岸邊雨水管截流井的設置和控製策略研究

城市排水體(ti) 製是指收集和輸送雨、汙水的方式，一般分為(wei) 合流製和分流製兩(liang) 種形式。合流製將雨水和汙水合流用同一管道輸送至汙水處理廠處理，由於(yu) 汙水處理廠和管網的限製，往往采用截流式合流製，並在截流管上設置截流井四，但受限於(yu) 截流倍數依然有大量雨汙混合水溢流到水體(ti) 。因此新建城市一般采取分流製，分流製為(wei) 雨水和汙水各設管道，汙水進入汙水處理廠，雨水則直排入到河道中2]。由於(yu) 雨汙管道錯接、混接、亂(luan) 排等問題雨水管內(nei) 流入汙水[3-4,加之初期雨水汙染嚴(yan) 重，直排水體(ti) 會(hui) 造成嚴(yan) 重汙染。在雨水管渠末端增設截流井，將早季雨水管中汙水和初期雨水截流入附近汙水管的措施已有報道[-3]。但由於(yu) 缺乏溢流水質和流量數據，沒有排入水體(ti) 的水質影響分析41，不能準確設置和控製。本研究提出在岸邊雨水管設置截流井，在截流井內(nei) 裝備水質和流量在線監測儀(yi) ，在河道裝備水質、水流速度和液位在線監測儀(yi) ，采用MIKE11 模型軟件分析過程數據和模擬[5-7,評價(jia) 截流和溢流水質水量，形成截流井控製策略，以減少對河道水質影響。

1 截流井和監測設備的設置

1.1 岸邊截流井設置

本次研究區域為(wei) 日市主城區內(nei) 的部分河段全長 310m，南北走向，地處亞(ya) 熱帶區域，年降雨量在1400~2 000mm，最大徑流量出現在5至9月。河寬為(wei) 20~30 m，河道平緩，流速低，河道常水位 3.0 m，水深常年穩定在 1.5 m左右，河道東(dong) 岸人口密集，以住宅區和餐飲行業(ye) 為(wei) 主。河道東(dong) 岸沿河鋪設截汙管道，東(dong) 岸管徑800mm，管道流向由北向南。雨水管由市區內(nei) 通向河道，通過管道末端設置截流井連接河道排口，見圖1。

共設置有三口截流井P1、P2、P3，位於(yu) 河道東(dong) 岸，埋深分別為(wei) 3.00、2.12、2.31 m，離雨水排口距離為(wei) 5~20 m，為(wei) 該區域內(nei) 部主要汙染源入口。截流井的構造如圖2所示。並內(nei) 設有一定高度的堰牆，進水可通過截流管進入附近的汙水檢查井或溢流進入河道。截流管上設置可啟閉的截流管閘。當截流管閘開啟，汙水管道係統有足夠的過流能力時，進水可截流進入汙水管道係統。截流管閘關(guan) 閉或汙水管道係統過流能力不足時，進水則沒過堰牆溢流進入河道。

通過設置該截流井，可將旱季汙水、初期雨水以及降雨中後期水質較差的水體(ti) 截流進入汙水管網，並在雨季溢流時可對截流管閘進行相應調控，減小其對河道的汙染。

1.2監測設備設置

根據該河段基本水文信息，為(wei) 綜合反應河道水質，選取該河段上中下遊布置3個(ge) 監測點為(wei) R1、R2、R3。R1位於(yu) 河段上遊。作為(wei) 輸人端，R2設置在該河段沿流向150m處，反映河道中段水質，R3則位於(yu) 河段出流處，作為(wei) 輸出端。在河道監測點位設置水質在線監測裝置，承載氨氮傳(chuan) 感器、流速計和液位計，數據直接上傳(chuan) 至網絡，監測傳(chuan) 感器置於(yu) 水麵下 80cm 處，采用底部錨固定方式，用繩子將錨與(yu) 岸邊連接。采用11W太陽能板配合60 AH 免維護鋰電池組合的供電。

在三口截流井內(nei) 均設置監測點(S1-S3)，S1-S3分別對應 P1-P3，監測設備根據井內(nei) 水位不同，分別置於(yu) 水下 5cm 處，設置氨氮傳(chuan) 感器，獲取水質數據，數據直接上傳(chuan) 至網絡，邊緣控製器置於(yu) 防水電器盒內(nei) ，懸掛於(yu) 截流井口的螺釘。並對堰牆進行改造，安裝過水監測器，根據程序內(nei) 部公式設定和堰牆固有參數進行計算得到溢流流量，獲取截流井內(nei) 部水質情況及溢流情況。點位鋪設見圖1。

通過截流井和河道在線監測數據的分析，可實現對不同截流管閘進行智能化調控，更加精確的識別雨汙水及對河道的影響程度。

水質模擬方法

以調研資料與(yu) 在線監測數據為(wei) 基礎，選用MIKE11 模擬軟件建立研究區域的一維水力學模型，模擬雨季截流井溢流對河道水質影響，從(cong) 而調控截流管閘實現溢流排汙的優(you) 化。

根據該研究區域的基本水文水質數據構建水動力模塊和對流擴散模塊，基於(yu) ArcGIS 以形狀格式生成的水係文件和研究區域的實際情況，遵循實際河網輸水能力、調蓄能力等保持一致原則，對該河段進行概化。河道斷麵以實測斷麵為(wei) 主，共設置5個(ge) 斷麵，上下邊界條件以上下遊在線監測數據為(wei) 主，並根據截流井雨水排口位置設置點源汙染邊界條件，S1、S2、S3距上遊距離分別為(wei) 90、210、260m。輸人數據以實測數據進行相應調整和模擬後為(wei) 主。

為(wei) 使模型計算精度更高,需要對河床糙率、護散係數及汙染物降解係數進行率定，本次模擬參照相近河流調查成果，率定得到河床糙率(曼寧係數)為(wei) 0.03，擴散係數為(wei) 10 m/s，氨氮衰減係數為(wei) 0.10 d-!

3 旱季與(yu) 小型降雨不溢流時水質分析

3.1 截流井水質分析

通過對5日旱季截流井水質連續24h的監測:發現旱季時 S1、S2、S3 對應於(yu) 三口井的時均氨氮濃度達 6.4、3.0、10.1mg幾，可知，三口井內(nei) 均有不同程度的汙水進人，無法達到直排標準，說明該區域雨汙分流改造存在問題，依然有汙水流人雨水管中。三口井均未發生溢流，可知截流井內(nei) 水體(ti) 從(cong) 截流管中流走，截流並在旱季時能起到截汙作用。

三口井中 S2 在 24h內(nei) 處於(yu) 穩定波動狀態，與(yu) 時間無明顯關(guan) 聯,其餘(yu) 井均有一定關(guan) 聯性。S1在6:50 至 14:50 之間濃度較其餘(yu) 時間段高，該段時間為(wei) 白天生產(chan) 生活高峰期，用水量較大，可能存在部分汙水進入雨水管中使其氨氮上升。S3在16:50至 23:50 時,氨氮逐漸從(cong) 10 mg 上升為(wei) 11 mg,此時段夜問餐飲廢水增多，易從(cong) 地麵集水口中進入雨水管。S1、S3 兩(liang) 者在淩晨時段氨氮均有小幅下降，該時間段為(wei) 生活用水低穀期，產(chan) 生汙染減少。同時監測小型降雨不發生溢流時截流井內(nei) 水質監測，觀察降雨2h內(nei) 其變化，發現在降雨前期，氨氮濃度較穩定且部分點位出現上升，說明初期雨水存在一定汙染,並未稀釋井內(nei) 水體(ti) ,甚至加重汙染在降雨中後段時，S1氨氮逐漸在雨水稀釋下變低;S2由於(yu) 井內(nei) 濃度並不高，因此受雨水影響較小，呈波動狀;S3井內(nei) 濃度先下降後上升，可能是因為(wei) 在雨水稀釋下濃度下降，但匯水區域遠處來水二次衝(chong) 刷又帶來汙染。

3.2河道水質分析

從(cong) 河道上中下 3個(ge) 點位的旱季 24h 水質變化圖及小型降雨不溢流水質圖中看出,三點的氨氮濃度相差不大，基本低於(yu) 1.5 mgl，符合Ⅳ類水氨氨要求旱季時在 7:18 至 14:18 時段內(nei) ，氨氮有所上升該區域內(nei) 部無顯著點源汙染，可知氨氮濃度主要受上遊來水影響，上遊來水汙染影響該區域氨氮水平。降雨時發現三點氨氮濃度更為(wei) 接近，且隨降雨時間增長有小幅下降，可知降雨時段內(nei) ，河道流速增大，加速氨氮的對流擴散，使全河段濃度趨於(yu) 統一值，降雨過程加長，使得河道水體(ti) 被逐漸稀釋，氨氮緩慢下降。

截流井控製策略

通過在線監測數據和降雨情況，得到在旱季與(yu) 小型降雨不溢流時，汙水管網能承載雨水管內(nei) 流量，從(cong) 而可以控製截流井中截流管閘開啟，實現對旱季汙水與(yu) 初期雨水的截流。在降雨強度大時，井內(nei) 水體(ti) 最大程度被截流到截流管中，直到汙水管網已不能承載雨水管流量，截流井開始溢流，每口截流井的溢流流量與(yu) 水質均不相同，其對河道影響不同，因此需要根據井內(nei) 水質與(yu) 河道水質進行初步分析，進而調控相應截流管閘，改變各個(ge) 截流井內(nei) 溢流流量，減弱其對河道的汙染，從(cong) 而形成截流井控製策略

本文選取一次實際降雨來對其進行模擬，旨在說明調控截流管閘與(yu) MIKE11 結合的可行性，模擬時間為(wei) 實際降雨時間，數據均為(wei) 該段時間實測數據，本次降雨中三口截流井的溢流情況見圖5。

在未采取控製措施下，即截流管閘全開時對河道水質進行模擬，得到河道水質變化情況。通過變化情況，可知三口截流井對河道的汙染影響程度，根據汙染影響程度的不同，將影響程度最小的井的截流管閘關(guan) 閉，即該處溢流量增大，使得其餘(yu) 井可進入汙水管的流量增大，溢流量減小，推測該策略能使河道整體(ti) 汙染水平降低。模擬控製後的河道水質變化情況，將其與(yu) 未控製的河道水質進行對比，對比結果見圖 6。

從(cong) 截流管閘全開河道縱斷麵氨氮模擬最高值曲線中看出，曲線中有兩(liang) 處高點，可知為(wei) S1 和 S3 的溢流造成，兩(liang) 者對河道影響程度大，S2並無高點，可知其對河道影響較小,因此控製策略為(wei) 關(guan) 閉 S2 閘門。通過兩(liang) 者同一時刻河道氨氨變化中發現，調控後整個(ge) 河段氨氮較未控製有所降低，氨氮上升速度減緩。汙水閘全開時河道氨氮濃度最高達2.0 mg幾調控後氨氮濃度最高降為(wei) 1.8mg，且調控後兩(liang) 個(ge) 高點明顯弱化，說明兩(liang) 者的溢流程度得到了緩解。

對河道汙染影響減弱，河道水質得到改善

同時三口井內(nei) 氨氮會(hui) 隨著降雨時間的增長而逐漸降低，當在線監測氨氮降為(wei) 1.5 mg幾 以下時,即可控製閘門關(guan) 閉，使雨水直排，減少汙水管網負擔。由上可知，設置截流管閘並對其進行相應調控能有效截流旱季與(yu) 雨季不溢流時汙染，並減輕溢流時對河道的汙染。同理，在不同河道段和其他降雨情況下，基於(yu) 前期數據獲取，可以推得多個(ge) 截流井溢流時的調控方案。

5 結語

(1)雖進行雨汙分流改造，但城市雨水管內(nei) 依舊殘留汙水，氨氮未達到直排標準，雨水管道末端設置截流井在旱季時能有效截流管內(nei) 汙水，實現旱季零直排。

(2)在雨量較小，截流井無溢流情況下，河道水質變化不大。井內(nei) 氨氮受初期雨水影響在降雨前期出現穩定甚至升高現象，中後期井內(nei) 氨氨受雨水稀釋逐漸降低，但水質依然較差，截流井能截流該部分汙水。

3)基於(yu) MIKE11軟件來分析雨季時截流井溢流對河道的影響，並根據前期調研截流井溢流情況。