（模式识别与智能系统专业论文）山区城市内河污水截流方案及技术措施研究.pdf

摘要 污水截流是城市水环境质量控制的重要措施，但受到旧城区现状及水 体条件的制约，污水截流工程建设面临着空间狭小、工程复杂、技术难度 大等难题。本文针对山区城市旧城区内河实施截流式合流制的特殊难度， 对若干关键技术问题进行了研究，提出了采用河床敷设截流干管、新型截 流井等新技术，为旧城区污水截流系统的实施提供了新的思路。并对污水 截流系统进行了水力学计算模拟，提出在河床敷设截流干管的条件下，管 道系统应以压力流进行计算的思路。 本文的主要i ：作及取得的主要成果如下： ( 1 ) 在i h 城区内建筑密集难以敷设管道的现状条件下，研究了截流 干管敷设于河床下的可行性。并对污水截流系统进行改进，设计了与常规 条件小同的构筑物及施工方式，使系统具有较好的截污效果又具有很强的 可实施性。该方案己得到相关部门的认可，并付诸实施投入了使用。 ( 2 ) 针对截流管特殊的敷设方式，对污水截流干管、截流支管及截 流井的水力特征进行了研究。提出此种条件下截污系统不能再以传统的无 压重力流进行计算，而应采用压力流管道的计算方法进行设计，并采用压 力流条件下的管材和管道敷设方式。还针对压力流条件对系统进行模拟计 算，分析两种流态下管道流量流速的差异，提出了准确控制污水截流量的 相关措施。 关键谢城1 1 j - 内河，排水系统，截流式合流制，污水截流井，截流管 a b s tr a c t s e w a g ei n t e r c e p t i o n i sa n i m p o r t a n t m e a s u r ef o r m u n i c i p a lw a t e r e n v i r o n m e n t a lq u a l i t yc o n t r 0 1 h o w e v e r , i n f l u e n c e db yt h es i t u a t i o no fo l d c i t ya n dw a t e rc o n d i t i o n ，s e w a g ei n t e r c e p t i o n i sc o n f r o n t e dw i t hp r o b l e m s s u c ha sn a r r o w n e s s o fs p a c e ，c o m p l e x i t yo fc o n s t r u c t i o n ，b i gt e c h n i c a l d i f f i c u l t y a n ds oo n a i m i n g a tt h ed i f f i c u l t i e so fi m p l e m e n t a t i o no f i n t e r c e p t i v ec o m b i n e ds e w e rs y s t e mi nu r b a nr i v e r so fo l dm o n t a n i cc i t y , k e y t e c h n i c a li s s u e sw e r es t u d i e d i nt h i st h e s i s n e wt e c h n i c a lm e a n ss u c ha s l a y i n gi n t e r c e p t i n gs e w e ro nr i v e r b e d ，u s eo fn e w s t y l ei n t e r c e p t i n gw e l la n d s oo nw e r ep r o p o s e df o ri m p l e m e n t a t i o no fi n t e r c e p t i n gs e w a g es y s t e mi no l d c i t y h y d r a u l i cc a l c u l a t i o nw a sc a r r i e do u tf o rt h es e w e rs y s t e ma n dr e s u l t s s h o wt h a tf l o wi ni n t e r c e p t i n gs e w e rs h o u l db ec o n s i d e r e da sp r e s s u r e - d r i v e n w h e nt h ei n t e r c e p t i n gs e w e rw a s p u to nr iv e r b e d m a i nw o r ka n dp r o g r e s s e so b t a i n e di nt h i s s t u d ya r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ( 1 ) f e a s i b i l i t yo fl a y i n gi n t e r c e p t i n gs e w e ro nr i v e r b e dw e r es t u d i e d u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a t i n t e r c e p t i n gs e w e r i sd i f f i c u l tt ob el a i di nt h e c r o w d e dc i t yz o n e i m p r o v e m e n t sw e r em a d ef o rt h ei n t e r c e p t i n gs e w a g e s y s t e m ，s t r u c t u r ea n dc o n s t r u c t i o nm o d ew e r ed e s i g n e dt om a k et h es y s t e m w i t hg o o de f f e c ta n df e a s i b i l i t y t h ep r o g r a m m eh a sb e e na p p r o v e db yt h e c o r r e s p o n d i n ga u t h o r i t ya n dh a sb e e np u t t i n gi n t op r a c t i c e ( 2 ) s t u d i e s o nh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so f i n t e r c e p t i n g s e w e ra n d i n t e r c e p t i n gw e l lw e r ec a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h es p e c i a ll a y i n gm o d eo f i n t e r c e p t i n gs e w e r r u l e sw e r ep r o p o s e dt h a tt h ei n t e r c e p t i n gs e w e rs h o u l d b ed e s i g n e du s i n gp r e s s u r e d r i v e nf l o wi n s t e a do fg r a v i t y d r i v e nf l o wi ni t ， a n dm a t e r i a la n dl a y i n gm o d eo fp i p e l i n es h o u l db ea d ju s t e dc o r r e s p o n d i n g l y h y d r a u l i cc a l c u l a t i o n sw e r ec o n d u c t e df o rt h ei n t e r c e p t i n gs e w a g es y s t e m d i f f e r e n c eo ff l o wr a t e sa n dv e l o c i t i e so fp i p e li n eu n d e rt w of l o wm o d e sw a s a n a l y z e d a n dm e a s u r e sf o rf l o wr a t ec o n t r o lo fi n t e r c e p t e df l o ww e r e p r o p o s e d k e yw o r d s ：u r b a n r i v e r s ，d r a i n a g es y s t e m ，i n t e r c e p t i v ec o m b i n e ds y s t e m ， i n t e r c e p t i n gw e l l ，i n t e r c e p t i n gs e w e r 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：扯日期：丝年卫月且日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南人学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论 文被查阅和借阅；学校叮以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复 印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将 本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众 提供信息服务。 作者签名： 导师签名丝 日期：生年卫月且日 硕j j 学位论文 第一章绪论 1 1选题背景 1 1 1 城市水环境状况 ( 1 )城市化进程加剧 第一章绪论 2 0 世纪下半叶，随着经济高速发展和人口的急剧增长，在世界范围内，城市化进 程明显加快。据统计，1 9 6 3 年世界总人口为3 2 8 亿，至2 0 0 0 年已增至6 1 8 亿，几乎 增加了一倍。而在这新增加近一倍的人口数量中，2 3 集中在只占世界土地极小面积 的城市中，城市人口占总人1 ：3 的比例也由1 9 6 3 年的3 5 2 增至2 0 0 0 年的5 0 3 ，其 中发达国家城市人口的比例已将近8 0 之多【l 】。城市化的初级阶段主要表现为农村劳 动力向城市及其周边地区的转移，而城市化的高级阶段则主要体现在城市文明程度和 现代化水平的提高，两个阶段交错衔接。同时，城市化及其文明程度的重要表现之一 是人文和生态环境的优越。因此，在城市化初期就必须在合理利用资源和保护生态环 境方面首先做出努力，城市化的进展使围绕以城市为中心的水资源供需矛盾、水污染 防治和水环境改善、城市防洪排水等方面的问题同益突出。为此，联合国教科文组织 水科学部所执行的水文计划将其工作重点转向“城市水问题”，并在一系列有关城市 和环境的国际会议上，提请国际社会和各国政府主管部门对城市水问题给予切实的关 注。 ( 2 ) 城市水环境污染严重 城市人口聚集，不仅工业废水和生活污水排放量增加，而且成份也逐渐复杂，使 城市及其周边环境污染、水质恶化，严重危及城市环境质量和人民健康。1 8 3 2 1 8 3 3 年英国伦敦的霍乱大爆发，死亡人数达6 7 7 9 人，其原因就是污水污染了水源。 2 0 世纪6 0 年代，轰动世界的f 1 本水俣病，就是水污染导致的中毒事件。2 0 世纪 8 0 年代以来，随着城市化进程加速，水污染问题同渐突出。1 9 8 3 年我国县级以上建 制的城市有1 9 0 个，至今已达6 3 0 个，1 5 年间增加了2 3 倍；2 0 0 5 年福建省废污水排 放量达2 1 2 4 亿吨。其中生活污水8 1 5 亿吨，城镇生活污水处理率仅5 4 4 【2 1 。 我国水环境污染已到了极为严重的程度。在1 0 x1 0 4 k m 的评价河段中，水质在i v 类以上的污染河长占4 7 。北方辽、黄、海、淮等流域，污水与地表径流的比例高达 硕士学位论文第一章绪论 1 ：1 4 l ：6 。全国湖泊约有7 5 以上的水域，近岸海域约有5 3 以上受到显着污染。根 据全国1 1 8 座大城市浅层地下水的调查，9 7 5 的城市受到不同程度的污染，其中4 0 的城市受到重度污染p j 。水污染已成为不亚于洪灾、旱灾甚至更为严重的灾害。我国 江河、湖泊和海域普遍受到污染，至今仍在迅速扩展。水污染加剧了水资源短缺，直 接威胁着饮用水的安全和人民的健康，影响到工农业生产和农作物安全，造成的经济 损失约为国民生产总值的1 5 3 。 水资源本来是可以再生的，但水质污染使水资源不能进入再生的良性循环。我国 长期以来在增加城市供水能力的同时，未能注意防治水污染，至今全国城市污水处理 率仅为1 3 6 5 ，许多城市没有污水处理厂。掘报告，工业废水处理率为8 7 4 ，但实 际情况远远低于此数，许多处理设施没有j 下常运行，甚至基本不运行，达标排放很多 流于形式。大量废水、污水的排放造成了城市水体的严重污染，直接影响人民健康和 工农业生产。经预测，如果要在2 0 1 0 年以自订基本遏制城市水污染的蔓延趋势，保护 城市供水水源，并在2 0 3 0 年以前使水环境有明显改善，2 0 1 0 年和2 0 3 0 年城市污水的 有效处理率必须达到5 0 和8 0 以上。否则，我囡的水污染不仅不能得到控制，甚至 还要继续扩展。这是一个十分严重的问题，也是一项非常艰巨的任纠4 1 。 1 1 2 建设城市排水系统的意义 城市排水管道系统是现代化城市不可缺少的重要城市市政基础设施，也是城市水 污染防治和城市排涝、防洪的骨干工程，它的任务是及时收集、输送城市产生的生活 污水、工业废水和降水。其作用是及时可靠地排除城市区域内产生的生活污水、工业 废水和降水，使城市免受污水之害和免受暴雨积水之灾，从而给人们创造一个舒适安 全的生存和生产环境，使城市生态系统的能量流动和物质循环正常进行，维持生态平 衡，保证可持续发展。 发达国家的长期经验表明，建设完善的城市排水管道系统和城市污水处理厂是控 制城市水污染必不可少的技术措施。目前，英国、法国、德国、美国、加拿大、瑞士 和俄罗斯等国家基本普及了城市排水管道系统和城市污水处理厂。我国城市基础设施 比较落后，排水管网和城市污水处理厂建设更加滞后。严重的水污染现状要求我们加 强城市的污水治理，这就要求城市排水系统除传统的防止雨洪内涝、排除和处理污水、 保护城市公共水域外，还需起到回收城市污水和净化再生，畅通城市水环境，维系水 资源可持续利用的作用。 城市排水系统主要任务是：选择城市污水和降水的出路；收集并输送城市污水和 降水至适当地点；合理处理后排放或再利用；保护城市水环境免受污染，保持城市水 的良性循环；具有保护环境和城市防灾双重功能。建设完善的城市排水管网并进行科 学的管理，是创造良好的城市生存环境、保证可持续发展的必要条件。 硕一i ：学位论文第一章绪论 1 i 3 城市排水管道系统的体制 城市排水管道系统的体制包括分流制和合流制。合流制是将生活污水、工业废水 和降水混合在同一套管道系统内排除的排水系统。分流制是将生活污水和工业废水用 一套或一套以上的管道系统排除，而雨水用另一套管道系统排除的排水系统。 其中合流制排水管道系统包括三种形式：直排式合流制、截流式合流制和完全合 流制。 将城市的混合污水不经任何处理，直接就近排入水体的排水方式称为直排式合流 制，国内外旧城区的合流制排水系统均属此类，如图1 1 所示。 图1 1直排式合沅制排水系统 1 一合流支管；2 一合流干管；3 一河流 由于直排污水对水环境造成的污染越来越严重，为了减轻污水对水环境造成的污 染和破坏，形成了截流式合流制。截流式合流制是在真排式合流制基础上，修建沿河 截流干管，在城市的下游建污水处理厂，并在适当位置设置截流井。这种系统可以保 证晴天时的污水全部进入污水处理厂处理，雨天时一部分污水得到处理。 在降雨量较小或对水体水质要求较高的地区，可采用完全合流制，将生活污水、 工业废水和降水全部送到污水处理厂处理后排放。这种方式对环境水质的影响最小， 但合流管管径大，污水处理厂的规模大、水量水质变化大、投资大。 1 1 4 直排式合流制系统的改造 据有关资料介绍，同本有7 0 左右、英国有6 7 左右的城市采用合流制排水系统 1 5 j 。我国大部分城市，除丌发区和一些新建区采用分流制排水系统，其余旧城区的建 设阶段一般处在原来合流制盛行的年代，都是采用直排式合流制，但随着工业和城市 的进一步发展，直接排入水体的污水量也迅速增加，使受纳水体污染负荷逐渐超过其 自净能力，水体污染状况同益严重，尤其是城市内河流量不大自净能力差，而旧城区 人口密集排污量大，大量污水排入之后污染特别严重，直接影响城市居民的正常生存 环境，损害了城市形象，甚至影响了城市的可持续发展。因此，解决这类问题，就必 硕j ：学位论文第一章绪论 须对旧城区的直排式合流制排水管渠系统进行改造，而且改造的任务相当巨大。 现阶段我国对老城区合流制改造的主要方式有以下二种【6 l 。 ( 1 ) 将旧合流制改为分流制 这是一种彻底的改造方法。由于实施雨、污分流，将污水全部引至污水处理厂进 行处理，可以从根本上杜绝了污水直接排放对水体的污染；同时，由于雨水不进入污 水处理厂，被处理水的水质水量可维持较小的变化范围，保证相对稳定的出水水质， 容易做到达标排放。 理论上，分流制利用污水和雨水两套管渠系统分别收集和输送污水和雨水，可以 为排水系统终端的分质处理和处置提供较为理想的条件，是较为理想的排水体制。 但要实施分流制，对于现状条件要求较高，不论是住宅区还是工业企业区，其内 部管道系统必须健全，要求有独立的污水管道系统和雨水管道系统，便于接入相应的 城市污水、雨水管网；同时要求城市街道的横断面有足够的位置，允许新增管道的敷 设。对于城市新建地区、成片彻底改造的旧城区以及建筑物不密集的工业区，将旧合 流制改为分流制是可能的。然后对于一般老城区，由于城市的建成时问一般较久，地 面建筑拥挤，路面狭窄，地下管线错综复杂，如若将合流制改为分流制，涉及面太大， 存在工程投资大、施工困难、损坏现有路面多等诸多现实问题，很难在短期内做到。 并且，国内外在进行直排式合流制排水系统改造的长期实践中发现： 1 ) 将合流制改造为分流制影响范围大，耗时长，经济上不合理，例如：美国芝 加哥市区，若将合流制全部改为分流制，预测须投资2 2 亿美元。为重修因新建污水 管道所破坏的道路需延续几年到十几年1 7 j 。 2 ) 由于雨水径流本身污染负荷就比较大，将合流制改造为完全分流制后，雨水 管渠雨天出水的污染程度并不比合流制溢流污水好多少。并且合流制排水系统中的大 部分合流污水都经过污水处理厂处理，从而在两种排水体制下排入受纳水体的有机污 染总负荷大致相同1 8 j 。也就是说，即使是将直排式合流制改造成完全分流制，技术上 也并不足以有效的防止城市雨水径流对水体造成的污染。 3 ) 分流制排水系统往往存在雨污混流现象，而一旦分流制被搅乱，造成雨污混 流，将使当地的水环境遭到严重污染，大大降低工程效益，再要恢复到严格的分流制 排水系统难度很大1 9 1 。例如：据美国环保署( e p a ) 估计，在美国的3 1 个州和哥伦比 亚区内，每年将发生2 3 万7 5 万起分流制排水系统生活污水溢流，排放3 0 亿l o o 亿加仑的污水i l0 1 ；我国深圳市排水工程规划与建设完全采用分流制，但1 9 9 0 年深圳 市排水管理部门在对特区内丌发建设最早的罗湖、上步两区约2 5 的雨水管道进行抽 查中发现2 6 0 余处较集中的污水排入点，两区的雨、污水实际上己全部混流l 。 基于以上原因，欧美发达国家在进行直排式合流制排水管渠的改造时，大多没有 选择完全分流制系统，而基本是将直排式合流制排水系统改造成截流式，并配合其它 4 硕，上学位论文第一章绪论 控制合流污水溢流的工程、非工程措施来实现保护水体的目的。譬如：瑞典在8 0 年代 初就放弃了市政管网实行雨污分流的设想l l2 j ；美国也于8 0 年代末逐渐放弃了改合流 制为分流制的设想【l3 】；英、法等国的大部分城市也同样仍保留了合流制体系，其主要 河流莱茵河和泰晤士河的水体都得到了很好的保护，他们采取的主要举措是控制面源 污染并保证排入河流的污水的处理；德国的合流制管渠目自i 也仍然占有7 0 左右，科 隆市合流制管渠甚至占9 4 ，并建造了7 7 座雨水池。并且该国专家认为，进行直排 式合流制排水系统改造通常应优先采用截流式合流制，分流制要建造两套完整的管 网，耗资大、困难多，只在条件有利时才采用。他们把重点放到源头污染控制、削减 径流量和其它雨水径流污染控制的技术性和非技术性措施上，而不是依赖“雨污分流” 的办法1 1 1 1 。 ( 2 ) 保留部分合流管，采用截流式合流制 截流式合流制排水体系是最常用的方式。保留老城区部分合流管。这种系统建造 一条截流干管，在合流干管与截流干管相交前或相交处设置截流井( 溢流井) ，并在 截流干管下游设置污水厂。如图l 一2 所示。对合流污水实施截流，视城市的发展状况， 逐步完善管网，改为分流制。这种过渡方式，由于工程量相对较小、节约投资、易于 施工、见效快，己得到广泛应用。 同改造为分流制相比，将直排式改造为截流式，用户排水接口管理可简化，市政 排水管道只要一根，工程量相对较小、节约投资、易于施工、见效快。同时，从疏通 养护管道的经验看，截流式合流制排水管渠中小流量时发生的沉积物在雨天高峰流量 时可被冲走，从这点讲，合流制与分流制相比较，其管道养护疏通的工作量要小得多。 有资料表明，养护合流管网的主要费用平均为完全分流制养护费用的3 0 - - 一4 0 1 1 4 】。 图1 2 截流式合流制排水系统 1 一合流干管；2 一截流井；3 一截流干管；4 一污水厂 而且在分流制管网的运行过程中，人们发现误接的现象几乎不能避免。临街的城 市居民习惯于将一部分生活污水倾倒于街面，这样雨水管中就会混入相当数量的生活 污水；某些使用单元丌发商为节约工程造价，将汇水面不大的雨水接入污水系统中， 使污水中常含有雨水，分流制管网实际上变成了两套合流制管网，有人戏称，我们出 硕i ：学位论文第一章绪论 大量的钱，修建了两套污水系统，成了污水不污，雨水不净。发达国家如此，发展中 国家亦然，分流制的优越性往往不能体现出来。宁德旧城区居民科学文化素质相对不 高，不合法的连接更难避免，这是当前在排水管网中亟待解决的问题。 国内外的长期实践表明，对于直排式合流制排水系统的改造，采用截流式合流制 是行之有效的。我国大多数城市市政基础设施较薄弱，同时受资会等条件的制约，截 流式合流制排水系统由于具有工程量小、节约投资、易于施工、见效快、可操作性强 等优点，比较符合我国的国情，而一味强调分流制在经济上是不现实的，在技术上也 不一定是科学的。 1 1 5 截流式合流制排水管网系统的运行特点 截流式合流制管网系统的运行特点是： ( 1 ) 晴天时，管网系统在非满流条件下运行，一般充满度较小、流速也较小。 在不设底流槽条件下，均有大量固体颗粒沉积于管底，全部污水均送至城市污水厂进 行处理。 ( 2 ) 降雨初期或小雨时，管网内流量未超过截流干管和污水厂的处理能力，截 流干管在非满流或满流条件下运行，全部雨污水可送到污水处理厂处理。 ( 3 ) 出现超过截流干管输水能力的大雨时，截流井发生溢流，混合污水溢入水 体，不可避免地造成受纳水体局部污染。 ( 4 ) 雨停后，当管网内流量小于截流干管的输水能力时，全部污水流至污水厂， 截流井不再溢流。 在合流管道和截流管道的交接处，应设置截流井以完成截流( 晴天) 和溢流( 雨 天) 的作用。截流式合流制排水系统的就需要缺点是并没有杜绝污水对水体的污染， 雨天有部分棍合污水直接排入水体，这部分混合污水不仅含有旱流污水和雨水径流带 入的大量污染物，而且夹带有晴天沉积在管底的污染物。 1 2 国内外研究现状 1 2 1国外研究现状 ( 1 )国外污水排放系统的发展 “ 近代城市排水系统的产生及发展与工业化及城市化的进程密不可分，其发展进程 大致可分为三个相互交错的阶段。 第一阶段是创建阶段。十九世纪中期西方国家先后发展了现代城市给水排水系 6 硕：j 二学位论文第一章绪论 统。英国早期的排水工艺只是建造管渠工程，将污废水及雨水直排水体。到1 9 11 年 德国己建成7 0 个污水厂，在其后的半个世纪里城市排水系统的发展较为缓慢，例如， 1 9 5 7 年西德的家庭污水入网率仅5 0 ；1 9 6 1 年同本东京仅为2 1 。2 。 第二阶段是发展和治理阶段。六、七十年代丌始，西方国家投放大量财力铺设污 水管道、建设处理厂，提高污水的收集率和处理率，并对工业污水、污水厂尾水的排 放作了严格的控制( 又称“点源”治理) 。例如1 9 7 9 年东京污水入网率达到7 0 ；1 9 8 7 年前西德污水的入网率已达9 5 ，处理率达8 6 5 ，城市居民人均污水管长达4 m 。 然而城市水环境的质量仍然不尽人意，研究中发现传统的排水观念造成人们长期以来 认为，合流管渠内的污水被暴雨水稀释( 稀释比约l ：5 7 ) 、溢流后不会再危害水体， 事实上并非如此。1 9 6 0 - 1 9 6 2 年在英国北安普敦的调查发现，暴雨之初，原沉淀在合 流管渠内的污泥被大量冲起，并经截流井溢入水体即所谓的“第一次冲刷”。此后， 人们提高了截流井内的堰顶高程以减少溢流量，但这样作又增加了管渠内的沉积物， 一旦被更大暴雨冲起、挟入溢流，进入水体仍然造成污染。 第三阶段是暴雨雨水的管理阶段。为了进一步改善城市水体的水质，自七十年代 起都在致力于此项工作。首先是对南污混合污水在溢流前进行调节、处理及处置，使 之溢流后对水体的水质影响在控制的目标之内。例如美国一些州，要求混合污水在溢 流之前就地作一级处理，并对每个溢流口因超载而未加处理的混合污水溢流次数加以 限制( 如华盛顿州每个溢流口每年次，旧金山市为4 次) ；其次是对污染严重地区雨 水径流的排放作了更严格的要求，如工业区、高速公路、机场等处的暴雨雨水要经过 沉淀、撇油等处理后才可以排放。 在已有二级污水处理厂的合流制排水管网中，适当的地点建造新型的调节、处理 设施( 滞留池、沉淀池等) 是进一步减轻城市水体污染的关键性补充措施。它能拦截 暴雨初期“第一次冲刷”起的污染物送往污水厂处理，减少混合污水溢流的次数、水 量和改善溢流的水质，以及均衡进入污水厂混合污水的水量和水质，它也能对污染物 含量较多的雨水作初步处理。西方国家的实践表明，为了进一步改善受纳水体的水质， 将合流制改造为分流制，其费用高昂而效果有限，而在合流制系统中建造上述补充设 施则较为经济而有效。所以，国外排水体制的构成中带有污水处理厂的合流制仍占相 当高的比例，如前西德1 9 8 7 年其比例为7 1 2 ，且该囤专家认为通常应优先采用合流 制，分流制要建造两套完整的管网，耗资大、困难多，只在条件有利时才采用。至八 十年代术，前西德建成的调节池已达计划容量的2 0 ，虽然其效果难以量化，但是截 送到处理厂的污泥量增加了、河湖的水质有了显著的改善。据估计，用这种方式处理 雨水的费用与用污水厂不相上下。 国外关于城市暴雨雨水的“源”控制及“下游”控制的作法，与我国水利界几十 年来对江河流域的治理方法很相似。这种作法可以在地区上和时间上分散投资的负 7 硕j j 学位论文 第一章绪论 担，提高排水管渠的功能和效率，使污水厂的规模更加合理。所以，我国城市排水规 划对现有直排式合流制的改造，以采用污水截流加处理的方案为宜，同时方案中应对 暴雨雨水的全面控制管理作出适当安排、长期规划、分期实施、逐步达到受纳水体的 水质目标，不必盲目追求分流制。 ( 2 ) 国外对截流式合流制的研究现状 合流制排水系统溢流井的流量由三部分构成：进水流量、截流流量和溢流流量。 溢流流量或排入附近水体，或进入调节池暂时储存。溢流污染物包括有机物、毒素、 细菌、沙砾、污泥、色度、表面活性剂等。据调查，1 9 5 3 年1 9 5 4 年，由伦敦溢流 入泰晤士河的混合污水五同生化需氧量浓度平均高达2 2 1 m g l ，而进入污水厂的污水 五同生化需氧量也只有2 3 9 2 8 l m g l i5 1 。目前，国际上对合流制排水系统溢流污染问 题的研究十分活跃。 1 9 9 6 年至1 9 9 9 年，斯洛伐克水研究院和斯洛伐克技术学院联合对四个城市的3 0 0 多个合流制排水系统溢流井进行了全面的调查和评价，并对8 次降雨进行了现场实测 与分析，采用的丹麦的m o u s e 排水模拟软件进行了降m 和污染物传输的模拟，建立 了溢流污染水质数据库。其研究发现，有少数溢流井设计尺寸不合理地偏大，有的溢 流井堰长达5 0 米，不能满足正常溢流的功能要求，另一方面，少数溢流井在旱季也 是超负荷运行，导致污水溢流，这些溢流井水力条件不佳的主要原冈是设计失误，最 普遍的问题是溢流井上游的管段坡度太大，导致溢流严重，尤其正堰的阻挡加剧了溢 流污染，另一个导致频繁溢流的原因是溢流井内和溢流井上游管道固体污染物的严重 沉积，调查发现很多正堰溢流井内的沉积物厚度超过了5 0 厘米1 1 5 i 。 德国对合流排水系统溢流状况进行了比较深入的调查与研究，例如，1 9 9 9 年德国 的w e l k e r ，a 等人对合流制排水系统和污水处理厂的水量水质进行了调研1 1 6 】，l9 9 8 年a n d r e a sp e t r u c k 等用雷达预测方法进行了合流制排水系统实时控制的研究等等【1 7 】。 另外，丹麦、瑞典等国家也进行了有关合流排水系统溢流问题的研究和调查。 2 0 0 0 年9 月1 3 同，c i w e m 会议在英国s h e f i e l d 大学召开，主题是“合流制排水 系统溢流所面临的挑战与革新”( c s o s t h ec h a l l e n g e sa n dl a t e s ti nn o v a t i o n s ) ，会议宣 布英国环保局将推出一项重大投资计划：2 0 0 5 年3 月前对现有溢流井更新改造，提高 颗粒截留效率。在英格兰和威尔士，大约3 5 0 0 座不合格的溢流井将要改造，估计其 中2 5 0 0 座要通过改造提高颗粒截留效率。颗粒截留效率定义为溢流井截留的颗粒量 除以总颗粒( 截留颗粒与溢流颗粒之和) 量。要提高颗粒截留效率，有两种方法：增加溢 流井尺寸大小或在溢流井内增添筛网i 。8 j 。 8 硕f j 学位论文 第一章绪论 1 2 2 国内研究现状 ( 1 )国内城市排水系统的发展现状 中国城市排水工程建设，有着悠久的历史。秦代己有用以排除城市雨水的管渠。 历代帝王的京都，如唐长安、宋汁梁、元大都，都修建了比较完整的明渠和暗渠相结 合的排水系统。在旧中国，城市主要靠明沟以及河流排水，没有完整的排水系统，个 别大城市仅有局部雨污水合流制管道，污水就近排入水体，排泄能力很低，对水体污 染严重。建国初期，新建城市和城市新区都采用分流制，因为当时经济条件有限，近 期只建污水管，雨水用道路边沟和明渠排除，用较少的钱解决了城市污染最大的污水 问题0 19 1 。 1 ) 5 0 年代 5 0 年代是我国排水工程建设初创阶段。新中国成立后，城市排水工程建设得到了 发展。国务院相继成立了建筑工程部和城市建设部，作为城市排水工程规划、设计、 建设、设施运行的政府主管部门。在三年经济恢复时期，人民政府用“以工代赈”的 办法，结合开展爱固卫生运动，组织城市居民清理积存的垃圾、废物，治水修塘，既 解决了部分地区的排水难问题，又改善了城市居住环境，深受广大居民拥护。例如， 北京市城内共有大小明沟1 5 条，除了治理了龙须沟外，还疏浚西北护城河，明沟也 多改为暗管。在恢复时期的三年里，全国城市的排水管道增加了1 0 3 7 l 锄。 2 ) 6 0 - - 7 0 年代 由于自然灾害、文化革命和严峻的国际形势，全国按照“备战备荒”方针，加快 “三线”建设就成为投资重点，东部地区城市只能不断挖潜维持，新建工程很少。 为解决老城区合流制排水系统对受纳水体的污染问题，一些城市沿受纳水体建造 截流管，晴r 将污水引至下游郊区污水处理厂处理，或暂时直接排入水体；雨期超过 截流倍数的雨水和污水仍不近排入水体，以减轻对受纳水体的污染。上海、杭州、苏 州、桂林等到城市结合截流工程在城市下游兴建或积极筹建污水处理厂使城市水体和 环境质量明显改善。 从“一五”计划时期以来，结合新兴城市和工业项目建设，而配套建设了一些 城市污水处理厂，如北京、上海、兰州、太原、鞍山、吉林、洛阳、西安等；但绝大 多数为机械( 一级) 处理，净化效果差。数年后，随着污水量的增长、污水浓度的增 加，以及环境需求同益严格，更显得难以适应要求。由于城市污水处理厂建设规模和 进度远远落后于城市污水量的增长，使越来越多的城市污水无法按要求得以净化。 3 ) 8 0 年代 改革丌放以来，随着城市化进程的加快和城市水污染f 1 益得到重视，城市排水设 施建设有较快发展。鉴于城市排水设施建设国内投资少、金融机构贷款利率高、要求 还贷年限短，以及排水设施运行不收费无力偿还贷款等，国家适时调整政策，规定在 9 硕：f ：学位论文第一章绪论 城市政府担保还贷条件下，准许使用国际金融组织、外国政府和设备供应商的优惠贷 款，推动了一大批城市新建排水设施，较好的控制了城市水污染。 关于防止水污染技术政策的规定和水污染防治法实施细则等文件中规定， 除少数大型企业或远离城镇的企业，可自行处理达标利用或排放外，其他能排入城市 排水管网的，应由以企业单独治理为主逐步过渡到以城市汇水区为单元，区域综合治 理为主。企业只需要对重金属和难生化降解的有毒有害物质进行必要的预处理，达到 城市排水管道接纳的排放标准后始可排入城市排水管网。 沿海开放城市的开发区大多进行了合理规划，城市基础设施能做到统一规划、超 前建设，排水设施也能适应经济发展和生活需要。 随着国家环境保护的有关规定，工业企业也建设了工业废水处理装置，有利于改 善城市地区的水环境，也为城市集中污水处理厂减轻了污染负荷。1 9 9 0 年底，企业共 建成水污染治理设施4 0 2 3 0 套，同处理能力：设计6 2 9 4 1 万m 3 ，实际5 2 1 9 8 万m 3 ， 基本建设总投资额1 2 6 8 2 亿元，全年直接运营费1 8 0 8 亿元。 4 ) 9 0 年代 根据国家关于治理“三河”( 治理淮河，海河和辽河) “三湖”( 太湖、巢湖和滇 池) 和“环渤海”的要求，相关地区的省、市政府和工矿企业加快了水污染治理的进 度，国家也给予资金和技术的支持，截止到1 9 9 9 年底竣工投入运行的城市污水处理 设施项目2 2 0 个，投资5 9 5 8 亿元，同处理规模3 7 1 7 m 3 ；在建项目1 0 9 个，计划投 资1 6 1 8 3 亿元，同处理规模8 3 2 0 万m 3 。同期太湖、淮河、滇池和巢湖汇总工业企 业1 l ，1 1 5 个，全年废水排放量3 0 4 4 3 2 亿m 3 。环渤海汇总工业企业4 3 8 7 个，全年 废水排放量7 9 9 1 0 亿m 3 ，排放达标率6 5 3 。统计结果表明：国家加大对重点流域 治理力度的措施已初见成效，有效地改善了“三河”、“三湖”和坏渤海地区的水环境。 ( 2 ) 国内对截流式合流制的研究 关于截流式合流制研究及其管道施工技术，国内许多文献中都有报导，但具体到 居民密集区和老城区截流管道的实际施工和改造的技术措施研究较少，也缺乏对其实 际运行状况的调研和评价。 在国内，对截流式合流制的研究主要集中在截流倍数研究和截流井的改造及研 究。 王文远( 1 9 9 7 年) 【2 0 】、王少林( 1 9 9 8 年) 【2 i l 、朱春龙( 1 9 9 9 年) 和段余杰( 2 0 0 2 年) 1 2 3 】 等对污水截流工程中截流倍数的选择进行了研究分析。 1 9 8 6 年北京建筑工程学院与北京市政工程管理处进行了“污水溢流井性能研究”， 在此基础上，又在高碑店污水处理厂进行了三年的l ：1 生产性试验，完成了溢流井污 水截流性能研究【2 引。 刘永虹【2 5 l 提出对传统的截流式合流制系统的析i 胃做了些优化改进，将溢流堰式 1 0 硕i j 学位论文第一章绪论 或跳跃堰式溢流井设置在合流干管上，截流干管从溢流井溢流管下穿过，通过设置小 管径的截污连接管，控制设计截流量进入截流干管。这种布置可避免已进入到截流系 统的污染物质被重新溢流排放，并可保证初期阿水能i i l 页, n 地转输至截流系统的终端出 口，最大程度地保护受纳水体。 李玉华等【2 6 j 通过对截流式合流制的研究，对简单溢流井进行了改进，改善了溢流 井的水流状态，降低了混合污水浓度且减少了污水的排放量，并最终减少了截流式合 流制排水系统溢流污水对水体的污染，同时为系统的维修、养护、管理以及实现微机 自动控制创造了良好条件。 近年来，由于截流式合流制在工程中的大量应用，各地结合各自的实际条件对截 流式合流制的应用情况作了不少总结，并对应用中存在的问题进行了一定的分析。 陈春茂( 2 0 0 3 年) 1 2 7 1 结合广州市规划、实施截流式合流制排水系统改造的经验。 指出截流倍数的选择、溢流井的设计和截流量的控制是应重点注意的问题。 陈书玉【2 8 j 对上海虹口港、杨浦港地区早流污水截流工程设计水量进行了论证，通 过对现状污水量的采集，规划、现状水量的测定等进行了详细的分析和论述，比较客观 合理确定虹口港、杨浦港地区旱流污水截流工程的设计污水量。 丁美华，曹晶【2 9 l 对江南水乡古镇名胜保护区上海朱家角中心镇污水管网系统改造 工程进行了分析，叙述了结合老镇区古建筑的特点，对原合流制地区的下河滩用户污 水管、出户管、截流管、截流井、外接污水管及分流制地区的出户管进行改造的设计 方案和施工方案。工程采用的混合式排水体制，提高了治污率，保护了环境，节约了 投资，也便于施工，符合老镇区污水管网系统的改造要求。 此外，宁力行等( 2 0 0 0 年) 3 0 】、黄勤( 2 0 0 0 年) 【3 i l 、杨国成等( 2 0 0 1 年) 1 3 2 1 、 朱浩川( 2 0 0 3 年) 3 3 j 、严生斌( 2 0 0 3 年) 3 4 】等分别对北京市城市内河水系治理工程， 合肥市合流制改造、广东博罗旧城改造、上海苏州河综合治理工程及福州市中心城街 坊小区排水工程改造中截流式合流制的实用性及应用特点进行了研究。 对于截流式合流制运行过程中系统的流动状态及计算理论分析也进行了一定的 研究。 李胜海等【3 5 1 通过某一算例，分析比较了在雨天实际截流工况下，堰式、槽式、槽堰 结合式三种截流井的实际截流量相对于设计截流量的增加倍数，并提出了减小该增加 倍数的相关措施。 高延红等1 3 6 】对截流式合流制排水管渠设计流量计算中的不确定性因素进行分析， 并给出按排水可靠性设计的设计流量统计参数计算公式。这种计算方法可用于旧城区 的排水系统改造设计，以确保下游水体免受污染。 余雪松p7 j 认为在设计工况下污水截流管处于有压流的状态，污水截流管应当作为 有压短管进行设计。如果污水截流管按照满流管进行设计，实际的截流量过大，会造成 硕l ：学位论文第一章绪论 整个截流式合流制排水系统的紊乱，影响污水处理厂的运行。 杨根权【3 8 】通过污水截流井的工况分析，论述了实际运行中污水截流量与设计值之 间的差异及其危害，并结合巢湖、义乌等工程实例，提出了尽可能准确控制污水截流 量的相关措施。 1 4 本课题的研究意义 改革丌放以来我国的城市排水系统有了较大的发展。但是因历史欠帐太多，总的 水平仍然非常落后。而且出现了全国各地工程上马、盲目跟风，在经济、环境条件不 允许的情况下一味采用分流制排水体系的现象。 分流制有很多优点，但排水体制的选择是一项系统性很强的工作，应根据城市的 地理位置、水体情况、水文、地形、地貌、人文景观、社会经济发展要求以及城市财 政情况等因素综合分析确定。对于经济不发达城市的老城区来讲，如道路不改造拓宽， 小区不改造建设，即使污水主干管已经建成，那么也无法实施雨、污分流。其结果只 能是：一方面污水总干管闲置不用，造成投资浪费；另一方面，污水还是走雨水管道 排河，继续污染水体。不从实际情况出发，盲目采用分流制，显然是错误的。因此截 流式合流制事实上已经就成为城市中老城区唯一可行的排水体制。 旧城区建筑密集，甚至建筑紧挨河道建设，污水直接排放入内河。污水截流干管 的敷设及污水收集也难度极大，而旧城区是城f 订生活污水的重要来源和内河水质的主 要污染源，这部分污水量能否截流进入污水处理厂会从根本上决定了城市污水厂的正 常运行和城市内河水环境的改善效果。如何在旧城建筑密集区敷设污水截流干管，并 能有效地运行是本研究的主要内容。 本课题根据工程实际的迫切需要而提出，主要以宁德市南祭溪及小东门溪污水截 流工程为例进行综合性研究。尤其注重不可能完全照搬其它城市现有的经验和方法， 必须针对山区城市内河在河床地形及水文条件上的独特性对截流制系统进行研究，以 解决污水截流工程上主要的技术问题为目的。我国很多城市均为山区城市，研究成果 可为其它城r 行的污水截流工程的实施提供一定程度的参考。同时以此为基础，可以为 将来进一步深入研究污水截流式合流制打下坚实的基础。 1 5 本论文的主要工作 1 5 1 课题来源 宁德市位于福建省东部沿海，是闽东的政治、经济、文化中心，是国际著名良港 三都澳的所在地，也是我国东南沿海的丌放城市之一。近年来随着改革丌放的不断深 硕十学位论文第一章绪论 入，在福建省“南北拓展，中心开发，山海协作，共同发展”的经济战略指导下，国 民经济和城市建设取得了较快的发展。“九五”期间，宁德市实现了撤地建市的目标， 国内生产总值实现提l j 3 年翻三番的目标。2 0 0 0 年达到2 1 9 8 4 亿