主编团队释疑 |《室外排水设计标准》(GB 50014-2021)十问十答

导 读

Abstract

全面修订的《室外排水设计标准》(GB 50014-2021)已经发布实施,主编单位和主要起草人员经常收到许多设计人员的疑问,为将本次全面修订的主要关键问题向广大设计人员做些解释,主编单位就《室外排水设计标准》的10个关键点进行了深入的解析,为排水工作者理解标准条文提供参考。

标准实施后对已经设计的工程项目有什么影响?

《室外排水设计标准》(GB 50014-2021)于2021年10月1日开始实施。自实施之日起,所有开始立项的排水工程都应参照新标准进行设计。对于此前已经按旧版规范编制的项目建议书、可行性研究报告、初步设计和施工图设计,均按旧版规范执行,只有自2021年10月1日执行后编制的项目建议书按新版规范的要求执行。

新版规范增加第3章排水工程的指导思想是什么?

随着大规模城镇化建设的推进,排水工程发展迅速。与1991年相比,城市排水管道的长度增加了12倍,污水处理厂的规模增长近60倍,污水处理率从14.8%增长到97.5%,为改善城镇水环境、提高城镇排水防涝能力发挥了重要作用。但是排水工程还存在不少短板和痛点,距离支撑“人民所向往的美好生活”的实现还有距离。究其原因,很重要的一点就是排水工程建设长期以来注重单一工程,缺乏系统思维。例如雨水设施以灰色为主、内涝防治体系不健全、与防洪系统衔接不畅,导致城镇应对极端强降雨的韧性不足;污水设施以污水处理厂的建设为主、污泥处理设施缺乏、污水管道建设严重滞后、厂网建设不同步、污水管道渗漏严重、雨污混接整治不力,导致城镇水体雨天返黑返臭现象经常发生,很多已建的污水处理设施没有发挥整体功效,水环境和水安全问题仍是城镇发展亟待解决的民生问题。

因此,本次修订新增了第3章排水工程,要求牢固树立系统思维,以目标和问题为导向,加强城镇排水工程设计的系统性。排水工程包括雨水系统和污水系统,涵盖从源头到末端的全过程的管理和控制。雨水系统包括源头减排、雨水管渠和排涝除险,并应与防洪标准设施相衔接;污水系统包括污水管道、污水和再生水处理、再生和污泥处理和处置。雨水系统的功能是实现雨水的收集输送、雨水径流的下渗、调蓄、利用和排放,以源头减排、雨水管渠和排涝除险的全过程综合管理应对设计重现期之内的降雨,以应急措施应对超出内涝防治设计重现期的暴雨事件,实现城镇在极端降雨条件下的快速退水和安全运行,避免人员伤亡和财产损失,提高城镇应对内涝灾害的韧性。污水系统的功能是通过污水管道、泵站等设施收集输送生活污水和受污染的雨水到污水厂,处理后达标排放,同步实现污泥处理处置,以实现水污染控制、水环境保护和资源回收利用。

雨水系统源头减排、雨水管渠和排涝除险这3个设计标准可以谈一下吗?

雨水系统的3个主要设计标准分别为年径流总量控制率、雨水管渠设计重现期和内涝防治设计重现期,并应明确3个设计标准所对应的设计降雨量或降雨强度,充分体现让人民感知、让社会监督。

(1)源头减排

源头减排设施的设计标准为年径流总量控制率,主要应对大概率、低强度降雨事件,设计中注重自然和绿色设施的利用,实现削减径流峰值流量和径流污染、收集利用雨水资源的目标。源头减排设施的规模是根据年径流总量控制率确定设计降雨量,采用容积法确定,以保证在设计降雨量下不直接向城镇雨水管渠排放未经控制的雨水。设计中各地应明确年径流总量控制率相应的设计降雨量,以上海为例,根据近30年的统计数据,年径流总量控制率为75%、80%、85%所对应的设计降雨量分别为22.2 mm、26.7 mm和33.0 mm。

(2)雨水管渠

雨水管渠的设计标准为雨水管渠设计重现期,主要应对大概率、短历时强降雨事件,在频繁降雨事件下保证道路不积水、为公众生活提供便利。雨水管渠的设计规模应根据雨水管渠设计重现期对应的设计降雨强度、汇水面积和径流系数,通过推理公式法计算流量确定,且雨水管渠按满管流设计。在近年来修订中,不同的城镇类型(超大城市、特大城市、大城市、中等城市和小城市)、不同的城区类型(中心城区、非中心城区、中心城区的重要地区和中心城区地下通道和下沉式广场等)的设计标准已经与国际标准基本接轨,超大城市和特大城市的中心城区要求3~5年一遇,中心城区的重要地区要求5~10年一遇,中心城区地下通道和下沉式广场要求30~50年一遇,而且规定人口密集、内涝易发且经济条件好的城镇应取上限。设计中各地应根据雨水管渠的设计重现期,通过暴雨强度公式确定设计降雨强度。以上海为例,其主城区和新城、其他地区、地下通道和下沉式广场等的雨水管渠设计重现期标准分别是5年一遇、3年一遇和30年一遇,所对应的小时设计降雨强度分别为58.1 mm/h、51.3 mm/h和82.2 mm/h。

(3)排涝除险

排涝除险设施的设计标准为内涝防治设计重现期,主要应对小概率、长历时降雨事件,设计中应结合自然蓄排条件,充分发挥河道行洪能力和水库、洼地、湖泊、绿地等调蓄作用,为超出雨水管渠设施承载能力的雨水径流提供行泄通道、调蓄空间和最终排放出路,保障城镇内涝防治设计重现期下城市的安全运行。排涝除险设施的规模是根据其类型(调蓄或排放),进行相应的设计水量或流量计算,且应和源头减排设施、雨水管渠作为一个整体系统校核,满足内涝防治设计重现期下地面的积水深度和最大允许退水时间。校核时,雨水管渠处于超载状态,按压力流校核,如校核结果不符合要求,应通过放大雨水管渠管径、增设渗透或调蓄设施等措施满足内涝防治设计重现期的设计要求。内涝防治设计中,降雨历时采用3~24 h,目前我国多采用24 h,而发达国家一般根据服务面积,确定最小降雨历时,如美国丹佛市的城市暴雨排水标准(2016年版,第一卷)规定:服务面积小于10平方英里(约25.9 km²),最小降雨历时为2 h;10~20平方英里,最小降雨历时为3 h;大于20平方英里(约51.8 km²),最小降雨历时为6 h。设计中各地应根据当地统计资料,确定内涝防治设计重现期下和设计降雨历时所对应的设计降雨量。以上海为例,内涝方式设计重现期100年一遇、24小时降雨历时所对应的平均降雨量为275 mm。

污水系统设计规模、旱季设计流量和雨季设计流量,这3个流量可以分别谈一下吗?

污水系统的3个流量分别为设计规模、旱季设计流量和雨季设计流量,充分考虑污水处理设施的韧性,应对可能接入的合流制截流污水和分流制截流的初期雨水。

(1)设计规模

污水系统的设计规模按平均日流量(m³/d)确定。平均日流量是综合生活污水量和工业废水量之和。综合生活污水量按规划人口规模和综合生活污水定额确定。考虑到新时期人民生活水平改善,室内排水设施基本完善,本次修订建议按用水定额的90%确定综合生活污水定额。工业废水量应根据工业企业的行业和工艺特点,通过工业用水定额确定,工业企业的生活污水量应按现行国家标准《建筑给水排水设计标准》(GB 50015)的要求确定。此外,当地下水位高于污水管道时,污水系统设计规模还应适当考虑地下水入渗量。

(2)旱季设计流量

旱季设计流量(L/s)是最高日最高时的综合生活污水量和工业废水量,再加地下水入渗量,体现污水量的最大时变化。旧版规范一直沿用1972年编制组在北京、长春、郑州和广州27个观测点、历时8个月所测得的数据回归得到的综合生活污水量总变化系数。本次修订,编制组研究了上海市80座污水泵站历时5年的日运行数据。在分析中剔除了雨天泵站运行数据,以消除雨污混接、泵站预抽空和雨水倒灌等诸多因素的干扰,将非降雨天的运行数据整理和分析后,得到日平均流量和变化系数的线性拟合公式,该变化系数较旧版规范整体提高了约15%左右,修订后的变化系数与美国加州的数值十分接近,但仍低于日本和美国十州的设计标准。

(3)雨季设计流量

分流制排水系统的雨季设计流量是在旱季设计流量的基础上增加截流雨水量,以降低面源污染。合流制排水系统的雨季设计流量为截流合流污水量。考虑分流制截流雨水量时,不应盲目扩大设计流量,而应充分调研雨污混接、错接和外水等因素对流量的影响,在同步提升污水管道质量、挤外水的基础上,科学确定水环境保护目标对应的截流量。编制组调研发现,不论是合流制还是分流制,国外污水处理厂在雨天也面临运行流量增加的问题,他们通过厂内调蓄、旁路处理等方法提高雨天污水处理厂处理能力,以降低雨天厂前溢流给水体带来的污染。例如英国南方水务规定,污水处理厂最大处理流量(Flow to Full Treatment, FFT)应为3倍旱流污水量(旱季生活污水和工业废水流量之和)加上最大地下水入渗量。该流量不仅能满足旱流污水量的变化,还能处理25 mm以下降雨产生的径流量。此外,污水厂还按合流制服务人口68 L/人和2 h峰值调蓄的标准设置厂内调蓄池,与最大处理流量(FFT)共同实现合流制排水系统6.5~8倍旱流污水量的雨天处理能力,大大降低了合流制排水系统溢流频次和溢流污染量。

本次修订特别注重污水系统设计中的系统思维,三个流量的概念贯穿污水的输送、处理和污泥的处理处置,确保污水系统上下游设施规模和处理能力的匹配,以避免厂前溢流。例如在污水管道、污水泵站和污水厂各个处理设施的设计中都引入雨季设计流量校核的要求,在污泥处理设施的规模上也考虑雨季流量的影响而有所增加。

污泥处理处置产生量、处理能力和全量处理的3个要求,可以谈一下吗?

污泥处理处置的3个要求分别为污泥产生量、污泥处理能力和污泥全量处理。排水工程建设中污泥处理处置的发展始终落后污水收集处理系统。本次修订的指导思想就是注重系统思维,注重“泥水同治”,不仅体现在污水处理和污泥处理处置的规模匹配,更表现在污泥全年全天候的稳定处理能力上。

(1)污泥产生量

污泥产生量包括来自初沉池的初沉污泥量、二沉池的剩余污泥量和深度处理的化学污泥量。污泥处理处置设施的规模应以污泥产生量为依据,并综合考虑排水体制、污水处理水量、水质和工艺、季节变化对污泥产量影响。例如,不同的排水体制和管网运行维护程度造成污水厂进水水量、水质存在差异;不同的污水处理工艺的产泥量存在差异;不同季节交替时水温的波动也会影响污泥产生量,应该精细化确定污泥产生量。

(2)污泥处理能力

考虑到雨季设计流量对污泥处理能力的影响,本次修订规定,处理截流雨水的污水系统,其污泥处理处置设施的规模还应考虑截流雨水的水量、水质,设计时可在旱流污水量对应的污泥量上增加20%,为雨季设计流量下的污泥处理能力预留富裕。

(3)污泥全量处理

污水处理是全年无休的,因此每天都有污泥产生。目前污泥处理处置大量依赖机械设备,这些设备都有相应的维护保养周期,如一套污泥焚烧设施的设计年运行时间一般为7 200 h,无法覆盖全年。此外,在特殊工况条件下污泥产量也会超出原有规模,带来短暂的超负荷运行工况。因此本次修订规定,污泥处理处置设施的设计能力应留有富裕,以保证设施检修维护等情况下污泥的全量处理处置。

城镇内涝的评判标准是什么?

城镇内涝防治的主要目的是保障城镇内涝防治设计重现期下的城市安全运行,将降雨期间的地面积水控制在可接受的范围,道路积水深度可控,退水时间可期。

地面积水设计标准为居民住宅和工商业建筑物的底层不进水、道路中1条车道的积水深度不超过15 cm。当路面积水深度超过15 cm时,车辆可能因排气管进水而导致熄火无法行进。我国城市开发力度高,人口密度大,内涝积水对城市运行影响大,因此内涝积水高度标准没有像美国按照道路等级划分,而是规定内涝设计重现期下不论道路大小,都保证至少1条车道的通行能力,以确保内涝重现期下城市路网的完整通行性。

最大允许退水时间是指雨停后的地面积水的最大允许排干时间。针对道路积水对城镇不同区域的影响不同,新版规范根据不同城区类型分别规定了最大允许退水时间,非中心城区1.5~4 h,中心城区要求1~3 h,中心城区重要地区0.5~2 h。人口密集、内涝易发、特别重要且经济条件较好的城区,最大允许退水时间应采用规定的下限。大型交通枢纽是对道路积水特别敏感的区域,因此规定最大允许退水时间应为0.5 h。

当积水区域的居民住宅和工商业建筑物的底层未进水且道路中至少有一车道的积水深度不超过15 cm时,该区域不视为内涝;当车道积水深度超过15 cm,但在最大允许退水时间之内退水时,该区域也不视为内涝;只有当区域的积水深度和最大允许退水时间都超出上述设计标准时,该区域才视为内涝。

关于内涝防治系统与治涝标准如何衔接?

内涝防治与治涝虽然都是地方事权,但上级主管和管理范围不同。内涝防治工作的上级主管是住房和城乡建设部,针对城镇范围,应对3~24 h的长历时强降雨,允许地面出现一定深度积水并应在最大允许退水时间内消除积水,一般以水量控制。治涝工作的上级主管是水利部,针对城镇内河流域范围,应对24 h或更长的长历时降雨,要求雨后24 h排除积水,一般以水位控制,现行的治涝标准是《治涝标准》(SL723-2016),城市的治涝标准规定,常住人口大于150万人的,设计暴雨重现期大于20年。以上海为例,内涝防治标准是100年,治涝标准是30年。

内涝防治是城镇范围内的陆域水域协同,通过在陆域设置有调蓄功能的绿地、广场等开放空间和调蓄池等工程设施,控制排入城镇水域的径流总量和径流峰值,实现与城镇内河治涝标准的衔接,并确保区域满足地面积水标准和退水时间要求。

污水的设计水质是怎么确定的?

在进行城镇污水处理厂设计之前,城镇污水设计水质应根据调查资料确定,或者参照邻近城镇、类似工业区和居住区的水质。无调查资料时,应根据污水厂服务范围内的人口量和新版规范第4.2.1条给出的人均污染物当量估算污染物排放总量,以此作为生活污水设计水质的基础。住房和城乡建设部2017年对全国30个城市小区的生活污水浓度调查和国内人均污染物排放量的科研成果,发现我国生活污水中人均污染物的排放量有所增加。本次修订根据国内相关研究成果和国外标准,调整五日生化需氧量为40~60 g,悬浮固体为40~70 g,总氮为8~12 g,总磷为0.9~2.5 g。调整之后的数值和美国与德国设计标准较为接近。

取消化粪池的条件是什么?

分流制排水系统逐步取消化粪池,应在建立较为完善的污水收集处理设施和健全的运行维护制度的前提下实施。化粪池的应用起源于我国污水系统建设不完善的时期,当时全国污水管道覆盖率低,污水处理设施缺乏,很多污水管道末端尚未建设污水处理厂,而是直排河道,化粪池在一定程度上减少了污水对环境的污染。过去30年间,我国污水收集和处理系统有了长足的发展,随着污水收集处理率的提高,化粪池的存在意义已经不大。其次,化粪池的运维也存在很多问题,例如运行管理薄弱,不按设计要求及时清掏,化粪池仅仅是过流,而失去处理功能;清掏粪渣难以运输处置,容易造成二次污染;化粪池内的厌氧反应产生二氧化碳、甲烷和硫化氢等气体,不仅带来恶臭问题,也给污水管道的安全运行和维护人员人身安全健康带来隐患,还有化粪池所排放的甲烷和二氧化碳还是可观的碳排放,也是造成污水处理厂的进水水质偏低的一个因素。过去10多年来,四川、上海、广州、天津、福建等地都陆续出台法规或政策文件,在污水系统健全的地区取消化粪池建设。本次修订结合现状调研和主管部门要求,从设计角度规定,城镇已建有污水收集和处理设施的分流制排水系统应取消化粪池。如果某些地方虽然已建污水收集管网和污水厂,但因雨污混接、厂网规模不匹配或者运行维护缺失等导致污水系统不能充分发挥效能,则应对化粪池的取消进行充分论证。

另外,此次修订,为了配合化粪池取消,将污水管道的起端坡度修改为0.003。通过提高坡度,降低淤积堵塞的风险。从上海、常州等地20多年来取消化粪池的经验看,污水管道的堵塞与污水系统是否有化粪池并不直接关联,更多取决于污水系统的建设和运行管理质量。

关于合流制和分流制排水系统并存的相关措施有哪些?

由于历史原因,很多城市存在分流制和合流制排水体制并存的现象,全世界主要城市中合流制排水比例是东京(23区)82%、大阪市96%、纽约60%、巴黎87%和罗马89%。由于合流制改分流制的工程实施难度大、工期长、投资高,在高度开发的城区地下管位紧张,且会对区域交通和人民生活造成较大影响,因此德国和日本的溢流污染控制规划都提倡通过截流调蓄完善合流制排水系统,以达到和分流制一样的截污效果,并不一味地要求合流制改造成分流制。

新版规范允许城镇不同地区采用不同排水体制,但要求应明确各自的服务边界,合流制排水系统与分流制排水系统之间不应设置连通管,造成人为的混接。尤其在地块开发建设中实施临时排水措施时,应避免雨水管渠和污水管道之间的直接连通所导致的雨污混接。

此外,分流制和合流制并存地区还应根据不同排水体制的特点开展截流调蓄的设计,削减向自然水体排放的污染物量。在海绵城市建设背景之下,新版规范在5.14节“雨水调蓄设施”章节规定,不论是分流制和合流制排水系统,都应优先采用源头减排设施削减雨水径流进入市政雨水管道或合流污水管道的量。此外,分流制排水系统应按当地相关规划确定的年径流总量控制率、年径流污染控制率等目标计算确定截流雨水量,以减少径流污染。合流制排水系统应根据城市降雨特征、合流制管网运行情况、受纳水体水环境容量、溢流污染本底情况等合理确定年均溢流频次或年均溢流污染控制率,并计算确定截流倍数和调蓄规模。不论哪种排水体制都应保证截流调蓄量和下游污水系统能力的匹配,以确保截流调蓄的污染物都得到净化处理,实现全过程的污染控制。

在新时代生态文明建设理念的指导下,排水工程如何高标准、高质量建设是排水设计人员面对的时代课题。排水工程是一项系统工程,城镇水环境整治和内涝防治都不是一蹴而就的目标,国外发达地区的排水工程也经过了长期探索、逐步发展完善的过程。这就需要排水工作者既要雷厉风行地整治当下的关键问题,更要长远谋划、不懈努力、久久为功。《室外排水设计标准》的全面修订根据新时代发展需求,对排水工程设计提出了新的规定并提高了相关标准,希望能为持续推进室外排水工程建设的系统性、整体性和协调性提供引领和支撑。

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