我国在城市化建设过程中内涝频发, 对此可采取扩大管径来提高排水能力, 但一味扩大雨水排水系统设计标准, 可能会造成因上游排水管网扩建, 使得下游排水管网中薄弱的环节产生顶托等问题^[1]。而通过设置雨水池, 将降雨过程中超出设计标准的雨量暂时储存起来, 待降雨强度减小后, 再输送排放, 较好地解决了投资与规模矛盾的问题, 尤其适用于系统建成后需要再提高标准的地区^[2]。国内进行了大量雨水池相关研究, 包括在雨量公式的统计方法, 雨水池在合流制溢流控制中的作用, 并进行了有效容积及放空时间计算的研究^[3~5], 及其在初期溢流污染削减中所起的作用^[6]。然而在雨水池设计中, 如何根据雨水池功能目标进行雨水池的位置布局以及控制雨水池的进水方式, 从而达到不同的雨水控制目标, 却少见研究。

城市管网设计是依据降雨重现期为标准进行城市降雨雨型设计, 通过设计降雨雨型产生的地表径流来进行管段直径等参数设计。由降雨过程线生成地表径流流量过程线为设计情况下的地表产流过程, 雨水池的设计原理即是通过对城市地表径流流量过程的控制来达到其设计目的。

在雨水池设计中以控制流量过程线为例, 来说明不同种类的雨水池设计与流量过程线之间的关系。以图1为例, 当进行初期污染防治设计时, 雨水池收集的雨水为初期高浓度污染雨水, 用图中V₁部分的降雨体积表示;当进行雨水回收利用时, 雨水池收集的雨水为较干净雨水, 用图中V₂部分的降雨体积表示;当进行城市内涝防治时, 雨水池收集的雨水为降雨高峰期间的超标雨水, 用V₃部分的降雨体积表示。

对于雨水池设计中溢流堰的设计, 以水力学中堰流公式为基础, 将其应用在排水管网设计中。溢流堰的堰流公式如式 (1) 所示。

式中Q_堰———堰过流流量, m³/s;

C_w———堰流系数;

L———堰长, m;

H———堰高, m。

降雨形成的地面径流流量为Q_t, 最大设计超标径流流量为Q_max, 管网设计过流能力为Q_管, 要控制超标降雨所形成的地面内涝现状, 需要将超出Q_管的径流通过堰排入雨水池中, 因此得到式 (2) :

雨水池的位置选择与其所要确定的功能息息相关, 雨水池功能的准确定位决定了雨水池应该选择的位置。不同功能的雨水池布置位置选择见表1。

以下是对城市排水工程中常见的雨水池设计功能的描述性分析, 主要归为5种不同的类型。

(1) 源头高峰雨水削减。通过分布式的截留及生物滞留措施暂时储存雨水, 再配合城市雨水管道控制雨水径流量和洪峰流量^[7], 可采用雨水池进行源头高峰雨水削减, 从上游开始分散减少高峰雨水来达到内涝防治的目的。其源头选择如图2所示, 在n₁, n₂、n₃直到nm处设置雨水池, 控制高峰雨水出流, 降雨高峰过后再通过重力流的方式排放到下游管网。在海绵城市建设过程中, 可以有效利用源头雨水调节池及其入流堰的设计, 控制高峰雨水流入雨水池, 防止城市内涝的发生。

(2) 初期雨水污染防治。初期雨水污染防治蓄水池设计, 一般设置在管网前端, 在雨水排入城市雨水管网系统之前将初期高污染雨水截流, 而后期污染浓度低的雨水进入雨水管网排放。通过将初期高浓度污染雨水排放到污水处理厂或自行处理, 对处理后的雨水进行雨水利用或排入河流, 来达到全面控制地表径流污染的目的。

(3) 局部管网提标。在管网布局中由于所在区域安全性要求不同而采取不同的管网设计标准时, 可能出现上游管网标准过高, 而中间或下游管网标准偏低的问题。此时由于中间或下游管网排水能力的不足, 其上游的设计标准就因为其下游排水能力限制而被迫降低, 不能达到所要求的安全性能。对于上述问题, 可以采取在局部排水受限地区设置雨水池调节池, 进行入流堰设计, 控制上游设计标准内而超过中间或下游设计标准的雨水进入雨水池调节池, 即在局部区域提高了雨水管网标准。

(4) 内涝防治。城市排水工程中雨水口和检查井都设置在道路之上, 源头区域产生的地表径流只能通过道路才能进入雨水管网, 超标的暴雨径流一般都聚集在道路之上, 当积水超过一定标准即形成内涝^[7]。雨水调节池可排除城市地面低洼地区聚集形成内涝风险的超标雨水。因此可在地势低、内涝风险高、危害性大的地区布置雨水池。

(5) 合流制溢流控制。早期城市建设中的合流制管网, 雨水与污水混合直接排入河流, 给河流造成了巨大的污染, 后来采用在河流入口处设计截流管的方法, 截流旱天污水, 排入城市污水处理厂, 以减轻河流污染问题。在雨天由于管网流量增大, 超过截流管流量, 即发生合流制溢流污染问题, 其中截流管雨水截流倍数受到污水处理厂的限制, 不能过高, 不然在雨天会由于流量的突然大量增加, 给污水处理厂造成冲击, 破坏污水厂原有的正常污水处理过程。过低的截流倍数仍导致河流污染问题十分严重, 因此可设置截流的雨水池, 在降雨过程中, 合流污水通过堰流装置进入雨水池中, 在降雨后缓慢排入污水处理厂, 这样就可以大大提高雨水截流倍数, 既减轻河道污染, 又不会破坏污水处理厂的正常运行。雨水池位置布局如图3所示。

对雨水池功能进行定位之后, 如何实现雨水池的功能成为雨水池设计的主要问题。下面分别对上述5个功能定位进行雨水池入流控制分析。

设计中, 通过在源头对高峰雨水进行有效削减来控制城市内涝发生, 雨水调节池要想起到源头削峰作用, 就需要保证在较小降雨强度下, 管网排水能力范围内的雨水不进入雨水池, 只有当降雨强度超过设定标准时候才进入雨水池中。以小区为源头节点为例, 我们假设小区出流管段满流时是设计允许的最大出流, 即超过满流时刻的降雨强度为高峰雨水, 通过入流堰使得超标雨水全部进入雨水池中实现雨水的高峰削减作用。雨水入流控制如图4所示。

初期雨水污染防治蓄水池设计需要控制降雨初期高浓度污水外排, 因此要保证进入蓄水池的雨水为初期污染浓度较高的雨水, 后期污染浓度降低的雨水不再进入雨水池中, 而是通过雨水管道排入市政管道。入流控制如图5所示。

局部管网标准提高的主要目的是改善因为局部管网标准较低, 排水能力不足而造成上游正常排水受到限制的问题。因此雨水池接收的雨水为上游排水标准之内因局部排水能力受到限制无法顺利排除的部分雨水, 在后期降雨强度减小时可通过同一管道将雨水排除。在管网提标设计中, 管网满流后即形成压力流, 可在一定程度上加快流速使得管网排水能力较满管流有所提高, 溢流堰的初始溢流水位越高, 管网排水能力越大, 雨水池所需调蓄容积越小, 此时可根据溢流量大小尽可能提高初始溢流高度。排水溢流堰入流控制如图6所示。

对于城市内涝防治, 设置雨水调节池有两种途径, 一种是与城市排水管网连接, 雨水通过在溢流井处设置入流堰进入雨水调节池, 其中入流控制与提高局部管网标准的布置类似, 只是在入流堰的设计规模有所差异, 需要经过具体模型计算确定;另一种是不与排水管网连接, 直接从地面通过入流堰将雨水排入雨水调节池。这两种途径取得的效果有所差异, 所需的调节容积亦会差别很大。与排水管网连接可以在一定程度上等同于提高连接处排水管网的排水能力, 使得低洼内涝风险地区在设计条件下地面少积水甚至是不积水。而从地面设计入流堰控制雨水流入雨水调节池, 是当地面积水达到一定程度后, 再将雨水流入雨水调节池中, 保证地面积水不超过规定的标准, 不对交通和人民生活安全造成影响, 这种情况下是控制积水深度, 在地面积水达到一定规模后开始入流, 而在入流时道路已经承担了一部分的调蓄规模, 因此这种方法会减小雨水池所需规模。通过在地面设计入流堰使得雨水进入雨水池的入流设计如图7所示。

合流制溢流控制雨水池, 是按照设计的雨污截流比, 将超过截污管截流部分的混合污水通过溢流装置排入雨水池中, 保证在一定降雨强度之下, 合流制管道不外排污水, 截留到的混合污水在降雨后仍送至污水处理厂进行处理。截流雨水池处入流控制如图8所示。

雨水池设计作为城市排水系统设计的一部分, 在控制城市内涝和雨水污染防治等多个方面有着重要作用。通过对雨水池的功能进行定位划分, 并针对雨水池功能选择确定雨水池的布局位置, 进而对雨水池入流控制方式进行设计, 使得雨水池的设计更加精准。本文详细分析了雨水池的设置目的, 在清晰的功能定位基础之上, 进行雨水池设计能够更利于雨水池发挥其相应功能, 而不会由于功能定位的不清晰导致雨水池设计功能失效。