道路初期雨水界定及弃流装置研究

我国是一个水资源短缺的国家，目前多数城市面临缺水的问题，而北京、天津等大城市的供水已经到了严峻时刻。同时，我国也面临着复杂的城市内涝问题，2008年至2017年近10年内，每年有近170多个城市遭受不同程度的进水受淹或发生内涝，造成平均每年2 000亿元左右的经济损失。另外，我国城市水污染问题也日益突出，每年污水的总排放量已超过100亿m?。其中，城市化的快速发展，不透水面积的快速增加，改变了自然水文过程，是导致城市水资源短缺、城市内涝和城市水污染问题的关键。因此，实现城市雨水资源化利用，不仅可以缓解当前的水资源危机，而且可以在有效减小径流量、削减洪峰量、延滞汇流时间的同时，补给城市生态水源、回补地下水、有效地改善城市内涝及水污染问题。

据国家统计局数据显示，1949年至2019年中国常住人口城镇化率由10.61%增长到60.60%，在不透水地表中，道路在城市建设用地中占比很大，据国家统计局公开数据，截止到2015年中国道路面积已达55.08亿m?，相较于2005年增长了15.86亿m?。若从量的角度分析，城市道路雨水开发利用潜力巨大。

但在道路雨水资源化利用过程中，初期雨水污染问题是影响资源化利用的关键。道路雨水中污染物来源广泛且复杂，且污染物的组成、性质和沉积量的多少与路面材料、级别、老化及污染程度等因素有关；同时，空气污染状况、雨强、雨量、降雨间隔时间、降雨频率、车流量大小及车载物的情况也会对道路雨水水质产生影响。相关研究表明，降雨过程中一般初期雨水污染物浓度较高，随着降雨过程的进行，污染物浓度逐渐降低并趋于稳定。为此，国外一些国家很早就开始重视初期雨水的污染问题，并形成了完整的道路雨水收集及处理系统。而国内起步较晚，对于初期雨水的处理问题仍处在探索阶段。刘静等通过调研发现初期雨水弃流有助于雨水净化和利用程度的提升，同时也能有效降低后续雨水资源化利用成本、减少对受纳水体的污染。由于道路雨水与其他下垫面相比，污染程度最为严重，且存在明显的偶然性和波动性，目前对道路初期雨水及其弃流量的界定仍未统一，但在实际工程中，若能按相关研究及规范弃流初期雨水，将弃流雨水排至市政污水管网，后期干净的雨水排入蓄水池存储利用或排入雨水花园、生物滞留池等进行有效的资源化利用，具有十分重要的经济和生态效益。

基于上述背景，本文介绍了相关研究中道路初期雨水及其弃流量的界定，并围绕着道路初期雨水弃流装置，从弃流原理、结构设计、优缺点及工程应用几方面进行分析评价。

初期雨水一般指一场降雨过程初期的雨水，与初期冲刷有关。初期冲刷可分为浓度初期冲刷和质量初期冲刷。当径流初期污染物浓度明显高于后期时，则判定存在浓度初期冲刷，此时初期雨水可以认为是水质优于某地区污水允许排放标准这段时间内的雨水，但这种方法未考虑径流量变化以及污染物在径流的分配，难以准确描述。随着研究的深入，国外学者又提出了质量初期冲刷，即初期径流不成比例的携带了整场径流中大部分污染负荷的现象，可以认为当径流排放率小于初期径流中污染物的排放率时存在初期冲刷效应。BACH和何强认为初期雨水是污染物浓度达到背景浓度或形成稳定阶段前的雨水，把初期污染物负荷占整场降雨污染物负荷50%～80%的雨水称为降雨的初期雨水，张琼华等结合初期冲刷概念，动态定义初期雨水为携带50%污染负荷的初期降雨，表1为部分国内外学者提出的初期径流体积及初期径流中污染物所占比例，在不同地区、不同判定标准下结果存在一定差异。

表1 部分国内外学者提出的初期径流中污染物所占比例

对于道路初期雨水及弃流量的界定，不同地区仍然没有统一的标准，相关理论尚不成熟。上述浓度及质量初期冲刷均考虑了径流过程中的水质变化，但在实际工程上难以控制和应用。目前国内对道路初期雨水的界定方式中主要被接受的观点有两种：一是以降雨历时为划分依据，认为一场降雨过程中某一时间点前的雨水为初期雨水；二是以降雨量为划分依据，认为初始某一降雨量范围内的雨水为初期雨水。国内外一些学者对道路初期降雨历时及初期降雨量进行了相关研究，对文献中研究成果整理如表2及表3所示。

表2 道路初期降雨历时汇总

表3 道路初期降雨量汇总

目前对于道路初期降雨历时或初期降雨量的确定，大多研究依据质量初期冲刷结合径流中污染物质量浓度变化规律或M（V）曲线确定，对于道路这种小汇水面，部分研究直接依据浓度初期冲刷结合污染物浓度变化规律进行判定，因此基于研究结论依赖于地区特性的情况下，要想得到某地区较为准确的道路初期雨水弃流量，需要长期监测路面降雨径流的水量、水质数据。

若不具备长期测定道路径流水质的条件，可采用设计降雨法计算道路初期雨水弃流量。设计降雨法计算具体步骤如下：首先从设计降雨角度出发，参考相关文献及研究成果，有针对性地确定弃流标准。其中，核心计算理念即对于研究地区设计降雨过程，在保障弃流初期水质较差的雨水，同时能更有效的利用后期较干净雨水的基础上，确定最终应弃流掉产流后多长时间的径流量，并定义道路初期雨水弃流量为损失量与产流后一定时间的径流量之和。然后结合选定的弃流标准计算。首先，搜集降雨资料、选样并进行频率分析，在中国气象科学数据共享服务网上下载气象数据集，从数据集中选取并整理出研究地区较近的气象站点逐日降雨量数据，选样并绘制频率曲线；再利用频率曲线中不同设计频率下日降雨量数据结合设计暴雨雨型，根据弃流标准计算得到道路初期雨水弃流量；最后将计算结果与研究地区降雨特征及相关规范文献进行比较，综合确定道路初期雨水弃流量。具体步骤如图1所示。

图1 具体步骤

结合上述具体步骤，以天津滨海新区为例进行弃流量的计算。首先综合相近研究地区中关于初期径流时间文献的研究结论，把一场降雨径流中考虑2 mm损失量后30 min的径流作为弃流标准。然后选取并整理天津塘沽气象站点逐日降雨量资料，采用年多个样本法进行频率分析，并绘制频率曲线，计算中同时考虑长历时（24 h）与短历时降雨（2 h），为了在弃流初期雨水的基础上更充分利用雨水，选择0.33年、0.5年、1年、2年一遇设计重现期，由不同频率下日降雨量计算得到24 h及2 h最大降雨量，并结合《天津市海绵城市建设技术导则》设计暴雨雨型分配，计算得到24 h、2 h降雨历时0.33年、0.5年、1年、2年一遇下道路初期雨水弃流量的范围分别为3~6 mm、6~14 mm，结合滨海新区降雨量在0~5 mm内次降雨占到55.3%、每年前两场降雨量在0~5 mm内场次占到90%左右，以及经验确定道路初期雨水弃流量的范围为2~15 mm，最终建议滨海新区道路初期雨水弃流量为5 mm。

为了更好地进行雨水资源化利用，必须要对道路初期雨水进行相关处理，其中考虑处理成本，对道路初期雨水进行弃流并集中处理是最经济的方式。初期雨水弃流装置作为一种分流手段，能有效地分离初期雨水和后期雨水，控制雨水径流中大部分污染物。初期雨水弃流装置有多种分类方式，根据安装方式的不同可分为管道安装式、埋地式，根据控制方式又可分为自控型、电控型。

2.1 自控型初期雨水弃流装置

自控型初期雨水弃流装置一般不需要电气设备，能够实现初期雨水的存储或排入污水管道等，完成弃流目的并进行有效地分离。自控型初期雨水弃流装置可分为容积式、半容积式、旋流式、翻板式、切换式、跳跃井式等。

2.1.1 容积式弃流装置

容积式弃流装置将初期雨水暂存在弃流池内，按初期降雨量界定初期雨水并结合汇水面积确定弃流池的容积。常见的容积式弃流装置如图2所示。初期雨水径流由集水管进入弃流池内，随着弃流池内水位不断升高，浮球随之上升，浮球阀逐渐关闭，当达到设定的高水位后，浮球阀完全关闭，后期较为干净的雨水径流从旁通管流出并进入后续雨水利用处理系统，待雨停后打开排空管阀门排空弃流池。控制方式除了采用浮球阀外，还可采用活塞、标准化设计的弃流器实现弃流量的控制。同时可以增加内设浮球阀的调节池自动排空弃流池内雨水，或将弃流池底部设计为透水工布池底，弃流池内蓄存的雨水可通过下渗补充地下水，改善传统容积式弃流装置在每场降雨过后需人工开启阀门排放雨水的不足。排空管可接入污水管网或排入渗透系统中。

图2 容积式弃流装置

容积式弃流装置运行过程不受到降雨变化的影响，在弃流量的控制上具有准确、稳定等优点，结构简单、施工方便。对于汇水面积较小地区，需要收集的弃流雨水量相对较小，更宜采用容积式弃流装置，但当汇水面积较大时弃流池的容积较大，存在占地大且造价高等问题，同时排空管处容易产生泥沙淤积堵塞问题，后期人工维护成本较大；且在设计中未考虑不同降雨过程雨水水质的影响。

厉晶晶等采用了容积式弃流装置进行了工程示范的设计及运行效果的评估，研究地区位于江苏镇江市第三人民医院，弃流池对应汇水面积为350 m?，施工期为2009年4月，采用弃流3 mm的初期降雨量，确定弃流池容为1 m?，取长宽高均为1 m，弃流池底采用透水混凝土，池内雨水可通过渗透补充下水，池身为砖砌。通过对弃流池内雨水及旁通管的出水的水质监测，得到几场降雨中对COD的截留率在50%~70%，证实容积式弃流装置运行效果良好。

2.1.2 半容积式弃流装置

为了解决容积式弃流装置普遍存在的占地面积较大的问题，将弃流池内一部分初期雨水直接排入市政污水管道或雨水管道，另一部分暂时存储在弃流池内，以达到减少弃流池的容积、减少制造成本的目的，此即为半容积式弃流装置的工作原理。典型的半容积式弃流装置如图3所示，雨水由进水管进入雨水分流室，在重力作用下由分流板通过浮球阀进入到底部的雨水弃流室，随着雨水的汇入，弃流室内水位不断上升，同时上方浮球阀逐渐关小。当弃流室内水位达到设计高度时，进出水处于动态平衡状态。随着降雨过程的进行，部分进入分流室的初期雨水由雨水排出管排出装置，而另一部分会暂时储存分流室中，分流室内水位会逐渐升高，当达到溢流堰高度时后期洁净雨水通过溢流堰进入雨水利用室，并经由雨水收集利用管流入雨水利用设施。

图3 半容积式弃流装置

半容积式弃流装置在弃流量的控制方面较为复杂，就上述半容积式弃流装置而言，需确定雨水弃流室和雨水分流室的容积及浮球阀关闭前通过雨水弃流室排水管排出的雨水体积，三者之和为初期雨水弃流量。半容积式弃流装置形式各异，大部分控制原理相似，一般为利用杠杆、弹簧、浮球阀、双浮球、滑轮等控制排水阀门的启闭，安全、节能且减少运行成本。在汇水面面积较大的地区，从节省空间的角度考虑更宜采用半容积式弃流装置。然而杠杆、浮球阀等容易老化堵塞影响装置运行效果，需定期维护更换，且大部分设计未考虑不同降雨过程雨水水质的变化。

2.1.3 旋流式弃流装置

旋流式弃流装置利用旋流分离原理分离初期、后期雨水。降雨时雨水沿切线方向进入旋流筛网，筛网初期表面干燥，雨水受离心力及水的张力作用呈旋转的状态流向装置中心的排水管，因此初期雨水即被排入市政雨水或污水管网。随着降雨的持续汇入，筛网表面逐渐润湿，水的张力作用逐渐减小，中后期水质较好的雨水就能穿过筛网进入集水管至蓄水池，典型的旋流式弃流装置如图4所示。

图4 旋流式弃流装置

由于SS为道路径流中最主要的污染物，同时研究表明SS能吸附大量颗粒态COD、N、P，因此旋流式弃流装置能在去除固体颗粒的基础上实现净化雨水水质的效果，且下一场降雨的初期雨水能对装置起到清洁作用，同时还可通过调整筛网的面积及目数按时间控制初期雨水弃流量。但旋流式弃流装置更适用于在汇水面积和区域性质较稳定的地区，雨水径流中垃圾等易堵塞筛网，且在整个降雨过程中底部排水管一直打开并处于弃流状态，不能实现对弃流量的精确控制，存在部分中后期雨水进入底部排水管不能进行雨水资源利用的情况，设备的投资维护费用较高。

厉晶晶等同样在江苏镇江市第三人民医院进行了旋流式弃流装置工程示范的设计及运行效果评估，根据现场条件，确定了旋流分离器进出口直径、高度，旋流分离器的直径、总高度及弧形挡板的设计尺寸，并通过在降雨过程中对旋流分离器进出口水样水质监测，发现出口水质明显好于进口水质，尤其对SS、浊度的去除效果最好。

2.1.4 翻板式弃流装置

翻板式弃流装置利用水力作用使翻板自动翻转，从而弃流初期雨水。初始时翻板处于倾斜位置，当开始降雨后，初期的雨水从翻板下端排至市政雨水或污水管道，随着翻板下雨水的增多，翻板在重力及水压力共同作用下发生翻转，使翻板下端排水口封闭，当水位继续升高至溢流口后，后期雨水进入雨水收集池进行资源化利用，典型翻板式弃流装置如图5所示。柴宏祥等设计了一种新型翻板式弃流装置，通过在固定斜板下方设置不同位置的卡座，实现了对初期雨水弃流量的调节。毕墨涵等对翻板进行了改造，利用初期雨水重量、转轴上发条装置的回复力及磁铁磁力，实现排除初期雨水和收集中后期雨水两种状态的自由切换。

图5 翻板式弃流装置

翻板式弃流装置占地小、结构简单灵活，能够自动排空初期雨水，可安装于雨水汇水干管或雨水篦子下部，装置不易淤堵，但在弃流量控制方面精度不够，若降雨初期流量较大，可能瞬间使翻板发生翻转，导致一部分初期雨水进入雨水收集池，后期流量变小后，翻板恢复初始位置，可能导致少部分后期雨水弃流，同时装置运行维护复杂、翻板易损坏且不易维修。

杨潇等以西安理工大学网球场雨水利用工程为例，设计了翻板式弃流装置，首先参考规范确定初期弃流量为3 mm，选择了重现期分别为2年、5年、10年一遇6 h三场设计降雨，结合不同的关键设计参数的尺寸，得到在设计降雨条件下，翻板式弃流装置理论上能弃流3 mm初期雨水，符合设计要求，装置运行效果较好。

2.1.5 切换式弃流装置

切换式弃流装置在雨水井中进行了改造，同时为与下游雨水井和污水井连接，埋设了两根管，并通过手动或自动闸阀等进行切换，利用初期雨水水质差、流量小的特点进行弃流的控制，典型切换式弃流装置如图6所示。吴强初根据连通管原理设计一种新型切换井，有效的实现初、后期雨水分离。还可以将弃流管设置成分支小管来弃流初期雨水，当雨水流量足够大时，超过小管排水能力的后期径流直接向游输送再进入雨水收集系统。

图6 切换式弃流装置

2.1.6 跳跃井式弃流装置

跳跃井式结合水力原理和井室的分布实现初期与后期雨水的分离。降雨初期雨水径流流量小，通过雨水入流管末端后在出口处形成跌水，然后通过初期雨水截流沟排入污水管网中，后期随着降雨强度的增大，径流流量逐渐增加，在入流管出口处形成跳跃式下落，进入到雨水出流管，图7为典型跳跃井式弃流装置。该方法依据雨水特点实现分流，结构简单，不需人工维护，但弃流量控制不准确。

图7 跳跃井式弃流装置

2.2 电控型初期雨水弃流装置

电控型弃流装置加入了电气设备来控制弃流过程，有利用智能流量计测量雨水径流量的流量式弃流装置和使用电子雨量计测量降雨量值的雨量式弃流装置。流量式弃流装置可将流量信号发送至中央控制器，并按照既定的程序控制电动阀的启闭，以实现初期雨水弃流，雨量式弃流装置通过电控阀门，实现初期雨水和中后期雨水的分流。部分电控型雨量弃流装置在容积式弃流装置基础上进行了改进，通过设置水位电信号液位计或雨停传感器控制排空管处电磁阀的开闭，自动排空弃流池内雨水。李玫等设计了一种新型电控弃流装置，如图8所示，在装置进水管、出水管、弃流管及调蓄池处设置多个感应器，利用电磁阀所在电路的电磁效应实现对初后期雨水的分流，并自动排空调蓄池内的雨水。

图8 新型电控式弃流装置

除了流量式、雨量式电控弃流装置外，还有根据雨水水质判定是否弃流的水质型电控弃流装置。汪传发等提出以电导率≤300 μS/cm作为水质衡量及合格标准，研制了结合雨量和雨质弃流的PLC、在线电导率仪和水位计一体化的雨水弃流设备，为弃流装置的设计提供了新的思路和方法。罗川淦以粤中地区典型建筑小区为例，采用人工配水模拟雨水，分别让配水和自来水通过实验装置，并测定蓄水池水的电导率，实验结果表明，水质型电控弃流装置具有较好的效果。

电控型弃流装置在精度上更准确，尤其是水质型电控装置，但结构复杂，电气设备较为昂贵，长期暴露在潮湿的环境中容易损坏，且后期维护复杂成本高，更适宜设置在汇水面积较大、区域性质不稳定的地区进行集中弃流处理。

2.3 不同类型弃流装置的总结

弃流装置汇总如表4所示，对于自控型弃流装置而言，弃流原理一般依据初期雨水水量或流量特点，具有结构简单、节约成本、施工方便等优点，但均未考虑不同降雨过程的水质变化，对于不同降雨类型弃流效果可能存在一定差异，弃流控制不够精确；而对于电控型弃流装置，弃流控制更准确，其中水质型弃流可通过监测径流中污染物浓度判定是否弃流，但结构复杂、运行成本高、电器设备容易损坏。大多数弃流装置更适宜在汇水面积较大地区进行集中弃流处理，且由于容积式弃流装置运行过程不受降雨变化的影响，目前在实际工程中应用最多。综合不同类型弃流装置的优缺点及适用范围，半容积式弃流装置利用机械部件进行分流，不仅占地面积小、节约成本、运行维护频率低，且控制分流较为灵活，在实际工程中可进行大量推广，同时针对于存在的弃流量难控制及弃流过程未考虑水质的问题，可结合电控设施进行改进完善，既保证弃流后溢流雨水水质，又能最大限度减少弃流水量。

表4 弃流装置汇总

本文从理论及工程应用两方面介绍了初期雨水界定的相关研究结论，由于不同地区、不同路况、不同降雨类型下初期径流体积及初期径流中污染物所占比例存在一定差异，目前对于初期雨水的界定仍然没有统一，目前国内主要接受的方法，一是用初期降雨历时划分；二是按初期降雨量划分，这两种方法虽在实际应用中方便操作，但也具有一定的局限性。因此，本文在总结相关研究成果的基础上，定义道路初期雨水弃流量为损失量与产流后一定时间的径流量之和，并提出采用设计降雨确定弃流量的方法，可在不具备长期测定道路径流水质的情况下使用。以天津滨海新区为例，定义道路初期雨水的弃流标准为一场降雨径流中考虑2 mm损失量后30 min的径流，最终得到滨海新区道路初期雨水弃流量为5 mm。

初期雨水界定的不同理念，结合不同控制方式、弃流原理，产生了不同类型的初期雨水弃流装置，在弃流量控制的精确性及灵活性存在一定的差异。不同地区道路雨水污染程度不同，选用弃流装置时应结合实际情况因地制宜。综合不同类型弃流装置的优缺点及适用范围，半容积式弃流装置利用机械部件进行分流，不仅占地面积小、节约成本、运行维护频率低，且控制分流较为灵活，在实际工程中可进行大量推广，同时针对于存在的弃流量难控制及弃流过程未考虑水质的问题，可结合电控设施进行改进完善，既保证弃流后溢流雨水水质，又能最大限度减少弃流水量。

目前随着海绵城市的进行，雨水资源化利用工程日益增多，雨水资源化利用日益受重视，但大部分工程对初期雨水的弃流考虑不足。因此，从初期雨水弃流后集中处理的经济性和处理效率角度，在今后地雨水资源化利用工程中要通过初期雨水弃流，继续大力推动雨水资源化利用，以期更好应对城市水资源短缺、城市内涝频发及城市水污染问题。