基于水力模型的典型小区外部截污设施改造评估

姚行平 郑 涛 陈梓禾

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092；2.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092；3.上海理工大学环境与建筑学院，上海 200082）

0 引言

上海市开展雨污混接综合整治攻坚战以来，各区以源头控制污水混接入雨水管网为重点，充分利用河长制工作机制，全力推进雨污混接综合整治工作。然而，上海市雨污混接综合整治依然存在问题和困境。雨污分流、混接改造是一项系统性的工程，其推进过程受混接点识别、周边环境、资金、人力成本等影响较大。一方面无法保证100%识别雨污混接点，不能保证真正意义上的“完全分流制”；另一方面部分区域不具备雨污分流、混接改造条件，或者改造成本较高，因此考虑保留部分合流，采用源头削减、截流等措施降低合流污染的程度。

本研究通过借助InfoWorks ICM 水力模型，构建基于管网、年降雨量模拟、污水入流模拟、截污设施模拟的多模块耦合水力模型，结合理论计算对比分析，从而对三个典型住宅小区外部截流设施进行效能评估，并对各类截流井进行对比评估，构建基于截污设施实施后排口处旱季、雨季管网流量变化规律的雨污混接整治工程效益评估体系。

1 概况

1.1 改造现状

2018 年6 月12 日，上海市水务局、上海市房屋管理局联合印发《上海市住宅小区雨污混接改造技术导则》［1］，在总则中明确了小区混接改造的原则：对于位于现状分流制地区和现状合流制但规划分流制地区的住宅小区，必须实现完全的雨污分流；对于位于规划合流制地区的住宅小区，可暂不实施雨污分流改造；对于近期有动迁计划等情况的住宅小区，可设置末端截流作为临时措施。在第一轮雨污混接调查中，全市共调查出混接小区3 340 个。在住宅小区混接改造工作推进过程中，部分区实施住宅小区外部截流改造。

1.2 住宅小区外部截污设施种类

小区外部截流设施一般分为重力截和泵截，重力截是指在小区雨水管道接户井前，设置具备自控截污装置的截流井，且在与市政污水系统连接的污水节流管末端设置拍门、鸭嘴阀等防回流装置。泵截则是通过对地埋式泵机的开关来控制截流井内的排水方向。重力截又分为无动力和有动力两种类型，无动力通过设置浮球装置根据液位对管口进行开关控制，有动力则通过设置电动闸门、液压闸门对管口进行开关控制。泵截通过设置提升泵，将混接污水提升至下游污水管道，泵截分为设置停泵液位和未设置停泵液位两种类型，设置高液位停泵措施是指当雨天来水达到停泵液位时，提升泵停止工作，来水进入下游雨水管道。

1.3 典型小区选取

本研究基于设计、竣工资料、各区现状评估报告，选取不同种类外部截流设施的住宅小区，经过实地踏勘后最终选取上海市徐汇区海上华庭（截流阀重力载）、普陀区恒力锦沧花园（限流阀重力载）及徐汇区森陇家园（泵截流）三个小区作为典型小区进行模拟分析。

2 理论计算分析

2.1 理论计算方法

截流井在雨天排入污水系统的水量由以下几部分组成：雨水量、旱天污水量、地下水渗入量。通过计算截流井向污水系统排放的最大水量，减去地下水渗入量，若大于混接污水量，则认为截流井在旱天能够将污水全部截流，再减去混接污水量，即为截流井向污水系统排放的最大雨水量。将最大雨水量折算成雨强，与典型年小时降雨量对比、叠加，折算成雨量，即为截流井一年中排入污水系统的雨水量。

2.1.1 重力截截流井计算。

①截流井向污水系统排放的最大排水能力Qmax。一是截流阀。海上华庭截流井的限流措施是DN200 截流阀，截流阀的工作原理如图1 所示：h/D(水深与管径之比)＜0.3时，为均匀流，采用谢才公式计算流速；h/D＞0.3时，为孔口出流，采用孔口出流公式计算流速，推导出DN200浮筒截流阀的流量液位曲线，如图2 所示。由图2 可知：当液位为100 mm时，达到最大排水能力Qmax=7.12 L/s。二是限流阀。恒力锦沧花园截流井的限流措施是限流阀，限流阀的工作原理如图3 所示：h/D＜0.3 时，为均匀流，采用谢才公式进行计算流速；h/D＞0.3时，为孔口出流，采用孔口出流公式计算流速，推导出DN200浮筒截流阀的流量液位曲线，如图4所示。由图4可知：Qmax与液位有关，当液位超过污水管顶时，Qmax与随液位增大而增大，需根据液位差对照流量液位曲线计算Qmax。

图1 DN200截流阀工作原理

图2 DN200截流阀流量液位曲线

图3 DN200限流阀工作原理

图4 DN200限流阀流量液位曲线

②旱流污水量Qdr。对于排水体制为分流制的末端截流小区，截流管内的污水量基本为阳台洗衣废水，按照《建筑中水设计标准》（GB 50336—2018）［2］，洗衣废水占建筑物分项百分数为22%~22.7%，取22.7%，排放系数取0.9。由于下雨与发生最高日最高时的污水量同时发生的概率较低，故Qdr取平均日平均时流量。则旱天污水平均流量见式（1）。

式中：Qdr为旱流污水流量，L/s；Q用水为居民平均日用水定额，L/(人·d)，若有用水量资料，按照用水量取值，若无用水量资料，取160 L/(人·d)；N为小区常住居民人数，人。

③地下水渗入量Qg。根据文献［3］，采用DN600聚乙烯管，埋深为2.9 m，地下水位为2.2 m时，渗入量为8.9 m3/(km·d)。由于缺乏小区管网资料，小区雨水管（分流制小区）或小区合流管（合流制小区）的管道长度L根据地图上小区路网长度大致估算。

④通过截流井能排走的最大雨水量Qymax的计算见式（2）。

⑤最大雨水量折算单位面积降雨量。把截流管内的雨水流量Qy折算为降雨强度q(单位面积降雨量)，见式（3）。

式中：F为截流井对应的汇水面积，m2；φ为小区径流系数。

⑥小区全年截流井排入污水系统的雨水量。查阅近五年上海市降雨资料，选取近五年中接近平均值的一年作为典型年，对比小区的折算雨强q与典型年第i小时降雨量qi，当qi＜q时，考虑该降雨历时下的雨水全部进入截流管；当qi＞q时，截流井内的水量超过堰高，截流管阀门关闭，雨水不汇入截流管内。因此，小区末端截流设施的雨水进入污水系统的年增量见式（4）。

式中：qi为每天第i小时的降雨强度，且该降雨强度＜q；t为降雨历时，取1 h。

2.1.2 泵截截流井计算。当截流井为泵截时，有的截流井设置了高液位停泵，雨量过大时，液位到达停泵液位时，泵关闭，雨水不再汇入污水管内［4］。有的截流井未设置高液位停泵，即只要泵高于最低液位，不论雨量多大，泵一直运转。针对这两种情况，计算方法如下。旱天污水平均流量Qdr与重力截计算过程相同。截流管内的雨水流量Qymax见式（5）。

式中：Q额为工作泵的额定流量之和，折算成单位面积降雨量见式（6）。

①无停泵最高液位时，查阅近五年上海市降雨资料，选取近五年中接近平均值的一年作为典型年，对比小区的折算雨强q与典型年第i小时降雨量qi，当qi＜q时，考虑该降雨历时下的雨水全部进入截流管；当qi＞q时，考虑第i小时有q的雨水进入截流管，其余雨水由于泵的排放能力有限，溢流至雨水管。因此，小区末端截流设施的雨水进入污水系统的年增量见式（7）。

式中：qi为每天第i小时的降雨强度，且该降雨强度＜q；t为降雨历时，取1 h。

②有停泵最高液位时，查阅近五年上海市降雨资料，选取近五年中接近平均值的一年作为典型年，对比小区的折算雨强q与典型年第i小时降雨量qi，当qi＜q时，考虑该降雨历时下的雨水全部进入截流管，当qi＞q时，忽略雨水到达停泵液位的时间，认为此时雨水不汇入截流管内，因此，小区末端截流设施的雨水进入污水系统的年增量见式（8）。

式中：qi为每天第i小时的降雨强度，且该降雨强度＜q；t为降雨历时，取1 h。

2.2 典型小区理论计算与分析

根据2.1的计算方法，计算重力截各典型小区全年通过外部截流井进入污水系统的雨水量见表1。

表1 典型小区重力式外部截流井进入污水系统的雨水量计算

由表1可知：①对于雨天雨水对污水系统的增量方面，截流阀优于限流阀；②污水量、地下水量相比排水能力占较小比重，小区占地面积、堰高与截流管高差、截流管管径越大，进入污水系统的雨水量越大；③采用限流阀的截流井，可将较少量的污水截流，但同时却造成了小区内全年大部分的雨水进入污水系统。计算泵截的典型小区全年通过外部截流井进入污水系统的雨水量见表2。

表2 典型小区泵截式外部截流井进入污水系统的雨水量计算

由表2 可知：①泵截式外部截污设施雨天对污水系统的影响，设置停泵高液位优于不设置停泵高液位；②泵的流量选用应与截污量相匹配，才会使进入污水系统的雨水量最大限度减少。

3 模型构建及应用

本研究设置污水入流事件模拟雨污混错接现象，运用InforWorks ICM 水力模型对一年实际降雨事件进行模拟，研究截流设施的效果［5］。建模的基础数据包括：①检查井、调蓄池、出水口；②管道、泵、闸；③集水区/汇水范围；④雨量、雨型，降雨公式；⑤地面高程模型；⑥流量测量数据等。

3.1 排水系统模型构建

典型小区利用InforWorks ICM 软件及小区雨水管道、现状地形图构建小区排水系统模型如图5至图7所示。

图5 海上华庭管网及汇水分区及下垫面

图6 恒力锦沧花园管网及汇水分区及下垫面

图7 森陇家园管网及汇水分区及下垫面

3.2 年降雨量模拟

选取2020年1月1日至2020年12月31日近一年降雨资料进行模拟分析，降雨模型如图8所示。

根据2020年1月1日至2020年12月31日近一年降雨资料进行模拟分析，发现在6 月至9 月降雨强度明显增大，进入小区污水系统的雨水量大幅增加，对小区排水系统造成一定的冲击影响。

3.3 污水入流事件设置

典型污水入流量见表3。

表3 典型小区污水入流量

3.4 截流设施模拟

海上华庭截流阀实时控制参数如图9 所示。井内设置浮筒截流阀，旱天及小雨时，井内水位较低，浮筒截流阀打开，混接污水通过截流管进入下游污水管道；当井内水位上升时，截流阀慢慢关闭，当水位达到截污管管顶（堰高）时，截流阀完全关闭，雨水及混接污水越过溢流堰排入下游雨水管道。由于模型中没有设置截流阀的构筑物，采用闸阀模拟截流阀，通过调整闸阀排水能力实现闸阀启闭。当水量小于7.12 L/s 时，闸阀开启，当水量大于7.12 L/s 时，闸阀关闭。

图9 海上华庭截流阀实时控制参数

恒力锦沧花园截流阀实时控制参数如图10 所示。井内设置浮筒限流阀，旱天及小雨时，井内水位较低，浮筒截流阀打开，混接污水通过截流管进入下游污水管道；雨天当井内水位上升时，截流阀慢慢关闭，当水位达到截污管管顶时，限流阀最大程度关闭，但仍有个月牙形的开孔，部分雨水及混接污水通过月牙形孔洞进入截流管从而进入污水系统，水位到达堰高时，进入雨水管道。模型中没有采用限流阀的构筑物，采用闸阀模拟限流阀，通过调整闸阀排水能力实现闸阀启闭。当水量小于17.48 L/s 时，闸阀开启，当水量大于17.48 L/s 时，闸阀仅能通过17.48 L/s 的水流量。

图10 恒力锦沧花园截流阀实时控制参数

森陇家园截流阀及提升泵实时控制参数如图11所示。截流井内安装DN200 截流阀，当井内液位低于1.54 m时，提升泵将旱季污水提升至污水管网；当井内液位高于1.54 m时，截流阀完全关闭。模型采用闸阀模拟截流阀，通过截流井内水位对闸阀进行控制。当截流井内水位高于1.54 m 时，闸阀全关；当截流井内水位低于1.54 m时，闸阀全开，水泵启动。

图11 森陇家园截流阀及提升泵实时控制参数

3.5 截流污水量分析

根据以上模型设置，分别对仅有降雨、仅有污水入流及降雨和污水入流同时发生3 种工况进行模拟，分析全年降雨过程中进入截流管道的雨水量等数据。典型小区模型模拟水量见表4。

表4 典型小区模型模拟水量

不考虑雨天污水溢流入雨水系统，即雨天进入污水的雨水量为进入污水系统水量-旱季污水量，可以求得雨天进入污水系统的雨水量。将模型计算结果与理论计算结果进行对比见表5。

表5 典型小区模型与理论计算对比

由表5 可知，由于污水入流事件是根据实测值及理论值模拟的，因此截污量误差较小。关于雨水，模型模拟的总雨水量比理论计算值偏小，这是因为模型可以模拟降雨的产流、汇流及管道传输过程，因此比理论计算更为准确［6］，雨水总量的误差为7%~13%，进入污水系统的雨水量的误差在10%~23%之间。进入污水系统的雨水量与雨水总量的占比基本一致，这说明理论计算的可靠性。

4 结论

①不考虑外围市政工况的情况，外部截污设施均具备良好的截污性能，但也造成了雨天雨水通过外部截污设施进入污水系统的现象。

②不同形式的截流井导致雨水进入污水系统的水量不同［7］，对于重力截流井，有以下结论：一是截流阀优于限流阀；二是采用限流阀的截流井，可将较少量的污水截流，但同时却造成了小区内全年大部分的雨水进入污水系统。对于泵截式截流井，有以下结论：一是泵截式外部截污设施雨天对污水系统的影响，设置停泵高液位优于不设置停泵高液位；二是泵的流量选用应与截污量相匹配，才会使进入污水系统的雨水量最大限度地减少。

③影响住宅小区外部截流设施效能（旱天截污量、雨天进入污水系统增量）的因素有：截流井种类、堰高与截流管的高差（液位差）、小区面积、小区人口、小区雨水管道长度、小区占地面积、径流系数，对旱天截污量影响最大的影响因素是小区人口，对雨天进入污水系统增量影响最大的影响因素是截流井种类、液位差、小区面积。

④小区外部截污设施作为一种雨污分流改造的临时过渡措施，大部分具备良好的截污性能，设置外部截流设施有效避免了旱天污水直接进入雨水管，对周边旱天水环境的改善有一定帮助。但同时造成了部分外部截污设施中大量雨水进入污水系统，存在一定的负面作用。因此在进行雨污分流改造时，建议最好能进行小区内部的雨污分流改造，外部截污设施不能作为永久设施，只能作为临时过渡措施。在进行外部截污设施的设置时，需调研下游市政雨污水管网的水位情况，混接水量等基础资料，选择合适的外部截流井，以减轻外部截污设施的负面作用。