目前我国的一些老城区由于历史的原因仍然采用合流制污水排水系统, 生活污水、工业废水和雨水混合在一条管渠内直接就近排入水体。从水环境方面看, 这是造成水污染的主要原因。因截流式合流制排水系统投资少, 改造相对容易, 所以我国通常采用截流式合流制排水系统来取代改造现有的老城区合流制排水系统。截流井作为截流式合流制排水系统中的重要构筑物, 常用的截流井形式有槽式、堰式、槽堰结合式。晴天时将污水全部截流送至污水处理厂, 雨天时城市旱流污水和初期雨水被截流, 超过截流井设计截流量的合流污水则通过溢流管直接排入水体^[1]。

　　 污水截流井的设计计算根据《合流制系统污水截流井设计规程》 (CECS 91:97) 按满流重力流计算。而在雨天溢流管发生溢流的情况下, 截流管内的合流污水为满流压力流, 截流井的实际截流量大于设计截流量, 这样不仅对截污干输送能力提出了挑战, 而且增大了污水处理厂的负荷, 影响了污水处理厂的正常安全运行。因此, 有必要对污水截流井进行优化设计。

　　 针对某实际工程案例, 根据《合流制系统污水截流井设计规程》 (CECS 91:97) 进行相关参数的设计计算。然后计算雨天溢流时截流井的实际工况下的相关参数, 通过比较分析得出污水截流井在设计中存在的问题。

　　 以黔东南某老城区为例, 其流域面积为1.5km², 相关计算参数见表1^[2]。

　　 通过人均设计污水量和区域内居住人口计算得到, 该汇水区内污水平均流量为31 500 m³/d (364.5L/s) 。再根据总变化系数得到污水设计流量为Q_h=528.5L/s, 设计雨水量Q_Y=ψqF=40.4m³/s, 总设计流量Q_Z=Q_h+Q_Y=40.929 m³/s。根据《合流制系统污水截流井设计规程》, 污水截流井的截流量按式 (1) 计算:

　　 式中Q———污水截流量, L/s;

　　 n₀———截流倍数, 取n₀=1~5;

　　 Q_h———合流管道内旱流污水设计流量, L/s。

　　 本案例中取n₀=1, 计算得到污水截流管的截流量为1 057L/s。

　　 根据《合流制系统污水截流井设计规程》中的相关设计方法计算各种形式堰的参数, 简单介绍3种形式截流井相关参数的计算方法。

　　 (1) 当污水截流管管径为300~600 mm时, 堰式截流井内堰高可按表2计算确定。

　　 (2) 当污水截流管管径为300~600 mm时, 槽式截流井的槽深、槽宽可按表3确定。

　　 (3) 槽堰结合式截流井槽深、堰高按下列步骤确定: (1) 根据实际工程条件确定槽深H′₂; (2) 假设H′₁/H′₂的比值, 按表4确定槽堰总高H; (3) 校核H′₁/H′₂, 否则应重复计算, 直至满足 (2) 中的比值条件; (4) 堰高H′₁=H-H′₂。

　　 按规程计算得到的3种形式截流井的设计参数见表5。

　　 分析计算结果, 当截流井的设计截流量一定时, 槽堰式截流井的总高最大, 堰式次之, 槽式最小, 并且其总高均远大于污水截流管的管径。雨天时溢流管发生溢流, 3种形式的截流井的实际工况如图1所示。图1中H₁为堰高, H₂为槽深。

　　 由图1可知, 在雨天溢流管发生溢流时, 槽堰式和堰式截流井由于堰高的影响而使上游合流管道出现壅水现象, 槽式截流井因为截流管管径远小于槽深使得截流管内水流由重力流变为压力流^[3]。因此3种形式的截流井的实际截流量均大于其设计截流量。

　　 雨天溢流时, 截流管内的水流处于满流压力流工况。有关研究表明, 将满流压力流等效为坡度增大的重力流, 两者流速相差不大^[4]。因此, 将压力流等效为坡度增大的无压流 (等效坡度=实际坡度+截流管起点水头/截流管长度) ^[5]。截流管长度为8m, 在雨天溢流时案例中截流井的实际工况下相关参数计算见表6。

　　 从表6中可以看出, 3种形式截流井的实际截流量均大于设计截流量。对于同一设计截流量, 当截流管的管径相同时, 槽堰式截流井的实际截流量较设计截流量的增大倍数最大, 堰式次之, 槽式最小。对于同一形式的截流井, 流量增大倍数与截流管的管径成正比, 因此采用小管径的截流管可以减小实际截流量。

　　 由上述分析可知, 槽式截流井实际截流量较设计截流量的增大倍数最小, 理论上应优先采用槽式截流井。但是槽式截流井在实际工程中采用的前提是截流管的管底标高要低于合流管的现状管底标高, 并且当合流管的断面较大时, 对其进行槽式截流会破环合流管的现有结构, 导致施工难度加大^[2]。同时, 当城市中的河道水位和洪水位较高时, 随着降雨量的增大, 槽式截流井内的污水量变化较大, 此时会发生污水外泄现象^[6]。考虑3种形式的截流井中, 堰式截流井对截污管道的埋深影响最小, 当地势较高, 不受内涝威胁时, 可采用堰式截流井^[7]。李胜海和许晓毅提出了堰式截流井的计算新方法^[8]。根据上述分析, 雨天发生溢流时, 由于堰高和堰上水头的双重作用使得截流管内水流变为满流压力流工况, 这是造成截流管的实际截流量大于设计截流量的主要原因。因此, 从以下两方面对堰式截流井进行优化。

　　 针对堰式截流井, 可以按式 (2) 来确定其堰高^[8]:

　　 式中H———堰式截流井堰高, m, 当堰高小于截流管管径时, H=截流管管径d;

　　 h———合流管道流量为截流管设计截流量时的水深, m;

　　 v———合流管道流量为截流管设计截流量时的流速, m/s。

　　 根据式 (2) 可知, 堰式截流井的堰高与合流管内的水深h和流速v有关, 可以从两方面进行计算优化: (1) 减小h值, 即采用大管径的合流管道; (2) 减小v值, 即尽可能采用粗糙系数大的管材; (3) 同时减小h值和v值。

　　 溢流堰的溢流量见式 (3) :

　　 式中Q_Y———通过溢流管的溢流量, m³/s;

　　 m———修正系数;

　　 b———溢流堰堰宽, m;

　　 H———堰上水头, m。

　　 根据式 (3) 可知, 在不减小溢流量Q_Y的情况下, 减小堰上水头H可以采用3种方法: (1) 增大m值, 即尽可能采用完全堰; (2) 增大b值, 即将堰设计成斜堰或侧堰的形式; (3) 同时增大m值和b值。

　　 目前合流制污水截流井存在的问题是实际截流量大于设计截流量, 因此必须减小截流井的实际截流量与设计截流量之间的误差, 保证截流井和后续处理构筑物的安全运行, 可以从4个方面进行优化: (1) 截流管的优化, 即减小截流管的实际截流量; (2) 溢流管的优化, 即通过增大溢流量同时减小截流管的实际截流量; (3) 截流系统的改进, 通过优化截流系统来减小截流井的实际截流量; (4) 合理选择截流倍数, 通过选择合适的截流倍数来减小实际截流量和设计截流量的误差。

　　 雨天时截流管内的水流为满流压力流工况, 可根据伯努力方程按短管自由出流计算截流管的实际截流量^[9]见式 (4) :

　　 式中Q———截流管实际截流量, m³/s;

　　 d———截流管管径, m;

　　 H———截流管上游自由水头, m;

　　 i———截流管坡度, %;

　　 λ———管道沿程阻力系数;

　　 l———截流管长度, m;

　　 ζ———局部阻力系数。

　　 根据式 (4) 可知, 当截流管的上游自由水头和截流管长度一定时, 通过减小截流管管径和增大截流管坡度可以有效减小截流管的实际截流量, 这和表5和计算结果相吻合。一般情况下, 截流管的长度较小, 增加坡度导致的埋深增大对造价的影响可以忽略不计。根据表5计算, 当截流管坡度由0.99%增加到8.6%时, 截流管的埋深仅仅增大了0.6m。

　　 增加溢流管的溢流量相当于从侧面减小了截流管的截流量。在溢流管埋深允许的条件下, 增大溢流管的管径和坡度可以有效增加溢流管的溢流能力。当溢流管的终点管底标高大于受体水位时, 增大溢流管的起点埋深也可增加溢流管的溢流能力。这样在雨天时溢流管能快速排除截流井内超出截流管截流量的合流污水, 使截流井内的水位降低, 从式 (4) 来看, 这就相当于减少了截流管的上游自由水头, 从而减小了截流管的实际截流量。

　　 在传统的截流式合流制截流系统中, 截流井通常位于合流干管的末端, 合流干管与截污干管共用截流井, 截流井位于两者的交汇处。

　　 对传统的截流系统进行改进, 在标高允许的情况下, 使截污干管位于合流干管的下方, 在截流井附近的截污干管上设置污水检查井, 污水检查井与截流井通过一根连接管相连。传统截流系统与改进后的截流系统见图2。

　　 如图2所示, 改进了的截流系统在控制截流量上具有显著作用, 可以通过改变连接管的管径来改变截流量。即可采用小管径的连接管来减小截流井的实际截流量。

　　 截流倍数n₀的确定目前并无成熟的方法, 通常根据经验选定。如果增大本案例中的截流倍数, 那么截流井的设计截流量随之增大。若截流倍数的选取合适, 那么截流井的实际截流量和设计截流量之间可以并无显著差异。国内外截流倍数的选取见表7^[6]。

　　 通过比较表7可知, 国外的截流倍数的选取一般要大于国内。究其原因有二:一是国外城市对河流的水质要求较高, 故选取较大的截流倍数使截流井截流更多的污水进行处理。而我国由于受经济等因素的限制, 往往选取较小的截流倍数;二是因为对污水流量预测不精确, 排水管尺寸不够^[10]。所以在设计截流井的污水截流量时, 可以适当选择较大的截流倍数, 使设计截流量与实际截流量更为接近, 以保证截污干管和污水处理厂的正常安全运行。虽然截流倍数的增大会导致工程建设费用与运行费用的增加, 但对水环境的改善具有积极作用。

　　 (1) 截流井的设计截流量一定时, 槽堰式截流井的总高最大, 堰式次之, 槽式最小, 并且其总高均远大于污水截流管的管径。在雨天溢流管发生溢流时, 3种形式的截流井的实际截流量均大于其设计截流量。

　　 (2) 对于同一设计截流量, 当截流管的管径相同时, 槽堰式截流井的实际截流量较设计截流量的增大倍数最大, 堰式次之, 槽式最小。

　　 (3) 对堰式截流井的计算方法进行了优化与讨论, 可以从减小堰高和减小堰上水头两方面来降低堰式截流井的实际截流量。

　　 (4) 从4个方面提出了截流井设计优化的具体工程化措施:减小截流管管径和增大截流管坡度;在溢流管埋深和终点标高允许的条件下增大溢流管的管径、坡度、埋深;改进截流系统, 在截污干管上新增污水检查井, 并使用一根连接管将截流井和检查井相连;适当选取较大的截流倍数。