基于合流制年溢流频次控制的调蓄池优化设计

姚永连，杨新宇，周琪皓，范 丹

(中规院<北京>规划设计有限公司，北京 100044)

目前，我国新建城区主要采用雨污分流的排水体制，老城区排水管网系统建设时间久远，多采用雨污合流制。雨季，因降雨量累计或者较大的降雨强度，合流制管渠的流量将超过其设计流量便会产生合流制污水溢流(combined sewer overflows，CSOs)[1]。CSOs中含有生活污水、管道沉积物、初期雨水等，是重要的城市面源污染，且CSOs中含有大量的有机物、营养元素和致病微生物，对城市水环境产生重大威胁[2]。CSOs溢流污染控制的主要策略有源头海绵改造，增大截污倍数、分流制改造与管网修复，建设调蓄池、旋流分离器和人工湿地等设施。其中，调蓄池技术成熟，便于施工，是一种高效的CSOs控制工程措施。调蓄池容积是重要的设计参数之一，传统CSOs调蓄池容积计算方法过多依赖于经验，难以推广利用。

本研究以武汉市机场河东渠上游合流区为例，基于Infoworks ICM数值模拟、辅以溢流水质监测确定年溢流控制目标(年溢流频次)，通过Infoworks ICM模型循环验证确定调蓄池的容积，并实际工程情况确定CSOs调蓄池设计方案，以期为其他CSOs调蓄池建设提供参考。

1 传统CSOs调蓄池设计方法概况

CSOs调蓄池的功能发挥的主要影响因素有调蓄池的容积、进水方式、进水设计流量等，其中调蓄容积是CSOs调蓄池调蓄功能实现的重要参数。传统CSOs调蓄池容积的计算方法主要有以德国、日本为代表的池容当量降雨量法，和以美国为代表的截获率法[3-5]。德国设计规范《合流污水系统暴雨削减装置设置指南》规定了CSOs调蓄池容积计算方法，通过单位面积污水量与处理量、单位面积雨水处理量、截流倍数、合流污水COD浓度等参数给出了经验公式[3]。日本在《合流制下水道改善指南》要求CSOs的控制指标为BOD，全年雨天BOD削减率为65%，对应合流区单位面积控制径流深度为3～5 mm[4]。美国《合流污水控制手册》的推荐方法为截获率法，该方法基于受纳水体水环境容量，综合考虑了旱天污水量、系统原截流量和降雨特征等因素，我国《城镇径流污染控制调蓄池规程》也采用该方法[5-6]。我国《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)(2016版)也给出了调蓄池容积的计算方法，具体如表1所示。在各国用于CSOs控制调蓄池容积计算方法中，德国、日本的计算方法是根据本国实际情况而确定的经验公式，美国截获率法中的截留调蓄系统设计降雨强度it并没有作详细说明，《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)(2016版)所采用的公式法中调蓄池建成后的截流倍数n也存在同样的问题。

表1 传统CSOs调蓄池容积计算方法

2 项目概况以及溢流现状

机场河明渠位于武汉江汉区与东西湖区交接区域(图1)，1984年为治理黄孝河，机场河排水分流工程动工，后逐渐发展为汉口西部14地区的排涝通道。机场河所处的汉口地区为长江中游江汉平原东南部的边缘地带，大部分区域属于长江一级阶地，地下水位高，普遍高于污水管网管底标高。该区域属于北亚热带季风(湿润)气候，多年平均降雨量为1 280.9 mm，暴雨多集中在4月—8月，其降雨量占全年的65.6%。

图1 机场河区位图

机场河全长为11.4 km，分为箱涵和明渠两部分，其中明渠又分为东渠(老渠)和西渠(新渠)。机场河箱涵段为8.0 km，由解放大道起，至金山大道；明渠(东渠)长为3.4 km，由金山大道起，至常青排涝泵站止，现状渠道宽为20～30 m。机场河东渠上游属于常青泵站污水片区，收水面积为25.75 km2，人口密度为2.44万人/km2，规划污水量约为10万m3/d(不含王家墩)。常青泵站上游片区的排水体制为分流制与合流制并存，其中合流制区域面积约为12.8 km2。机场河污水分区如图2所示。据监测，雨季时上游合流制区域(常青片)的CSOs大量溢入机场河东渠，在2017年6月24日降雨量为7.5 mm的降雨事件中，东渠起端发生了溢流，累计溢流量达4.2万m3。因此，机场河东渠上游合流制溢流严重，是机场河东渠出现水体黑臭现象的重要原因。

图2 机场河污水分区

3 技术方法

调蓄池优化设计研究主要包括确定CSOs控制目标(年溢流频次)、调蓄池容积分析、模型校核和技术经济比选。调蓄池是控制合流制溢流污染的重要措施，但建设费用高昂，建设投资额动辄几亿，因此选择合适的CSOs控制目标对项目的实施性和经济效益至关重要。本研究参考了国内外相关经验与技术标准，使用城市综合排水模型Infoworks ICM建立水力、水质模型，模拟出代表年的机场河东渠上游的溢流水量和水质，并辅以水质实地监测，根据模拟水质和监测水质，确定临界降雨事件。通过水量平衡计算进行调蓄池规模赋值，并考虑用地情况，初步提出CSOs调蓄池比选方案，然后使用水力模型复核直至部分比选方案满足CSOs控制目标。最后，通过技术经济比较确定CSOs调蓄池最终设计方案。具体简述路线如图3所示。

图3 CSOs调蓄池优化设计技术路线

3.1 模型确定溢流控制标准

3.1.1 代表年降雨选取

代表年根据国家气象局提供的资料，从1987年—2016年中选取。代表年选取的主要考虑因素为每年60、120 min与1 440 min降雨的形态分布、每年降雨的场次统计、每年降雨总量和雨日统计。根据以上因素加权综合挑选出武汉市的降雨代表年。其中，代表年降雨场次与降雨时长如图4所示。

图4 代表年降雨场次特征

3.1.2 数值模拟

(1)模型建立与验证

使用Infoworks ICM建立水力、水质模型，模拟出代表年的机场河东渠钢坝闸的溢流量和水质。根据现有排水分区，对排水系统的管渠、泵站、检查井及其他排水构筑物建模；利用管道水力模块和污水量计算模块确定旱季机场河上游合流区的管道存储容量；输入代表年的设计降雨，计算不同降雨历时下的机场河东渠钢坝闸处溢流水量，利用水质模块模拟CSOs特征污染物(COD)的浓度。采用7月5日降雨作为校核场次，利用Infoworks ICM模拟的机场河东渠上游CSOs的COD浓度及实测浓度如图5所示。由图5可知，溢流水中COD模型输出结果与实际测量值出入不大，模拟的COD浓度变化与实测的污染物变化趋势大体相同，误差为5%～12%。通过验证发现所建水质模型具有较好的拟合效果，能够较准确地模拟COD浓度的变化结果。

图5 7月5日降雨溢流COD浓度实测与模拟曲线

(2)模型确定临界降雨

由图6可知，当降雨≥10 mm时，开始溢流，随着降雨量增大溢流水量逐渐变大，降雨量为14.8、24.4、32.0 mm的3场降雨溢流量分别为12.60万、19.25万、32.58万m3，即当降雨量达到24.4 mm后溢流量极速增加。因此，选用24.4 mm、65 min降雨事件为CSOs控制的临界降雨事件，溢流控制的工程经济性和控制效益相对较优。从溢流COD的平均浓度来看，溢流COD浓度随着降雨量的增加均呈现先增大后减少的趋势，其中在24.4 mm、65 min降雨事件下达到峰值，达到184.9 mg/L。因此，选择该降雨事件为临界降雨事件具有较好的环境效益。综上所述，选用降雨量和累计降雨时间分别为24.4 mm、65 min降雨事件为临界降雨事件，该降雨事件对应代表年年降雨降序排列的第10场降雨，即机场河东渠上游的CSOs年溢流频次为10次。

图6 代表年东渠钢坝闸CSOs水量、水质模拟结果

3.2 实测验证

本研究选择对临界降雨相似降雨事件下的溢流水质进行监测，以此验证根据ICM模型确定的年溢流10次作为控制目标的合理性。以2017年7月某场降雨为例，总降雨量为25.6 mm，降雨过程中东渠钢坝闸雨天溢流污水CODCr浓度从175 mg/L逐渐下降到50 mg/L左右，基本达到一级A的排放水平(图7)。而25.6 mm的降雨基本对应典型年降雨降序排列的第9～10场。即从水质角度分析，当控制25.6 mm以下降雨不入河，可有效截留合流制溢流污染；25.6 mm以上降雨结合内涝情况适当排放入河，由于雨水的稀释作用，溢流污水对明渠水质也不会造成很大冲击，基本可达到排放水平。

图7 25.6 mm降雨事件下机场河东渠钢坝闸CSOs的COD浓度

结合3.1.2节ICM模型数值模拟结果和实地水质监测结果，选择CSOs年溢流频次控制目标为9～10次，对应的临界降雨事件为24.4 mm、65 min。临界降雨事件的降雨曲线如图8所示。

图8 临界降雨事件(24.4 mm、65 min)的降雨曲线

3.3 调蓄池容积分析

在设计降雨条件下，当峰值流量大于合流制排水系统排水能力时便会发生CSOs。根据ICM水力模型模拟结果，机场河东渠上游常青片合流制管道总长约为148 km，上游管网调蓄量约为18.8万～19.5万m3；24.4、65 min设计降雨事件下的峰值流量为12.9 m3/s，水位变化曲线的峰值突变基本位于降雨开始后的3～3.5 h，保守计算需要在3.5 h内收集上游来水量，否则可能会发生溢流。设计集水量如表2所示，降雨产生的径流量约为43.98万m3，上游合流区污水量约为1.85万m3，上游施工降水及地下水入渗量约为1.7万m3。设计蓄排水量如表3所示，根据模型排空管网的模拟，机场河系统上游管网调蓄量约为17.8万m3，常青污水泵站抽排量约为6.3万m3，截污箱涵容积为4.6万m3。根据计算，需要CSOs调蓄及处理设施收纳的合流制污水量约为19.25万m3。

表2 设计集水量

表3 设计蓄排量

3.4 比选方案与模型复核

3.4.1 比选方案

CSOs调蓄池设计容积受调置位置的影响，且当调蓄池设有就地处理设施时，其就地处理规模亦对调蓄池设计容积有重要影响，因此，需要根据用地情况确定机场河东渠常青上游合流片的CSOs设计方案[4]。根据常青污水分区的用地条件，可在常青公园内设置中途调蓄池，容积约10万m3。中途调蓄可以在溢流口上游提前削减雨峰带来的峰值流量。同时在汉西污水处理厂厂区内建设一个末端CSOs调蓄调蓄池。由于汉西污水处理厂已经处于满负荷运行，CSOs调蓄池需要就地处理设施。考虑到常青公园内设置的调蓄池为中途调蓄池，可适当减小区域内的调蓄规模，因此，该末端调蓄池的比选方案的规模为(6万m3调蓄+2 m3/s)、(6万m3调蓄+3 m3/s)、(6万m3调蓄+5 m3/s)、(8万m3调蓄+2 m3/s)、(8万m3调蓄+3 m3/s)、(10万m3调蓄+2 m3/s)。

3.4.2 模型复核

对上述比选方案，依次模拟24.4 mm、65 min临界降雨事件下的溢流情况。模拟结果表明：末端调蓄池的组合规模为(6万m3调蓄+5 m3/s)、(10万m3调蓄+2 m3/s)时，可满足单场降雨的不溢流复核。依据上述规模组合，进行代表年全年溢流污染模拟，对规模再次进行复核。结果表明，代表年年溢流频次均不超过10次。

3.5 技术比选

根据模型的年复核结果，不同的组合规模均可达到溢流频次的要求。因此，设施设计方案需综合考虑区域现状用地布局、区域增量建设和建设、运行费用等。相较于组合规模为(6万m3调蓄+5 m3/s)的设计方案，充分考虑区域发展的规模，当机场河系统的末端设施组合规模为10万m3调蓄池+2 m3/s的处理设施时，设计方案更加保守安全。另外，汉西污水处理厂已满负荷运转，常青公园调蓄池的部分出水近期无法由汉西污水处理厂承接，因此，在末端CSOs处理设施处增大2 m3/s的规模，确保常青公园调蓄池里的水可以尽快由CSOs处理设施并排出。因此，最终机场河东渠上游合流区的CSOs调蓄池的规划方案为建设两个调蓄池，总容积为20万m3，其中常青公园调蓄池规模为10万m3，机场河CSOs调蓄池及就地处理设施的最终规模为10万m3(调蓄)+4 m3/s。

4 结语

本文系统地研究了国内外CSOs调蓄池的容积计算方法，并分析了其主要缺点，提出了基于Infoworks ICM模拟和溢流水质实测确定合适的设计降雨(临界降雨)是区域CSOs控制和调蓄池容积计算的关键点，并在武汉机场河东渠上游合流区进行了案例应用，得出以下结论。

国内CSOs调蓄池计算方法多依赖于经验，可推广性有所缺失。德国、日本的调蓄池的容积计算方法是基于池容当量的经验公式法，美国截获法和我国现行规范对等设计降雨强度it、调蓄系统建成后的截留倍数n缺少详细说明。

溢流控制目标(年溢流频次)是区域CSOs控制效果和调蓄池容积计算的关键因素之一。Infoworks ICM模型模拟与溢流水质实测相结合是确定设计降雨的有效方法。

计算调蓄池容积时，需要综合考虑入管径流量、污水量、管网调蓄容量和污水泵站抽排能力等因素，在地下水位较高的地区，宜充分地下水入流入渗量，施工强度高的区域，施工降水也不可以忽视。