初期雨水就地调蓄处理工程方案

周传庭，郭葵香，赵国志

(1. 上海市城市建设设计研究总院<集团>有限公司，上海 200125；2. 同济大学环境科学与工程学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)

1 工程背景

湖溪河是武汉市喻家湖入湖支流之一，南起珞瑜东路，北至喻家湖，全长为1.53 km，贯穿华中科技大学东校区，如图1所示。湖溪河沿线主要为学校教育用地，湖溪河的上游为关东科技工业园，以工业和居住为主，基本为建成区，汇水面积总计约为7.5 km2，其中含马鞍山森林公园绿地、山地面积约为1 km2[1]。

图1 湖溪河地理位置示意图Fig.1 Geographical Location of Huxi River

随着城市的快速发展，由于城市污水收集与处理设施建设滞后，大量城市污水排入渠道，湖溪河的整体水质急剧下降，现如今已犹如一条“墨水河”，蚊蝇滋生、恶臭扑鼻。

经过调查分析，初期雨水径流污染是湖溪河水质恶化的一个重要影响因素之一，因此，有必要对湖溪河流域的初期雨水治理工程方案进行研究。

2 初期雨水水质调研

湖溪河周边主要为文教区、居民区，参考国内典型城市初期雨水水质：CODCr约为40～104 mg/L；SS约为198～296 mg/L[2-5]。

根据管线测量资料和现场踏勘，对湖溪河沿线的排口进行调查和分类。受混错接影响，现状排口雨水污染较严重，2017年6月分别检测晴天、小雨、中雨时排口水质，污染物浓度：CODCr约为24～146 mg/L；SS约为55～113 mg/L；TP约为1.0～2.04 mg/L。

与前述典型城市初期雨水水质对比，湖溪河当前排口水质中COD值与之较为接近，SS值低于典型值范围。

3 初期雨水出路分析

本工程研究范围属于龙王嘴污水系统，湖溪河沿线污水系统走向为“支管网-华科泵站-污水主管-虹景泵站-污水主管-龙王嘴污水处理厂”。污水管路总长约为9.0 km，共需2次提升。华科泵站设计能力为8 000 m3/d，现状旱季污水运行水量约为2 000 m3/d，泵站及其配套管网无初期雨水提升余量。虹景泵站设计能力为60 000 m3/d，现状旱季污水运行水量约为40 000 m3/d，湖溪河沿线截污工程实施后，将基本满负荷运行。泵站及其配套管网无初期雨水提升余量。龙王嘴污水厂规划总规模为30万m3/d，实际旱季运行水量已逾28万m3/d，雨季已满负荷运行，无受纳初期雨水的能力。

综上，现有污水管网、处理系统均无富余能力应对初期雨水处理，需考虑另建初期雨水处理设施。

4 设计规模论证

4.1 调蓄量确定

根据《室外排水设计规范》4.14.4 A条：用于分流制排水系统径流污染控制时，雨水调蓄池的有效容积，可按式(1)计算。

V=0.001DFΨß

(1)

其中：V——调蓄池有效容积，m3；

D——调蓄量，mm，按降雨量计，可取4～8 mm；

F——汇水面积，m2；

Ψ——径流系数；

ß——安全系数，可取1.1～1.5，本工程取1.15。

根据对武汉市降雨资料的分析结果，以2017年为典型年，全年降雨场次约88场，全年降雨量统计情况如表1所示。

表1 2017年武汉市降雨量统计分析Tab.1 Statistical Analysis of Precipitation in Wuhan in 2017

全年降雨事件中，初期雨水降雨量(按1 h计)大于6 mm的有9场雨，大于8 mm的有6场雨。

考虑到湖西河流域存在雨污混接情况，且本工程尚无法进行最源头的分流改造，调蓄量宜取较大值。因此，调蓄量按照规范推荐值上限确定，即8 mm。当调蓄量为8 mm时，可对全年约50场的降雨进行全收集，占年总降雨场次的56.80%，可对全年82场降雨的初期雨水进行有效收集。

根据湖溪河的汇水面积，按照式(1)计算，确定调蓄池设计有效容积为33 700 m3。

4.2 初期雨水处理厂规模

初期雨水处理厂雨季处理调蓄池内初期雨水，旱季处理喻家湖水并泵送至湖溪河及东九湖，用于补充河道生态需水。故初期雨水厂的处理规模与调蓄池放空时间及湖溪河生态补水量相关。

本工程采用《河湖生态需水计算规范》(SL/Z 712—2014)附录B的B.2.5内陆河沿河植被生态需水量计算方法和《河道内生态需水评估导则》R2CROSS法，经计算湖溪河最小生态需水量为2.76万～3.15万m3/d。

本工程调蓄有效容积约为33 700 m3。按3.0万m3/d确定处理规模时，调蓄池放空时间约为27 h，属于调蓄池放空时间的合理水平(一般为24～48 h)。

因此，初雨处理厂处理规模确定为3.0万m3/d。

5 设计进出水水质

5.1 初期雨水处理厂设计进水水质

本项目同步开展了校园内雨污分流改造、玉兰路截污工程、湖溪河沿线截污工程，改造后将大大减少雨污混接情况，初期雨水水质将得到改善。

预计初期雨水COD将得到明显削减，初期雨水处理厂设计进水水质COD参考典型初期雨水水质确定。

本工程排口水质中SS较低，且初期雨水经调蓄后处理，调蓄池对暂存雨水具有一定的沉淀功能，故初期雨水厂设计进水SS低于调蓄池进水SS。因此，初期雨水处理厂设计进水水质SS按略低于当前排口水质确定。

TP与SS具有一定关联性，初期雨水处理厂设计进水水质TP值按略低于当前排口水质确定。

经分析，设计进水水质主要污染物控制指标如表2所示。

表2 初雨处理系统设计进水水质Tab.2 Design Influent Quality of Initial Rainwater Treatment System

5.2 设计出水水质

目前，国内外对于初期雨水处理尚未制定具体的执行标准。国内已开展的初期雨水处理工程较少，对于初雨排放标准的确定尚无可借鉴的成熟经验。

本工程处理出水排放湖溪河，最终进入喻家湖。考虑到湖泊水环境较为脆弱，且对水体TP含量尤为敏感，处理出水水质应对TP作出限制。因此，TP指标作为本工程设计出水水质的控制要求之一。

考虑到SS与TP具有较强关联性，且SS较高影响水体感官，并可能导致水体透明度不达标。故SS指标同时作为本工程设计出水水质的控制要求。

综上，本工程设计初期雨水处理出水以TP、SS作为控制指标，指标数值参考《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准确定为TP≤0.5 mg/L，SS≤10 mg/L。SS的去除对COD具有积极作用，根据同类工程经验，可以按COD去除率50%作为出水参考值，供指导设施运行。

初雨处理厂设计出水水质指标如表3所示。

表3 初雨处理系统设计出水水质Tab.3 Design Effluent Quality of Initial Rainwater Treatment System

6 工程总体方案设计

6.1 工艺流程

初雨处理流程：进水-水平格栅-调蓄池-平流沉砂池-加砂高速沉淀池-转鼓过滤-紫外消毒-加压排放，如图2所示。

图2 初期雨水处理厂工艺流程框图Fig.2 Process Flow Diagram of Initial Rainwater Treatment Plant

6.2 总平面设计

调蓄池与初雨处理厂合并建设，并将调蓄池与处理区分开。调蓄池体部分为密闭空间，平时无人进入；处理区为地下厂房，设置电梯、楼梯与地面管理用房联通。

地面仅设置1座单层管理用房。为确保景区整体景观性，管理用房设屋顶绿化并在其背面及两侧堆土，建成半地下式建筑。其余露出地面的为人员紧急逃生出入口、进风排风通道、设备吊装孔。

调蓄池及初雨处理厂总平面功能分区如图3所示。

图3 处理厂总平面功能分区图Fig.3 General Layout and Functional Zoning of the Treatment Plant

6.3 高程设计

厂区用地现状地面标高约为23～27 m，整体东高西低，南高北低。用地西侧湖溪河设计岸顶为23.00 m，北侧喻家山南路现状路面标高约为22.00～22.40 m。综合考虑土方平衡、防汛排涝、周边现状、工程衔接、城市规划路网以及城市规划竖向高程等诸多因素，厂区设计地面标高恢复为23.00 m。

经计算，湖溪河初雨截流管终点标高为16.42 m，管径为DN3000。按初期雨水管道自流进入调蓄池高峰时段带压运行考虑，确定调蓄池底板标高确定为12.00 m，最高水位为20.00 m，顶板顶面标高为21.00 m；初雨处理厂底板标高确定为13.00 m，顶板顶面标高为21.00 m，内部处理设备水位标高以设备间满足自流为标准设计。

6.4 主要构筑物设计

(1)调蓄池进水格栅井

位于调蓄池及初雨处理厂西侧，内设调蓄池进水格栅、进水控制阀等。

(2)调蓄池

位于厂区北部地下，平面尺寸为76.2 m×60 m，有效水深约为7 m。调蓄池冲洗采用水力拍门。调蓄池顶板以上覆土2 m。

(3)初雨处理厂

位于厂区南部地下，平面尺寸为76.2 m×30.90 m，净高约为8 m。处理厂顶板以上覆土2 m，局部区域达5～6 m。内部主要构筑物包括平流沉砂池、加砂高速沉淀池、转鼓过滤器、出水泵房、仪表间、配电间、排水池等。

(4)除臭系统

根据调蓄池及处理厂的运行特点，采用离子氧除臭，设于调蓄池上方覆土范围，为地下构筑物。

(5)管理用房

位于厂区东南角，位于初雨处理厂上方地面。平面尺寸为22.5 m×15 m，内设控制室、值班室、楼梯间等。

6.5 主要工艺设备参数

主要工艺设备参数如表4所示。

表4 主要工艺设备参数表Tab.4 Parameters of Main Process Equipment

7 经济技术指标

湖溪河综合整治工程总投资为77 025.00万元，工程费用总计58 395.37万元，其中调蓄池及初期雨水处理厂工程工程费用21 713.71万元。

调蓄池及初期雨水处理厂工程运行期间主要投入包括人力、电力、药剂、设备耗材及维修费等。按年运行300 d，运行规模按3.0万m3/d计，工程运行成本约506.1万元/年，如表5所示。

表5 工程运行成本费用表Tab.5 Operation Cost

8 方案特点

(1)初期雨水采用就地处理，不仅可以避免因初期雨水的混入对现有污水处理系统的影响，也可以实现对河道的生态补水功能。

(2)调蓄处理设施采用全地下式设计，上部恢复景观绿化，与周边用地相协调[6]。

(3)初期雨水处理工艺采用物理化学方法，能够适应进水无机污染物含量高、需间断运行的特征要求

9 结论

随着城市污水收集率的提高，雨天径流污染已成为影响城市水体水质的主要因素之一，对初期雨水进行收集处理将是改善我国水环境的重要工作内容之一。