基于合流制年溢流頻次控制的調(diào)蓄池優(yōu)化設(shè)計(jì)

姚永連，楊新宇，周琪皓，范 丹

(中規(guī)院<北京>規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，北京 100044)

目前，我國新建城區(qū)主要采用雨污分流的排水體制，老城區(qū)排水管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)時(shí)間久遠(yuǎn)，多采用雨污合流制。雨季，因降雨量累計(jì)或者較大的降雨強(qiáng)度，合流制管渠的流量將超過其設(shè)計(jì)流量便會(huì)產(chǎn)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(jī)物、營養(yǎng)元素和致病微生物，對(duì)城市水環(huán)境產(chǎn)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(shù)、分流制改造與管網(wǎng)修復(fù)，建設(shè)調(diào)蓄池、旋流分離器和人工濕地等設(shè)施。其中，調(diào)蓄池技術(shù)成熟，便于施工，是一種高效的CSOs控制工程措施。調(diào)蓄池容積是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一，傳統(tǒng)CSOs調(diào)蓄池容積計(jì)算方法過多依賴于經(jīng)驗(yàn)，難以推廣利用。

本研究以武漢市機(jī)場(chǎng)河?xùn)|渠上游合流區(qū)為例，基于Infoworks ICM數(shù)值模擬、輔以溢流水質(zhì)監(jiān)測(cè)確定年溢流控制目標(biāo)(年溢流頻次)，通過Infoworks ICM模型循環(huán)驗(yàn)證確定調(diào)蓄池的容積，并實(shí)際工程情況確定CSOs調(diào)蓄池設(shè)計(jì)方案，以期為其他CSOs調(diào)蓄池建設(shè)提供參考。

1 傳統(tǒng)CSOs調(diào)蓄池設(shè)計(jì)方法概況

CSOs調(diào)蓄池的功能發(fā)揮的主要影響因素有調(diào)蓄池的容積、進(jìn)水方式、進(jìn)水設(shè)計(jì)流量等，其中調(diào)蓄容積是CSOs調(diào)蓄池調(diào)蓄功能實(shí)現(xiàn)的重要參數(shù)。傳統(tǒng)CSOs調(diào)蓄池容積的計(jì)算方法主要有以德國、日本為代表的池容當(dāng)量降雨量法，和以美國為代表的截獲率法[3-5]。德國設(shè)計(jì)規(guī)范《合流污水系統(tǒng)暴雨削減裝置設(shè)置指南》規(guī)定了CSOs調(diào)蓄池容積計(jì)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(shù)、合流污水COD濃度等參數(shù)給出了經(jīng)驗(yàn)公式[3]。日本在《合流制下水道改善指南》要求CSOs的控制指標(biāo)為BOD，全年雨天BOD削減率為65%，對(duì)應(yīng)合流區(qū)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(cè)》的推薦方法為截獲率法，該方法基于受納水體水環(huán)境容量，綜合考慮了旱天污水量、系統(tǒng)原截流量和降雨特征等因素，我國《城鎮(zhèn)徑流污染控制調(diào)蓄池規(guī)程》也采用該方法[5-6]。我國《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)(2016版)也給出了調(diào)蓄池容積的計(jì)算方法，具體如表1所示。在各國用于CSOs控制調(diào)蓄池容積計(jì)算方法中，德國、日本的計(jì)算方法是根據(jù)本國實(shí)際情況而確定的經(jīng)驗(yàn)公式，美國截獲率法中的截留調(diào)蓄系統(tǒng)設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度it并沒有作詳細(xì)說明，《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)(2016版)所采用的公式法中調(diào)蓄池建成后的截流倍數(shù)n也存在同樣的問題。

表1 傳統(tǒng)CSOs調(diào)蓄池容積計(jì)算方法

2 項(xiàng)目概況以及溢流現(xiàn)狀

機(jī)場(chǎng)河明渠位于武漢江漢區(qū)與東西湖區(qū)交接區(qū)域(圖1)，1984年為治理黃孝河，機(jī)場(chǎng)河排水分流工程動(dòng)工，后逐漸發(fā)展為漢口西部14地區(qū)的排澇通道。機(jī)場(chǎng)河所處的漢口地區(qū)為長江中游江漢平原東南部的邊緣地帶，大部分區(qū)域?qū)儆陂L江一級(jí)階地，地下水位高，普遍高于污水管網(wǎng)管底標(biāo)高。該區(qū)域?qū)儆诒眮啛釒Ъ撅L(fēng)(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(jī)場(chǎng)河區(qū)位圖

機(jī)場(chǎng)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(jī)場(chǎng)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(xiàn)狀渠道寬為20～30 m。機(jī)場(chǎng)河?xùn)|渠上游屬于常青泵站污水片區(qū)，收水面積為25.75 km2，人口密度為2.44萬人/km2，規(guī)劃污水量約為10萬m3/d(不含王家墩)。常青泵站上游片區(qū)的排水體制為分流制與合流制并存，其中合流制區(qū)域面積約為12.8 km2。機(jī)場(chǎng)河污水分區(qū)如圖2所示。據(jù)監(jiān)測(cè)，雨季時(shí)上游合流制區(qū)域(常青片)的CSOs大量溢入機(jī)場(chǎng)河?xùn)|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(fā)生了溢流，累計(jì)溢流量達(dá)4.2萬m3。因此，機(jī)場(chǎng)河?xùn)|渠上游合流制溢流嚴(yán)重，是機(jī)場(chǎng)河?xùn)|渠出現(xiàn)水體黑臭現(xiàn)象的重要原因。

圖2 機(jī)場(chǎng)河污水分區(qū)

3 技術(shù)方法

調(diào)蓄池優(yōu)化設(shè)計(jì)研究主要包括確定CSOs控制目標(biāo)(年溢流頻次)、調(diào)蓄池容積分析、模型校核和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。調(diào)蓄池是控制合流制溢流污染的重要措施，但建設(shè)費(fèi)用高昂，建設(shè)投資額動(dòng)輒幾億，因此選擇合適的CSOs控制目標(biāo)對(duì)項(xiàng)目的實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。本研究參考了國內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使用城市綜合排水模型Infoworks ICM建立水力、水質(zhì)模型，模擬出代表年的機(jī)場(chǎng)河?xùn)|渠上游的溢流水量和水質(zhì)，并輔以水質(zhì)實(shí)地監(jiān)測(cè)，根據(jù)模擬水質(zhì)和監(jiān)測(cè)水質(zhì)，確定臨界降雨事件。通過水量平衡計(jì)算進(jìn)行調(diào)蓄池規(guī)模賦值，并考慮用地情況，初步提出CSOs調(diào)蓄池比選方案，然后使用水力模型復(fù)核直至部分比選方案滿足CSOs控制目標(biāo)。最后，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定CSOs調(diào)蓄池最終設(shè)計(jì)方案。具體簡述路線如圖3所示。

圖3 CSOs調(diào)蓄池優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)路線

3.1 模型確定溢流控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1 代表年降雨選取

代表年根據(jù)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(tài)分布、每年降雨的場(chǎng)次統(tǒng)計(jì)、每年降雨總量和雨日統(tǒng)計(jì)。根據(jù)以上因素加權(quán)綜合挑選出武漢市的降雨代表年。其中，代表年降雨場(chǎng)次與降雨時(shí)長如圖4所示。

圖4 代表年降雨場(chǎng)次特征

3.1.2 數(shù)值模擬

(1)模型建立與驗(yàn)證

使用Infoworks ICM建立水力、水質(zhì)模型，模擬出代表年的機(jī)場(chǎng)河?xùn)|渠鋼壩閘的溢流量和水質(zhì)。根據(jù)現(xiàn)有排水分區(qū)，對(duì)排水系統(tǒng)的管渠、泵站、檢查井及其他排水構(gòu)筑物建模；利用管道水力模塊和污水量計(jì)算模塊確定旱季機(jī)場(chǎng)河上游合流區(qū)的管道存儲(chǔ)容量；輸入代表年的設(shè)計(jì)降雨，計(jì)算不同降雨歷時(shí)下的機(jī)場(chǎng)河?xùn)|渠鋼壩閘處溢流水量，利用水質(zhì)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(chǎng)次，利用Infoworks ICM模擬的機(jī)場(chǎng)河?xùn)|渠上游CSOs的COD濃度及實(shí)測(cè)濃度如圖5所示。由圖5可知，溢流水中COD模型輸出結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值出入不大，模擬的COD濃度變化與實(shí)測(cè)的污染物變化趨勢(shì)大體相同，誤差為5%～12%。通過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)所建水質(zhì)模型具有較好的擬合效果，能夠較準(zhǔn)確地模擬COD濃度的變化結(jié)果。

圖5 7月5日降雨溢流COD濃度實(shí)測(cè)與模擬曲線

(2)模型確定臨界降雨

由圖6可知，當(dāng)降雨≥10 mm時(shí)，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(chǎng)降雨溢流量分別為12.60萬、19.25萬、32.58萬m3，即當(dāng)降雨量達(dá)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(jīng)濟(jì)性和控制效益相對(duì)較優(yōu)。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(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)，其中在24.4 mm、65 min降雨事件下達(dá)到峰值，達(dá)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(huán)境效益。綜上所述，選用降雨量和累計(jì)降雨時(shí)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(duì)應(yīng)代表年年降雨降序排列的第10場(chǎng)降雨，即機(jī)場(chǎng)河?xùn)|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(zhì)模擬結(jié)果

3.2 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

本研究選擇對(duì)臨界降雨相似降雨事件下的溢流水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此驗(yàn)證根據(jù)ICM模型確定的年溢流10次作為控制目標(biāo)的合理性。以2017年7月某場(chǎng)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(dá)到一級(jí)A的排放水平(圖7)。而25.6 mm的降雨基本對(duì)應(yīng)典型年降雨降序排列的第9～10場(chǎng)。即從水質(zhì)角度分析，當(dāng)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(jié)合內(nèi)澇情況適當(dāng)排放入河，由于雨水的稀釋作用，溢流污水對(duì)明渠水質(zhì)也不會(huì)造成很大沖擊，基本可達(dá)到排放水平。

圖7 25.6 mm降雨事件下機(jī)場(chǎng)河?xùn)|渠鋼壩閘CSOs的COD濃度

結(jié)合3.1.2節(jié)ICM模型數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)地水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，選擇CSOs年溢流頻次控制目標(biāo)為9～10次，對(duì)應(yīng)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(diào)蓄池容積分析

在設(shè)計(jì)降雨條件下，當(dāng)峰值流量大于合流制排水系統(tǒng)排水能力時(shí)便會(huì)發(fā)生CSOs。根據(jù)ICM水力模型模擬結(jié)果，機(jī)場(chǎng)河?xùn)|渠上游常青片合流制管道總長約為148 km，上游管網(wǎng)調(diào)蓄量約為18.8萬～19.5萬m3；24.4、65 min設(shè)計(jì)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(jì)算需要在3.5 h內(nèi)收集上游來水量，否則可能會(huì)發(fā)生溢流。設(shè)計(jì)集水量如表2所示，降雨產(chǎn)生的徑流量約為43.98萬m3，上游合流區(qū)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(shè)計(jì)蓄排水量如表3所示，根據(jù)模型排空管網(wǎng)的模擬，機(jī)場(chǎng)河系統(tǒng)上游管網(wǎng)調(diào)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(jù)計(jì)算，需要CSOs調(diào)蓄及處理設(shè)施收納的合流制污水量約為19.25萬m3。

表2 設(shè)計(jì)集水量

表3 設(shè)計(jì)蓄排量

3.4 比選方案與模型復(fù)核

3.4.1 比選方案

CSOs調(diào)蓄池設(shè)計(jì)容積受調(diào)置位置的影響，且當(dāng)調(diào)蓄池設(shè)有就地處理設(shè)施時(shí)，其就地處理規(guī)模亦對(duì)調(diào)蓄池設(shè)計(jì)容積有重要影響，因此，需要根據(jù)用地情況確定機(jī)場(chǎng)河?xùn)|渠常青上游合流片的CSOs設(shè)計(jì)方案[4]。根據(jù)常青污水分區(qū)的用地條件，可在常青公園內(nèi)設(shè)置中途調(diào)蓄池，容積約10萬m3。中途調(diào)蓄可以在溢流口上游提前削減雨峰帶來的峰值流量。同時(shí)在漢西污水處理廠廠區(qū)內(nèi)建設(shè)一個(gè)末端CSOs調(diào)蓄調(diào)蓄池。由于漢西污水處理廠已經(jīng)處于滿負(fù)荷運(yùn)行，CSOs調(diào)蓄池需要就地處理設(shè)施?？紤]到常青公園內(nèi)設(shè)置的調(diào)蓄池為中途調(diào)蓄池，可適當(dāng)減小區(qū)域內(nèi)的調(diào)蓄規(guī)模，因此，該末端調(diào)蓄池的比選方案的規(guī)模為(6萬m3調(diào)蓄+2 m3/s)、(6萬m3調(diào)蓄+3 m3/s)、(6萬m3調(diào)蓄+5 m3/s)、(8萬m3調(diào)蓄+2 m3/s)、(8萬m3調(diào)蓄+3 m3/s)、(10萬m3調(diào)蓄+2 m3/s)。

3.4.2 模型復(fù)核

對(duì)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(jié)果表明：末端調(diào)蓄池的組合規(guī)模為(6萬m3調(diào)蓄+5 m3/s)、(10萬m3調(diào)蓄+2 m3/s)時(shí)，可滿足單場(chǎng)降雨的不溢流復(fù)核。依據(jù)上述規(guī)模組合，進(jìn)行代表年全年溢流污染模擬，對(duì)規(guī)模再次進(jìn)行復(fù)核。結(jié)果表明，代表年年溢流頻次均不超過10次。

3.5 技術(shù)比選

根據(jù)模型的年復(fù)核結(jié)果，不同的組合規(guī)模均可達(dá)到溢流頻次的要求。因此，設(shè)施設(shè)計(jì)方案需綜合考慮區(qū)域現(xiàn)狀用地布局、區(qū)域增量建設(shè)和建設(shè)、運(yùn)行費(fèi)用等。相較于組合規(guī)模為(6萬m3調(diào)蓄+5 m3/s)的設(shè)計(jì)方案，充分考慮區(qū)域發(fā)展的規(guī)模，當(dāng)機(jī)場(chǎng)河系統(tǒng)的末端設(shè)施組合規(guī)模為10萬m3調(diào)蓄池+2 m3/s的處理設(shè)施時(shí)，設(shè)計(jì)方案更加保守安全。另外，漢西污水處理廠已滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，常青公園調(diào)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(shè)施處增大2 m3/s的規(guī)模，確保常青公園調(diào)蓄池里的水可以盡快由CSOs處理設(shè)施并排出。因此，最終機(jī)場(chǎng)河?xùn)|渠上游合流區(qū)的CSOs調(diào)蓄池的規(guī)劃方案為建設(shè)兩個(gè)調(diào)蓄池，總?cè)莘e為20萬m3，其中常青公園調(diào)蓄池規(guī)模為10萬m3，機(jī)場(chǎng)河CSOs調(diào)蓄池及就地處理設(shè)施的最終規(guī)模為10萬m3(調(diào)蓄)+4 m3/s。

4 結(jié)語

本文系統(tǒng)地研究了國內(nèi)外CSOs調(diào)蓄池的容積計(jì)算方法，并分析了其主要缺點(diǎn)，提出了基于Infoworks ICM模擬和溢流水質(zhì)實(shí)測(cè)確定合適的設(shè)計(jì)降雨(臨界降雨)是區(qū)域CSOs控制和調(diào)蓄池容積計(jì)算的關(guān)鍵點(diǎn)，并在武漢機(jī)場(chǎng)河?xùn)|渠上游合流區(qū)進(jìn)行了案例應(yīng)用，得出以下結(jié)論。

國內(nèi)CSOs調(diào)蓄池計(jì)算方法多依賴于經(jīng)驗(yàn)，可推廣性有所缺失。德國、日本的調(diào)蓄池的容積計(jì)算方法是基于池容當(dāng)量的經(jīng)驗(yàn)公式法，美國截獲法和我國現(xiàn)行規(guī)范對(duì)等設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度it、調(diào)蓄系統(tǒng)建成后的截留倍數(shù)n缺少詳細(xì)說明。

溢流控制目標(biāo)(年溢流頻次)是區(qū)域CSOs控制效果和調(diào)蓄池容積計(jì)算的關(guān)鍵因素之一。Infoworks ICM模型模擬與溢流水質(zhì)實(shí)測(cè)相結(jié)合是確定設(shè)計(jì)降雨的有效方法。

計(jì)算調(diào)蓄池容積時(shí)，需要綜合考慮入管徑流量、污水量、管網(wǎng)調(diào)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(qū)，宜充分地下水入流入滲量，施工強(qiáng)度高的區(qū)域，施工降水也不可以忽視。