.72%、31.89%、25.59%和21.22%。截流井作為點(diǎn)源和面源污染治理中均會(huì)用到的一種工具，在水環(huán)境綜合治理的過程中受到廣泛應(yīng)用，而如何根據(jù)水環(huán)境綜合治理工程的實(shí)施進(jìn)度及時(shí)調(diào)整截流井的工作狀態(tài)成為需要格外關(guān)注的問題。

1 工程現(xiàn)狀

1.1 某大型湖泊流域系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1.1 某大型湖泊流域概況

某大型湖泊是亞洲最大的城市內(nèi)湖，流域面積為240.48 km2，水域面積為47.62 km2，湖泊岸線長度為122.8 km。流域涉及3個(gè)行政區(qū)，常住人口約為67.73萬人，人口密度約為0.28萬人/km2。隨著城市快速發(fā)展及人口急劇增加，該湖泊周邊排水系統(tǒng)和水環(huán)境面臨巨大壓力。

1.1.2 水質(zhì)現(xiàn)狀

近5年，該湖泊透明度、COD較為穩(wěn)定，氨氮有所降低，TN和TP指標(biāo)持續(xù)增高，水質(zhì)整體呈現(xiàn)湖心優(yōu)于湖灣的變化規(guī)律。該湖泊2011年—2013年為輕度富營養(yǎng)，2014年—2018年為中度富營養(yǎng)。根據(jù)2019年1月—8月水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其整體水質(zhì)為Ⅴ類～劣Ⅴ類，主要超標(biāo)污染物為COD、氨氮以及TP。

1.1.3 市政管網(wǎng)及排口現(xiàn)狀

該大型湖泊流域范圍內(nèi)管網(wǎng)混錯(cuò)接問題較為嚴(yán)重，存在混錯(cuò)接點(diǎn)1 189處，其中污水接入雨水731處，占比為61%，雨水接入污水458處，占比為39%。部分污水管網(wǎng)建設(shè)年代較為久遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷較多。該湖泊沿線各類排口共計(jì)666個(gè)。從排口類型來看，其中，管網(wǎng)類排口586個(gè)，入湖河溝和渠道38個(gè)(包含水系連通渠)，涵閘和泵站類42個(gè)。

1.2 某大型湖泊流域系統(tǒng)存在的問題及對(duì)策

1.2.1 某大型湖泊流域系統(tǒng)存在的問題

2005年以來，由于該大型湖泊流域范圍內(nèi)20年間城市建成區(qū)擴(kuò)大3倍，且流域市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后于城市開發(fā)，該大型湖泊水質(zhì)逐步變差，雖然環(huán)湖各區(qū)開展了大量的水環(huán)境治理工作，如2006年以來先后建了2座污水廠、實(shí)施沿湖截污；2013年后實(shí)施了污水廠提標(biāo)改造、區(qū)域雨污分流等工程；2019年實(shí)施了湖泊藍(lán)藻應(yīng)急控制等工程。但由于該大型湖泊水域大、流域廣，現(xiàn)有治理工程較零碎、缺乏統(tǒng)籌，2019年湖泊水質(zhì)仍為Ⅴ類～劣Ⅴ類，水質(zhì)惡化趨勢(shì)仍未得到有效遏制，流域入湖污染總量為CODCr=18 751.13 t，氨氮=1 105.55 t，TN=3 293.28 t，TP=209.06 t，是現(xiàn)狀湖泊納污能力的2.04～4.47倍(2021年V類水質(zhì)目標(biāo))，遠(yuǎn)超湖泊水環(huán)境容量和水體自凈能力。

1.2.2 某大型湖泊沿湖排口截污改造工程

通過沿湖現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合排口晴天排水情況和上游排水管網(wǎng)普查成果，篩選出分流制污水直排口3處、分流制雨污混接雨水排放口72處，具體分布情況如圖1所示。

圖1 某大型湖泊沿湖直排或混流排口分布圖Fig.1 Distribution of Direct-Discharge or Mixed-Flow Outlet along Large Lake

經(jīng)計(jì)算，上述點(diǎn)源污染產(chǎn)生的入湖污染負(fù)荷為CODCr=788.40 t/a、氨氮=166.44 t/a、TN=140.16 t/a、TP=7.01 t/a，成為該大型湖泊水質(zhì)惡化的一個(gè)重要因素。

另一方面，面源污染是該大型湖泊水質(zhì)惡化的一個(gè)關(guān)鍵因素，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，面源污染在全湖CODCr、氨氮、TP和TN污染總量的占比分別為63.72%、31.89%、25.59%和21.22%。

沿湖排口截污改造工程作為該流域水環(huán)境綜合治理一期工程的一個(gè)子項(xiàng)，旨在通過對(duì)沿湖直排或混流排口實(shí)施截污改造以消除該大型湖泊沿湖旱季污水直排，并在一定程度上削減雨季溢流污染，其治理目標(biāo)如下。

(1)旱天時(shí)，確保各類排水口無污水排放。

(2)雨天時(shí),近期(混錯(cuò)接改造未完成)截流倍數(shù)n=2～5；遠(yuǎn)期(混錯(cuò)接改造完成后)結(jié)合初雨污染治理工程截留8 mm以上的初雨。

該大型湖泊沿湖排口截污改造工程近期主要是為了消除旱季污水入湖，隨著周邊排水管網(wǎng)不斷完善，遠(yuǎn)期可結(jié)合該流域水環(huán)境綜合治理的面源治理項(xiàng)目重點(diǎn)控制入湖面源污染。如何根據(jù)水環(huán)境綜合治理工程的實(shí)施進(jìn)度及時(shí)調(diào)整截流井的工作狀態(tài)成為需要格外關(guān)注的問題。

2 工程治理方案設(shè)計(jì)

2.1 排口截流形式的選擇

1)傳統(tǒng)形式截流井[1]

近年來，應(yīng)用在我國截流系統(tǒng)中的傳統(tǒng)截流井主要包括堰式、槽式、拍門式和水閘式等幾類，這類截流井構(gòu)造簡(jiǎn)單，建造成本低，但是存在以下缺點(diǎn)：①截污管容易淤積；②合流污水直接溢流至自然水體中，污染河道；③存在污水及自然水體倒灌的情形(拍門易被漂浮物卡住)；④固定堰影響行洪；⑤截流管流量無法控制，影響污水廠正常運(yùn)行。例如惠州老城區(qū)某處采用槽式截流井，雨天時(shí)截流井上下游管道均為滿流，截流井出現(xiàn)湖水倒灌現(xiàn)象，沖擊現(xiàn)狀污水管線且截流井淤積現(xiàn)象嚴(yán)重[2]；北京部分老城區(qū)仍在用拍門式截流井，經(jīng)常出現(xiàn)拍門連接桿被雜質(zhì)堵塞纏繞或連接桿生銹使拍門無法正常和漏水的情況，且拍門需要定期維護(hù)，包括轉(zhuǎn)動(dòng)軸的維護(hù)，密封裝置的維護(hù)和拍門板的維護(hù)[3]；河網(wǎng)地區(qū)常用的水閘式截流井造價(jià)較高，在人工控制下，難以保證閘門的及時(shí)開啟和關(guān)閉，維護(hù)管理困難[4]。

國外新建的分流制管道常設(shè)置跳躍式截流井，對(duì)于已有的合流制管道，不宜采用；另一種新型的旋流閥式截流井通過在截污管道上安裝旋流閥,就能精準(zhǔn)控制雨季截污流量，但因整體造價(jià)較高目前在我國還沒有廣泛推行[5]。

2)智能截流井

相較于傳統(tǒng)截流井，智能分流井智能化程度更高，可有效克服傳統(tǒng)截流井的不足，其主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：①智能分流井截流管前裝有堰板式可調(diào)堰或液動(dòng)控制閘門，對(duì)通往污水處理廠的最大量能夠進(jìn)行控制，同時(shí)可以防止污水回流；②截流高度可以智能調(diào)節(jié)，同時(shí)可以防止自然水體的倒灌，但普通的截流井只是固定堰，無法調(diào)節(jié)截流高度和防止河水倒灌；③智能分流井采用水質(zhì)法、雨量法、時(shí)間法和水位法進(jìn)行控制，普通的截流井只是水位控制；④智能分流井可進(jìn)行智能控制，普通的截流井僅僅只是對(duì)單個(gè)的設(shè)備進(jìn)行人工控制。

目前,市場(chǎng)上主要有如下幾種智能分流井。

(1)翻板堰式可控智能截流井

這類智能截流井在出水管前裝有堰板式可調(diào)堰，在截污管上裝有調(diào)流閥，可以把污水截流至市政污水管網(wǎng)，對(duì)進(jìn)入污水處理廠或進(jìn)入調(diào)蓄池儲(chǔ)存的截流量能夠進(jìn)行控制，同時(shí)可以防止污水回流。清水則直接排放到自然水體，通過監(jiān)測(cè)堰門前后的液位差，可智能控制溢流量減少溢流污染。堰系統(tǒng)配有傾角儀和上下限位開關(guān)，可通過液位儀控制堰板式可調(diào)堰的角度，同時(shí)還具有土建簡(jiǎn)單、施工難度小、土建成本低、安裝不占用高度空間等優(yōu)點(diǎn)。

翻板堰式可控智能截流井運(yùn)行原理如圖2所示。

圖2 翻板堰式可控智能截流井運(yùn)行原理Fig.2 Operation Schematic of Aqua-Gate Shield Intelligent Intercepting Well

(2)下開堰式截流井

這類智能分流井截污管前裝有下開式液動(dòng)控制閘門，對(duì)通往污水處理廠的最大量能夠進(jìn)行控制，同時(shí)可以防止污水回流?？刹捎盟|(zhì)法、雨量法、時(shí)間法和水位法進(jìn)行控制。

①晴天時(shí)，液動(dòng)限流閘門處于開啟狀態(tài)，液動(dòng)下開式堰門處于關(guān)閉狀態(tài)，生活污水完全截流至截污管并輸送到污水處理廠。

②當(dāng)降雨量小于設(shè)定值或井內(nèi)液位低于警戒水位時(shí)，液動(dòng)下開式堰門關(guān)閉至警戒水位對(duì)應(yīng)的開度，液動(dòng)限流閘門開啟，液動(dòng)限流閘門的開度值取決于流過的流量值，保證通過截污管的流量不會(huì)超過設(shè)定的流量值。

③當(dāng)降雨量達(dá)到設(shè)定值或井內(nèi)液位達(dá)到設(shè)定液位時(shí)，液動(dòng)限流閘門關(guān)閉(或部分關(guān)閉)，液動(dòng)下開式堰門開啟，后期雨水排放到自然水體。

④當(dāng)井內(nèi)水位大于警戒水位時(shí)，液動(dòng)限流閘門關(guān)閉，液動(dòng)下開式堰門開啟行洪。

下開堰式截流井構(gòu)造如圖3所示。

圖3 下開堰式截流井構(gòu)造圖Fig.3 Structural Diagram of Cascade Weir Intelligent Intercepting Well

(3)液動(dòng)限流閥截流井

這類智能截流井的截流管位置安裝液動(dòng)限流閥，對(duì)分流制管道初雨截流量和合流制管道合流污水截流量，均可進(jìn)行準(zhǔn)確限量控制。液動(dòng)限流閥是上開式，閥底流速較高，可產(chǎn)生局部的負(fù)壓抽吸左右，將截流井內(nèi)殘余下沉的污物高速從閥底排入截流管，避免井內(nèi)積存雜質(zhì)沉淀；同時(shí)，也避免降雨過程中井河道溢流處發(fā)生溢流時(shí)，井內(nèi)或者進(jìn)水的較重顆粒污物帶入收納水體。

(4)自動(dòng)浮控堰閥截流井

自動(dòng)浮控堰閥的功能是在達(dá)到設(shè)定水位前，阻止截流井或調(diào)蓄池內(nèi)雨水或合流污水的溢流排放，在達(dá)到設(shè)定水位后，只有堰板下的水會(huì)溢流排放，通過控制單獨(dú)構(gòu)筑物內(nèi)的浮子，確保堰板在達(dá)到設(shè)定水位之前不被打開，且當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定水位后再次關(guān)閉。

該類智能截流井能理想地利用現(xiàn)有的管道存儲(chǔ)空間，減少溢流排放，通過浮箱控制堰門開啟，無動(dòng)力設(shè)計(jì)，但其尺寸一般較大。

某大型湖泊沿湖排口截污改造工程是該流域水環(huán)境綜合治理的一部分，需結(jié)合其他項(xiàng)目的推進(jìn)情況靈活調(diào)整截流井的工況，故本項(xiàng)目選用的截流井對(duì)其智能化程度要求較高。

從經(jīng)濟(jì)型、施工難度、適用性等方面對(duì)智能截流井的形式進(jìn)行綜合比選，如表1所示。

表1 智能截流井形式比選Tab.1 Comparison of Intelligent Intercepting Well Forms

本項(xiàng)目涉及的排口尺寸差別較大，最小為DN300，最大為9 500 mm×2 500 mm，大多數(shù)排口尺寸小于DN2000，而自動(dòng)浮控堰閥截流井一般適合尺寸較大的排口；液動(dòng)限流閥截流井于出水管一側(cè)設(shè)置液動(dòng)限流閥，為上開式，降雨時(shí)易對(duì)水體造成溢流污染；下開堰式截流井性能較翻板堰式可控智能截流井更穩(wěn)定，但造價(jià)較高；翻板堰式可控智能截流井在小排口的截污改造中有一定優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)本工程的特點(diǎn)，經(jīng)過綜合比選，最終確定當(dāng)排口尺寸小于DN800時(shí)，選用翻板堰式可控智能截流井進(jìn)行混流排口截污改造；當(dāng)排口尺寸大于等于DN800時(shí)，選用下開堰式截流井進(jìn)行混流排口截污改造。

2.2 排口截流方案的選擇

2.2.1 污水直排口

本工程共有3處污水直排口，均予以封堵，將污水接入鄰近污水管網(wǎng)，進(jìn)一步處理后達(dá)標(biāo)排放。

2.2.2 混流排口

本工程共有該類排口72處。采用智能分流井截流：當(dāng)上游混錯(cuò)接未改造完成時(shí)，主要截流上游混入污水，接入鄰近污水管網(wǎng)進(jìn)一步處理；當(dāng)上游混錯(cuò)接改造完成時(shí)，結(jié)合周邊面源治理工程截流上游初期雨水，接入鄰近初雨收集管網(wǎng)進(jìn)一步處理。

結(jié)合不同類型智能分流井的產(chǎn)品性能及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)管徑小于800 mm時(shí)，選用翻板堰式可控智能截流井進(jìn)行截流；當(dāng)管徑大于等于800 mm時(shí)，選用下開堰式截流井截流。當(dāng)截流污水和初期雨水不能滿足自流排入鄰近污水管網(wǎng)和初雨收集管網(wǎng)時(shí)，設(shè)置相應(yīng)的一體化提升泵站。

本工程共新建28座翻板堰式可控智能截流井和44座下開堰式截流井，分別以196#和490#排口為例,說明兩種智能截流井在排口改造中的具體應(yīng)用。

如圖4所示，196#排口為分流制雨水排口，尺寸為Φ=600 mm，匯水面積約為306 142 m2，晴天可見明顯水流排出，結(jié)合上游排水管網(wǎng)普查成果，發(fā)現(xiàn)接入地塊存在多處雨污混接情況。本項(xiàng)目采用的工程措施：于排口末端設(shè)置翻板堰式可控智能截流井，目前，將截流后的污水接至臨近現(xiàn)狀污水檢查井(DN400污水管道，管底標(biāo)高為17.98 m)，待上游混錯(cuò)接改造完成后，結(jié)合周邊面源治理工程，將截流的初期雨水接入初雨調(diào)蓄池經(jīng)處理后排放。翻板堰式可控智能截流井進(jìn)、出水管管徑為DN600，管底設(shè)計(jì)標(biāo)高為19.55 m；截流管管徑為DN400，管底設(shè)計(jì)標(biāo)高為19.35 m；頂板設(shè)計(jì)標(biāo)高為21.37 m，與周邊地坪保持一致，比該湖泊最高漬水位(19.15 m)超高2.22 m，防洪能力較強(qiáng)。翻板堰式可控智能截流井智能化程度較高，可通過液動(dòng)旋轉(zhuǎn)翻板堰前后的液位、下游污水的流量、進(jìn)水的CODCr等數(shù)據(jù)控制液動(dòng)翻板堰以及液動(dòng)限流閥的開合，從而控制截流量。根據(jù)水環(huán)境綜合治理工程的實(shí)施進(jìn)度及時(shí)調(diào)整翻板堰式可控智能截流井的控制信號(hào)，即可讓翻板堰式可控智能截流井發(fā)揮的作用與水環(huán)境綜合治理工程不同階段的治理目標(biāo)相適應(yīng)。

圖4 196#排口截污改造平面布置圖Fig.4 Plan of Sewage Interception Reconstruction of 196# Outlet

如圖5所示，490#排口為分流制雨水排口，尺寸為DN1500，匯流面積約為134 719 m2，晴天可見明顯水流排出，結(jié)合上游排水管網(wǎng)普查成果，發(fā)現(xiàn)接入地塊存在多處雨污混接情況。本項(xiàng)目采用的工程措施：于排口末端設(shè)置下開堰式截流井，一進(jìn)三出，預(yù)留初雨管道接口。目前，將截流后的污水接至臨近現(xiàn)狀污水管線(DN500污水管道，管底標(biāo)高約為20.70 m)，結(jié)合周邊面源治理工程，后期可將截流的初期雨水接入初雨調(diào)蓄池經(jīng)處理后排放。由于截流污水不能滿足自流排入鄰近污水管網(wǎng)，考慮與下開堰式截流井合建1座提升泵站，規(guī)模約為2 000 m3/d。下開堰式截流井進(jìn)、出水管管徑為DN1500，管底設(shè)計(jì)標(biāo)高為19.00 m；泵站出水管管徑為DN200，管底設(shè)計(jì)標(biāo)高為21.50 m；預(yù)留初雨管管徑為DN800，管底設(shè)計(jì)標(biāo)高為19.00 m。該截流井地處綠化帶，頂板設(shè)計(jì)標(biāo)高為22.83 m，與周邊道路標(biāo)高為0.15 m，比該湖泊最高漬水位(19.15 m)超高3.68 m，防洪能力較強(qiáng)。由于下開堰式智能截流井遠(yuǎn)期截流的初雨量較大，周邊的污水系統(tǒng)可能無法承擔(dān)，遠(yuǎn)期截流的初雨主要通過預(yù)留的初雨管進(jìn)行轉(zhuǎn)輸。下開堰式截流井智能化程度較高，可通過下開堰前后的液位、下游污水井的液位、進(jìn)水的CODCr等數(shù)據(jù)控制下開堰以及液動(dòng)限流閥的開合，從而控制截流量。根據(jù)水環(huán)境綜合治理工程的實(shí)施進(jìn)度及時(shí)調(diào)整下開堰式截流井的控制信號(hào)，即可讓下開堰式截流井發(fā)揮的作用與水環(huán)境綜合治理工程不同階段的治理目標(biāo)相適應(yīng)。

圖5 490#排口截污改造平面布置圖Fig.5 Plan of Sewage Interception Reconstruction of 490# Outlet

3 預(yù)計(jì)成果

通過沿湖排口截污改造工程，近期可消除旱季污水入湖，并在一定程度上削減雨季溢流污染，隨著周邊排水管網(wǎng)不斷完善，遠(yuǎn)期可結(jié)合該流域水環(huán)境綜合治理的面源治理項(xiàng)目重點(diǎn)控制入湖面源污染。

該大型湖泊沿湖排口晴天污水排放量為2.4萬m3/d，折合約為876萬t/a。排放濃度按照2019年7月—12月排口平均排放濃度(CODCr：90 mg/L、TN：19 mg/L、氮氮：16 mg/L、TP：0.8 mg/L)，排口改造后可削減污染物情況為CODCr：788.40 t/a、氮氮：166.44 t/a、TN：140.16 t/a、TP：7.01 t/a。

4 結(jié)論

(1)傳統(tǒng)的截流井存在無法精確控制截流量且可操作性較差等缺點(diǎn)。翻板堰式可控智能截流井和下開堰式截流井作為新型智能截流井，通過堰板式可調(diào)堰和液動(dòng)下開式堰門達(dá)到控制截流流量和防止污水回流的目的；其截流高度可以智能調(diào)節(jié)，同時(shí)可以防止自然水體的倒灌。

(2)某大型湖泊沿湖排口截污改造工程通過采用翻板堰式可控智能截流井和下開堰式截流井這兩種新型智能分流井,對(duì)沿湖混流排口實(shí)施截污改造近期可消除旱季污水入湖，隨著周邊排水管網(wǎng)不斷完善，遠(yuǎn)期可結(jié)合該流域水環(huán)境綜合治理的面源治理項(xiàng)目重點(diǎn)控制入湖面源污染。

(3)智能截流井智能化程度較高，可隨著外界條件的變化靈活調(diào)整工況，在水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目中可分別在點(diǎn)源污染和面源污染治理中發(fā)揮巨大作用，并隨著周邊工程的建設(shè)情況及時(shí)改變工作狀態(tài)以充分挖掘其潛力，具有明顯優(yōu)勢(shì)。本文通過介紹翻板堰式可控智能截流井和下開堰式截流井兩種智能截流井,在某大型湖泊沿湖排口截污改造中的應(yīng)用,可為其他水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目提供參考。