一种城市河流截污箱涵清污分流系统和方法与流程

本发明涉及一种城市河流截污箱涵清污分流系统和方法，是一种环保系统和方法，是一种用于城市清洁和保护城市水环境的系统和方法。

背景技术：

由于人类活动的加剧水环境日益严峻，城市河流污染程度尤为突出，城市黑臭水体不仅给群众带来了极差的感官体验，也是直接影响群众生产生活的突出水环境问题，城市黑臭水体整治已成为地方各级人民政府改善城市人居环境工作的重要内容。然而，由于城市水体黑臭成因复杂、影响因素多，整治任务十分艰巨。

城市河流治理的经验表明，铺设收集污水管网，建设污水处理厂，控制污水直接排放入河，是减轻河流污染的根本措施，也是城市河流生态修复的基础。但是，城市化程度较高的城区，房屋拆迁等因素加大了铺设污水管网的难度。为此，有些城市采用了沿河或河道内铺设截污大箱涵，收集支流汇入的污水，并将其送到污水处理厂处理后达标排放，确保污水不进入河道。截污大箱涵工程措施的优点是：与一般的污水管相比，箱涵排污量大；稳固性特别强，不像管道那样容易破裂；沿河布置，工程拆迁量少，工程投资相对少。缺点是：截污大箱涵一般为雨污合流，旱季支流来流量较少，截污箱涵将雨水和污水全部输送至污水处理厂，一方面增加污水处理成本，另一方面旱季河道缺少雨水而生态基流得不到满足。雨季下大雨时，超出截留倍数的合流水依旧排入河道，并且将截污箱涵中淤积的污染物溢流至河道中，加重了河道水体污染。如何改进和优化投入大量资金建成的城市河流截污箱涵工程的截污效果是当前急需解决的重大课题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种城市河流截污箱涵清污分流系统和方法。所述的系统和方法通过检测支流水体中溶解氧浓度，实现清洁雨水和污染水分流，避免了河道水体加重污染。通过测量截污箱涵的水深，避免超出截留倍数的雨污合流进入截污箱涵。

本发明的目的是这样实现的：一种城市河流截污箱涵清污分流系统，包括：设在支流末端并与截污箱涵连接的截污箱涵闸门，在所述截污箱涵闸门的支流端上游设置连接支流和干流的入河岔道，所述截污箱涵闸门的截污箱涵端上游设置箱涵水位仪和箱涵流量计，所述入河岔道进口端设置入河闸门和支流出流水位仪，所述支流在入河闸门上游设置溶氧仪，所述溶氧仪上游设置与调蓄池连接的调蓄岔道，所述的调蓄岔道进口处设置调蓄池闸门，所述的支流在调蓄池闸门上游设置支流入流水位仪和支流流量计，所述的调蓄岔道中设置调蓄水位仪。

进一步的，所述的截污箱涵闸门、入河闸门、调蓄池闸门上分别设置截污箱涵闸门开度传感器、入河闸门开度传感器、调蓄池闸门开度传感器。

一种使用上述系统的城市河流截污箱涵分流的方法，所述方法的步骤如下：

步骤1，溶解氧浓度是否超标：通过溶氧仪检测支流溶解氧浓度是否大于等于水体溶解氧浓度指标时，如果“是”则进入步骤2，如果“否”则进入步骤3；

步骤2，支流水全部排入干流中：关闭箱涵闸门和调蓄池闸门，打开入河闸门，使支流水流直接进入干流河道；

即，截污箱涵闸门开度为零，入河闸门开度为全开，调蓄池闸门开度为零：

q2=q4；q3=0；q5=0；q7=q6；q1=q0+q4+q8

其中：q0为干流原自然水流量，q1为污水经处理后排入干流的水流量，q2为支流来流量，q3为进入调蓄池的流量，q4为支流直接排入干流水流量，q5为进入截污箱涵的流量，q6为截污箱涵原有流量，q7为增加支流流量后的截污箱涵水流量，q8为污水经处理后进入干流的清洁水流量；

步骤3，选择将污水是否排入截污箱涵：通过箱涵水位计检测截污箱涵中的水位是否等于设计水位h设计，如果“是”则进入步骤4，如果“否”这进入步骤5；

步骤4，污水全部排入调蓄池：当截污箱涵水深等于其设计水深时，则打开调蓄池闸门，关闭截污箱涵闸门和入河闸门，支流水流全部进入调蓄池；

即，截污箱涵闸门开度为零，入河闸门开度为零，调蓄池闸门开度为全开：

q2=q3；q4=0；q5=0；q7=q6；q1=q0+q8；

步骤5，选择污水排入截污箱涵的排放量：当截污箱涵水深小于设计水深时，检测支流来流量q2与截污箱涵原有流量q6之和是否小于等于截污箱涵设计流量q设计，如果“是”进入步骤6，如果“否”则进入步骤7；

步骤6，污水全部排入截污箱涵：当q2+q6小于或等于q设计时，则关闭入河闸门和调蓄池闸门，同时打开截污箱涵闸门，使支流水流全部进入截污箱涵；

即，截污箱涵闸门开度为全开，入河闸门开度为零，调蓄池闸门开度为零：

q2=q5，q3=0，q4=0；q7=q5+q6；q1=q0+q8；

步骤7，污水部分排入截污箱涵：当q2+q6大于q设计时，则局部打开截污箱涵闸门，支流水流部分进入截污箱涵，关闭入河闸门，局部打开调蓄池闸门，分流部分支流水流；

即，截污箱涵闸门开度为局部，入河闸门开度为零，调蓄池闸门开度为局部：

q5=q设计-q6；q3=q2-q5；q4=0；q7=q5+q6；q1=q0+q8。

进一步的，所述的步骤7中进入截污箱涵的流量q5或进入调蓄池的流量q3等于闸门过流量q，由公式（1）计算：

（1）

式中，σs为淹没系数，与截污箱涵闸门或调蓄池闸门下游水深ht与收缩断面水深hc的共轭水深有关，当时为自由出流，取值为1，当时为淹没出流，取值为小于1；

μ为截污箱涵闸门或调蓄池闸门宽顶堰型闸孔自由流的流量系数，用式（2）计算：

（2）

公式（2）中：b为支流河道宽度或调蓄池渠道宽度；e为截污箱涵闸门或调蓄池闸门的开度；g为重力加速度；μ0为截污箱涵闸门或调蓄池闸门宽顶堰型闸孔出流的基本流量系数，μ0=ε2φ；ε2为垂直收缩系数；φ为流速系数，，α0为流速修正系数；ζ为局部水头损失系数；h0为污箱涵闸门或调蓄池闸门闸孔全水头，用式（3）计算：

（3）

式中，h为截污箱涵闸门或调蓄池闸门上游设置的水位仪断面的支流水深，分别由支流出流水位仪或支流入流水位仪读取计算；u0与支流出流水位仪或支流入流水位仪设置断面的行近流速，取u0≈0，即：h≈h0，

则，控制截污箱涵闸门开度或调蓄池闸门开度e采用公式（4）计算：

（4）。

本发明产生的有益效果是：本发明基于水体自净功能原理，通过检测水体溶解氧浓度，判断水体污染状况，通过测量水体深度和计算流量，判断截污箱涵是否发生溢流；选择性调整支流汇入干流、截污箱涵和调蓄池闸门开度，控制由支流进入干流河道、截污箱涵（输送至污水处理厂）和调蓄池的流量，达到保证清洁水进入干流河道、防治截污箱涵发生溢流、防治污水处理超负荷运行，即做到城市河流清污分流，属于水环境保护、水生态修复技术领域装置及设计方法。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述系统的结构示意图；

图2是带有截污箱涵的城市河道截面示意图；

图3是本发明的实施例三所述的方法的流程图；

图4是本发明的实施例四所述的闸门开度示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种城市河流截污箱涵清污分流系统，如图1所示。本实施例包括：设在支流1末端并与截污箱涵2连接的截污箱涵闸门3，在所述截污箱涵闸门的支流端上游设置连接支流和干流4的入河岔道5，所述截污箱涵闸门的截污箱涵端上游设置箱涵水位仪和箱涵流量计6，所述入河岔道进口端设置入河闸门7和支流出流水位仪8，所述支流在入河闸门上游设置溶氧仪9，所述溶氧仪上游设置与调蓄池10连接的调蓄岔道11，所述的调蓄岔道进口处设置调蓄池闸门12，所述的支流在调蓄池闸门上游设置支流入流水位仪和支流流量计13，所述的调蓄岔道中设置调蓄水位仪14。

本实施例是应用于城市河道。在城市河道一侧或两侧建造截污箱涵，在截污箱涵的末端设置污水处理设施15，如图1所示。

本实施例基于水体自净功能原理，设计一种通过检测支流水体溶解氧浓度，判断支流水体污染状况，通过测量水体深度，判断截污箱涵的明流或满流程度。选择性调整支流汇入干流、截污箱涵和调蓄池闸门开度，控制由支流进入干流河道、截污箱涵和调蓄池的流量，达到优化城市污水处理，保护河流水体水环境的目的。

溶解在水中的氧称为溶解氧，溶解氧以分子状态存在于水中。水中溶解氧含量受到两种作用的影响：一种是使溶解氧下降的耗氧作用，包括耗氧有机物降解的耗氧、生物呼吸耗氧；另一种是使溶解氧增加的复氧作用，主要有空气中氧的溶解、水生植物的光合作用等。这两种作用的相互消长，使水中溶解氧含量呈现出时空变化。水体具有自净功能，即废水或污染物一旦进入水体后，就开始了自净过程。该过程由弱到强，直到趋于恒定，使水质逐渐恢复到正常水平。水体自净功能与溶解氧浓度密切相关，水中溶解氧量是水质重要指标之一。在自净过程的初期，水中溶解氧数量急剧下降，到达最低点后又缓慢上升，逐渐恢复到正常水平。根据污染水体的这一特点，本实施例使用溶氧仪检测水中的溶解氧数量，以此作为支流排放的判据，选择将支流的水体排放至河道还是截污箱涵中。

通过本实施例所采取的技术手段包括：

（1）在支流上布置溶氧仪，测量水体溶解氧浓度，判断支流水体污染状况，作为清污分流和雨污分流的判据。

（2）在截污箱涵内支流与干流汇合口上游位置布置水位仪和流量计，利用水位仪测量截污箱涵水深和计算流量。在支流上游位置布置水位仪和流量计，利用水位仪测量支流水深支流来流量。在调蓄池闸门后位置布置水位仪，利用水位仪测量进入调蓄池渠道水深。

（3）在支流进入截污箱涵、支流进入干流河道和支流进入调蓄池渠道上分别设置截污箱涵闸门、入河闸门和调蓄池闸门三个闸门，选择性调整支流汇入干流和截污箱涵闸门开度，控制由支流进入干流和截污箱涵流量，达到保证清洁水进入干流、防治截污箱涵发生溢流、防治污水处理超负荷运行。

本实施例中所述的河道是自然的河道。支流可以是自然的支流河道也可以是城市排出雨水的管道，或者是排出污染不太严重水体的排污管道。

通常情况下，截污箱涵是建造在城市河道干流一侧或两侧边坡401上的人工构筑物。截污箱涵位置的水平高度一般高于河道水位402，但低于河堤堤顶403的高度，因此截污箱涵中污染水体的水位201在通常情况下高于河道水位，如果不加控制的在截污箱涵上设置溢流孔202，截污箱涵中的污水在不论是否污染严重的情况下自然溢流进入河道，造成对河道的污染，如图2所示。

所述的闸门可以采用平面式闸门，使用电动或手动提起闸门。各个闸门上可以安装开度传感器，以方便调整闸门的开度。

入河岔道和调蓄岔道可采用明渠或管道。

水位仪和流量计可以采用各种常用的仪器。

在本实施例的描述中，闸门作用一个涉及两个要素的端口，以某某端表示闸门连接某一侧，例如：截污箱涵闸门涉及截污箱涵和支流两个要素，因此在描述中使用了“截污箱涵端”和“支流端”两个表达截面箱涵闸门的描述方式，其用意是区分闸门两端的位置特征。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于各个闸门的细化。本实施例所述的截污箱涵闸门、入河闸门、调蓄池闸门上分别设置截污箱涵闸门开度传感器、入河闸门开度传感器、调蓄池闸门开度传感器。

设置开度传感器的作用在于方便调整各个闸门的开度，特别是将各个传感器和水位仪、流量计结合后，使用电子控制装置，就可以实现整体的自动化控制。

实施例三：

本实施例是一种使用上述系统的城市河流截污箱涵分流的方法。

本实施例的基本工作模式如下：

（1）废水或污染物进入支流后，就开始自净过程。在自净过程的初期，水中溶解氧数量急剧下降，到达最低点后又缓慢上升，逐渐恢复到正常水平。如果排入水体的污染物数量超过某一界限时，将造成水体的永久性污染。

（2）在支流进入截污箱涵、支流进入干流河道和支流进入调蓄池渠道上分别设置截污箱涵闸门、入河闸门和调蓄池闸门三个闸门，选择性调整支流汇入干流和截污箱涵闸门开度，控制由支流进入干流和截污箱涵（输送至污水处理厂）流量，达到保证清洁水进入干流、防治截污箱涵发生溢流、防治污水处理超负荷运行。

（3）在支流上布置溶氧仪，利用溶氧仪测量支流水体溶解氧浓度。在截污箱涵内支流与干流汇合口上游位置布置水位仪，利用水位仪测量截污箱涵水深。在支流截污箱涵闸门和调蓄池闸门上游位置分别布置水位仪，利用水位仪测量截污箱涵闸门和调蓄池闸门闸前支流水深。在调蓄池闸门后位置布置水位仪，测量进入调蓄池渠道水深。

（4）当支流溶解氧浓度大于等于5mg/l时，水体溶解氧浓度指标满足《地表水环境质量标准》（gb3838-2002）类，可认为支流水体具有较好的自净功能，是清洁的水。此时关闭箱涵闸门和调蓄池闸门，打开入河闸门，支流水流直接进入干流河道，补充干流河道生态基流，避免清洁水体进入截污箱涵，再送到污水处理厂进行处理。

（5）当支流溶解氧浓度小于5mg/l时，水体溶解氧浓度指标不能满足《地表水环境质量标准》（gb3838-2002）类，可认为是受污染的水体。此时关闭入河闸门b，避免支流污水进入干流河道。

1）当截污箱涵水深等于其设计水深时，只打开调蓄池闸门，关闭截污箱涵闸门和入河闸门，支流水流全部进入调蓄池。

2）当截污箱涵水深小于其设计水深时，如果q2+q6小于或等于截污箱涵设计流量q设计，则打开截污箱涵闸门，支流水流全部进入截污箱涵，关闭入河闸门和调蓄池闸门。

如果q2+q6大于截污箱涵设计流量，则局部打开截污箱涵闸门，支流水流部分进入截污箱涵，关闭入河闸门，局部打开调蓄池闸门，分流部分支流水流。

所述方法的具体步骤如下，流程如图3所示：

步骤1，溶解氧浓度是否超标：通过溶氧仪检测支流溶解氧浓度是否大于等于水体溶解氧浓度指标时，如果“是”则进入步骤2，如果“否”则进入步骤3。

本步骤首先找到选择排放去向的判据，即：测量支流溶解氧浓度是否大于等于5mg/l，当大于等于5mg/l认为支流来流水体是清洁的，或者说是能够自清洁的，当溶解氧浓度小于5mg/l则认为该水体会造成河道的污染，以此为判据确定支流的水体排放方向，然后选择排放的方向：或者排入河道，或者排入截污箱涵，或者暂时排入调蓄池。

步骤2，支流水全部排入干流中：关闭箱涵闸门和调蓄池闸门，打开入河闸门，使支流水流直接进入干流河道：

即，截污箱涵闸门开度为零，入河闸门开度为全开，调蓄池闸门开度为零：

q2=q4；q3=0；q5=0；q7=q6；q1=q0+q4+q8

其中：q0为干流原自然水流量，q1为为污水经处理后排入干流的水流量，q2为支流来流量，q3为进入调蓄池的流量，q4为支流直接排入干流水流量，q5为进入截污箱涵的流量，q6为截污箱涵原有流量，q7为增加支流流量后的截污箱涵水流量，q8为污水经处理后进入干流的清洁水流量。

本步骤是依据第1步骤的要求，也就是判断支流的来流水体符合排放要求，可以直接排入河道中，则将入河闸门全开，调蓄池闸门、截污箱涵闸门完全关闭，将清洁或能够自清洁的水体全部排放入河道。

步骤3，选择将污水是否排入截污箱涵：通过箱涵水位计检测截污箱涵中的水位是否等于设计水位h设计，如果“是”则进入步骤4，如果“否”这进入步骤5。

本步骤是第二次选择过程。当溶氧仪监测支流来流水体的不符合排放标准时，则要进行第二次选择，选择的依据是截污箱涵中是否还能增加纳污水的排放量。本步骤以截污箱涵的水位作为判据。如果截污箱涵中的水位等于截污箱涵的设计水位（最高安全水位），即：截污箱涵中的污水已经满了，不能在增加水量了，则不再向截污箱涵中排放污水，如果截污箱涵中的水位还没有达到设计水位，则将支流的水体部分或全部排入截污箱涵中。

步骤4，污水全部排入调蓄池：当截污箱涵水深等于其设计水深时，则打开调蓄池闸门，关闭截污箱涵闸门和入河闸门，支流水流全部进入调蓄池。

即，截污箱涵闸门开度为零，入河闸门开度为零，调蓄池闸门开度为全开：

q2=q3；q4=0；q5=0；q7=q6；q1=q0+q8。

本步骤依据步骤3的判定，即：截污箱涵中水位已经达到截污箱涵的设计水位，不能再增加了，所以将支流来流水体全部排放进入调蓄池中暂存，一旦截污箱涵中有足够的空间能够排放污水，则将调蓄池中的水体经截污箱涵排放至污水处理厂。

步骤5，选择污水排入截污箱涵的排放量：当截污箱涵水深小于设计水深时，检测支流来流量q2与截污箱涵原有流量q6之和是否小于等于截污箱涵设计流量q设计，如果“是”进入步骤6，如果“否”则进入步骤7。

当截污箱涵中的水位计测得截污箱涵的水位低于设计水位时，还要进行第三次选择，即：选择向截污箱涵排放多少量，以避免排放量超过截污箱涵能够容纳的水量。因此，需要检测截污箱涵中的当前流量和支流的来流量。如果两者之和小于截污箱涵所能够容纳的流量，则可以将支流来流量全部排入截污箱涵中，如果两者之和大于截污箱涵所能够容纳的流量，则必须将大于截污箱涵流量的部分排入调蓄池中。

步骤6，污水全部排入截污箱涵：当q2+q6小于或等于q设计时，则关闭入河闸门和调蓄池闸门，同时打开截污箱涵闸门，使支流水流全部进入截污箱涵。

即，截污箱涵闸门开度为全开，入河闸门开度为零，调蓄池闸门开度为零：

q2=q5，q3=0，q4=0；q7=q5+q6；q1=q0+q8。

本步骤中的支流来水量正好填补了截污箱涵流量的空缺部分，因此，可以将支流来流的污水全部排入截污箱涵中。

步骤7，污水部分排入截污箱涵：当q2+q6大于q设计时，则局部打开截污箱涵闸门，支流水流部分进入截污箱涵，关闭入河闸门，局部打开调蓄池闸门，分流部分支流水流；

即，截污箱涵闸门开度为局部，入河闸门开度为零，调蓄池闸门开度为局部：

q5=q设计-q6；q3=q2-q5；q4=0；q7=q5+q6；q1=q0+q8。

本步骤中，由于支流来流量大于箱涵所能承受的流量，因此，需要将一部分支流来流量排入调蓄池中，避免截污箱涵的污水溢出，污染河道。

实施例四：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于闸门开度与闸门下游水位的关系的细化。本实施例所述的步骤7中进入截污箱涵的流量q5或进入调蓄池的流量q3等于闸门过流量q，由公式（1）计算：

（1）

式中，σs为淹没系数，与截污箱涵闸门或调蓄池闸门下游水深ht（图4中水位仪测量断面b-b）与收缩断面水深hc的共轭水深有关，当时为自由出流，取值为1，当时为淹没出流，取值为小于1（符号的含义如图4所示），

μ为截污箱涵闸门或调蓄池闸门宽顶堰型闸孔自由流的流量系数，用式（2）计算：

（2）

公式（2）中：b为支流河道宽度或调蓄池渠道宽度；e为截污箱涵闸门或调蓄池闸门的开度；g为重力加速度；μ0为截污箱涵闸门或调蓄池闸门宽顶堰型闸孔出流的基本流量系数，μ0=ε2φ；ε2为垂直收缩系数；φ为流速系数，，α0为流速修正系数；ζ为局部水头损失系数；h0为污箱涵闸门或调蓄池闸门闸孔全水头，用式（3）计算：

（3）

式中，h为截污箱涵闸门或调蓄池闸门上游设置的水位仪测量断面a-a（见图4）的支流水深，分别由支流出流水位仪或支流入流水位仪读取计算；u0与支流出流水位仪或支流入流水位仪设置断面的行近流速，取u0≈0，即：h≈h0，

则，控制截污箱涵闸门开度或调蓄池闸门开度e采用公式（4）计算：

（4）。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如闸门的形式、系统总体排布、各种公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。