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张辰:基于海绵城市建设理念的排水工程设计

时间:2019-06-17     作者:系统管理员     来源: 工程建设标准化     查看:459 次

文章摘要: 张辰:基于海绵城市建设理念的排水工程设计


张辰总工/全国工程勘察设计大师  上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司


海绵城市建设理念越来越深入人心,“小雨不积水、大雨不内涝、河道不黑臭、热岛有缓解”的目标已成为业内共识,这就要求排水工程建设者更新理念,紧紧抓住城镇发展过程中的高质量发展和高品质生活要求,满足人民对美好生活的向往,建设高标准、高质量的雨水系统和污水系统。


城镇排水工程是社会文明发展的重要载体,对于改善城市居民的生活环境起到决定性的作用。2012年,我国的城镇化率已达到52.6%,超过世界平均水平(52.5%),并以高于世界平均水平的速度(年均0.5%)快速推进。中国城镇化将进入“下半场”预计2030年我国的城镇化率将达到70%左右,新型城镇化发展给排水行业带来机遇也带来了挑战,应以生态文明建设的理念系统推进城镇化建设。


内涝防治要求我们高标准建设雨水系统。气候变化致使暴雨频率和强度都有所改变,城镇化进程的加快加剧了暴雨内涝对城市的威胁。硬化屋顶地面的增加,致使雨水排水强度加大;规划中片面追求用地指标,侵占或缩窄了天然水体,雨水调蓄功能严重萎缩;城市建设者片面追求高水位、大水面,阻碍了雨水的自然调蓄和下泄。


黑臭水体治理要求我们高质量建设污水系统。“黑臭在水里,根源在岸上”,合流制排水系统的截流倍数偏低,造成溢流污染严重;分流制排水系统雨污混接严重,造成旱天污水直排和雨天受污染径流放江,很多城市水体逢雨必黑,黑臭河道反复治理。


在新时代海绵城市建设理念的指导下,市政雨水系统和污水系统如何高标准、高质量建设是给排水设计人员面对的新课题。海绵城市建设理念是雨水管理和污水治理中国智慧的结晶。海绵城市建设目标不能只依靠市政雨水系统实现,还需要建筑小区、绿地、道路广场和城市水系等多系统的共同参与。污水系统则应尽快推进厂网一体化建设,建管并举,提质增效,实现全收集、全处理,充分发挥污水收集处理系统的作用,把污染物有效输送至污水处理厂处理,提高污染物消减量。


1 建设高标准雨水和内涝防治系统

雨水和内涝防治是一项系统工程,涵盖从雨水径流的产生到末端排放的全过程控制,应包括源头减排、排水管渠、排涝除险等工程性措施和应急管理的非工程性措施,并应和防洪设施相衔接,而不仅仅指传统的排水管渠设施。


1.1 源头减排

源头减排设施一般由绿色屋顶、生物滞留设施、植草沟、调蓄设施和透水铺装等渗透、滞蓄和净化措施组成,主要应对低强度降雨的大概率事件,其设计应注重绿灰耦合,实现控制雨水径流产生、减排雨水径流污染、收集利用雨水和削减峰值流量。


源头减排设施的设计标准应根据年径流总量控制率确定,并应明确相应的设计降雨量。以上海为例,年径流总量控制率为70%、75%、80%时,根据近30年的统计数据所对应的设计降雨量分别为22.2 mm、26.7 mm和33.0 mm。根据年径流总量控制率对应的设计降雨量、径流控制面积和相应的径流系数,采用容积法计算得到需控制的径流体积,以此作为源头减排设施的设计规模。当降雨量小于规划确定的年径流总量控制要求时,源头减排设施应做到不直接向市政雨水管渠排放未经控制的雨水。


1.2 排水管渠

排水管渠设施一般由排水管道、沟渠、雨水调蓄设施和排水泵站等组成,主要应对短历时强降雨的大概率事件,其设计应考虑公众日常生活的便利,并满足较为频繁降雨事件的排水安全要求。


排水管渠的设计标准应根据雨水管渠设计重现期确定设计降雨强度。近几年,我国的雨水管渠设计重现期标准得到提高,《室外排水设计规范》(GB 50014)在2014年修订的时候,将原来“一般地区1~3年一遇、重要地区3~5年一遇”的规定,按不同的城镇类型(超大城市、特大城市、大城市、中等城市和小城市)、不同的城区类型(中心城区、非中心城区、中心城区的重要地区和中心城区地下通道和下沉式广场等)分别进行规定,比如超大城市和特大城市的中心城区要求3~5年一遇,中心城区的重要地区要求5~10年一遇,这一标准和欧盟标准基本吻合。同时各地应根据雨水管渠的设计重现期确定设计降雨强度,以便公众理解。以上海为例,中心城区和新城、其他地区、地下通道下沉式广场等的雨水管渠设计重现期标准分别是5年一遇、3年一遇和30年一遇,对应的小时设计降雨强度分别为58.1 mm/h、51.3 mm/h和82.2 mm/h。


雨水管渠一般按满管流设计,其传输能力是根据雨水管渠设计重现期下的设计降雨强度、汇水面积和径流系数,通过推理公式法或数学模型法计算流量确定。当汇水面积>2 km²时,考虑区域降雨和地面渗透性能的时空分布不均匀性和管网汇流过程等因素,应采用数学模型法确定雨水设计流量,并应校核内涝防治设计重现期下地面的积水深度等标准。


径流系数主要取决于土地利用情况、土壤和植被类型以及地面坡度。降雨特性(例如强度、历时)和前期降雨条件也对径流系数具有一定影响。因此进行内涝防治设计校核时,如采用推理公式法或者在数学模型中采用固定径流系数,应提高不同下垫面的径流系数,当设计重现期为20~30年时,径流系数提高10%~15%;当设计重现期为30~50年时,提高20%~25%;当设计重现期为50~100年时,提高30%~50%;当计算的径流系数>1时,应按1取值。


1.3 排涝除险

排涝除险设施主要应对长历时降雨的小概率事件,承担着在暴雨期间调蓄雨水径流、为超出源头减排设施和排水管渠设施承载能力的雨水径流提供行泄通道和最终出路等重要任务,是满足城镇内涝防治设计重现期标准的重要保障。


排涝除险设施的设计标准应根据内涝防治设计重现期确定设计降雨强度。排涝除险设施的建设,应充分利用自然蓄排水设施,充分发挥河道行泄能力和水库、洼地、湖泊、绿地等调蓄雨水的功能,合理确定排水出路。排涝除险设施的规模,应根据其类型(调蓄或排放),进行相应的水量或流量计算,且应和源头减排设施、排水管渠设施作为一个整体系统校核,满足内涝防治设计重现期的设计要求。根据内涝防治设计重现期校核地面积水排除能力时,应根据当地历史数据合理确定用于校核的降雨历时和该时段内的降雨量分布情况,有条件的地区应采用数学模型计算,计算中降雨历时应为长历时。发达国家一般根据服务面积,确定降雨历时,通常采用3~24 h。如校核结果不符合要求,应调整设计,包括放大管径、增设渗透设施、建设调蓄管道或调蓄池等。在设计内涝防治设计重现期下,雨水管渠按压力流计算,即雨水管渠应处于超载状态。


城镇内涝防治的主要目的是将降雨期间的地面积水控制在可接受的范围,因此满足内涝防治设计重现期的标准包括地面积水深度和最大允许退水时间标准。


地面积水深度标准有两点规定,一是居民住宅和工商业建筑物的底层不进水;二是道路中一条车道的积水深度≤15 cm。当路面积水深度>15 cm时,车道可能因机动车熄火而完全中断,标准要求能保证城镇道路不论宽窄,在内涝防治设计重现期下,至少有一车道能够通行。发达国家和我国部分城市已有类似的规定,如美国丹佛市规定:当降雨重现期为100年一遇时,非主干道路中央的积水深度不应超过30 cm,主干道路和高速公路中央不应有积水。上海市规定积水深度超过道路立缘石(立缘石一般高出路面10~20 cm)即为市政道路积水。


最大允许退水时间标准是指雨停后的地面积水的最大允许排干时间,因为道路积水对城市不同区域的影响不同,因此,可以根据不同的城区类型分别确定最大允许退水时间,而对于交通枢纽这样对道路积水特别敏感的区域,最大允许退水时间应采取措施进一步缩短。上海市是全国最先规定雨停后退水时间的,并从最初要求的≤2 h调整到≤1 h;天津市的排除积水实践经验为40~50 mm/h雨后1~3 h,60~70 mm/h雨后3~6 h;浙江省地方标准对积水时间进行了详细的规定,中心城区重要地区≤0.5 h,中心城区≤1 h,非中心城区2 h。


2 建设高质量污水与径流污染控制系统

改革开放40年,我国的城市建设日新月异,但城市排水系统得不到正常的建设和维护,城市管网系统雨污混接、破损淤积严重,造成污水管网的有效收集不够,统计数据表明,我国污水处理水量逐年增加,2017年全国污水处理量是2007年的3.2倍,但由于进水浓度降低,2017年COD削减量仅为2007年的2.7倍。


同时城市雨水径流污染没有得到有效控制,由于污水系统在设计的时候没有考虑到这部分水量,从而造成大量截流或调蓄收集的受污染雨水,最终无法输送到污水处理厂处理达标后排放,而是在厂前或污水提升过程中溢流排放,造成水环境污染。因此污水系统的规划和建设应与海绵城市建设中径流污染控制目标和要求接轨,将受污染的雨水径流,即截流的雨水输送和处理纳入其中。


2.1 应建设完全的污水收集系统

2010年作者就撰写文章提出要逐步消除雨污混接,分析了上海市排水系统雨污混接现象,将混接类型主要归纳为系统间混接、系统内管道混接、小区管道混接和住宅内部混接4类,还要加强管理,消除洗车排挡等污水直接进入雨水管道。随后国家地方的规范标准陆续关注由于设计不当造成的混接问题,并加以修编。国家标准《室外排水设计规范》(GB 50014)在2011年局部修订中,新增条文内容,强调“雨水管道系统和合流管道系统之间不应设置连通管道”,以避免由设计造成的系统间混接;国家标准《住宅设计规范》(GB 50096)在2011年全面修订时,新增规定“洗衣机设置在阳台上时,其排水不应排入雨水管”;上海市地方标准《住宅设计标准》(DGJ 08-20)在2013年全面修订时,也相应增加了规定“阳台雨水应排入污水系统并应采取防臭措施”。因此,2011年之后建设的大多数住宅建筑已能在设计阶段避免造成雨污混接。


但是,城镇排水系统的混接在很多已建成系统中仍然存在,同时建设周期或管理过程中的不合规操作也造成新的混接。目前城镇排水系统混接中的重灾区,包括管网河网混接、雨污系统混接和建筑小区混接。


(1)管网河网混接。主要指排水管网和河网之间的混接,大多是因合流制排水系统沿河截流工程设计不当,引起合流制系统排水管网和河网的混接,其结果是在雨季,当河水水位上涨时倒灌进入截流系统,致使上游的截流污水输送不畅而溢流入河,同时大量河水进入截流系统,造成污水处理厂进水浓度偏低。


(2)雨污系统混接。雨污系统之间的混接主要是由于目前许多地区合流制和分流制排水系统并存,部分系统之间仍存在将合流管道和分流制雨水管道相连的现象;还有不少城市的合流制排水系统和分流制排水系统合用一根污水干管,分流制位于合流制的上游,在雨季,当下游污水泵站由于后续污水系统流量限制或其他原因不能按设计水位运行时,污水截流管可能处于满管流状态,下游顶托造成上游泵站输送来的旱流污水从截流管进入截流井,进而溢流至雨水系统,实质上造成不同排水体制系统间的混接。


(3)建筑小区混接。建筑小区(包括企事业单位)的雨污混接是城镇雨污混接的重灾区,因为市政管网系统的责任主体还是相当明确,也开始开展大量的管网普查摸清底数的工作,而建筑小区的底数更难摸清。上海中心城区某区8个分流制排水系统,共查出583个混接点,混接水量13 825.14 m³/d,其中小区混接点273个,混接水量11 365.94 m³/d,个数占比46.91%,水量占比82.21%,而小区混接中,又以阳台污水的混接最为严重。


城镇排水系统混接问题是我国城市水环境治理必须面对的“顽疾”,行业主管部门和从业人员应充分认识到混接改造工作的重要性和艰巨性,从现场调查、工程建设、技术研发、标准制定、目标管理等各项工作着手,坚持不懈地推进各种混接改造目标的达成,配合对公众环保知识的宣传和环保意识的培养,消除排水系统的雨污混接现象,建设完全的污水收集系统,为城市水环境治理和污水系统提质增效提供支撑。


2.2 污水处理厂应对雨天流量的经验

许多国家无论合流制还是分流制排水系统,污水干管和污水处理厂的设计中除处理旱季流量之外,都预留部分雨季流量的处理能力,根据当地气候特点、污水系统收集范围、管网质量,雨季设计流量可以是旱季流量的3~8倍。


2.2.1 美国

美国鹿岛污水处理厂位于马萨诸塞州,其服务范围内有超过50%的区域为合流制排水系统,因此该污水处理厂进水流量随降雨量变化较为明显,详见图1。



为满足美国NPDES(国家污染物排放削减)许可证对污染物排放量为服务范围内的合流制溢流污染控制问题,该污水处理厂日均设计流量为137万m³/d(361×106加仑/d),雨季最大设计流量为52.6 m³/s(1 200 ×106加仑/d),而二级处理设计能力最高达到265万m³/d(700 ×106加仑/d),约为日均设计流量的2倍。由图1可知,鹿岛污水处理厂的二级处理能力基本能满足大多数降雨期间的入厂流量全量处理。


2.2.2 英国

英国为削减合流制区域的雨天溢流和分流制区域径流污染,确定了最大允许暴雨溢流(排放)量。对于合流制地区,要求污水设施足以应对旱季流量的昼夜峰值加上日降雨25 mm以下产生的额外流量,污水处理厂最大处理量和最大允许暴雨溢流排放量之间还存在6.5倍生活污水量的差值,需要进行调蓄。对于分流制地区,雨天径流污染控制的目标是,2倍于旱季污水流量(除去地下水入渗量)的径流不能直接放江,而应该通过截流、调蓄和处理后才排放。


2.2.3 日本

日本大阪市为削减合流制排水系统雨天溢流污染,在2002~2006年开始启动“合流制排水系统溢流污染控制紧急对策”,合流制排水系统雨天污染物排放标准,由最初的BOD5≤70 mg/L改为BOD5≤40 mg/L。采取的工程措施包括建设雨水调蓄池、调整雨天污水处理厂处理工艺和利用放水路调蓄雨水等措施。同时在合流污水溢流排放口增设过滤装置,减少固体杂质的排放。


雨季污水处理厂进水流量为旱流污水的3倍(3Q),传统处理工艺是3Q的流量经过初沉后,2Q的流量被排放,1Q的流量进入后续生化处理单元。大阪市采取的新措施是多点进水,1Q的流量进入生物处理前端,2Q的流量进入生物处理后段。


结果表明,采用该工艺,进水流量在1.48Q~4.62Q时,出水SS 和BOD5分别可达到9.3 mg/L和7.7 mg/L的控制目标。另外大阪市还拟将污水处理厂初沉池由平流式改为斜板沉淀池,从而减小处理合流污水所需沉淀池的容积,多余空地建设专门处理雨水的沉淀池。


因此在污水系统设计能力和污水处理厂工艺选择上,系统考虑雨季进入污水系统的受污染径流的雨水量,是削减合流制溢流污染和暴雨排江污染的关键措施。


2.3 旱季设计流量和雨季设计流量

我国现行《室外排水设计规范》在污水处理处理构筑物流量设计中明确规定合流制处理构筑物的提升泵站、格栅、沉砂池应按合流水量设计,但是没有明确提出雨季设计流量的概念,特别是二级处理系统,规定是按照旱流污水量设计,必要时考虑一定的合流水量,而大多数污水处理厂,为确保出水水质达标,一般在二级处理前就把超过设计流量的部分直接超越溢流了,因此,目前我国的污水系统基本没有应对雨天流量的能力。


为保障污水系统提高应对雨天流量的能力,切实提高合流制系统截流倍数,减少雨天溢流污染,有必要在污水系统旱季设计流量的基础上,提出雨季设计流量的概念。


显然,对于合流制系统,雨季设计流量就应该是截流后的合流污水量,而分流制污水系统的雨季设计流量,应在旱季设计流量的基础上,根据对径流污染控制设施的调查,增加相应的截流雨水量。


在设计过程中,应从污水管道、泵站、污水处理厂各构筑物和污泥处理系统考虑旱季设计流量和雨季设计流量的协调。比如,对于分流制污水管道,应按旱季设计流量进行设计,并按雨季设计流量校核,校核的时候可采用满管流;对于分流制污水泵站的设计流量,应按泵站进水总管的旱季设计流量确定,其总装机流量应按泵站进水总管的雨季设计流量确定;对于分流制雨水泵站,雨污分流不彻底、短时间难以改建或考虑径流污染控制的地区,雨水泵站中宜设置污水截流设施,输送至污水系统进行处理达标排放;对于污水处理厂污水处理构筑物,提升泵站、格栅、沉砂池和深度处理,均应按雨季设计流量计算,初次沉淀池和二级处理系统,应按旱季设计流量设计,雨季设计流量校核,管渠应按雨季设计流量计算;当二级处理系统不能满足要求的时候,也可参考国外的做法,在厂内增设调蓄设施,应对雨季设计流量;对于处理截流雨水的污水系统,其污泥处理处置设施的规模应统筹考虑相应的污泥增量,可在旱流污水量对应的污泥量上增加。


3 结语

排水工程是城镇居民生活和社会经济发展的生命线,是保障公众身体健康、水环境质量和水安全的重要基础设施,排水工程包括雨水系统和污水系统,基于海绵城市建设理念的排水工程设计需要进一步增强系统性、整体性和协同性,遵循从源头到末端的全过程管理和控制,雨水系统和污水系统相互配合、有效衔接,建设完善的合流制排水系统,通过截流、调蓄和处理等措施,提高截流能力并结合源头减排,控制溢流污染;建设完全的分流制排水系统,消除雨污混接,通过提升污水系统的收集和处理能力,实现对城镇所有用水过程产生的污染水和受污染雨水径流的全收集、全处理。实现保护水生态、改善水环境、保障水安全、提高水资源利用的目标,服务于新时代城镇发展的需要。


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