沈阳市南运河系统排水改造设计
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【摘 要】沈阳市南运河排水系统为合流制排放体系，本次改造旨在改善南运河水质、提高南部排水系统排放标准。设计中充分利用了现状排水系统，遵循循序渐进、保护老城区基础设施及环境的原则，合理制定设排放标准及施工工艺，满足了设计要求；同时避免了拆迁、排迁、毁绿、扰民现象，城市交通及现状排水设施也未受影响，改掉了老城区排水系统改造工程中的一些顽疾，供类事工程参考。
【关键词】老城区排水系统改造 设计标准提标 二次稀释 盾构法施工
老城区的排水分流改造是一项周期长、投入大的系统工程，必须坚持保护生态环境的理念，采用近远期结合、合理制定排放标准的思路逐步实施。本次结合南运河排水系统改造，对老城区排水改造工程进行探索。
1南运河概述
南运河位于沈阳市南部主城区，全长14.7公里，底宽14～24米，设计流量47m3/s，至东向西依次流经大东、沈河、和平区，于龙王庙汇入浑河。1984年，南运河实施了第一次综合治理，运河两岸形成了15～30米绿廊及万泉湖、万柳塘湖、青年湖、南湖等4个大型水面。改造后，南运河成为市区内重要的景观性河流，同时担负着南部城区的雨水排放功能。
1.1现状排水系统
沈阳市南部排水系统依托南运河，形成旱季截流城市污水进入沈水湾污水处理厂，雨季合流污水溢流南运河的合流制排放体系。南运河系统污水汇水面积42.40平方公里（其中东部29.60平方公里，西部12.80平方公里），雨水汇水面积27.6平方公里（其中东部14.80平方公里，西部12.80平方公里）。东部截流系统旱季污水经五爱泵站提升进入浑河截流系统，雨季合流污水一部分经五爱泵站提升进入浑河截流系统，其余部分溢流南运河；西部截流系统旱季污水进入浑河截流系统，雨季合流污水溢流南运河，最终流入浑河。
1.2 现状排水系统存在问题
（1）管网设计标准低。原合流系统雨水设计重现期P=0.33年、综合径流系数Ψ=0.42；随着城市的发展，综合径流系数大幅提高，原排水系统已无法满足雨水排放要求，城区积水点增多。
（2）南运河污染严重。2006年至2011年，南运河水质仅2007年达到Ⅴ类水质水平，其余年份均为劣Ⅴ类，距Ⅳ类水质要求相差甚远。具体指标见表1。
表1 2006年至2011年南运河水质监测结果
年份
监测指标
化学需氧量
生化需氧量
高锰酸盐指数
氨氮
总磷
石油类
2006
28
7
6.3
2.3
0.25
0.6
2007
24
7
4.5
1.75
0.19
0.5
2008
40
6
5.3
3.82
0.30
0.6
2009
18
6
4.8
1.76
2.77
0.1
2010
22
7
7.0
4.01
0.33
0.2
2011
24
8
6.7
3.21
-
-
地表水Ⅳ类标准
30
6
10
1.5
0.3
0.5
地表水Ⅴ类标准
40
10
15
2.0
0.4
1.0
2 南运河系统排水改造设计
设计原则：南运河系统远期规划为雨污分流制，本次仅对排水干线进行改造。现状合流管道做为污水干线；新设计雨水管道，远期做为雨水干线、近期做为雨污合流干管。
2.1 污水流量确定及现状合流干管流量校核
南运河截流管修建于上世纪70～90年代，设计标准已不适合，需重新确定设计污水量。南部系统污水为生活污水，其总变化系数按照《室外排水设计规范》2011年版选取。详见表2。
表2 综合生活污水量总变化系数
平均日流量（L/S）
5
15
40
70
100
200
500
≥1000
总变化系数
2.3
2.0
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
污水流量确定。公式参数：Q= q0 F Kz（q0―比流量，F ―区域面积， Kz ―总变化系数）。
平均日污水量：Q= 0.6×4240×86400×10-3≈22×104m3/d。
管道设计流量：Q= 0.6×4240×1.3×10-3≈3.31m3/s（东部2.31 m3/s，西部1.0 m3/ s）。
浑河截流下游污水泵站旱季日平均提升污水为21.30万m3/d，与设计平均日污水量22万m3/d相差3.1，经与规划、水务等部门协商，同意以我院的计算结果为设计依据。
现状东部截流干线最大断面为2.4m×2.4m拱渠，设计流量Q=8.1m3/s ；当设计充满度为0.75时，设计流量Q=6.1m3/s，大于新设计东部污水量（2.31 m3/s）。因此东部截流干管可以做为远期污水干线，同时近期还可额外承担5.79 m3/s的雨水排放。
现状西部截流干线最大断面为双孔2.4m×2.05m暗渠，设计流量Q=14.7m3/s ；当设计充满度为0.75时，设计流量Q=11.07m3/s，大于新设计西部污水量（1. 0 m3/s）。因此西部截流干管可以做为远期污水干线，同时近期还可额外承担13.70 m3/s的雨水排放。
2.2 雨水流量计算
公式参数：；其中，q=167A1（1+ClgP）/（t+b）n。计算结果见表3。
q―暴雨强度，沈阳地区参数：167A1=1825，C=0.774，b=8，n=0.724。
t―设计降雨历时；P―设计重现期；Ψ―径流系数，Ψ=0.6； F―汇水面积，分段累加。
表3 南运河系统雨水设计流量（m3/s）
区域
P=3年
P=1年
P=0.5年
P=0.33年
P=0.2年
现状雨水排放能力
东部系统
38.6
27.2
21.6
17.7
12.9
5.79
西部系统
33.4
24.4
18.7
15.3
11.2
13.7
根据表3数据，现状南运河东部系统雨水排放能力低于0.2年，西部系统雨水排放能力低于0.33年；雨季大量的混合污水溢流南运河，污染河水，严重影响城市景观及生态环境。
2.3 雨水干线确定
远期分流后，雨水设计标准为P=3年。东部雨水系统雨水干线设计：起点D=2m钢筋混凝土管，设计坡度I=0.6‰；终点双排D=3.5m钢筋混凝土管，设计坡度I=1‰，设计流量Q=41.2m3/s。西部雨水系统雨水干线设计：起点D=2m钢筋混凝土管，设计坡度I=0.6‰；终点双排D=3.5m钢筋混凝土管，设计坡度I=0.7‰，设计流量Q=34.5m3/s。终端雨水提升泵站：东部保留原五爱污水泵站；新建五爱雨水泵站，设计规模40m3/s；西部新建龙王庙雨水泵站，设计规模34m3/s。两座泵站提升后的雨水进入浑河。
2.4 近期实施方案
因沈阳市未完成雨污分流改造，本次改造暂时保留合流制排放体系，现状合流管与新设计雨水干线联合工作。雨水干线双排D=3.5m管道近期实施一排，相应排水标准为东部系统P≈1年，西部系统P≈3年；雨水泵站亦分期实施，以减少投资。本工程实施后，远期可消除了污水对南运河的污染；近期混合污水首先溢流至新建雨水干线二次稀释、再溢流南运河，减少污水污染运河的频率和污染物浓度。
2.5 线位及施工工艺确定
沈阳老城区建筑物密集、道路下布满管网，拆迁、排迁造价高，道路红线、绿线内实施排水改造工程难度大。经市建委、市规划局等部门共同研讨，管道线位设于南运河绿化带内。
南运河沿岸绿化带已形成近30年，是市民休闲、健身、娱乐的主要场所，如采用明挖施工将完全破坏近14公里城市绿廊（管道埋深大于11米）。因此，普通管径（D=2.0m～2.8m）采用长距离顶管，顶距大于120米；大管径（D=3.5m）采用盾构法施工，盾构机进出井距离大于1000米，检查井与观测井、通风井合并预留。
盾构法施工优点如下：（1）盾构掘进不受天气、地形、地貌、水域等地表环境限制。（2）应用于埋深大、地下水位高的条件下，相对而言施工成本低。（3）适用地质情况范围宽，软土、砂卵土、岩层均可使用。（4）对环境及基础设施影响小，不影响交通及商铺营业。
3 结语
老城区排水分流宜循序渐进、分期建设。实施中充分利用现状合流管道、优先修建雨水干线；雨季混合污水先溢流至新建雨水干线二次稀释、再溢流城市水体，减少污水污染运河的频率和污染物浓度，既能提高排水标准、提升运河水质、节省工程照价，又不影响城市的排水系统正常工作。
排水干线管道管径大、埋设深，不适合开挖施工，宜采用盾构法等深遂工艺施工。