合流制排水管渠系统-给排水管道工程技术简介

合流制管渠系统是将生活污水、工业废水和雨水汇集到同一管渠内排除的管渠系统。根据混合污水的处理和排放的方式，分直泄式和截流式合流制两种。由于直泄式合流制严重污染水体，因此新建排水系统不易采用。故本节只介绍截流式合流制管渠系统。

2.4.5.1　截流式合流制管渠系统的工作情况与特点

截流式合流制管渠系统是在临河敷设的截流管上设置溢流井并收集来自上游或旁侧的生活污水、工业废水及雨水，截流管中的流量是变化的。晴天时，截流管以非满流将生活污水和工业废水送往污水处理厂处理，然后排入到自然水体。雨天时，随着雨水量的增加，截流管以满流将生活污水、工业废水和雨水的混合污水送往污水处理厂处理。当雨水径流量继续增加到混合污水量超过输水管的设计输水能力时，超过部分通过溢流井溢流到河道，并随雨水径流量的增加，溢流量也增大。当降雨时间继续延长时，由于降雨强度的不断减弱，溢流井处的流量减少，溢流量减少。最后，混合污水量又重新等于或小于截流管的设计输水能力，溢流井停止溢流。图2.4.20为截流式合流制管渠系统示意图。

从上述管渠系统的工作情况可知，截流式合流制管渠系统，是在同一管渠内排除所有的污水到污水处理厂处理，从而消除了晴天时城市污水及初期雨水对水体的污染，在一定程度上满足环境保护方面的要求。但在暴雨期间，则有部分带有生活污水和工业废水的混合污水通过溢流井溢入水体，造成水体周期性污染。另外，由于截流式合流制管渠的过水断面很大，而在晴天时流量很小，流速低，往往在管底形成淤积，降雨时雨水将沉积在管底的大量污物冲刷起来带入水体形成严重的污染。

2.4.5.2　截流式合流制管渠系统的适用条件

由于合流制排水系统管线单一，总长度减少，管道造价低，尽管合流制的管径和埋深增大，且泵站和处理厂造价比分流制高，但合流制的总投资仍偏低。通常在下述情形下可考虑采用合流制：

（1）排水区域内的水体水源丰富，水量充沛，其流量和流速都足够大，一定量的混合污水排入后对水体造成的污染危害程度在允许的范围以内。

（2）街区和街道的建设比较完善，而街道横断面又较窄，管道的设置位置受到限制，可考虑选用合流制。

（3）地面有一定的坡度倾向水体，当水体处于高水位时，岸边不受淹没。污水在中途不需要泵站提升。

（4）特别干旱的地区。

（5）水体卫生要求特别高的地区，污、雨水均需要处理。

在考虑采用合流制管渠系统时，首先应满足环境保护的要求，即保证水体所受的污染程度在允许的范围内，同时结合当地城市建设及地形条件合理地选用。

2.4.5.3　截流式合流制管渠系统的布置

截流式合流制管渠系统除应满足管渠、泵站、处理厂、出水口等布置的一般要求外，还需满足以下要求：

（1）管渠的布置应使所有服务面积上的生活污水、工业废水和雨水都能合理地排入管渠，并尽可能以的最短距离坡向水体。

（2）沿水体岸边布置与水体平行的截流干管，在截流干管的适当位置上设置溢流井，使超过截流干管设计输水能力的那部分混合污水能顺利地通过溢流井就近排入水体。

图2.4.20　截流式合流制管渠系统示意图

①—合流管道；②—截流管道；③—溢流井；④—出水口；⑤—污水处理厂

（3）必须合理地确定溢流井的数目和位置，以尽量减少对水体的污染，减少截留干管的尺寸和缩短排放渠道的长度以降低造价。从对水体的污染情况看，合流制管渠系统中的初雨水虽被截留处理，但溢流的混合污水总比一般雨水脏。为改善水体卫生，保护环境，溢流井的数目宜少，且其位置应尽可能设置在水体的下游，从经济上讲，为了减小截流干管的尺寸，溢流井的数目多一点好，这可使混合污水及早溢入水体，降低截流干管下游的设计流量，但溢流井过多，会增加溢流井和排放渠道的造价，特别在溢流井离水体较远、施工条件困难时更是如此。当溢流井的溢流堰口标高低于水体最高水位时，需在排放渠道上设置防潮门，闸门或排涝泵站，为减少泵站造价和便于管理，溢流井应适当集中，不宜过多。

（4）在合流制管渠系统的上游排水区域内，如果雨水可沿地面的街道边沟排泄，则该区域可只设置污水管道。只有当雨水不能沿地面排泄时，才考虑布置合流管渠。

目前，我国许多城市的旧市区多采用合流制，而在新建城区和工矿区则多采用分流制，特别是当生产污水中含有毒物质，其浓度又超过允许的卫生标准时，则必须采用分流制，或者预先对这种污水单独进行处理，符合要求后再排入合流制管渠系统。

2.4.5.4　合流制管渠系统的设计计算

截流式合流制排水管渠的设计流量，在溢流井上游和下游是不同的。现分述如下：

（1）第一个溢流井上游管渠的设计流量。

如图2.4.20所示，第一个溢流井上游合流管渠（1—2管段）的设计流量Q1为

Qh1——溢流井上游晴天时管渠的设计流量，又称为旱流流量，L/s。

在实际进行水力计算时，当生活污水与工业废水量之和比雨水设计流量小得很多，如生活污水量与工业废水量之和小于雨水设计流量的5%时，其流量一般可以忽略不计，因为它们的加入与否往往不影响管径和管道坡度的设定。即使生活污水量和工业废水量较大，也没有必要把三部分设计流量之和作为合流管渠的设计流量，因为这三部分设计流量同时发生的概率很小，可将生活污水量与工业废水量的平均流量加上雨水设计流量作为合流管渠的设计流量。

（2）溢流井下游管渠的设计流量。溢流井下游管渠的设计流量应包括三部分，即下游管渠排水服务面积上的旱流量、雨水设计流量和溢流井截留的上游管渠混合污水流量。截留的雨水量通常按旱流量的指定倍数计算，这项倍数称为截流倍数（n）。

因此，溢流井下游管渠（图2.4.20中的渠段2—3）的设计流量Q2为

式中 Qy2——溢流井的下游雨水设计流量，L/s；

Qh2——溢流井下游平均旱流量，L/s。

（3）截流倍数（n）的选用。截流倍数的大小关系到截流管渠的尺寸、溢流堰的尺寸和水体的卫生。从环境保护上来看，为了减少水体污染，应采用较大的截流倍数，但从经济上考虑，截流倍数过大，会大大增加截流干管、提升泵以及污水处理厂的造价。我国《室外排水设计规范》规定采用n=1～5，并规定，采用的截流倍数必须经当地卫生主管部门的同意，目前我国多采用截流倍数n=3。但随着人们环保意识的提高，截流倍数的取值有增大的趋势。例如，美国对于供游泳和游览的河段，采用的n值甚至高达30以上。

为节约投资和减少水体的污染点，往往不会在每条合流管渠与截流干管的交会点处都设置溢流井。

2.4.5.5　合流制排水管渠水力计算的设计数据

合流制排水管渠水力计算的设计数据，包括设计流速、最小坡度和最小管径等，基本上和雨水管渠的设计相同。

（1）设计充满度。合流制排水管渠的设计充满度一般按满流考虑。

（2）设计流速。合流制排水管渠最小设计流速0.75m/s。但合流管渠在晴天时只有旱流流量，管内充满度很低，流速很小，易淤积，为改善旱流的水力条件，应校核旱流时管内流速，一般宜控制在0.2～0.5m/s范围内；同时为防止过分冲刷管道，最大流速的设计同污水管道。

（3）雨水设计重现期。合流管渠的雨水设计重现期一般应比同一情况下雨水管渠的设计重现期适当提高（一般可提高10%～25%），以防止混合污水的溢出，因为一旦溢出，溢出混合污水比雨水管道溢出的雨水所造成的危害更为严重，所以应从严掌握合流管渠的设计重现期和允许的积水程度。(www.xing528.com)

（4）截流倍数。截流倍数应根据旱流污水的水质和水量、水体条件及其卫生要求、水文及气象条件等因素确定。

（5）最小管径、最小坡度：同雨水管道。

2.4.5.6　合流制排水管渠的水力计算

合流制排水管渠水力计算内容主要包括以下几方面。

（1）溢流井上游合流管渠的计算。溢流井上游合流管渠的计算与雨水管渠计算基本相同，只是它的设计流量应包括雨水、生活污水和工业废水等三部分。

（2）截流干管和溢流井的计算。截流干管和溢流井的计算主要是合理地确定所采用的截流倍数n值。根据采用的n值确定截流干管的设计流量，然后即可进行截流干管和溢流井的水力计算。溢流井是截流干管上最重要的构筑物，常用的溢流井主要有截流槽式、溢流堰式、跳越堰式溢流井，其构造见学习情境2.2。

（3）晴天旱流流量的校核。关于晴天旱流流量的校核，应使旱流时的流速能满足污水管渠最小流速的要求，一般不宜小于0.35～0.5m/s。晴天时，由于旱流流量相对较小，尤其是上游管段，旱流流速校核时通常难以满足最小流速的要求，在这种情况下可在管渠底部设底流槽以保证旱流时的流速，或者加强养护管理，利用雨天流量冲洗管渠，以防淤塞。

2.4.5.7　城市旧合流制排水管渠系统的改造

城市排水管渠系统是随着城市的发展而相应地发展，在城市建设的初期，是采用合流明渠排除雨水和少量污水，并将它们直接排入附近水体。随着工业的发展和人口的增加与集中，城市的污水和工业废水量也相应增加，其污水的成分也更加复杂。为改善城市的卫生条件，保证市区的环境卫生，虽然将明渠改为暗管渠，但污水仍基本上直接排入附近水体，并没有改变城市污水对自然水体的污染。也就是说，大多数的老城市，旧的排水管渠系统一般都采用直泄式的合流制排水管渠系统。根据有关资料介绍，日本有70%左右、英国有67%左右的城市采用合流制排水管渠系统。我国绝大多数的城市也采用这种系统。但随着工业与城市的进一步发展，直接排入水体的污水量迅速增加，造成水体的严重污染。为此，为保护环境，保护水体，就必须对城市已建的旧合流制排水管渠系统进行改造。

目前，对城市旧合流制排水系统的改造，通常有以下几种方法：

1.改旧合流制为分流制

将旧合流制改为分流制，是一种彻底解决城市污水对水体污染的改造方法。这种方法由于雨水、污水分流，需要处理的污水量将相应减少，进入污水处理厂的水质、水量变化也相对减少，所以有利于污水处理厂的运行管理。

通常，在具有以下条件时，可考虑将合流制改造为分流制：

（1）城市街道的横断面有足够的位置，允许设置由于改建成分流制而需增建的污水或雨水管道，并且在施工过程中不对城市的交通造成很大的影响。

（2）住房内部有完善的卫生设备，便于将生活污水与雨水分流。

（3）工厂内部可清浊分流，便于将符合要求的生产污水直接排入城市管道系统，将清洁的工业废水排入雨水管渠系统，或将其循环使用。

（4）旧排水管渠输水能力基本上已不能满足需要，或管渠损坏渗漏已十分严重，需要彻底改建而设置新管渠。

在一般情况下，住房内部的卫生设备目前已日趋完善，将生活污水与雨水分流比较容易做到。但是，工厂内部的清浊分流，由于已建车间内工艺设备的平面位置和竖向布置比较固定，不太容易做到。由于旧城市街道比较窄，而城市交通量较大，地下管线又较多，使改建工程不仅耗资巨大，而且影响面广，工期相当长，在某种程度上甚至比新建的排水工程更为复杂，难度更大。例如，美国芝加哥市区，若将合流制全部改为分流制，据称需投资22亿美元，为重修因新建污水管道所破坏的道路需延续几年到十几年。因此，将合流制改为分流制往往因投资大、施工困难等原因而较难在短期内做到。

2.保留部分合流管，实行截流式合流制

将合流制改为分流制可以完全控制混合污水对水体的污染，但几乎要改建所有的污水出户管及雨水连接管，要破坏很多路面，需要很长时间，投资也很巨大。所以目前合流制管渠系统的改造大多采用保留原有合流制，修建合流管渠截流干管，即改造成截流式合流制排水管渠系统。这种改造形式与交通矛盾少，施工方便，易于实施。但从这种系统的运行情况看，并没有完全杜绝雨天溢流的混合污水对水体的污染。根据有关资料介绍，1953—1954年，由伦敦溢流入泰晤士河的混合污水的BOD5浓度高达221mg/L，而进入污水处理厂的BOD5也只有239～281mg/L。可见，溢流混合污水的污染程度仍然是相当严重的，足以造成对水体局部或全局污染。为进一步保护水体，应对溢流的混合污水进行适当的处理。处理措施包括筛滤、沉淀，有时也可加滤消毒后再排入水体。也可建蓄水池或地下人工水库，将溢流的混合污水储存起来，待暴雨过后，再将其抽送入截流干管输送至污水处理厂处理后排放。这样能较彻底地解决溢流混合污水对水体的污染。

3.在截流式合流制的基础上，对溢流的混合污水量进行控制

为减少溢流的混合污水对水体的污染，可结合当地的气象、地质、水体等缺点，加强雨水利用工作，增加透水路面；或进行大面积绿地改造，提高土壤渗透系数，即提高地表持水能力和地表渗透能力（根据美国的研究结果，采用透水性路面或没有细料的沥青混合路面，可消减高峰径流量的83%。这种做法是利用设计地区土壤有足够的透水性，而且地下水位较低的地区采用提高地表持水能力和地表渗流能力的措施减少暴雨径流降低溢流的混合污水量。若采用此种措施时，应定时清理路面防止阻塞）；或建雨水收集利用系统，以减少暴雨径流，从而降低溢流的混合污水量。当然，这在我国仍有待于雨水利用工作的进一步完善，如排水体制即法规的完善，雨水收集、处理、利用方面的管渠及配套设施的开发研制等。

旧合流制排水管渠系统的改造是一项非常复杂的工程，改造措施应根据城市的具体情况，因地制宜，综合考虑污水水质水量、水文、气象条件、水体卫生条件、资金条件、现场施工条件等因素，结合城市排水规划，在确保水体尽可能减少污染的同时，充分利用原有管渠，实现保护环境和节约投资的双重目标。

复习思考题

1.雨水管渠系统由哪几部分组成？各组成部分的作用是什么？

2.雨水管渠系统布置的原则是什么？

3.暴雨强度与哪些因素有关？

4.雨水管渠设计流量如何计算？

5.为什么在计算雨水管道设计流量时，要考虑折减系数？

6.如何确定暴雨强度重现期P、地面集水时间t1、管内流行时间t2及径流系数φ？

7.为什么雨水和合流制排水管渠要按满流设计？

8.如何确定洪峰设计流量？

9.如何进行排洪沟的设计？

10.为什么旧合流制排水系统的改造具有必要性，如何进行改造？

11.合流制排水管渠溢流井上、下游管渠的设计流量计算有何不同？如何合理确定截流倍数？

12.在进行雨水管渠设计流量计算时，若出现下游管渠的设计流量比上游小时，应该采用什么方法解决？

13.某市某居住小区部分雨水管道平面布置如图2.4.21所示。已知该市采用暴雨强度公式设计重现期P=1a，经计算径流系数φav=0.60，地面集水时间t1=10min，折减系数m=2.0，采用钢筋混凝土管，粗糙系数n=0.013。管道起点埋深为1.55m。试进行雨水管道的水力计算。

图2.4.21　某市居住小区部分雨水管道平面布置图（单位：m）