CN101967841A - 一种在市政管网系统中实现初期雨水截流的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种在市政雨水管网系统中截流初期雨水的方法及装置。该方法以各个雨水口汇水面积的初期截流雨水为对象，通过在雨水口两侧增设浮球控制室和主弃流室。当降雨径流形成时，利用两室与雨水检查井在竖向标高上的差异，实现污染严重的初期地表化学径流定量截流至市政污水管网。主弃流室初期雨水进口处安装浮球控制阀，由浮球控制室浮球水位控制其启闭，弃流出水就近排入市政污水检查井。弃流量可通过浮球控制室的有效容积和浮球水位控制阀的启闭实现。本发明将初期雨水截流与市政管网系统中雨水口、检查井等截流装置一体化设置，在实际降雨的各种的工况中能有效地实现初期污染雨水的截流控制。

Description

一种在市政管网系统中实现初期雨水截流的方法及装置

技术领域

本发明属于初期雨水污染控制技术领域，具体涉及一种在市政管网系统中分汇水面积实现初期雨水截流的方法与技术设施。

背景技术

雨水径流污染属于非点源污染。研究表明，在一场降雨过程中，占总径流量20％的初期径流，冲刷排放了径流排污量的80％。初期雨水径流中携带了大量的有机物、氮、磷等污染物，成为城市水体的直接威胁。据调查，许多地区初期雨水的污染物指标范围与最高值已远远高于典型城市生活污水。在国外一些工业与生活点源得到有效控制的城市，有机污染负荷的40％~80％来自于城市雨水径流。对我国城市而言，初步的保守估算，在城市雨污水收集、处理系统尚未建设完善的情况下，城区雨水径流污染占水体污染负荷的比例约在10％左右；随着城市发展过程中对点源污染治理的逐步重视，作为面源的雨水径流，其污染负荷的比例还会逐步上升。随着城镇建设的加速发展，城市大气污染程度与道路路面硬化率不断增加，初期雨水形成的地表化学径流污染日益严重，初期雨水径流已成为城市水环境污染的重要因素之一。因此，进行城市初期雨水的截流，收集至城市污水厂进行集中处理是十分必要的。

目前，在一些大中型城市的规划设计中，已经开始实施或考虑初期雨水径流的收集处理。由于道路初期雨水的污染最为严重，道路初期雨水的分流问题尤为重要，因此，如何把初期雨水截流到生活污水管网成为普遍关注的问题。现有的研究和实例主要集中在排水系统为合流制或截流制的系统，主要包括截流倍数、截流管径的确定，溢流井的构型、截流和调蓄的结合优化等。对于雨污分流制排水体制的市政管网系统，初期雨水截流的相关研究成果较为缺乏。

随着对初期雨水危害认识的不断深入，人们提出了各种对初期雨水进行截流的方法。但是，降雨过程的随机性和非连续性导致了雨水管网系统在运行过程中的水力条件、实际工况等都与设计条件存在很大差异，进而对初期雨水截留工程的具体实施造成很大困难。目前，路面初期雨水径流一般采用修建雨水弃流池或者电动控制阀控制的截留井进行截留并送至城市污水厂。初期雨水弃流装置包括容积法弃流装置，小管弃流装置等。容积法弃流装置适用于小汇水面积的径流雨水，初期雨水径流首先进入弃流池，充满雨水后，从设置的高水位出水管溢流入雨水管网，弃流池初期雨水截流入污水厂。容积法弃流控制具有简单易行、控制量准确稳定、效果好的特点，但汇水面积较大时需要较大的池容，导致造价提高。由于弃流池存在占地面积较大和景观不佳等问题，该技术措施在用地紧张的城市区域受到一定限制。小管弃流是在雨水输送途中设置小管径的管道来弃流初期污染严重的小流量径流。在雨水流量足够大时，雨水越过弃流管向下游输送，对于管道系统可以利用检查井设置小管弃流。该系统的优点是易于实施、建设实施费用低，但该法最大的缺陷是在整个降雨径流过程中弃流管一直处于弃流状态，弃流量难以定量控制且对污水厂水量造成较大冲击负荷，污染控制效果不稳定。而在道路市政管网系统中大规模装设人工控制电动阀，进行不同暴雨强度下，不同降雨时间弃流量的控制，实施应用的难度较大，运行管理不方便，可行性较差。

综上，各种道路初期雨水截流控制技术都在不同程度上具有一定截流初期雨水径流效果，但这些技术仍然存在以下几个尤为突出的共性问题。(1)不能从根本上解决不同降雨强度条件下，对初期雨水有效的定量截流；(2)与现有市政管网系统的衔接、匹配性差；(3)运行管理难度较大，缺乏实施可行性等。因此，如何从具体情况，立足于城市市政分流制管网系统中雨、污水的收集和输送，从管网系统截流溢流优化设计的角度，探索在雨水管网系统中截留初期雨水的实用技术措施，科学有效地实现雨水管网系统中初期雨水的截流，是节能减排以及雨水调蓄利用的重要研究方向，具有显著的现实意义。

发明内容

本发明主要针对现有道路初期雨水截流技术的局限，从城市雨水管网系统截流溢流优化设计的角度，基于对雨水排水系统实际工况分析，在进行初期雨水截流控制量的分析确定的前提下，提出一种在分流制排水管网系统中，在不同降雨强度条件下能自动、定量截流初期雨水的方法与装置。

本发明提出的在市政雨水管网系统中截流初期雨水的方法，其技术关键在于：与市政管网系统中的雨水口、雨水检查井、污水检查井等衔接联合，以各个雨水口汇水面积的初期雨水收集、截流为对象，能够在实际降雨工况下自动地实现污染初期雨水定量截流。

截流装置包括浮球控制室和主弃流室，设置在分流制排水系统中雨水口的两侧，通过进水管A和弃流管B将雨水口分别与两个室连通。弃流管B进入主弃流室的进口处安装浮球控制阀，由浮球控制室的浮球设计水位控制其启闭，弃流出水直接就近通过污水检查井，排入污水管网系统。

本发明提出的初期雨水截流方法中，初始工况浮球控制室和主弃流室为排空状态，浮球控制阀开启。降雨径流形成后，雨水首先通过雨水口及A、B连接管同时进入浮球控制室和主弃流室，初期污染严重的雨水经由主弃流室，直接被截流至市政污水管网，输送至城市污水处理厂。随着降雨过程的持续，浮球控制室中的浮球阀上升至设计高度，触发主弃流室的浮球控制阀关闭切断初期雨水的弃流。此后污染程度小的后期洁净雨水通过雨水连接管C进入雨水检查井后，通过市政雨水管网排至地表水体。降雨结束后，浮球控制室的少量雨水通过排空管D缓慢排至雨水检查井，浮球控制室水位下降，主弃流室浮球控制阀门开启，两室恢复初始工况。

本发明的优点

（1）本发明基于分流制排水管网系统，将初期雨水截流设施与市政管网系统中雨水口、检查井等截流装置一体化衔接设置，只需对现有雨水管道系统进行改造，在雨水口（6）下部建设相应的截流装置。对新建的市政雨水管网，本方法和装置可成套使用。

（2）可根据不同区域暴雨强度，通过选择初期雨水的设计降雨历时，进行浮球控制室水位的合理计算，在确保不超过城市污水厂水量冲击负荷的前提下，定量、自动地截流污染严重的初期雨水至污水管网系统。

（3）本方法和装置建设实施的可行性良好，运行管理简单，易于自动控制，在实际降雨的各种工况中能有效地实现初期污染雨水的截流控制。

附图说明

图1为市政管网系统初期雨水截流方法示意图。

图2为市政管网系统初期雨水截流装置的平面示意图。

图3是图2的I-I剖面图（即浮球控制室1的剖面图）。

图4是图2的Ⅱ-Ⅱ剖面图（即主弃流室2的剖面图）。

具体实施方式

参见图2、图3和图4，截流装置是在分流制排水系统中雨水口6的两侧分别设置浮球控制室1和主弃流室2，通过浮球控制室进水管A和弃流管B将雨水口6分别与浮球控制室1和主弃流室2连通。同时在弃流管B进入主弃流室2的进口处安装浮球控制阀3，在浮球控制室1内设置浮球7，该浮球可在水浮力及自身重力的共同作用下上下循环往复运动；在浮球控制室1设置碰触式开关，由浮球7设计水位控制浮球控制阀3的启闭。在浮球7浮至设计水位时，关闭浮球控制阀3，在低于设计水位时打开控制阀3。将主弃流室2底部设置弃流出水口，通过污水连接管E和污水检查井8与污水管网系统连接，将初期污染严重的雨水就近排入污水管网系统。其中，主弃流室2的弃流管B的竖向标高低于雨水口旁的雨水检查井连接管C的竖向标高0.1m。在浮球控制室1的底部设计排空管D与雨水检查井连通，浮球控制室中的少量雨水通过排空管D逐渐排入雨水检查井4并至市政雨水管网系统，使装置恢复排空状态。在控制室进水管A入口处设置滤网，防止初期雨水中悬浮污物在管道内的淤堵。

结合参见图1，初始工况两室为排空状态，浮球控制阀开启。当降雨形成地表径流后，雨水就近排入道路雨水口。由于浮球控制室进水管A和弃流管B的竖向标高低于雨水检查井连接管C的竖向标高，弃流管B管顶标高低于雨水检查井连接管C的管底竖向标高0.1m，初期雨水首先同时进入浮球控制室1和主弃流室2。初期污染严重的雨水直接被截流至市政污水管网，输送至城市污水处理厂。随着降雨过程的持续，浮球控制室1中水位上升，浮球上升至设计高度，触发主弃流室2的浮球控制阀关闭切断初期雨水的弃流。此后污染程度小的后期洁净雨水通过雨水检查井连接管C进入雨水检查井后，通过市政雨水管网排至地表水体。降雨结束后，浮球控制室1的少量雨水通过排空管D缓慢排至雨水检查井，浮球控制室1水位下降，主弃流室2浮球控制阀门3开启，浮球控制室1和主弃流室2恢复初始工况。

本方法中，弃流量通过浮球控制室的设计水位定量控制。

截流装置主要参数如下

浮球控制室进水管A：DN25钢管

弃流管B：DN200mm，坡度为i=0.015，流速为v=0.85m/s，充满度为h/d=0.20

排空管D：排空时间24小时，排水速度为3L/h，采用DN10钢管

污水检查井连接管E：DN200mm

截流装置水力计算满足以下关系：

根据工程经验，考虑到城市污水厂一般均具有的污水处理规模20%的抗冲击负荷能力，初期雨水截流量的设计降雨历时为5分钟，暴雨重现期P=0.1，以之计算初期雨水的降雨流量Q_(平均)。

弃流管B的管径确定：d200mm，结合Q_(平均)查水力计算表，可确定流速v_B、坡度i，及充满度为h/d，进一步确定弃流管B设计有效水深h：h=d×h/d。

浮球控制室1进水管A管径确定：d25mm

以h-r_A= h₂作为浮球控制室1进水管A的计算水头，按有压管孔口出流，可计算确定连接管A中的雨水流速v_A。

式中     在工程上

=0.4。

根据浮球控制室1进水管A的流速v_A、考虑在P=0.1工况下，初期径流形成时间，取浮球控制室1充水时间t为2min，计算控制室体积如下：

浮球控制室体积为：V=Atv_A

式中  A——浮球控制室进水连接管A的横截面面积，m²；

t——设计控制室充水时间，可根据需截流的初期雨水量确定，一般t=1.5-2min；

v_A——浮球控制室进水连接管A流速，m/s；

本设计工况下，计算得浮球控制室1的体积V=0.04m³；

主弃流室2的设计体积无特定要求，只需考虑控制阀的安装要求即可。

Claims (8)

1.一种在市政雨水管网系统中截流初期雨水的方法，其特征在于：所述方法是在分流制排水系统中雨水口（6）的两侧分别设置浮球控制室（1）和主弃流室（2），通过浮球控制室进水管A和弃流管B将雨水口（6）分别与浮球控制室（1）和主弃流室（2）连通；在弃流管B进入主弃流室（2）的进口处安装浮球控制阀（3），在浮球控制室（1）内设置浮球（7），由浮球（7）设计水位控制浮球控制阀（3）的启闭，在浮球（7）浮至设计水位时，关闭浮球控制阀（3），在低于设计水位时打开控制阀（3）；将主弃流室（2）底部通过污水连接管E与污水管网系统，将初期污染严重的雨水就近排入污水管网系统；其中，主弃流室（2）的弃流管B的竖向标高低于雨水口旁的雨水检查井连接管C的竖向标高；在浮球控制室（1）的底部设计排空管D与雨水检查井连通；

在初始工况，两室为排空状态，浮球控制阀开启，降雨径流形成后，雨水首先通过雨水口（6）及浮球控制室进水管A和弃流管B同时进入浮球控制室（1）和主弃流室（2），初期污染严重的雨水经由主弃流室（2），直接被截流至市政污水管网系统，输送至城市污水处理厂；随着降雨过程的持续，浮球控制室（1）中的浮球阀上升至设计高度，触发主弃流室（2）的浮球控制阀（3）关闭切断初期雨水的弃流；此后污染程度小的后期洁净雨水通过雨水连接管C进入雨水检查井后，通过市政雨水管网排至地表水体；降雨结束后，浮球控制室（1）的少量雨水通过排空管D缓慢排至雨水检查井（4），浮球控制室（1）水位下降，主弃流室（2）浮球控制阀门开启，浮球控制室（1）和主弃流室（2）恢复初始工况。

2.一种在市政雨水管网系统中截流初期雨水的截流装置，所述截流装置包括一个浮球控制室（1）和一个主弃流室（2），它们分别设置在在分流制排水系统中雨水口（6）的两侧，所述浮球控制室（1）和主弃流室（2）分别通过浮球控制室进水管A和弃流管B与雨水口（6）连通；在弃流管B进入主弃流室（2）的进口处安装浮球控制阀（3），在浮球控制室（1）内设置浮球（7），由浮球控制浮球控制阀（3）的启闭，在浮球（7）浮至设计水位时，关闭浮球控制阀（3），在低于设计水位时打开控制阀（3）；所述主弃流室（2）底部通过污水连接管E与污水管网系统连通，将初期污染严重的雨水就近排入污水管网系统；其中，所述主弃流室（2）的弃流管B的竖向标高低于雨水口旁的雨水检查井连接管C的竖向标高；在所述浮球控制室（1）的底部设计排空管D与雨水检查井连通。

3.根据权利要求2所述的在市政雨水管网系统中截流初期雨水的截流装置，其特征在于：所述浮球控制室（1）的设计有效容积为V=Atv_A，式中A为浮球控制室进水连接管A的横截面面积，t为设计控制室充水时间，根据当地污水厂处理规模的冲击负荷确定，一般1.5~2min，v_A为浮球控制室进水连接管A流速，主弃流室（2）的设计体积无特定要求。

4.根据权利要求2或3所述的在市政雨水管网系统中截流初期雨水的截流装置，其特征在于：所述弃流管B管顶标高低于雨水检查井连接管C的管底竖向标高0.1m。

5.根据权利要求2或3所述的在市政雨水管网系统中截流初期雨水的方法，其特征在于：所述浮球控制室（1）的排空管D的排空时间设计为24小时，排水速度为3L/h。

6.根据权利要求2或3所述的在市政雨水管网系统中截流初期雨水的截流装置，其特征在于：所述污水连接管E管径为d200mm，设计坡度为0.015，设计流速为0.85m/s，设计充满度为0.20。

7.根据权利要求2或3所述的在市政雨水管网系统中截流初期雨水的截流装置，其特征在于：在控制室进水管A入口处设置滤网。

8.根据权利要求1或2所述的在市政雨水管网系统中截流初期雨水的截流装置，其特征在于：截流装置的几何参数以及水力计算满足以下关系：

根据工程经验，考虑到城市污水厂一般均具有的污水处理规模20%的抗冲击负荷能力，初期雨水截流量的设计降雨历时为5分钟，暴雨重现期P=0.1，以之计算初期雨水的降雨流量Q_(平均)；

弃流管B的管径为：d200mm，结合Q_(平均)查水力计算表，可确定流速v_B、坡度i、及充满度为h/d，进一步确定弃流管B设计有效水深h：h=d×h/d；

浮球控制室（1）的进水管A的管径为：DN25mm

以h-r_A= h₂作为浮球控制室（1）的进水管A的计算水头，按有压管孔口出流，可计算确定连接管A中的雨水流速v_A；

式中     在工程上

=0.4；

根据浮球控制室（1）的进水管A的流速v_A、考虑在重现期P=0.1工况下，初期径流形成时间，取浮球控制室1充水时间t为2min，计算控制室体积如下：

浮球控制室体积为：V=Atv_A

式中  A——浮球控制室进水连接管A的横截面面积，m²；

t——设计控制室充水时间，可根据需截流的初期雨水量确定，一般t=1.5-2min；

v_A——浮球控制室进水连接管A流速，m/s；

本设计工况下，计算得浮球控制室（1）的体积V=0.04m³。

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