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深圳茅洲河流域暗涵雨污分流改造实践

  导读:本文针对城市暗涵内排水口雨污混流严重的问题,以深圳市茅洲河流域某暗涵整治为例,从暗涵排口调查、排口分类及排口整治三个方向,介绍了暗涵雨污分流改造的实施方法,可为水环境治理、暗涵整治等相关工程提供设计思路和经验。
  暗涵作为城市中普遍存在的一种排水构筑物,是污水直排、雨污水混接错接的重灾区,也是排水系统改造的难点。在以往的工程项目中,为了确保暗涵中混流的污水不进入河道,常常采用暗涵末端设置总口截流的方式对污水进行收集。这种方法虽然在旱季有一定的作用,但是雨季时会有大量的污水溢流至河道中,并且降雨时雨水会通过截流管进入污水处理厂,对管道和污水处理厂造成冲击。为了落实提质增效方案,进一步提高污水收集率,杜绝污水直排和错接混接现象,本文以深圳茅洲河流域暗涵整治为例,介绍了相应改造的技术路线和工程实施效果,旨在为暗涵整治和排水管网提质增效相关工作提供可借鉴的案例。
  1.工程概况及暗涵现状
  1.1 现状暗涵主要问题
  大多数城市地下暗涵是由于城市地块开发过程中采用加盖硬化等人工措施对自然河道、沟渠进行改造而形成的排水渠道、涵洞。随着城市化的不断发展,越来越多的城市内河空间被侵占,河道逐渐失去自然生态断面而被改造为暗涵化河道,仅保留了基本的行洪能力。暗涵作为雨水行洪通道,在城市防洪排涝方面发挥着重要的作用,但其作为排水通道也存在诸多的问题。 
  (1)暗涵内排口调查难度大
  城市地下暗涵尺寸范围广,大到宽十余米、高三四米,小到宽和高在1m以内。相较于传统的市政排水管道来说,部分暗涵长距离没有检修口,其内部环境封闭,含有大量的有毒有害气体,在不采取必要的相关措施条件下,无法通过人工或CCTV检测等常规手段对暗涵内部进行排查,因此获取暗涵内部排口信息需要花费较大代价。
  
  图1 长距离地下暗涵无检修口
  (2)暗涵中污水横流影响下游河道水质
  城市地下暗涵往往分布于河道上游或两侧,属于河道水系范围的一部分,起到了汇集转输雨水的功能。但在实际情况中,城市地下暗涵除承接雨水以外,还可能包含了山溪水、地下水、墙壁渗水、污水等其它水体,其中污水的排放会直接影响暗涵下游的河道水质,使河道水体发生严重恶化,影响周边水环境质量。
  
  图2 暗涵内部污水横流影响下游河道水质
  (3)地下暗涵运维管理难度大
  暗涵相较于市政排水管道,上部覆土通常比较浅,并且部分暗涵距离建筑物比较近,使得暗涵两侧排水单元或建筑私接、乱接的现象非常严重。根据茅洲河流域管渠排查结果显示,暗涵的混接错接情况,要比雨水管道更加严重。地下暗涵由于结构相对封闭,因此当有污水流入暗涵时,很难第一时间发现和定位,给相关管理部门管养维护工作带来极大的挑战。 
  (4)部分建成区地下暗涵改造困难
  城市中自然河道通常有河道蓝线作为管理部门保护河道的依据,但河道上游或两侧的地下暗涵通常没有明确的保护范围,使得在城市地块开发过程中,有大量房屋沿涵两侧而建,甚至有在暗涵上部建设建筑物的情况,因此针对这一类暗涵在改造过程中实施难度很大。
  
  图3 部分暗涵两侧房屋污水直排入涵
  恢复城市地下暗涵的正常使用功能,确保污水不入涵,对暗涵排口实施雨污分流改造,是改善暗涵下游河道水质,提高区域污水收集率的重要方法之一。 
  1.2 工程概况
  茅洲河流域宝安段河道全长约19.71km,除干流外还包括潭头河、万丰河等18条支流,干支流合计总长度约96.56km。根据调查统计,与河道干支流直接相连的暗涵约有130余条,暗涵断面尺寸在1.0m×1.3m~16.0m×3.3m之间,合计总长度约101km。除了河道两侧和上游,部分河道干流本身也被市政道路覆盖成为暗涵化河道,例如,茅洲河某一级支流长度约为2.23km,其干流全部为暗涵,河道暗渠率为100%。在本项目实施前,根据对其下游入河口长期取样检测结果显示,2018年其河口氨氮浓度均值在14.7mg/L,其中在1月~3月和10月~12月的旱季,氨氮均值在16mg/L;在4月~10月的雨季,水闸开启,上游雨水下泄进茅洲河干流,雨水冲刷使得氨氮值略有下降,氨氮均值在11.38mg/L。暗涵水中溶解氧2018年均值为1.6mg/L左右,溶解氧含量旱季雨季差别不大。根据其水质检测结果显示该段暗涵长期处于重度黑臭状态。
  
  图4 某暗涵改造前河口氨氮及溶解氧含量情况
  为了进一步提升区域污水收集率,削减入河污染物,改善茅洲河水质,本项目中对约101km的暗涵进行了整治工作,制定了暗涵雨污分流改造技术路线并在工程中进行了应用。
  2.暗涵雨污分流改造技术路线
  暗涵雨污分流改造的第一步是对暗涵内部排放口进行调查和分类,本次在暗涵排放口调查阶段通过人工携带专业化设备,对暗涵内部排口及相关信息进行采集,再结合现状已有的资料收集对每个排放口进行初步分类。 
  在本项目中,除了常规的检测手段外,还利用了三维激光扫描仪辅助探测暗涵内部情况及排放口数据信息。三维激光扫描仪传统主要应用在隧道三维建模、工程变形监测等工程中,该技术也是首次应用在暗涵排口调查中。
  
  图5 三维激光扫描设备在暗涵排口调查中的应用
  近两年深圳大面积推行了住宅小区、工业厂区内部雨污分流改造,已基本实现了雨污分流管网的全覆盖。本次在暗涵排放口调查过程中发现,管网源头错接乱接导致的雨污混流排放口占暗涵中总排口的大多数。此类排放口是本次暗涵雨污分流改造的重点和难点,在以往的河道水环境整治项目中,常常忽视对于混流排放口的源头改造,仅在末端设置截流井或新建沿河截污管道来进行末端排口整治。这种方法虽然可以在旱季确保污水不入河,但雨季时,污水会溢流到暗涵中,对水体造成污染。并且,当河道水位较高时,还会存在河水倒灌回污水管的风险。 
  本项目针对雨污水混流排口,对其污染源进行了溯源排查。溯源排查过程中以暗涵两侧混流排放口为起点,向上游调查污染物来源,通过在污染源头制定改造方案以实现雨污分流的目的。根据本项目溯源排查结果显示,错接的污染源点通常以雨污混流立管、化粪池出水管以及污水排放到雨水箅子等情况为主。
  根据不同类型的暗涵排放口,本次整治过程中制定了分类改造方案。对于紧邻暗涵的污水直排口,主要通过末端封堵,就近接入市政污水管为主;对于有污水混接的雨水排口,根据溯源调查结果,在源头对污染源进行纠正,保留现状排放口。对于合流制的溢流排放口主要通过扩大相应的截流倍数、减小溢流频次等方法对其进行改造。除此之外还有诸多其他类型的污水入涵情况,如沿涵两侧商户通过雨水箅子乱排乱倒,对于这部分主要通过管理或执法手段要求其规范化排水。 
  在暗涵排查过程中还会存在由于暗涵破损或结构性缺陷造成的两侧渗水等情况,针对这种情况建议根据暗涵损坏程度制定相应的暗涵修复或局部改造方案,确保地下水或两侧墙体渗水尽量不进入到暗涵中。待暗涵内排放口改造完毕并且局部暗涵渗漏或缺陷整治完成后,需要对最终保留的雨水排放口进行数据建档,方便后续运维管理。本次暗涵雨污分流改造技术路线如图6所示。
  
  图6 暗涵雨污分流改造技术路线
  3.暗涵雨污分流改造实践
  3.1 暗涵排口调查
  在排放口调查阶段需要对暗涵内部各类排放口的尺寸、位置、竖向标高以及是否有水排出、排口水质、水量等信息进行统计,其中水质可根据具体情况选择合适的指标来指示流水类型,本次选取氨氮值作为水质检测特征值,再通过调查数据信息、周边管线探测结果以及现场调研,综合对暗涵排口类型进行判定,部分暗涵排口调查详见表1。通过排放口调查成果结合已有管网数据将排放口与管网资料进行数据校对。校对后如有管线信息缺失的情况需要进行补充测量,确保将暗涵两侧排口的岸上管线信息补充完整,为后续制定暗涵排口雨污分流改造方案提供准确的数据信息。
  表1 某暗涵排口调查部分信息
  
  以1条暗涵为例,某河道上游暗涵长度约1 km,断面尺寸在1.5m×2.0m~2.7m×2.1m之间,根据排查成果显示,此暗涵排放口总数为136个,其中排查时有水流出的排放口有45个,根据水质检测结果显示,其有水流的排口,氨氮浓度大于20mg/L排口有37个。根据管径分布,排放口管径≤300mm的有98个,管径在300~600mm的有36个,管径大于1000mm的有1个,具体管径分布详见表2。根据排放口调查结果、检测水质以及已有管线资料对排放口进行判定,在45个有水流出的排放口中,排水户污水直排的排放口有22个,雨水管混流污水的排口23个,排口分布详见图7。
  表2 某暗涵排口调查情况
  
  图7 暗涵内排口分布平面图
  3.2 暗涵排口雨污分流改造
  根据改造技术路线,本次改造的总体思路是将现状暗涵作为雨水通道,对于污水直排和雨污混接的污染源从岸上进行雨污分流改造,针对不同类型的排放口制定有针对性的整治方案,做到分类整治、精准治污。根据对本条暗涵排放口调查结果,将该段暗涵内排放口分为三类。
  (1) 沿涵污水直排口改造
  此类排放口多为小管径的出户管、化粪池出水管或者暗涵旁高层建筑的立管,以小管径管道为主。对这一类型的排放口,此次改造中在暗涵内部对其进行封堵,并在临涵的一侧新建污水管道将污水接入到市政污水管中。如图8,暗涵某一段有连续4个污水直排口接入到暗涵内部中,通过在岸上新建污水管道,将4个排放口串联接入道南侧市政路污水管中。
  
  图8 污水直排口及改造设计方案
  (2) 混流排口改造
  在本次暗涵整治改造中对于现状为雨水排口有污水混入的情况,采取源头整治的办法,保留现状排口,在污染源头对污水错接点进行纠正。例如编号为DSWC-44-L-ZH2-R-08的排放口,根据排口调查结果,此排放口管径为800mm,排放口中有水流出且氨氮指标在10mg/L以上,初步判定有污水混入雨水管。通过岸上管线探测及现场排查发现,此排放口为暗涵东侧住宅小区的道路雨水排放通道,小区中有化粪池出水管错误的接入到该段管道中,针对DSWC-44-L-ZH2-R-08的排放口,保留其雨水排放功能,在小区内部将上游化粪池就近改道接入小区内污水管道中。
  
  图9 混流排放口照片及改造方案设计
  (3)雨水排口改造
  针对现状暗涵中没有污水流出的雨水排放口,一般保留现状排口。针对面源污染较严重的区域,结合现场实际条件及下游管道承接能力,可选择设置雨水限流弃流设施或雨水调蓄池。除了上述排口类型之外,还存在诸如合流制排口溢流、已改造排口渗水等其他类型排口有水流出的情况,需要根据实际情况制定合理的改造方法。 
  3.3 整治效果
  针对该段暗涵,本次对其45个有水流出的问题排口进行了改造,将暗涵内的22个污水直排口进行了封堵就近接入市政污水管;对雨污混流的23个排水口通过污染源溯源在上游进行整治,改造后暗涵总雨水排口数为114个。根据长期暗涵末端取样,结果如图10所示。
  
  图10 暗涵排口改造后河口氨氮和溶解氧变化情况
  本项目实施时间为2019年中旬,通过水质长期检测结果显示,自项目实施以来氨氮浓度逐月出现下降趋势,在2019年上半年氨氮均值为15.7mg/L,2019年下半年均值为4.36mg/L,其中后2个月均值为1.98mg/L。溶解氧自2019年以来均值有所上升,2020年溶解氧均值在3.4mg/L,2018年均值为1.63mg/L。2020年以来氨氮在1~3月份均值浓度为0.71mg/L,4月份进入雨季以来略有上升,氨氮均值浓度为1.66mg/L左右,但总体均值均维持在2.0mg/L以内,基本实现黑臭水体的消除。结合排水口水量数据预测,改造后周边地区新增加污水收集量约700m3/d。该段3.3km长的暗涵排口整治合计新建管道约650余米,合计投资不到200万,但排口整治前置工程如暗涵淤泥清除、安全检修孔设置等投资较大,该段暗涵排口整治工程投资约占到暗涵整治总投资的20%左右。
  4.总结
  暗涵作为城市河道的重要排水构筑物,是水环境治理中的“硬骨头”。通过对暗涵进行雨污分流改造,可以进一步提高市政管网的污水收集率,削减了入河污染物,改善水环境质量。在同类型项目改造过程中应重点关注以下几点问题: 
  (1)暗涵分流改造的第一步也是最重要的一步,就是对现状暗涵内排放口进行调查和类型判定,暗涵整治前需要重视现状排口调查工作。建议结合现场调查、排口水质水量检测数据、现有管线资料以及物探信息综合判定排放口类型,为后续方案制定打下基础。
  (2)由于暗涵内作业具有一定的安全风险,暗涵排口排查和排口改造过程中需要严格做好安全保障工作,制定专项安全应急预案,杜绝意外发生。 
  (3)城市暗涵分布面广,情况复杂难预测,部分地区即使确定排放口及上游管道类型,仍然没有雨污分流改造的条件,针对复杂情况应综合考虑整治方案,做到近远期结合,最大程度地将污水在源头进行接驳。 
  (4)暗涵中雨污水混流排口的污染物溯源是暗涵分流改造的难点,通常需要花费较大的人力物力,在实施过程中应制定合理的溯源方法和模式,有条件的地区在暗涵整治过程中建议将上游雨水管道进行系统检测,使得整治工作更加系统。
  本文的完整版刊登在《中国给水排水》2021年第6期,作者:邵宇航、楼少华、唐颖栋、吕权伟、宋卓霖,单位:中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司。