基于合流制年溢流頻次控制的調蓄池優化設計

姚永連，楊新宇，周琪皓，范 丹

(中規院<北京>規劃設計有限公司，北京 100044)

目前，我國新建城區主要采用雨污分流的排水體制，老城區排水管網系統建設時間久遠，多采用雨污合流制。雨季，因降雨量累計或者較大的降雨強度，合流制管渠的流量將超過其設計流量便會產生合流制污水溢流(combined sewer overflows，CSOs)[1]。CSOs中含有生活污水、管道沉積物、初期雨水等，是重要的城市面源污染，且CSOs中含有大量的有機物、營養元素和致病微生物，對城市水環境產生重大威脅[2]。CSOs溢流污染控制的主要策略有源頭海綿改造，增大截污倍數、分流制改造與管網修復，建設調蓄池、旋流分離器和人工濕地等設施。其中，調蓄池技術成熟，便于施工，是一種高效的CSOs控制工程措施。調蓄池容積是重要的設計參數之一，傳統CSOs調蓄池容積計算方法過多依賴于經驗，難以推廣利用。

本研究以武漢市機場河東渠上游合流區為例，基于Infoworks ICM數值模擬、輔以溢流水質監測確定年溢流控制目標(年溢流頻次)，通過Infoworks ICM模型循環驗證確定調蓄池的容積，并實際工程情況確定CSOs調蓄池設計方案，以期為其他CSOs調蓄池建設提供參考。

1 傳統CSOs調蓄池設計方法概況

CSOs調蓄池的功能發揮的主要影響因素有調蓄池的容積、進水方式、進水設計流量等，其中調蓄容積是CSOs調蓄池調蓄功能實現的重要參數。傳統CSOs調蓄池容積的計算方法主要有以德國、日本為代表的池容當量降雨量法，和以美國為代表的截獲率法[3-5]。德國設計規范《合流污水系統暴雨削減裝置設置指南》規定了CSOs調蓄池容積計算方法，通過單位面積污水量與處理量、單位面積雨水處理量、截流倍數、合流污水COD濃度等參數給出了經驗公式[3]。日本在《合流制下水道改善指南》要求CSOs的控制指標為BOD，全年雨天BOD削減率為65%，對應合流區單位面積控制徑流深度為3～5 mm[4]。美國《合流污水控制手冊》的推薦方法為截獲率法，該方法基于受納水體水環境容量，綜合考慮了旱天污水量、系統原截流量和降雨特征等因素，我國《城鎮徑流污染控制調蓄池規程》也采用該方法[5-6]。我國《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)(2016版)也給出了調蓄池容積的計算方法，具體如表1所示。在各國用于CSOs控制調蓄池容積計算方法中，德國、日本的計算方法是根據本國實際情況而確定的經驗公式，美國截獲率法中的截留調蓄系統設計降雨強度it并沒有作詳細說明，《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)(2016版)所采用的公式法中調蓄池建成后的截流倍數n也存在同樣的問題。

表1 傳統CSOs調蓄池容積計算方法

2 項目概況以及溢流現狀

機場河明渠位于武漢江漢區與東西湖區交接區域(圖1)，1984年為治理黃孝河，機場河排水分流工程動工，后逐漸發展為漢口西部14地區的排澇通道。機場河所處的漢口地區為長江中游江漢平原東南部的邊緣地帶，大部分區域屬于長江一級階地，地下水位高，普遍高于污水管網管底標高。該區域屬于北亞熱帶季風(濕潤)氣候，多年平均降雨量為1 280.9 mm，暴雨多集中在4月—8月，其降雨量占全年的65.6%。

圖1 機場河區位圖

機場河全長為11.4 km，分為箱涵和明渠兩部分，其中明渠又分為東渠(老渠)和西渠(新渠)。機場河箱涵段為8.0 km，由解放大道起，至金山大道；明渠(東渠)長為3.4 km，由金山大道起，至常青排澇泵站止，現狀渠道寬為20～30 m。機場河東渠上游屬于常青泵站污水片區，收水面積為25.75 km2，人口密度為2.44萬人/km2，規劃污水量約為10萬m3/d(不含王家墩)。常青泵站上游片區的排水體制為分流制與合流制并存，其中合流制區域面積約為12.8 km2。機場河污水分區如圖2所示。據監測，雨季時上游合流制區域(常青片)的CSOs大量溢入機場河東渠，在2017年6月24日降雨量為7.5 mm的降雨事件中，東渠起端發生了溢流，累計溢流量達4.2萬m3。因此，機場河東渠上游合流制溢流嚴重，是機場河東渠出現水體黑臭現象的重要原因。

圖2 機場河污水分區

3 技術方法

調蓄池優化設計研究主要包括確定CSOs控制目標(年溢流頻次)、調蓄池容積分析、模型校核和技術經濟比選。調蓄池是控制合流制溢流污染的重要措施，但建設費用高昂，建設投資額動輒幾億，因此選擇合適的CSOs控制目標對項目的實施性和經濟效益至關重要。本研究參考了國內外相關經驗與技術標準，使用城市綜合排水模型Infoworks ICM建立水力、水質模型，模擬出代表年的機場河東渠上游的溢流水量和水質，并輔以水質實地監測，根據模擬水質和監測水質，確定臨界降雨事件。通過水量平衡計算進行調蓄池規模賦值，并考慮用地情況，初步提出CSOs調蓄池比選方案，然后使用水力模型復核直至部分比選方案滿足CSOs控制目標。最后，通過技術經濟比較確定CSOs調蓄池最終設計方案。具體簡述路線如圖3所示。

圖3 CSOs調蓄池優化設計技術路線

3.1 模型確定溢流控制標準

3.1.1 代表年降雨選取

代表年根據國家氣象局提供的資料，從1987年—2016年中選取。代表年選取的主要考慮因素為每年60、120 min與1 440 min降雨的形態分布、每年降雨的場次統計、每年降雨總量和雨日統計。根據以上因素加權綜合挑選出武漢市的降雨代表年。其中，代表年降雨場次與降雨時長如圖4所示。

圖4 代表年降雨場次特征

3.1.2 數值模擬

(1)模型建立與驗證

使用Infoworks ICM建立水力、水質模型，模擬出代表年的機場河東渠鋼壩閘的溢流量和水質。根據現有排水分區，對排水系統的管渠、泵站、檢查井及其他排水構筑物建模；利用管道水力模塊和污水量計算模塊確定旱季機場河上游合流區的管道存儲容量；輸入代表年的設計降雨，計算不同降雨歷時下的機場河東渠鋼壩閘處溢流水量，利用水質模塊模擬CSOs特征污染物(COD)的濃度。采用7月5日降雨作為校核場次，利用Infoworks ICM模擬的機場河東渠上游CSOs的COD濃度及實測濃度如圖5所示。由圖5可知，溢流水中COD模型輸出結果與實際測量值出入不大，模擬的COD濃度變化與實測的污染物變化趨勢大體相同，誤差為5%～12%。通過驗證發現所建水質模型具有較好的擬合效果，能夠較準確地模擬COD濃度的變化結果。

圖5 7月5日降雨溢流COD濃度實測與模擬曲線

(2)模型確定臨界降雨

由圖6可知，當降雨≥10 mm時，開始溢流，隨著降雨量增大溢流水量逐漸變大，降雨量為14.8、24.4、32.0 mm的3場降雨溢流量分別為12.60萬、19.25萬、32.58萬m3，即當降雨量達到24.4 mm后溢流量極速增加。因此，選用24.4 mm、65 min降雨事件為CSOs控制的臨界降雨事件，溢流控制的工程經濟性和控制效益相對較優。從溢流COD的平均濃度來看，溢流COD濃度隨著降雨量的增加均呈現先增大后減少的趨勢，其中在24.4 mm、65 min降雨事件下達到峰值，達到184.9 mg/L。因此，選擇該降雨事件為臨界降雨事件具有較好的環境效益。綜上所述，選用降雨量和累計降雨時間分別為24.4 mm、65 min降雨事件為臨界降雨事件，該降雨事件對應代表年年降雨降序排列的第10場降雨，即機場河東渠上游的CSOs年溢流頻次為10次。

圖6 代表年東渠鋼壩閘CSOs水量、水質模擬結果

3.2 實測驗證

本研究選擇對臨界降雨相似降雨事件下的溢流水質進行監測，以此驗證根據ICM模型確定的年溢流10次作為控制目標的合理性。以2017年7月某場降雨為例，總降雨量為25.6 mm，降雨過程中東渠鋼壩閘雨天溢流污水CODCr濃度從175 mg/L逐漸下降到50 mg/L左右，基本達到一級A的排放水平(圖7)。而25.6 mm的降雨基本對應典型年降雨降序排列的第9～10場。即從水質角度分析，當控制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以上降雨結合內澇情況適當排放入河，由于雨水的稀釋作用，溢流污水對明渠水質也不會造成很大沖擊，基本可達到排放水平。

圖7 25.6 mm降雨事件下機場河東渠鋼壩閘CSOs的COD濃度

結合3.1.2節ICM模型數值模擬結果和實地水質監測結果，選擇CSOs年溢流頻次控制目標為9～10次，對應的臨界降雨事件為24.4 mm、65 min。臨界降雨事件的降雨曲線如圖8所示。

圖8 臨界降雨事件(24.4 mm、65 min)的降雨曲線

3.3 調蓄池容積分析

在設計降雨條件下，當峰值流量大于合流制排水系統排水能力時便會發生CSOs。根據ICM水力模型模擬結果，機場河東渠上游常青片合流制管道總長約為148 km，上游管網調蓄量約為18.8萬～19.5萬m3；24.4、65 min設計降雨事件下的峰值流量為12.9 m3/s，水位變化曲線的峰值突變基本位于降雨開始后的3～3.5 h，保守計算需要在3.5 h內收集上游來水量，否則可能會發生溢流。設計集水量如表2所示，降雨產生的徑流量約為43.98萬m3，上游合流區污水量約為1.85萬m3，上游施工降水及地下水入滲量約為1.7萬m3。設計蓄排水量如表3所示，根據模型排空管網的模擬，機場河系統上游管網調蓄量約為17.8萬m3，常青污水泵站抽排量約為6.3萬m3，截污箱涵容積為4.6萬m3。根據計算，需要CSOs調蓄及處理設施收納的合流制污水量約為19.25萬m3。

表2 設計集水量

表3 設計蓄排量

3.4 比選方案與模型復核

3.4.1 比選方案

CSOs調蓄池設計容積受調置位置的影響，且當調蓄池設有就地處理設施時，其就地處理規模亦對調蓄池設計容積有重要影響，因此，需要根據用地情況確定機場河東渠常青上游合流片的CSOs設計方案[4]。根據常青污水分區的用地條件，可在常青公園內設置中途調蓄池，容積約10萬m3。中途調蓄可以在溢流口上游提前削減雨峰帶來的峰值流量。同時在漢西污水處理廠廠區內建設一個末端CSOs調蓄調蓄池。由于漢西污水處理廠已經處于滿負荷運行，CSOs調蓄池需要就地處理設施。考慮到常青公園內設置的調蓄池為中途調蓄池，可適當減小區域內的調蓄規模，因此，該末端調蓄池的比選方案的規模為(6萬m3調蓄+2 m3/s)、(6萬m3調蓄+3 m3/s)、(6萬m3調蓄+5 m3/s)、(8萬m3調蓄+2 m3/s)、(8萬m3調蓄+3 m3/s)、(10萬m3調蓄+2 m3/s)。

3.4.2 模型復核

對上述比選方案，依次模擬24.4 mm、65 min臨界降雨事件下的溢流情況。模擬結果表明：末端調蓄池的組合規模為(6萬m3調蓄+5 m3/s)、(10萬m3調蓄+2 m3/s)時，可滿足單場降雨的不溢流復核。依據上述規模組合，進行代表年全年溢流污染模擬，對規模再次進行復核。結果表明，代表年年溢流頻次均不超過10次。

3.5 技術比選

根據模型的年復核結果，不同的組合規模均可達到溢流頻次的要求。因此，設施設計方案需綜合考慮區域現狀用地布局、區域增量建設和建設、運行費用等。相較于組合規模為(6萬m3調蓄+5 m3/s)的設計方案，充分考慮區域發展的規模，當機場河系統的末端設施組合規模為10萬m3調蓄池+2 m3/s的處理設施時，設計方案更加保守安全。另外，漢西污水處理廠已滿負荷運轉，常青公園調蓄池的部分出水近期無法由漢西污水處理廠承接，因此，在末端CSOs處理設施處增大2 m3/s的規模，確保常青公園調蓄池里的水可以盡快由CSOs處理設施并排出。因此，最終機場河東渠上游合流區的CSOs調蓄池的規劃方案為建設兩個調蓄池，總容積為20萬m3，其中常青公園調蓄池規模為10萬m3，機場河CSOs調蓄池及就地處理設施的最終規模為10萬m3(調蓄)+4 m3/s。

4 結語

本文系統地研究了國內外CSOs調蓄池的容積計算方法，并分析了其主要缺點，提出了基于Infoworks ICM模擬和溢流水質實測確定合適的設計降雨(臨界降雨)是區域CSOs控制和調蓄池容積計算的關鍵點，并在武漢機場河東渠上游合流區進行了案例應用，得出以下結論。

國內CSOs調蓄池計算方法多依賴于經驗，可推廣性有所缺失。德國、日本的調蓄池的容積計算方法是基于池容當量的經驗公式法，美國截獲法和我國現行規范對等設計降雨強度it、調蓄系統建成后的截留倍數n缺少詳細說明。

溢流控制目標(年溢流頻次)是區域CSOs控制效果和調蓄池容積計算的關鍵因素之一。Infoworks ICM模型模擬與溢流水質實測相結合是確定設計降雨的有效方法。

計算調蓄池容積時，需要綜合考慮入管徑流量、污水量、管網調蓄容量和污水泵站抽排能力等因素，在地下水位較高的地區，宜充分地下水入流入滲量，施工強度高的區域，施工降水也不可以忽視。