岸边雨水管截流井的设置和控制策略研究

城市排水体制是指收集和输送雨、污水的方式，一般分为合流制和分流制两种形式。合流制将雨水和污水合流用同一管道输送至污水处理厂处理，由于污水处理厂和管网的限制，往往采用截流式合流制，并在截流管上设置截流井四，但受限于截流倍数依然有大量雨污混合水溢流到水体。因此新建城市一般采取分流制，分流制为雨水和污水各设管道，污水进入污水处理厂，雨水则直排入到河道中2]。由于雨污管道错接、混接、乱排等问题雨水管内流入污水[3-4,加之初期雨水污染严重，直排水体会造成严重污染。在雨水管渠末端增设截流井，将早季雨水管中污水和初期雨水截流入附近污水管的措施已有报道[-3]。但由于缺乏溢流水质和流量数据，没有排入水体的水质影响分析41，不能准确设置和控制。本研究提出在岸边雨水管设置截流井，在截流井内装备水质和流量在线监测仪，在河道装备水质、水流速度和液位在线监测仪，采用MIKE11 模型软件分析过程数据和模拟[5-7,评价截流和溢流水质水量，形成截流井控制策略，以减少对河道水质影响。

1 截流井和监测设备的设置

1.1 岸边截流井设置

本次研究区域为日市主城区内的部分河段全长 310m，南北走向，地处亚热带区域，年降雨量在1400~2 000mm，最大径流量出现在5至9月。河宽为 20~30 m，河道平缓，流速低，河道常水位 3.0 m，水深常年稳定在 1.5 m左右，河道东岸人口密集，以住宅区和餐饮行业为主。河道东岸沿河铺设截污管道，东岸管径800mm，管道流向由北向南。雨水管由市区内通向河道，通过管道末端设置截流井连接河道排口，见图1。

共设置有三口截流井P1、P2、P3，位于河道东岸，埋深分别为 3.00、2.12、2.31 m，离雨水排口距离为 5~20 m，为该区域内部主要污染源入口。截流井的构造如图2所示。并内设有一定高度的堰墙，进水可通过截流管进入附近的污水检查井或溢流进入河道。截流管上设置可启闭的截流管闸。当截流管闸开启，污水管道系统有足够的过流能力时，进水可截流进入污水管道系统。截流管闸关闭或污水管道系统过流能力不足时，进水则没过堰墙溢流进入河道。

通过设置该截流井，可将旱季污水、初期雨水以及降雨中后期水质较差的水体截流进入污水管网，并在雨季溢流时可对截流管闸进行相应调控，减小其对河道的污染。

1.2监测设备设置

根据该河段基本水文信息，为综合反应河道水质，选取该河段上中下游布置3个监测点为R1、R2、R3。R1位于河段上游。作为输人端，R2设置在该河段沿流向150m处，反映河道中段水质，R3则位于河段出流处，作为输出端。在河道监测点位设置水质在线监测装置，承载氨氮传感器、流速计和液位计，数据直接上传至网络，监测传感器置于水面下 80cm 处，采用底部锚固定方式，用绳子将锚与岸边连接。采用11W太阳能板配合60 AH 免维护锂电池组合的供电。

在三口截流井内均设置监测点(S1-S3)，S1-S3分别对应 P1-P3，监测设备根据井内水位不同，分别置于水下 5cm 处，设置氨氮传感器，获取水质数据，数据直接上传至网络，边缘控制器置于防水电器盒内，悬挂于截流井口的螺钉。并对堰墙进行改造，安装过水监测器，根据程序内部公式设定和堰墙固有参数进行计算得到溢流流量，获取截流井内部水质情况及溢流情况。点位铺设见图1。

通过截流井和河道在线监测数据的分析，可实现对不同截流管闸进行智能化调控，更加精确的识别雨污水及对河道的影响程度。

水质模拟方法

以调研资料与在线监测数据为基础，选用MIKE11 模拟软件建立研究区域的一维水力学模型，模拟雨季截流井溢流对河道水质影响，从而调控截流管闸实现溢流排污的优化。

根据该研究区域的基本水文水质数据构建水动力模块和对流扩散模块，基于ArcGIS 以形状格式生成的水系文件和研究区域的实际情况，遵循实际河网输水能力、调蓄能力等保持一致原则，对该河段进行概化。河道断面以实测断面为主，共设置5个断面，上下边界条件以上下游在线监测数据为主，并根据截流井雨水排口位置设置点源污染边界条件，S1、S2、S3距上游距离分别为90、210、260m。输人数据以实测数据进行相应调整和模拟后为主。

为使模型计算精度更高,需要对河床糙率、护散系数及污染物降解系数进行率定，本次模拟参照相近河流调查成果，率定得到河床糙率(曼宁系数)为 0.03，扩散系数为10 m/s，氨氮衰减系数为 0.10 d-!

3 旱季与小型降雨不溢流时水质分析

3.1 截流井水质分析

通过对5日旱季截流井水质连续24h的监测:发现旱季时 S1、S2、S3 对应于三口井的时均氨氮浓度达 6.4、3.0、10.1mg几，可知，三口井内均有不同程度的污水进人，无法达到直排标准，说明该区域雨污分流改造存在问题，依然有污水流人雨水管中。三口井均未发生溢流，可知截流井内水体从截流管中流走，截流并在旱季时能起到截污作用。

三口井中 S2 在 24h内处于稳定波动状态，与时间无明显关联,其余井均有一定关联性。S1在6:50 至 14:50 之间浓度较其余时间段高，该段时间为白天生产生活高峰期，用水量较大，可能存在部分污水进入雨水管中使其氨氮上升。S3在16:50至 23:50 时,氨氮逐渐从 10 mg 上升为 11 mg,此时段夜问餐饮废水增多，易从地面集水口中进入雨水管。S1、S3 两者在凌晨时段氨氮均有小幅下降，该时间段为生活用水低谷期，产生污染减少。同时监测小型降雨不发生溢流时截流井内水质监测，观察降雨2h内其变化，发现在降雨前期，氨氮浓度较稳定且部分点位出现上升，说明初期雨水存在一定污染,并未稀释井内水体,甚至加重污染在降雨中后段时，S1氨氮逐渐在雨水稀释下变低;S2由于井内浓度并不高，因此受雨水影响较小，呈波动状;S3井内浓度先下降后上升，可能是因为在雨水稀释下浓度下降，但汇水区域远处来水二次冲刷又带来污染。

3.2河道水质分析

从河道上中下 3个点位的旱季 24h 水质变化图及小型降雨不溢流水质图中看出,三点的氨氮浓度相差不大，基本低于 1.5 mgl，符合Ⅳ类水氨氨要求旱季时在 7:18 至 14:18 时段内，氨氮有所上升该区域内部无显著点源污染，可知氨氮浓度主要受上游来水影响，上游来水污染影响该区域氨氮水平。降雨时发现三点氨氮浓度更为接近，且随降雨时间增长有小幅下降，可知降雨时段内，河道流速增大，加速氨氮的对流扩散，使全河段浓度趋于统一值，降雨过程加长，使得河道水体被逐渐稀释，氨氮缓慢下降。

截流井控制策略

通过在线监测数据和降雨情况，得到在旱季与小型降雨不溢流时，污水管网能承载雨水管内流量，从而可以控制截流井中截流管闸开启，实现对旱季污水与初期雨水的截流。在降雨强度大时，井内水体最大程度被截流到截流管中，直到污水管网已不能承载雨水管流量，截流井开始溢流，每口截流井的溢流流量与水质均不相同，其对河道影响不同，因此需要根据井内水质与河道水质进行初步分析，进而调控相应截流管闸，改变各个截流井内溢流流量，减弱其对河道的污染，从而形成截流井控制策略

本文选取一次实际降雨来对其进行模拟，旨在说明调控截流管闸与 MIKE11 结合的可行性，模拟时间为实际降雨时间，数据均为该段时间实测数据，本次降雨中三口截流井的溢流情况见图5。

在未采取控制措施下，即截流管闸全开时对河道水质进行模拟，得到河道水质变化情况。通过变化情况，可知三口截流井对河道的污染影响程度，根据污染影响程度的不同，将影响程度最小的井的截流管闸关闭，即该处溢流量增大，使得其余井可进入污水管的流量增大，溢流量减小，推测该策略能使河道整体污染水平降低。模拟控制后的河道水质变化情况，将其与未控制的河道水质进行对比，对比结果见图 6。

从截流管闸全开河道纵断面氨氮模拟最高值曲线中看出，曲线中有两处高点，可知为 S1 和 S3 的溢流造成，两者对河道影响程度大，S2并无高点，可知其对河道影响较小,因此控制策略为关闭 S2 闸门。通过两者同一时刻河道氨氨变化中发现，调控后整个河段氨氮较未控制有所降低，氨氮上升速度减缓。污水闸全开时河道氨氮浓度最高达2.0 mg几调控后氨氮浓度最高降为 1.8mg，且调控后两个高点明显弱化，说明两者的溢流程度得到了缓解。

对河道污染影响减弱，河道水质得到改善

同时三口井内氨氮会随着降雨时间的增长而逐渐降低，当在线监测氨氮降为 1.5 mg几 以下时,即可控制闸门关闭，使雨水直排，减少污水管网负担。由上可知，设置截流管闸并对其进行相应调控能有效截流旱季与雨季不溢流时污染，并减轻溢流时对河道的污染。同理，在不同河道段和其他降雨情况下，基于前期数据获取，可以推得多个截流井溢流时的调控方案。

5 结语

(1)虽进行雨污分流改造，但城市雨水管内依旧残留污水，氨氮未达到直排标准，雨水管道末端设置截流井在旱季时能有效截流管内污水，实现旱季零直排。

(2)在雨量较小，截流井无溢流情况下，河道水质变化不大。井内氨氮受初期雨水影响在降雨前期出现稳定甚至升高现象，中后期井内氨氨受雨水稀释逐渐降低，但水质依然较差，截流井能截流该部分污水。

3)基于 MIKE11软件来分析雨季时截流井溢流对河道的影响，并根据前期调研截流井溢流情况。