截流式合流制管道截流倍数n0的选取初探

截流式合流制管道截流倍数n0的选取初探
李海
（云南省设计院，昆明650032）
摘要：通过定量及定性的分析，对截流式合流制管道截流倍数n0的选取进行初步探讨。

关键词：截流式合流制、截流倍数、降水量、集流时间、极限强度原理
1、前言
当前，城镇污水的收集处理越来越引起社会各界的关注，各级政府均投入了大量的财力和物力用于城市排水管网的改造和处理。

我国的城市（特别是老城区）排水主要采用合流制，按照现行规范的要求，合流排水系统应设置污水截流设施。

由于合流制排水系统包含雨水和污水，污水量较为稳定，而雨水则在时空上均表现得不均衡，截污干管设计规模的确定主要受雨水水量的影响，雨水截流倍数n0和暴雨重现期P的取值决定了初期雨水量的大小。

因此截流倍数的取值对截流式合流制系统而言极为重要，其取值的大小直接影响到受纳水体的保护标准、工程规模及工程项目的经济性，应进行相应的分析。

本文拟通过定量及定性的分析，对截流式合流制管道截流倍数n0的选取进行初步探讨。

2、截流倍数选取的原则
一般来说，项目所采用的截流倍数，应从以下几个方面进行确定：
（1）受纳水体的保护标准及要求
受纳水体的保护标准高，其截流倍数的取值应大一些；反之，其截流倍数应取小一些。

受纳水体的保护标准应当地省级环境行政主管部门制定的《地表水水环境功能区划》为准。

（2）已有的工程经验
截流倍数等工程参数的正确选择，受很多外界因素的制约。

和纯理论的推测相比，会有一定的偏离。

因而，参考类似地区其它已成功建成工程实例的数值，将有利于对理论推算的修正。

（3）投资是否合理
截流倍数取较大值，进入水体的污染总量就少，有利于水体环境保护目标的实现，但较大的截流倍数就意味着需要较大管径的截流系统，污水处理厂的规模也较大，导致工程各项投资也相应增大；截流倍数取较小值，进入水体的污染总量就会增加，截流的雨水量少了，工程各项投资也就相应减少了，但不利于水体的保护，因而，选定截流倍数时必须考虑投资是否合理。

（4）降雨情况和汇水区地表条件
降雨量小的地区，一般降雨频率也低，地表存储的污染物也多，截流倍数应取大一些；反之则可取小一些。

上述四项关注点中，前三项根据相关标准，比较容易确定，而第四项由于存在地区差异，变化性较大。

本文拟通过相关对降水情况等相关因素进行分析，得出一个较合理的截流倍数。

为了进行以上分析，需收集整理的资料包括：降雨情况（包括降雨强度、历时、雨型等）、汇水区污水量预测、汇水区地表条件（地形坡度、地面覆盖情况、汇水区形状面积等）、主要溢流口个数及分布等。

3、截流倍数的选取
3.1基础资料
以下是云南某县县城收集的相关基础资料：
（1）当地30年逐月平均降雨量统计资料
据当地气象资料统计，当地降雨超过0.1mm的日数156日，超过1.00mm 的日数110日，超过5.0mm的日数64日，超过10.0mm的日数35日，超过25.0mm 的日数11日，超过50.01mm的日数1日。

（3）县城老城区（合流区）面积约1.5km2，人口约1.6万人。

经分析预测，排水量约3200m3/d（平均133m3/h）。

（3）县城老城区地势平坦，地面种类见下表：
表-1 地面种类分布表
（4）老城区溢流口个数和集流时间
结合老城区排水现状和排水管道布置方案，老城区拟在现状总排水口处设一座溢流井，所有合流污水在此处进行溢流。

结合地形情况和管道布置，地面径流时间取10min，管道最远端到溢流口的流行时间取42min，则流域集流时间为52min。

根据“极限强度原理”，即承认降雨强度随降雨历时的增长而减小的规律性，同时认为汇水面积的增长与降雨历时成正比，而且汇水面积随降雨历时增长而减少的速度更快，当降雨历时等于流域集流时间时，全面积参与径流，产生最大径流量。

依据以上原理，本文中认为降雨历时等于流域集流时间（即t1=52min）时产生最大径流量，为方便与相关气象资料衔接，取1小时降雨量作为流域最大径流量。

（5）1小时降雨量占24小时降雨量的比例
据当地气象统计资料，当地1小时降雨量占24小时降雨量的比例分别为：≥0.1 mm/d时60%，≥1.0 mm/d时59%，≥5.0mm/d时54%，≥10 mm/d时44%，≥25 mm/d时32%，≥50 mm/d时19%。

3.2推算过程
根据以上基础资料，截流倍数的过程推算如下:
（1）确定综合径流系数
根据《室外排水设计规范》（GB50014-2006），县城老城区各种地表种类径流系数取值如下表：
表-2 地表种类径流系数取值表
由此可算得综合径流系数为¢=0.65。

（2）确定低于相应30年平均日降雨量的概率
根据当地30年逐月平均降雨量统计资料，确定低于相应30年平均日降雨
量的概率表见下表:
表-3 相应30年平均日降雨量的概率分析表
相应的概率分析图见下图：
图-1 概率分析图
（4）1小时降雨量占24小时降雨量的比例
据当地气象统计资料，当地1小时降雨量占24小时降雨量的比例见下表：表-4 1小时降雨量占24小时降雨量的比例表
相应的比例分析见下图：
图-2 比例分析图
（5）确定不同降水强度时最大1小时降水量到产生的径流量
根据云南省昆明气象站“形成地表径流的降雨强度”的说明，按照最不利的情况考虑，设定日降雨大于5mm即产生地面径流，由于该县地形与昆明相似，故对各种大于5mm降雨量产生的径流量进行计算。

表-5 不同降水强度时最大1小时降水量产生径流量表
说明：以降雨量小于5mm则不产生地面径流考虑。

图-3 降雨量－地表径流量关系分析图
表-6 截流保证率所需要的截流倍数计算表
从表-6中可以看出，当截流保证率大于85%后，也就是该县城综合径流系数Ф=0.65时所需的截流倍数n0超过3.8以后，随着截流倍数的增大，截流保证率变化幅度越来越小。

所以本工程若取截流倍数n0大于3.8将会是不经济的。

4、截流倍数确定
我国的《室外排水设计规范》中规定，截流倍数采用 1.0~5.0。

在工程实践当中，我国大多数城市一般都采用截流倍数n =1.5~4.0，同时考虑该县经济状况一般，而受纳水体为环境保护目标较高（水环境功能区划为III类水体），为避免运行成本过高或大量污水进入水体，截流倍数值宜适中，因此本文对该县城的截流式合流制管道采用截流倍数n0 =3.8进行雨季水量计算。

当n0=3.8时，本工程的截流保证率大于85%（即雨水截留率大于85%，每年溢流天数小于55天）。

5、结论
（1）合流制城区排水系统的改造中，截流倍数的选取很关键，截流倍数大小与截污主管的规格和纳污水体的保护都密不可分，在截流倍数的选取过程中，应从以下几个方面进行确定：受纳水体的保护标准及要求、已有的工程经验、投资是否合理、降雨情况及流域地形等诸多方面进行考虑。

上述因素中，降雨情况及汇水区地表条件是客观存在的，可依据相关数据对截流倍数进行推算，其它因素是由当地的经济水平、环境保护目标决定的，在选取截流倍数的时候，应结合以上诸多因素进行考虑，以获得一个较为合理的截流倍数取值。

（2）截流倍数是截流的雨水量与污水量（污水量变化系数取１）之间的一个比值。

污水量与当地的人口密度、产业分布、用水定额、市政排水设施是否完善有关，而雨水量则与当地的气象资料、地表条件有关，因此不能简单地认为大城市截流倍数就应该取大一些，小城市就取小一些。

实际上，有些大城市由于人口密度高、产业种类多、用水定额较大，产生的污水量较大（如昆明中心城区人口密度高达2.8~3.2万人/km2，污水量达0.8~0.9万m3/km2），相应的截流倍数反而取得较小。

（3）溢流井的设置应结合相关情况多方考虑。

溢流井位置尽可能设在城市水系附近以方便溢流，溢流井的个数应结合汇水面积确定，单个溢流井汇水面积太小时推求得的截流倍数可能偏大，导致截污干管和污水厂头部偏大；单个溢流井汇水面积太大时求得的截流倍数可能偏小，导致混合污水量增加及水体污染的可能性增大。

（4）在接纳合流污水的城镇污水处理设施设计中，由于合流污水具有来水量大、来水不均衡的特点，污水处理厂的头部应充分考虑这部分流量，经过初步处理后的污水视排放水体的情况和当地的经济水平可采取超越排放、化学一级强化处理后排放或先进入调蓄池再分批处理的方式。