城市排水系统体制探讨.docx

1、城市排水系统体制探讨城市排水系统体制探讨摘要：阐述了国内外对城市排水系统体制的研究进展，通过对比分析国内外排水系统体制选择上差距，论述了我国排水系统在体制选择及管理方面存在问题，并提出了改变观念，因地制宜地选择城市排水系统体制的观点。在城市和工业企业中通常有生活污水、工业废水和雨水，城市排水系统就是将城镇的污水、废水和雨水有组织地排除与处理的工程设施。城市排水系统是城市基础设施建设的重要组成部分，它通常由排水管网和污水处理厂组成。采用一个管网系统还是用两个、三个管网系统来排除污废水和雨水径流，构成了不同的?的选择是城市排水系统规划中的首要问题。它影响排水系统的设计、施工、维护和管理,对城市规划

2、和环境保护也影响深远,同时还影响排水系统工程的总投资、初期投资和运行管理费用。城区的排水体制应根据城市总体规划,环境保护的要求,污水利用处理情况,原有排水设施,水环境容量,地形、气候等条件,从全局出发,通过技术经济比较,综合考虑确定。本文讨论城市排水系统体制的规划、设计与管理问题，目的是对过去和现有思想和理念的局限性进行探索，进而研究基于新技术条件下城市水管理问题的新思想，提出适合我国国情的新观念。 1 城市排水系统的功能 传统观念上的排水系统是以防止雨洪内涝、排除和处理污水、保护城市公共水域水质为目的,认为污水是有害的、应尽快排除到城市下游。这种观念导致的结果往往是保护了局部的生活环境,危害

3、了广大流域地区。实际上,良好的水环境不是局部地域的,它的范围是整个流域的。21世纪排水系统的定位应从以前的防涝减灾、排污减害逐步转向污水的资源化，给水系统和排水系统好比是城市水循环的动脉与静脉,排水系统起到回收城市污水和净化再生,畅通城市水循环的作用，从而恢复健康水循环和良好水环境,维系水资源可持续利用1。2 城市排水系统体制的分类城市排水体制一般分为合流制和分流制两种类型。合流制排水系统是将城市生活污水、工业废水和雨水径流汇集入在一个管渠内予以输送、处理和排放。按照其产生的次序及对污水处理的程度不同，合流制排水系统可分为直排式合流制、截流处理式合流制和全处理式合流制。城市污水与雨水径流不经任

4、何处理直接排入附近水体的合流制称为直排式合流制排水系统（图1）。国内外老城区的合流制排水系统均属于此类。由于污水对环境造成的污染越来越严重，必须对污水进行适当的处理才能够减轻城市污水和雨水径流对水环境造成的污染，为此产生了截流式合流制（图2）。截流式合流制是在直排式合流制的基础上，修建沿河截流干管，并在适当的位置设置溢流井，在截流主干管（渠）的末端修建污水处理厂。该系统可以保证晴天的污水全部进入污水处理厂，雨季时，通过截流设施，截流式合流制排水系统可以汇集部分雨水（尤其是污染重的初期雨水径流）至污水处理厂，当雨-污混合水量超过截流干管输水能力后，其超出部分通过溢流井泄入水体。这种体制对带有较多

5、悬浮物的初期雨水和污水都进行处理，对保护水体是有利的，但另一方面雨量过大，混合污水量超过了截流管的设计流量，超出部分将溢流到城市河道，不可避免会对水体造成局部和短期污染。并且，进入处理厂的污水，由于混有大量雨水，使原水水质、水量波动较大，势必对污水厂各处理单元产生冲击，这就对污水厂处理工艺提出了更高的要求。在雨量较小且对水体水质要求较高的地区，可以采用完全合流制（图3）。将生活污水、工业废水和降水径流全部送到污水处理厂处理后排放。这种方式对环境水质的污染最小，但对污水处理厂处理能力的要求高，并且需要大量的投资和运行费用。1 合流支管 2 合流干管 图1 直排式合流制Fig.1 Straight

6、-line combined system1 合流干管 2 截流主干管 3 溢流井 4 污水处理厂 5 出水口 6 溢流出水口 图2 截流式合流制Fig.2 Interceptive combined system1 合流支管 2 合流干管 3 污水处理厂 4出水口图3 全处理式合流制Fig.3 Completely treatment combined system当生活污水、工业废水和雨水用两个或两个以上排水管渠排除时，称为分流制排水系统。其中排除生活污水，工业废水的系统称为污水排水系统；排除雨水的系统称为雨水排水系统。根据排除雨水方式的不同，又分为完全分流制、不完全分流制和截流式分流制。

7、完全分流制排水系统分设污水和雨水两个管渠系统，前者汇集生活污水、工业废水，送至处理厂，经处理后排放或加以利用。后者通过各种排水设施汇集城市内的雨水和部分工业废水(较洁净)，就近排入水体2（图4）。但初期雨水未经处理直接排放到水体，对水体污染严重。近年来，国内外对雨水径流的水质调查发现，雨水径流特别是初降雨水径流对水体的污染相当严重，因此提出对雨水径流也要严格控制的截流式分流制排水系统（图5）。截流式分流制既有污水排水系统，又有雨水排水系统，与完全分流制的不同之处是在于它具有把初期雨水引入污水管道的特殊设施，称雨水截流井。在小雨时，雨水经初期雨水截流干管与污水一起进入污水处理厂处理；大雨时，雨水

8、跳跃截流干管经雨水出流干管排入水体3。截流式分流制的关键是初期雨水截流井。要保证初期雨水进入截流管，中期以后的雨水直接排入水体，同时截流井中的污水不能溢出泄入水体。截流式分流制可以较好地保护水体不受污染，由于仅接纳污水和初期雨水，截流管的断面小于截流式合流制，进入截流管内的流量和水质相对稳定，亦减少污水泵站和污水处理厂的运行管理费用。不完全分流制只建污水排水系统，未建雨水排水系统，雨水沿着地面、道路边沟和明渠泄入水体（图6）。或者在原有渠道排水能力不足之处修建部分雨水管道，待城市进一步发展或有资金时再修建雨水排水系统。该排水体制投资省，主要用于有合适的地形、有比较健全的明渠水系的地方，以便顺利

9、排泄雨水。目前还有很多城市在使用，不过它没有完整的雨水管道，在雨季容易造成径流污染和洪、涝灾害，所以最终还得改造为完全分流制。对于常年少雨、气候干燥的城市可采用这种体制，而对于地势平坦，多雨易造成积水地区，不宜采用不完全分流制。1 污水干管 2 污水主干管 3 雨水干管 4 污水处理厂 5 出水口 图4 完全分流制排水系统Fig.4 Complete separate system1 污水干管 2 雨水干管 3 截流井 4 截流干管 5 污水处理厂 6 出水口 图5 截流式分流制排水系统Fig.5 Interceptive separate system1 污水干管 2 污水主干管 3 原有管

10、渠 4 雨水管渠 5 污水处理厂 6 出水口 图6 不完全分流制排水系统Fig.6 Incomplete separate system分流制的优点是它可以分期建设和实施，一般在城市建设初期建造城市污水下水道，在城市建设达到一定规模后再建造雨水道，收集、处理和排放降水尤其是暴雨径流水。在一个城市中，有时采用的是复合制排水系统，即既有分流制也有合流制的排水系统。复合制排水系统一般是在由合流制的城市需要扩建排水系统时出现的。在大城市中，因各区域的自然条件以及修建情况可能相差较大，因地制宜的在各区域采用不同的排水体制也是合理的。如美国的纽约以及我国的上海等城市便是这种形势的复合制排水系统。3 城市排

11、水系统的体制的研究现状 在发达国家,随着点源污染基本得到有效控制,雨水径流带来的非点源污染已成为水体污染的主要因素。如美国约有60%的河流和50%的湖泊污染与非点源污染有关;已实现污水二级处理的城市,水体BOD年负荷约40%80%来自雨水径流4,5。我国雨水径流引起的污染问题也很严重。在太湖、滇池等重要湖泊,非点源污染尤其是氮、磷等营养物的污染已成为水质恶化的主要原因之一。雨水径流携带大量污染物排入城市水系也造成严重污染6,7。初步的保守估算,城区雨水径流污染占水体污染负荷的比例,目前在北京和上海约占10 %左右。到2010 年的规划实施后,城市雨水径流污染负荷的比例北京将上升到12%以上,上

12、海将上升至20%左右8；南水北调东线工程南四湖流域的非点源污染，其COD和BOD5复合占总负荷的15%，而其氮、磷负荷则占总负荷49%9。3.1 国外排水体制研究现状 河湖水系的污染，在很大程度上是排水体制的不合理造成的。事实上,考虑径流污染物输送的非连续性和爆发性,其污染负荷所占比例在雨季的短时段内会成倍升高,超过点源污染,对城市水体造成冲击性影响,严重制约城市水环境质量的彻底改善,许多城市暴雨后发生的水污染事件都是很好的例证。近二三十年间,城市雨水污染在发达国家受到广泛关注,许多国家对城市径流污染及控制进行了深入的研究,制定了系统的法规、管理和技术体系。60年代，美国就已经开始了对城市雨水

13、径流和合流制溢流(CSO)污染控制的研究，其对600多个城市的排水系统调查的结果表明，把直排式合流制改造为截流式合流制与将合流制改造为分流制的投资比为1：3。1972年通过清洁水法后，美国环保局、各州和地方水污染控制机构己经采取措施减少排水管道污水的溢流量，同时对雨污混合污水在溢流前进行调节、处理及处置, 使之溢流后对水体的水质影响在控制的目标之内。例如，美国一些州, 要求在溢流之前就地对混合污水作一级处理, 并限制每个溢流口因超载而未加处理的混合污水溢流次数;如果没有联邦政府授权或州政府的允许，排水管道的污水不允许溢出。同时，对污染严重地区雨水径流的排放作了更严格的要求, 如工业区、高速公路

14、、机场等处的暴雨雨水要经过沉淀、撇油等处理后才可以排放。到1983年，针对雨水径流污染研究开发出各种技术和非技术措施，如城市雨水污染的评价与监测；科学管理城市雨水资源和控制雨水径流污染的BMP模式(Best management practice)；水土流失的控制；雨水渗透和入流控制；CSO及雨水处理技术等。并于1986年修订了水质法(Water Quality Act)来控制非点源污染，使美国环保局(EPA)开始有效地依法参与城市雨水径流的管理10。美国环保局最近调查显示，在美国31个州和哥伦比亚地区，市政处理设施每年收集、处理并排放的废水有50万亿m3，而772个合流制排水管道系统每年排放

15、的未经处理的雨污水大约为38.64亿m311。这些合流制排水管道污水溢出会导致海滩遭受破坏，饮用水源及供水系统受到污染，包括野生动物排泄物造成的病源寄生虫污染，如隐孢子虫（cryptosporidium）、贾第虫（Giardium）等，环境和公众健康受到影响，甚至威胁人的生命12,13。针对合流制溢流、分流制雨水的污染状况，采取了相应措施，例如改造合流管道，改进雨水管道中截污装置的材料来提高装置的截污效率。同时，增大原有管道的尺寸、污水厂的处理容积，尽量减少溢流量。亚特兰大还兴建了地下隧道、贮存池与管道相连，雨天时，隧道和贮存池用于贮存过多的雨污水，降雨过后，再将这部分雨污水输送至污水厂。甚至

16、将贮存池进一步改造成带有砾石床的湿地处理系统，储存的同时进行净化，但这种系统的维护管理费用较高14。费城在溢流口采用充气式橡胶堰，可充分利用现有系统的贮存容积，减少溢流量。据统计，通过采用这项技术，费城一场降雨的溢流量可减少70% 15。以德国为代表的欧洲国家从八十年代开始重视城市雨水径流污染的控制。他们不是依赖“雨污分流”的办法来控制城市雨水径流污染，而是把重点放到源头污染控制、削减城市雨水径流量和其它雨水径流污染控制的技术性和非技术性措施上16，在排水系统的上游各子流域内,将雨水或就地渗入地下,或延长其排放时间,或暂时蓄存,以收到削峰、减流、净化雨水径流、补充地下水的效果。其工程设施有渗塘

17、、地下渗渠、地表透水铺面、屋面或庭院或停车场的受控雨水排放口、以及各种“干”或“湿”的池塘或小型水库等。近年来城市雨水径流管理新系统的研究较多地集中在补充地下水、净化地表径流的可渗性雨水排放系统上17。例如，西欧国家以及美国一些州要求,新土地开发规划时,必须将开发所引起的超出原天然状态的径流量,部分或全部就地渗入地下。据1998年统计，德国共拥有雨水池31044座，总容积达到3314万m3，平均每人0.404 m3。到2002年，德国已拥有3.8万座雨水池，其中溢流截留池2.4万座，雨水截留池1.2万座，雨水净化池2000座，总容积达到4000万m3，平均每座污水厂拥有近4座雨水池18。在对待

18、合流制溢流的问题上，瑞典和德国是两个典型的倾向于利用雨水池来控制溢流污染的国家。因为认识到分流制耗资巨大，合流制改造为分流制影响范围大，耗时长，技术上又不足以有效地防止城市雨水径流对水体的继续污染，瑞典在八十年代初就放弃了市政管网雨污分流的思想,而是采用修建雨水入渗和雨水渗透设施来减缓暴雨径流，进行源头控制，80年代初，仅居民户就修建渗透设施14000余个19。日本在八十年代也开展了对城市雨水利用与管理的研究，提出“雨水抑制型下水道”并纳入国家下水道推进计划，制定相应的政策，己有大量的工程实施。在1992年，日本政府颁布了“第二代城市下水总体规划”，正式将雨水渗沟、渗塘及透水地面作为城市总体规

19、划的组成部分。本世纪初，又决定在东京建造大深度地下河道，把雨水有计划的贮存起来，以减小洪峰流量，并作为中水水源17。截流式合流制排水系统因与城市的逐步发展密切相关，因而它是迄今国内外现有排水体制中用的最多的一种。例如德国、英国、法国、日本的合流制排水管道占排水管道总长度的70%左右，丹麦约占45%，德国科隆市合流制管系甚至占94%。据考察，日本东京的合流制排水管道也占到了90%以上19。总体来看，近几十年来，欧美国家对已有合流制排水系统，并不是一味盲目地改造为分流制，而是对原有合流制进行改造，并采取相应的溢流污染控制措施，同时实施对分流制排水系统污染的控制。这些国家都有他们自己城市发展的历史、

20、现实和自然条件，采取相适应的排水体制战略，但走过的弯路或积累的经验，以及对待排水体制采取非绝对而务实的态度和一些重大的战略性决策很值得我国借鉴。3.2国内排水体制的研究现状 我国在城市排水方面，一直以来偏重于污水处理技术研究，对城市排水体制方面的关注极少。科技进步对城市排水管网领域的推动作用不大，作为一个整体系统，城市排水管网领域的现代科学理论和技术己大大落后，与先进的城市污水处理理论与技术形成强烈的反差 20。在对待城市排水体制和雨水问题上，主要还停留在单纯“排放”的思考上，简单地倾向靠分流制来解决点源污染的控制，而忽视雨水资源的保护利用与城市生态的关系，忽视雨水的排放和非点源污染的关系。另

21、外，我国在有关城市排水管道的污染规律及雨水径流，合流制溢流污染控制的基础理论、工程规划与设计、管理与法规等方面几乎处于空白状态。实际上，仅靠分流制解决点源污染，隐患较多16。我国的新建城市(区)，如深圳市，上海浦东，大连开发区等，都是分流制排水系统。由于设计、施工和管理方面的原因，在这些新建城市(区)中，并没有真正实现完全分流制所期望的目标，也没有将污水处理厂服务流域内的污水全部收集到污水处理厂21。另外，北京、天津、昆明等许多城市也规划将合流制完全改造成分流制排水系统。北京已有三分之二的排水系统为分流制，最近几年，在点源污染治理、河湖水系生态保护方面加大了力度，但部分河湖在降雨后仍有严重的“

22、水华”现象发生，有的河段、湖泊富营养化现象依然严重，这些状况很大程度上是由非点源污染造成的。分流制排水系统使污染严重的初期雨水和部分小雨都直接排入水体，在减少合流制溢流污染的同时却增加了非点源污染问题。近年来，随着可持续发展的呼声越来越高，我国一些学者开始关注和研究城市雨水径流的污染和雨水资源的保护与利用，于80年代初期在北京开始了对城市雨水径流非点源污染的研究,此后其他一些城市也相继开展过相关研究。但由于点源污染矛盾一直突出,对城市径流污染未予以足够重视。近年来,非点源污染矛盾有加重趋势,水污染控制的力度也在加大,城市径流污染开始引起越来越多的重视。如北京1998年开始对城市雨水径流污染控制

23、和雨水资源利用进行系统研究22 ,不仅分析径流污染指标及变化范围,对污染物的冲刷输送规律、主要影响因素、污染物负荷和控制对策等都进行了研究。对城市雨水利用也在系统研究的基础上，开始全面的工程实施和推广应用；上海市对城市雨水污染及特性有了初步了解，对控制雨水污染措施提出了建议。珠海市对城区降雨径流污染特征有了初步研究；长安大学对城市道路路面径流水质特性及排污规律进行了探讨；南京工业大学在城市雨水的物化处理技术方面有一些新的思路。可见，非点源污染(主要指雨水径流污染)在我国已逐渐引起了重视，降雨径流水质特性、雨水处理技术、径流污染防治等方面也有了不少成果，但从排水体制整个系统来探讨研究非点源污染控

24、制还有欠缺23,24。但是，排水体制的合理?统的适用性和经济效益问题，而且更重要的是能否满足水资源和环境保护的要求，有效地实现城市点源和非点源污染总量的控制，能否符合城市生态和可持续发展的要求。4 城市排水体制的选择 在排水体制的选择上，一方面，我国存在着不切实际地选择分流制问题。分流制有很多优点,但对于经济不发达城市的老城区来讲,如道路不改造拓宽,小区不改造, 尤其是深圳等许多城市的住房阳台改成厨房或装上洗衣机，其产生的污水排入雨水管道系统，即使污水主干管已经建成,那么也无法实施雨、污分流。其结果只能是:一方面污水总干管未能充分利用，,造成投资浪费;另一方面,污水还是走雨水管道排河,继续污染

25、水体。西方国家的实践表明,为了进一步改善受纳水体的水质,将合流制改造为分流制,其费用高昂而效果有限,而在合流制系统中建造上述补充设施则较为经济而有效。所以,国外排水体制的构成中带有污水处理厂的合流制仍占相当高的比例：英、法等国家的大部分城市也仍保留了合流制体系，以控制非点源污染并保证污水的处理率，修建合流管渠截流干管，即改造成截流式合流制排水系统，结果莱茵河和泰晤士河的水体都得到了很好的保护25。而前西德1987年其合流制下水道长度占总长度的71.2%, 且该国专家认为通常应优先采用合流制,分流制要建造两套完整的管网,耗资大、困难多,只在条件有利时才采用。至八十年代末,前西德建成的调节池已达计

26、划容量的20%,虽然其效果难以量化,但是截送到处理厂的污水量增加了、河湖的水质有了显著的改善。德国鲁尔河协会（Ruhrverband），其管辖流域的城市大都采用合流制排水系统和合流制污水处理厂，其旱季处理流量为污水流量（Q），而雨季处理流量则为两倍污水流量（2Q）；而且其剩余的雨水径流进入雨水处理系统-雨水塘和地表径流型人工湿地。2002年，鲁尔和协会共运行96座污水处理厂，而雨水处理厂则达297座。因此，鲁尔河无论是旱季还是雨季，其水质保持得非常好，不仅具有良好的生态景观，而且成为鲁尔工业区的主要供水水源26。从以上事实可以看出,建立理想的分流制或将合流制改为完全分流制系统的成功率较小。在排

27、水体制的选择上应改变观念,允许部分地区在相当长的时间内采用合流制截流体系并将工作重点放在提高污水处理率上,这才是保护水体的根本方法。在对老城市合流制排水系统改造时要结合实际制定可行方案,在各地新建开发区规划排水系统时也有必要充分分析当地条件、资金的合理运作,同时还要从管理水平、动态发展角度进行研究,不要盲目模仿、生搬条款。在已有二级污水处理厂的合流制排水管网中,适当的地点建造新型的调节、处理设施(滞留池、沉淀渗滤池、塘和湿地等) 是进一步减轻城市水体污染的关键性补充措施。它能拦截暴雨初期“第一次冲刷”起的污染物送往污水厂处理,减少混合污水溢流的次数、水量和改善溢流的水质,以及均衡进入污水厂混合

28、污水的水量和水质,它也能对污染物含量较多的雨水作初步处理。5 我国的排水系统体制选择及建设中存在问题及建议 5.1排水管网的建设 我国不少城市和地区，往往只把污水处理厂作为重点工程对待，而放松与之相配套的污水管网的建设。常常是污水处理厂按计划建成投产，而无水管网却只建了部分污水干管，由于资金短缺、拆迁量大等原因造成支管未建或支管与主管连接不上。造成一方面污水处理厂处理量不足，一方面污水仍直接排入河体污染环境。因此，排水管网的建设应与污水处理厂的建设作为一个整体，同步实施。改革开放以来我国的城市排水系统有了较大的发展,面临经济发展对城市基础设施的需求、水环境污染造成的水质型缺水和城市居民生活质量

29、下降等压力,对排水系统重要性的认识不断提高,新建改建了许多排水工程27。但是,因历史欠帐太多,总的水平仍然非常落后。从全国来看,城市排水管总长1995 年为7.5万km。若城市人口按2亿人估算,人均仅0.375m，导致城市污水处理率偏低。即使沿海发展较快的地区,城市排水设施的水平也不高。如广东省现日排污水63.8亿万吨/天,其中生活污水量40.7亿万吨/天,污水处理厂总数为79座，全省城镇生活污水处理率仅40.2%28,而美国和德国的生活污水处理率在2004年以前已经达到了90-100%，韩国达到90%，日本也达到了78%29。5.2 截流倍数 雨水/污水分流制系统一旦形成事实上的混流,就形成

30、了两个污水-雨水混合流系统。这是由于我国许多城市建设发展速度很快，多采取分期、分区、分片建设，规划赶不上建设速度，下水道系统建设滞后，造成排水管道错接乱接现象严重；二是居民习惯将污水倒入附近的雨水道路边的雨水径流收集格栅槽中；三是现在许住房的阳台改成厨房或安装上洗衣机，使本来连接到雨水道的雨水变成生活污水。根据国内外经验, 对于排入河道、湖泊或近海的排水系统，无论是合流制还是分流制（雨水道），其排水干管或干渠，都应采用截留式排水系统，在其末端加设溢流井，其顶端设置溢流堰，排水干管采用适宜的截留倍数；其大小直接影响受纳水体的洁净与否，过小会导致受纳水体遭受严重污染；过大则会造成浪费。故合理选取截

31、流倍数是关键,其取值应综合考虑受纳水体的水质要求、受纳水体的自净能力、城镇的文明程度(或级别)、人口密度、降雨量、投资等各种因素。对比国内外截流倍数的取值，也会发现存在很大差异：日本截流管容量一般按计划时间的最大污水量的3 倍;英国的习惯做法是截流倍数采用5;德国一般选择的截流容量为高峰日的4 倍,其中2 倍流到污水处理厂进行处理;美国标准不一,截流倍数采用1.55 倍;前苏联规范确定:当排入流量大于10 m3/ s 河流时,取12 ;当排入流量为510 m3/s 河流时,取35。目前,国内城市截流倍数采用情况:沈阳截流倍数采用2,天津采用35,截流管不发生溢流,效果较好。上海地区采用2.43

32、2.63 截流倍数,环境质量较好,比截流倍数为1的地区有明显的改善。中国香港地区、广州、东莞等地取1,北京取12,重庆取3,昆明取2.5。国内研究表明:选择2比选1其工程投资和运转费用约增加一倍,但超标河段数量及超标历时却显著降低,充分体现出截流倍数对投资和水环境的显著影响30。可见，我国的截流倍数选取与发达国家比偏低。而在实际运行的截流式合流制中，有的截流倍数更小,有的城市甚至仅为00.5。出现这种情况原因有二: 污水流量未预测准确,排水管尺寸不够,导致一下雨截流井就溢流入河,这时截流干管也只能是一个形式; 考虑到经济因素,建设单位本身不愿意有截流倍数31。5.3 污水处理及工艺方案的选择 （1）污水处理能力我国目前最大的问题是?需要有截留倍数，而分流制雨水道则无需截留倍数，无需处理雨水径流，致使我国绝大多数污水处理厂，只按旱季污水量设计、建造和