城市排水體制是指收集和輸送雨、污水的方式，一般分為合流制和分流制兩種形式。合流制將雨水和污水合流用同一管道輸送至污水處理廠處理，由于污水處理廠和管網(wǎng)的限制，往往采用截流式合流制，并在截流管上設(shè)置截流井四，但受限于截流倍數(shù)依然有大量雨污混合水溢流到水體。因此新建城市一般采取分流制，分流制為雨水和污水各設(shè)管道，污水進(jìn)入污水處理廠，雨水則直排入到河道中2]。由于雨污管道錯(cuò)接、混接、亂排等問題雨水管內(nèi)流入污水[3-4,加之初期雨水污染嚴(yán)重，直排水體會(huì)造成嚴(yán)重污染。在雨水管渠末端增設(shè)截流井，將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報(bào)道[-3]。但由于缺乏溢流水質(zhì)和流量數(shù)據(jù)，沒有排入水體的水質(zhì)影響分析41，不能準(zhǔn)確設(shè)置和控制。本研究提出在岸邊雨水管設(shè)置截流井，在截流井內(nèi)裝備水質(zhì)和流量在線監(jiān)測(cè)儀，在河道裝備水質(zhì)、水流速度和液位在線監(jiān)測(cè)儀，采用MIKE11 模型軟件分析過(guò)程數(shù)據(jù)和模擬[5-7,評(píng)價(jià)截流和溢流水質(zhì)水量，形成截流井控制策略，以減少對(duì)河道水質(zhì)影響。

1 截流井和監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)置

1.1 岸邊截流井設(shè)置

本次研究區(qū)域?yàn)槿帐兄鞒菂^(qū)內(nèi)的部分河段全長(zhǎng) 310m，南北走向，地處亞熱帶區(qū)域，年降雨量在1400~2 000mm，最大徑流量出現(xiàn)在5至9月。河寬為 20~30 m，河道平緩，流速低，河道常水位 3.0 m，水深常年穩(wěn)定在 1.5 m左右，河道東岸人口密集，以住宅區(qū)和餐飲行業(yè)為主。河道東岸沿河鋪設(shè)截污管道，東岸管徑800mm，管道流向由北向南。雨水管由市區(qū)內(nèi)通向河道，通過(guò)管道末端設(shè)置截流井連接河道排口，見圖1。

共設(shè)置有三口截流井P1、P2、P3，位于河道東岸，埋深分別為 3.00、2.12、2.31 m，離雨水排口距離為 5~20 m，為該區(qū)域內(nèi)部主要污染源入口。截流井的構(gòu)造如圖2所示。并內(nèi)設(shè)有一定高度的堰墻，進(jìn)水可通過(guò)截流管進(jìn)入附近的污水檢查井或溢流進(jìn)入河道。截流管上設(shè)置可啟閉的截流管閘。當(dāng)截流管閘開啟，污水管道系統(tǒng)有足夠的過(guò)流能力時(shí)，進(jìn)水可截流進(jìn)入污水管道系統(tǒng)。截流管閘關(guān)閉或污水管道系統(tǒng)過(guò)流能力不足時(shí)，進(jìn)水則沒過(guò)堰墻溢流進(jìn)入河道。

通過(guò)設(shè)置該截流井，可將旱季污水、初期雨水以及降雨中后期水質(zhì)較差的水體截流進(jìn)入污水管網(wǎng)，并在雨季溢流時(shí)可對(duì)截流管閘進(jìn)行相應(yīng)調(diào)控，減小其對(duì)河道的污染。

1.2監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)置

根據(jù)該河段基本水文信息，為綜合反應(yīng)河道水質(zhì)，選取該河段上中下游布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為R1、R2、R3。R1位于河段上游。作為輸人端，R2設(shè)置在該河段沿流向150m處，反映河道中段水質(zhì)，R3則位于河段出流處，作為輸出端。在河道監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)置水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)裝置，承載氨氮傳感器、流速計(jì)和液位計(jì)，數(shù)據(jù)直接上傳至網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)傳感器置于水面下 80cm 處，采用底部錨固定方式，用繩子將錨與岸邊連接。采用11W太陽(yáng)能板配合60 AH 免維護(hù)鋰電池組合的供電。

在三口截流井內(nèi)均設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)(S1-S3)，S1-S3分別對(duì)應(yīng) P1-P3，監(jiān)測(cè)設(shè)備根據(jù)井內(nèi)水位不同，分別置于水下 5cm 處，設(shè)置氨氮傳感器，獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)直接上傳至網(wǎng)絡(luò)，邊緣控制器置于防水電器盒內(nèi)，懸掛于截流井口的螺釘。并對(duì)堰墻進(jìn)行改造，安裝過(guò)水監(jiān)測(cè)器，根據(jù)程序內(nèi)部公式設(shè)定和堰墻固有參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到溢流流量，獲取截流井內(nèi)部水質(zhì)情況及溢流情況。點(diǎn)位鋪設(shè)見圖1。

通過(guò)截流井和河道在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同截流管閘進(jìn)行智能化調(diào)控，更加精確的識(shí)別雨污水及對(duì)河道的影響程度。

水質(zhì)模擬方法

以調(diào)研資料與在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選用MIKE11 模擬軟件建立研究區(qū)域的一維水力學(xué)模型，模擬雨季截流井溢流對(duì)河道水質(zhì)影響，從而調(diào)控截流管閘實(shí)現(xiàn)溢流排污的優(yōu)化。

根據(jù)該研究區(qū)域的基本水文水質(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建水動(dòng)力模塊和對(duì)流擴(kuò)散模塊，基于ArcGIS 以形狀格式生成的水系文件和研究區(qū)域的實(shí)際情況，遵循實(shí)際河網(wǎng)輸水能力、調(diào)蓄能力等保持一致原則，對(duì)該河段進(jìn)行概化。河道斷面以實(shí)測(cè)斷面為主，共設(shè)置5個(gè)斷面，上下邊界條件以上下游在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為主，并根據(jù)截流井雨水排口位置設(shè)置點(diǎn)源污染邊界條件，S1、S2、S3距上游距離分別為90、210、260m。輸人數(shù)據(jù)以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和模擬后為主。

為使模型計(jì)算精度更高,需要對(duì)河床糙率、護(hù)散系數(shù)及污染物降解系數(shù)進(jìn)行率定，本次模擬參照相近河流調(diào)查成果，率定得到河床糙率(曼寧系數(shù))為 0.03，擴(kuò)散系數(shù)為10 m/s，氨氮衰減系數(shù)為 0.10 d-!

3 旱季與小型降雨不溢流時(shí)水質(zhì)分析

3.1 截流井水質(zhì)分析

通過(guò)對(duì)5日旱季截流井水質(zhì)連續(xù)24h的監(jiān)測(cè):發(fā)現(xiàn)旱季時(shí) S1、S2、S3 對(duì)應(yīng)于三口井的時(shí)均氨氮濃度達(dá) 6.4、3.0、10.1mg幾，可知，三口井內(nèi)均有不同程度的污水進(jìn)人，無(wú)法達(dá)到直排標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明該區(qū)域雨污分流改造存在問題，依然有污水流人雨水管中。三口井均未發(fā)生溢流，可知截流井內(nèi)水體從截流管中流走，截流并在旱季時(shí)能起到截污作用。

三口井中 S2 在 24h內(nèi)處于穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)，與時(shí)間無(wú)明顯關(guān)聯(lián),其余井均有一定關(guān)聯(lián)性。S1在6:50 至 14:50 之間濃度較其余時(shí)間段高，該段時(shí)間為白天生產(chǎn)生活高峰期，用水量較大，可能存在部分污水進(jìn)入雨水管中使其氨氮上升。S3在16:50至 23:50 時(shí),氨氮逐漸從 10 mg 上升為 11 mg,此時(shí)段夜問餐飲廢水增多，易從地面集水口中進(jìn)入雨水管。S1、S3 兩者在凌晨時(shí)段氨氮均有小幅下降，該時(shí)間段為生活用水低谷期，產(chǎn)生污染減少。同時(shí)監(jiān)測(cè)小型降雨不發(fā)生溢流時(shí)截流井內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，觀察降雨2h內(nèi)其變化，發(fā)現(xiàn)在降雨前期，氨氮濃度較穩(wěn)定且部分點(diǎn)位出現(xiàn)上升，說(shuō)明初期雨水存在一定污染,并未稀釋井內(nèi)水體,甚至加重污染在降雨中后段時(shí)，S1氨氮逐漸在雨水稀釋下變低;S2由于井內(nèi)濃度并不高，因此受雨水影響較小，呈波動(dòng)狀;S3井內(nèi)濃度先下降后上升，可能是因?yàn)樵谟晁♂屜聺舛认陆?，但匯水區(qū)域遠(yuǎn)處來(lái)水二次沖刷又帶來(lái)污染。

3.2河道水質(zhì)分析

從河道上中下 3個(gè)點(diǎn)位的旱季 24h 水質(zhì)變化圖及小型降雨不溢流水質(zhì)圖中看出,三點(diǎn)的氨氮濃度相差不大，基本低于 1.5 mgl，符合Ⅳ類水氨氨要求旱季時(shí)在 7:18 至 14:18 時(shí)段內(nèi)，氨氮有所上升該區(qū)域內(nèi)部無(wú)顯著點(diǎn)源污染，可知氨氮濃度主要受上游來(lái)水影響，上游來(lái)水污染影響該區(qū)域氨氮水平。降雨時(shí)發(fā)現(xiàn)三點(diǎn)氨氮濃度更為接近，且隨降雨時(shí)間增長(zhǎng)有小幅下降，可知降雨時(shí)段內(nèi)，河道流速增大，加速氨氮的對(duì)流擴(kuò)散，使全河段濃度趨于統(tǒng)一值，降雨過(guò)程加長(zhǎng)，使得河道水體被逐漸稀釋，氨氮緩慢下降。

截流井控制策略

通過(guò)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和降雨情況，得到在旱季與小型降雨不溢流時(shí)，污水管網(wǎng)能承載雨水管內(nèi)流量，從而可以控制截流井中截流管閘開啟，實(shí)現(xiàn)對(duì)旱季污水與初期雨水的截流。在降雨強(qiáng)度大時(shí)，井內(nèi)水體最大程度被截流到截流管中，直到污水管網(wǎng)已不能承載雨水管流量，截流井開始溢流，每口截流井的溢流流量與水質(zhì)均不相同，其對(duì)河道影響不同，因此需要根據(jù)井內(nèi)水質(zhì)與河道水質(zhì)進(jìn)行初步分析，進(jìn)而調(diào)控相應(yīng)截流管閘，改變各個(gè)截流井內(nèi)溢流流量，減弱其對(duì)河道的污染，從而形成截流井控制策略

本文選取一次實(shí)際降雨來(lái)對(duì)其進(jìn)行模擬，旨在說(shuō)明調(diào)控截流管閘與 MIKE11 結(jié)合的可行性，模擬時(shí)間為實(shí)際降雨時(shí)間，數(shù)據(jù)均為該段時(shí)間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本次降雨中三口截流井的溢流情況見圖5。

在未采取控制措施下，即截流管閘全開時(shí)對(duì)河道水質(zhì)進(jìn)行模擬，得到河道水質(zhì)變化情況。通過(guò)變化情況，可知三口截流井對(duì)河道的污染影響程度，根據(jù)污染影響程度的不同，將影響程度最小的井的截流管閘關(guān)閉，即該處溢流量增大，使得其余井可進(jìn)入污水管的流量增大，溢流量減小，推測(cè)該策略能使河道整體污染水平降低。模擬控制后的河道水質(zhì)變化情況，將其與未控制的河道水質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見圖 6。

從截流管閘全開河道縱斷面氨氮模擬最高值曲線中看出，曲線中有兩處高點(diǎn)，可知為 S1 和 S3 的溢流造成，兩者對(duì)河道影響程度大，S2并無(wú)高點(diǎn)，可知其對(duì)河道影響較小,因此控制策略為關(guān)閉 S2 閘門。通過(guò)兩者同一時(shí)刻河道氨氨變化中發(fā)現(xiàn)，調(diào)控后整個(gè)河段氨氮較未控制有所降低，氨氮上升速度減緩。污水閘全開時(shí)河道氨氮濃度最高達(dá)2.0 mg幾調(diào)控后氨氮濃度最高降為 1.8mg，且調(diào)控后兩個(gè)高點(diǎn)明顯弱化，說(shuō)明兩者的溢流程度得到了緩解。

對(duì)河道污染影響減弱，河道水質(zhì)得到改善

同時(shí)三口井內(nèi)氨氮會(huì)隨著降雨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸降低，當(dāng)在線監(jiān)測(cè)氨氮降為 1.5 mg幾 以下時(shí),即可控制閘門關(guān)閉，使雨水直排，減少污水管網(wǎng)負(fù)擔(dān)。由上可知，設(shè)置截流管閘并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)調(diào)控能有效截流旱季與雨季不溢流時(shí)污染，并減輕溢流時(shí)對(duì)河道的污染。同理，在不同河道段和其他降雨情況下，基于前期數(shù)據(jù)獲取，可以推得多個(gè)截流井溢流時(shí)的調(diào)控方案。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)雖進(jìn)行雨污分流改造，但城市雨水管內(nèi)依舊殘留污水，氨氮未達(dá)到直排標(biāo)準(zhǔn)，雨水管道末端設(shè)置截流井在旱季時(shí)能有效截流管內(nèi)污水，實(shí)現(xiàn)旱季零直排。

(2)在雨量較小，截流井無(wú)溢流情況下，河道水質(zhì)變化不大。井內(nèi)氨氮受初期雨水影響在降雨前期出現(xiàn)穩(wěn)定甚至升高現(xiàn)象，中后期井內(nèi)氨氨受雨水稀釋逐漸降低，但水質(zhì)依然較差，截流井能截流該部分污水。

3)基于 MIKE11軟件來(lái)分析雨季時(shí)截流井溢流對(duì)河道的影響，并根據(jù)前期調(diào)研截流井溢流情況。