智慧截流井在福州市黑臭河道治理中的应用

2022-11-25 16:31朱云燕
中国环保产业 2022年10期
关键词:液动限流溢流

朱云燕

(福州北控三江口水环境有限公司,福州 350001)

1 工程概况

福州市地处我国东南沿海,河网密布,水系发达,在历年整治的基础上,内河环境虽然有所改善,但部分河段仍然存在黑臭水体问题。

为彻底解决河道黑臭问题,福州市水系治理以“控源截污、内源削减、清水补给、活水循环、水质净化、生态修复、分步实施、阶段见效”为整治总体思路,基于“环境效果”出发,以“水质目标”为导向,通过工程和非工程措施的实施,统筹“流域控制、水陆一体、协同治理”,打造“水环境、水安全、水资源、水生态、水文化、水智慧”六位一体水生态文明格局,达到城市内河的“长治久清”,实现治理区“河畅、水清、岸绿、景美”的总体目标。

“控源截污”是黑臭水体治理的基础与前提。福州市中心大多是老旧小区,征地拆迁困难,而且市区地势平坦,汛期降雨时容易内涝,基于以上两点,截流井的选型就至关重要。

2 传统截流井形式

近年来,应用在我国截流井系统中的传统截流井主要有堰式截流井、槽式截流井、槽堰结合式截流井。

2.1 堰式截流井

堰式截流井是国内外截流式合流制改造中使用较普遍的一种截流井,不需要改变管线标高,也不用减小截流管的高程[1]。堰式截流井是在截流井内设置一道溢流堰,晴天时截流旱流污水,降雨时截流混合污水,超出截流井能力的混合污水则越过溢流堰排入水体。堰式截流井可以有效避免河水倒灌,但会影响泄洪[2]。

2.2 槽式截流井

槽式截流井是在截流井内建造一道与截流管管道直径同宽的截流槽,槽底低于被截流管的管道内底[2]。堰式截流井形式简单,截流成效好,对上游影响小,也不影响下游溢流管泄水能力,可是需降低溢流管的设计高程,在设计管道标高受约束的情况下不适用。因未设置截流堰,雨天时槽式截流井基本不影响行洪,但是无法防止河水倒灌[3]。

2.3 槽堰结合式截流井

槽堰结合式是截流井在截流井内建造一道较低的溢流堰,并在溢流堰前设置一道截流槽。井内的溢流堰高度可以等其他结构施工结束后结合进水量确定[1]。

3 智慧截流井的优点及分类

传统的截流井采用堰式、槽式、槽堰结合式的截流设施,在外江水位高时容易倒灌,为了防止倒灌则需要把堰加高,但这样做影响排涝。在截流管方面,多采用管径限流方式,无法解决雨天雨水倒灌、晴天瞬时大流量污水排放不畅的问题。福州市水系经过多轮整治,截流井形式从堰(槽)式1.0 版进化到适用于鸭嘴阀或普通闸门的2.0 版,但始终存在一些弊端,导致难以“长治久清”。通过总结前面几轮的经验教训,在本项目实施过程中,采用“防倒灌设施+限流阀”的智慧截流井,可有效解决外江倒灌、雨天大量雨水进入污水系统及瞬时溢流的问题。设备形式有下开式堰门、液压旋转堰、液压上开式堰门、传统螺杆式电动闸门等,应因地制宜,合理选用,以实现经济合理、操作可靠。

3.1 智慧截流井的优点

相比传统截流井,智慧截流井的自动化程度较高,智慧截流井在传统截流井的形式上增加了闸门、雨量计、超声波液位计等设备,安装在露天的雨量计能监测降雨量,通过分析雨量大小,自动控制闸门的启闭[3]。

智慧截流井可以更好地弥补传统截流井的缺陷,主要具备以下优势:(1)智慧截流井截流管前安装了液动限流阀,可以对直通污水处理厂的最大流量实现限流,而且能够避免污水回流;(2)截流高度能够自动调整,而且能避免河水倒灌;(3)智慧截流井采用水质法、雨量法、时间法和水位法进行控制;(4)智慧截流井可实现多个设备的联动控制[4]。

3.2 智慧截流井的分类

A 型(下开式液动调节堰+限流阀)截流井,主要特点:(1)闸门为下开式,井室挖深较深,对现场地质或支护条件要求较高;(2)下开式闸门可根据河道水位上升而升高,可有效防止河道水位倒灌,适用于溢流口标高低于河道常水位的情况;(3)闸体不易被杂物堵塞,可靠性高;(4)闸门提升系统位于地下,不影响地面景观效果;(5)单价相对较高。A 型截流井见图1。

B 型(液压旋转堰+限流阀)截流井,主要特点:(1)闸门为液动旋转,井室长度方向较长,适用于狭长空间的施工;(2)旋转堰可根据河道水位上升而升高,有效防止河道水位倒灌,适用于溢流口标高低于河道常水位的情况;(3)闸门为平面旋转,安装不占用高度空间,截流井埋深较浅,施工难度小;(4)因闸门提升系统位于地下,不影响地面景观效果,适用于景观效果要求较高或者上部空间有通行需求的场所;(5)上部空间为非全封闭,短时降雨来不及开闸放水时雨水可从上方溢流,防止内涝。B 型截流井见图2。

C 型(上开式闸门+限流阀)截流井,主要特点:(1)闸体不易被杂物堵塞,可靠性高;(2)适用于溢流口标高高于河道常水位的情况;(3)闸门控制系统位于地上,方便检修维护;(4)闸门根据安装空间可选择液压上开或传统螺杆式电动闸门;(5)传统螺杆式电动闸门的螺杆突出地面,不适合位于道路中间的截流井或者对周边景观有较高要求的情况。C 型截流井见图3

图1 A 型截流井图

图2 B 型截流井图

图3 C 型截流井图

4 截流井在实际河道中的运用

4.1 A 型截流井

当溢流管出口内底低于河道常水位时,采用A型截流井。因闸门提升系统位于地下,不影响地面景观效果,适用于景观效果要求较高或者上部空间有通行需求的场合。例如,东西河广达路有一根DN1200 雨污混接管直排入河,地面标高6.11m,雨污混接管内底标高3.52m,河道常水位3.85m,由于该雨水排口标高低于河道常水位标高且周边位置开阔,在此处选用A 型截流井。截流井尺寸为3.9m×3.1m×5.85m(长× 宽× 高)。选用1.5m 宽的堰门,挡水高度为1.5m,截流井内底标高为3.0m。最高挡水高度为4.5m,高于河道常水位3.85m,可保证平常运行时河水不倒灌。A 型截流井现场安装情况见图4。

4.2 B 型截流井

当溢流管的出口内底低于河道常水位,而且截流井周边紧邻建筑物或者没有条件深度开挖时,采用B型截流井。因闸门提升系统位于地下,不影响地面景观效果,适用于景观效果要求较高或者上部空间有通行需求的场所。例如,本项目的大庆河紧邻工业路,工业路为市区主要交通干道,工业路上早期修建的直排入河的雨水管,由于前端污水的混接,在晴天时会有污水流出,需对直排入此处外河的排口进行控源截污治理。由于该雨水管位于主要交通干道上,边上的步道仅有2m 宽,没有足够的空间安装露出地面的控制系统,因此此处不适合安装上开式闸门截流井。该雨水管进水管径为DN1000,地面标高7.47m,雨污混接管底标高4.62m,河道常水位标高4.75m。由于溢流管的出口标高低于河道常水位,而且截流井上方有通行需求,此处采用B 型截流井。晴天时截流后污水进入周边市政干管,雨天时通过超声波液位计及雨量计控制闸门的启闭,保证雨天雨水入河不内涝。B 型截流井现场安装情况见图5。

图4 A 型截流井现场安装情况图

图5 B 型截流井现场安装情况图

4.3 C 型截流井

当溢流管的出口内底高于河道常水位时,采用C 型截流井。闸门控制系统需露出地面以上,便于后期的运维管理,但是会影响景观效果,因此适用于截流井位于绿化带里或较开阔的步道上。例如,由于陆庄河西洪小区拆除了杂物间,步道在最开阔处有12m,陆庄河在西洪小区边上有直排入河的DN1200混接排口,地面标高7.86m,雨污混接管底标高4.84m,河道常水位4.68m。由于溢流管标高高于河道常水位,而且步道较开阔,因此在此处设置C 型截流井。截流井尺寸为2.4m×2.4m×4.1m(长×宽×高),露出地面的电动闸门高度为1.5m,截流井设置在步道边上,露出地面的控制系统采用花箱进行围挡,既起到美化景观的作用,又能防止周边居民对控制系统进行操控,保证了截流系统的安全运行。C 型截流现场安装情况见图6。

图6 C 型截流井现场安装情况图

5 截流井的控制运行

5.1 构造

智慧截流井由构筑设施与设备组成,构筑设施包括进水管、出水管(至河道)、截污管(至污水处理厂);设备包括液动旋转堰门(下开式液动调节堰、上开式闸门)、液动限流阀、拦渣滤网、超声波液位计、摄像头、控制系统[6]。智慧截流井大样见图7。

图7 智慧截流井大样图

5.2 防止河道倒灌的控制原理

当河道水位上升时,超声波液位计将信号传送给控制室,控制室控制液动旋转堰门旋转上升,使堰顶始终比河道水位高150mm,防止河水倒灌。当河道水位下降时,液动旋转堰门随河道水位下降而下降,直至堰顶下降到警戒水位后停止下降。

当发生强降雨时,洪水可以从旋转堰门上方溢流,不会因未及时打开闸门而造成内涝,不影响溢流行洪。防止河水倒灌的控制原理见图8、图9。

5.3 工作原理

5.3.1 晴天时

液动限流阀处于开启状态,液动旋转堰门处于关闭状态,生活污水完全截流至截污管并输送到污水处理厂(见图10)。

图8 液动旋转堰防止河水倒灌示意图

图9 液动旋转堰防止河水倒灌示意图

图10 智慧截流井晴天运行示意图

图11 智慧截流井在初雨期运行示意图

5.3.2 降雨时(井内水位<警戒水位)

在到达警戒水位时液动旋转堰门关闭,液动限流阀开启,液动限流阀的开度取决于流量,从而保证通过截污管的流量不会超过设定流量(见图11)。

5.3.3 降雨时(井内水位>警戒水位)

关闭液动限流阀,可确保雨水不倒灌进入污水系统;开启液动旋转堰门,可确保不内涝,将雨水排放到河道(见图12)。

图12 智慧截流井在降雨中后期运行示意图

5.4 智能控制系统

智慧截流井设备的智能控制系统包含由雨量计,液位计构成的传感子系统,通讯模块、控制模块和控制逻辑构成的自动控制子系统。

通过超声波液位计和雨量计调控闸门的启闭,可实现设备的自动控制、远程管理功能,还可以实现与一体化提升泵站、一体化泵闸、钢坝控制系统的联动[5],同时搭建智慧水务平台,基于地理信息系统(GIS)地图与数据可视化的一体化管理平台,将设备接入控制终端,可实现数据的实时监控、采集及远程操控,从而实现城市排水系统的智能化管理(见图13、图14)。

图13 A 型智慧截流井控制系统画面

图14 B 型智慧截流井控制系统画面

6 结语

新型智能化截流井对传统的截流式合流制与完全分流制进行了改进,避免了分流制初期雨水与合流制混合污水对水体造成的污染。通过闸门与限流阀的设置,可以有效控制污水截流主干管的流量,从而选择合适的主干管管径,节省投资。减少进入污水泵站和污水处理厂的流量,可节省污水泵站和污水处理厂的投资及运行管理费用,同时有效保证污水和初期雨水优先流入截流主干管,达到保护水体和满足污水处理厂水质要求的目的,具有较好的经济效益和环境效益。

新型智能化截流井通过超声波液位计及雨量计调控闸门的启闭,可实现设备的自动控制。搭建智慧水务平台,通过系统集成,将设备接入控制终端,可实现数据的实时监控、采集、分析及远程操控,从而减少人工成本。

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