武漢市東湖水環(huán)境提升工程CSO調(diào)蓄池規(guī)模模擬研究

徐成劍 胡勝利

摘要：合流制溢流（CSO）污染是大多數(shù)老城區(qū)面源污染的主要來源之一，也是城市黑臭水體形成的主要因素。CSO調(diào)蓄池是一項控制CSO污染的重要工程措施，設(shè)計時確定其規(guī)模至關(guān)重要。以武漢市東湖水環(huán)境提升工程CSO調(diào)蓄池為例，針對區(qū)域溢流污染，提出了兩種CSO調(diào)蓄池建設(shè)方案。以控制年溢流頻次或溢流污染物削減效果為目標，結(jié)合研究區(qū)域的降雨特性、管網(wǎng)建設(shè)等實際情況，采用InfoWorks ICM模型模擬了兩種CSO調(diào)蓄池建設(shè)方案的規(guī)模，并綜合考慮施工難度、投資及污染物削減效果等對兩種方案進行比選。結(jié)果表明：方案二（只建設(shè)8萬m3調(diào)蓄池）較方案一（6萬m3調(diào)蓄池+2萬m3/d處理站）更優(yōu)，方案二可控制區(qū)域年溢流8次以內(nèi)，溢流污染物削減率達70.4%。

關(guān)鍵詞：合流制溢流污染;CSO調(diào)蓄池;調(diào)蓄池規(guī)模;InfoWorks ICM;溢流頻次

中圖法分類號：TU992 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.022

文章編號：1006 - 0081（2021）12 - 0124 - 06

0 引 言

合流制溢流（CSO）作為城市排水系統(tǒng)發(fā)展歷程中的遺留問題，在中國老城區(qū)普遍存在，嚴重影響城市水生態(tài)環(huán)境健康與安全，是造成城市水體惡化的主要原因之一[1]。目前，針對CSO污染的主要治理策略包括源頭治理和末端治理兩方面。源頭治理主要包括源頭海綿化改造、分流制改造與管網(wǎng)修復(fù);末端治理通常通過建設(shè)調(diào)蓄池、提高截流倍數(shù)、采用智能分流井和人工濕地等方式控制溢流污染[2]。其中，末端調(diào)蓄池技術(shù)成熟，施工相對便捷，效果好且可操作性較高，是目前應(yīng)用較為廣泛且高效CSO控制工程措施[3]。CSO調(diào)蓄池規(guī)模是重要的設(shè)計參數(shù)之一，但目前主要依賴于經(jīng)驗方法確定[4]，如德國的有效容積法及臨界雨量法、日本的經(jīng)驗公式法、美國的截獲率法以及中國GB 50014-2021《室外排水設(shè)計標準》所采用的截流倍數(shù)法等[5-6]。這些方法經(jīng)驗性較強、普適性較弱[7]，易導(dǎo)致建設(shè)投資偏大或調(diào)蓄控制效果不佳，難以滿足復(fù)雜的工程應(yīng)用需求。

本研究以武漢市東湖水環(huán)境提升工程CSO調(diào)蓄池為例，以控制年溢流頻次為目標，通過降雨事件法選取典型年及典型場次降雨，根據(jù)項目區(qū)實際情況設(shè)置多種比選工況，并采用Infoworks ICM模型對不同工況CSO調(diào)蓄池規(guī)模、典型年溢流頻次控制及污染物削減效果進行模擬。同時，綜合考慮施工難度、投資及污染物削減效果等，確定了CSO調(diào)蓄池合理的規(guī)模及設(shè)計方案，以期為其他CSO調(diào)蓄池的規(guī)模論證及建設(shè)方案提供參考。

1 工程概況及區(qū)域排水體制

東湖水環(huán)境提升工程為東湖流域水環(huán)境治理的重要工程，涵蓋控源截污、內(nèi)源治理、水生態(tài)修復(fù)和水質(zhì)自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)等方面，其中CSO調(diào)蓄池為控源截污的關(guān)鍵工程。CSO調(diào)蓄池包括湖濱閘調(diào)蓄池和卓刀泉閘調(diào)蓄池，主要解決卓刀泉閘、湖濱閘排口雨天溢流污染問題，其中卓刀泉閘調(diào)蓄池與兩湖隧道工程合建，不納入東湖水環(huán)境提升工程，調(diào)蓄池規(guī)模4.5萬m3，但其處理設(shè)施由東湖水環(huán)境提升工程實施，處理規(guī)模為0.3 m3/s。因此，在卓刀泉閘調(diào)蓄池規(guī)模及調(diào)蓄池處理規(guī)模已定的基礎(chǔ)上，采用InfoWorks ICM排水模型，充分論證湖濱閘CSO調(diào)蓄池規(guī)模及優(yōu)化設(shè)計方案。

卓刀泉閘、湖濱閘排口匯水區(qū)總面積約5.8 km2，詳見圖1，區(qū)域現(xiàn)狀為合流制排水系統(tǒng)（圖2）。其中，湖濱閘排口服務(wù)范圍約3.3 km2，旱季污水收集后在湖濱閘前經(jīng)截流管截流進入湖濱泵站，最終排入龍王嘴污水處理廠;當(dāng)雨天來水超出泵站設(shè)計流量后，開閘溢流經(jīng)現(xiàn)狀明渠最終排入東湖;湖濱泵站主要進水通道為B×H=4.2 m×2.4 m（寬×高）合流管以及DN600污水管道;根據(jù)湖濱泵站設(shè)計資料，該區(qū)域旱季污水設(shè)計流量為0.35 m3/s，經(jīng)截流管截留后進入湖濱泵站，截留倍數(shù)為1，湖濱泵站設(shè)計規(guī)模為0.7 m3/s;實際運行過程中，湖濱泵站現(xiàn)狀污水量為0.4 m3/s，富余規(guī)模為0.3 m3/s。卓刀泉閘服務(wù)范圍約2.5 km2，旱季污水收集后在卓刀泉閘前經(jīng)截流管截流進入卓北路現(xiàn)狀污水管，再進入八一路泵站（現(xiàn)狀規(guī)模0.3 m3/s），最終排入沙湖污水處理廠;當(dāng)雨天來水超出污水系統(tǒng)設(shè)計流量后，開閘溢流排入東湖，閘前箱涵規(guī)模B×H=4.5 m×1.6 m。

2 模型構(gòu)建

2.1 研究思路

本文采用InfoWorks ICM模型構(gòu)建東湖卓刀泉閘、湖濱閘排口上游排水區(qū)水力計算模型，依據(jù)建設(shè)“調(diào)蓄池+處理站”方案控制年溢流次數(shù)4～6次，或只建設(shè)調(diào)蓄池時確保污染物削減率不小于“調(diào)蓄池+處理站”方案的削減率作為建設(shè)標準，計算區(qū)域出流量。輔助決策區(qū)域所需初雨調(diào)蓄池容積及初雨處理站建設(shè)規(guī)模的確定思路如下：①選取典型年并進行場次降雨分析，篩選出能控制年溢流4～6次的場次降雨;②構(gòu)建InfoWorks ICM計算模型;③通過典型場次降雨分析論證調(diào)蓄池模型，并通過年降雨進行年溢流次數(shù)復(fù)核;④結(jié)合施工難度、工程投資、污染削減效果等綜合比選，確定合理的調(diào)蓄池規(guī)模及設(shè)計方案。具體的技術(shù)路線見圖3。

2.2 建設(shè)標準

依據(jù)GB 50014-2021 《室外排水設(shè)計標準》規(guī)定，用于合流制排水系統(tǒng)溢流污染控制的雨水調(diào)蓄設(shè)施設(shè)計應(yīng)符合下列規(guī)定：根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤晏卣?、收納水體環(huán)境容量、下游污水系統(tǒng)負荷和服務(wù)范圍內(nèi)源頭減排設(shè)施規(guī)模等因素，合理確定年均溢流頻次或年均溢流污染控制率，計算設(shè)計調(diào)蓄量，并應(yīng)采用數(shù)學(xué)模型法進行復(fù)核。參照《武漢溢流污染及面源污染治理系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃》，對于排入沒有環(huán)境容量的水體，年均溢流次數(shù)控制在4～6次左右。

綜上所述，初步確定建設(shè)“調(diào)蓄池+處理站”方案控制年溢流次數(shù)4～6次，或只建設(shè)調(diào)蓄池時確保污染物削減率不小于“調(diào)蓄池+處理站”方案的削減率作為調(diào)蓄池的建設(shè)標準。

2.3 模型模擬

2.3.1 典型年及典型場次降雨選取

降雨數(shù)據(jù)采用典型年及典型場次降水事件，典型年及典型場次降雨選取原則如下。

2.3.1.1 典型年年降雨選取

典型代表年從1987～2016年中選取。選取的原則考慮兩方面因素：①每年60，120 min與1 440 min降雨的降雨量、降雨場次、降雨形態(tài)分布;②每年降雨場次、降雨總量和雨日統(tǒng)計。根據(jù)以上因素加權(quán)分析，綜合挑選出武漢市東湖區(qū)域年降雨的典型代表年。典型代表年（頻率為65.65%）的降雨量與降雨場次時長詳見圖4。

2.3.1.2 標準場次降雨選取

如果按照年均溢流4～6次的控制標準，根據(jù)降雨總量和降雨歷時選取臨界最不利降雨，進一步分析，典型年8月23日場次降雨總降雨量46.3 mm，總歷時240 min，屬于臨界降雨（典型年第七大降雨）中降雨量最大、且降雨歷時較短的最不利降雨事件，在處理規(guī)模一定的情況下，該場降雨需要的調(diào)蓄容積最大。因此，以該場降雨為標準，確定初雨調(diào)蓄池容積和處理設(shè)施規(guī)模。典型場次降雨過程見圖5。

2.3.2 計算方案

（1）方案一。卓刀泉區(qū)域2.5 km2排口水量進入調(diào)蓄箱涵調(diào)蓄，并通過提升泵站（提升能力為0.3 m3/s）進入濱湖區(qū)域，最終由湖濱泵站進入龍王嘴處理。湖濱區(qū)域3.3 km2初期雨水進入新建湖濱調(diào)蓄池，并建設(shè)處理站進行就地處理后排放。

（2）方案二。不建設(shè)處理站，將湖濱調(diào)蓄池規(guī)模擴大，分別按6萬，8萬，10萬m3等進行調(diào)蓄池試算。

3 結(jié)果分析

3.1 方案論證

3.1.1 方案一規(guī)模論證

3.1.1.1 建設(shè)標準

控制年溢流次數(shù)4～6次。

3.1.1.2 調(diào)蓄池規(guī)模計算

調(diào)蓄池的最小調(diào)蓄容積為降雨時間內(nèi)的總進水量減去總處理水量，可根據(jù)流量隨時間的變化曲線方程求解，公式如下：

[V=0t0（Qin-Qout）dt]

式中：V為CSO調(diào)蓄池容積，m3;t為從調(diào)蓄池開始進水至停止進水的時間，s;t0為調(diào)蓄時間，s;Qin為入流流量，m3/s;Qout為CSO處理設(shè)施的處理能力，m3/s。

根據(jù)InforWorks水力模型對流量隨時間變化曲線進行調(diào)蓄池容積求解計算，模擬結(jié)果參見圖6。

根據(jù)標準場次降雨的末端過流曲線分析，區(qū)域總出流量峰值達到6.3 m3/s，考慮一定的安全系數(shù)，同時考慮20 000 t/d的處理規(guī)模，湖濱區(qū)域需要總調(diào)蓄容積約6萬m3（卓刀泉區(qū)域來水流量為0.3 m3/s，考慮與湖濱泵站剩余空間基本平衡）。

3.1.1.3 溢流污染控制效果分析

（1）溢流次數(shù)控制。根據(jù)上述計算，湖濱調(diào)蓄池調(diào)蓄規(guī)模6萬m3，處理站規(guī)模采用2萬m3/d，此時卓刀泉調(diào)蓄池調(diào)蓄規(guī)模仍為4.5萬m3，采用典型年降雨進行復(fù)核，驗證所選調(diào)蓄池及處理站規(guī)模能否控制年溢流4～6次，模擬計算成果見圖7。

本研究將24 h內(nèi)場次降雨的溢流設(shè)置為一次溢流事件。由圖7典型年溢流統(tǒng)計可知，方案一典型年可控制年溢流在6次以內(nèi)。因此，方案一規(guī)模選擇滿足調(diào)蓄池溢流頻次控制標準。

（2）溢流污染物削減效果。經(jīng)過模型計算分析，該方案實施后，年溢流次數(shù)4～6次，系統(tǒng)年溢流水量66.04萬m3，年削減溢流總量230.34萬m3，削減溢流量由龍王嘴污水廠和處理站共同處理，處理后尾水排入現(xiàn)狀明渠，最終排入東湖，尾水排放標準見表1。

注：當(dāng)設(shè)計水質(zhì)高于設(shè)計進水水質(zhì)時，按去除率控制;當(dāng)設(shè)計水質(zhì)低于設(shè)計進水水質(zhì)時，出水水質(zhì)按設(shè)計出水水質(zhì)值考慮。TP均按出水0.5 mg/L進行控制;NH3-N出水標準5（8），參考《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準（征求意見稿）》中一級A標準排放限值，括號外數(shù)值為水溫>12 ℃時的控制指標，括號內(nèi)數(shù)值為水溫≤12 ℃時的控制指標。

根據(jù)李立青等[8]采用降雨過程水量和水質(zhì)同步監(jiān)測的方法對武漢市漢陽區(qū)合流制排水口的出水平均濃度進行研究，結(jié)果表明：武漢市漢陽區(qū)TSS，COD，TN和TP濃度的平均值分別為380.00，275.00，17.1，和2.32 mg/L。該研究區(qū)為漢陽墨水湖北岸的十里鋪集水小區(qū)，土地利用為城市建設(shè)用地、居住用地、高校、科研院所、辦公用地及少量的綠地和耕地，與研究區(qū)域周邊用地類型具有相似性，因此該區(qū)域合流制排口污染物平均濃度可為估算研究區(qū)域溢流污染負荷及調(diào)蓄處理工程溢流污染削減規(guī)模提供參考。

根據(jù)年溢流水量、處理站尾水排放量、溢流污染濃度以及尾水排放標準可以綜合確定實施方案一后，湖濱閘排口年污染負荷入湖量以及溢流污染削減量，詳見表2。

3.1.2 方案二規(guī)模論證

3.1.2.1 建設(shè)標準

年溢流污染物削減率不小于方案一。

3.1.2.2 調(diào)蓄池規(guī)模計算

取消處理設(shè)施設(shè)置，直接通過湖濱泵站（提升能力為0.3 m3/s）進入龍王嘴污水廠處理，只建調(diào)蓄池的方案不利于連續(xù)降雨的溢流次數(shù)控制，需要更大的調(diào)蓄容積控制多場連續(xù)降雨。根據(jù)試算，若控制年溢流次數(shù)4～6次，需建設(shè)調(diào)蓄池13.5萬m3，調(diào)蓄池規(guī)模過大，由于調(diào)蓄池選址位于濱湖區(qū)域，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，規(guī)模過大難以實施。因此，考慮適當(dāng)放寬建設(shè)標準，并依次進行只建6萬，8萬，10萬m3等調(diào)蓄池試算，確保溢流污染物削減率不低于方案一。

方案一溢流污染物CODCr，NH3-N，TN，TP削減率分別為70.12%，60.29%，35.91%，68.60%，經(jīng)過InforWorks模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)方案二只建設(shè)8萬m3調(diào)蓄池時的溢流污染物削減率不低于方案一，該方案年削減溢流水量208.66萬m3，削減溢流量全部由龍王嘴污水廠處理，除去超過調(diào)蓄處理能力的溢流污染外，其他入污水廠處理的量視為全部被削減，溢流污染物削減效果見表3。

3.1.2.3 溢流污染控制效果分析

按照溢流污染物削減效率不小于方案一建設(shè)標準進行模擬分析，確定方案二為只建8萬m3調(diào)蓄池，采用典型年降雨進行復(fù)核，該方案可控制年溢流次數(shù)為8次以內(nèi)。模擬計算成果見圖8。

3.2 調(diào)蓄池規(guī)模優(yōu)選

根據(jù)分析可知，按照方案一控制年溢流次數(shù)4～6次，方案二污染物削減率不小于方案一的建設(shè)標準，確定兩種方案調(diào)蓄池建設(shè)規(guī)模，從施工難度、投資、溢流污染控制效果等方面來看：方案一在湖濱閘排口設(shè)置6萬m3調(diào)蓄池和2萬m3/d的處理站，年溢流次數(shù)4～6次，調(diào)蓄池停留時間2～3 d，但需新建處理站，整體工藝較復(fù)雜，考慮處理站與調(diào)蓄池合建，整體基坑深度達26 m，施工難度較大，工程總投資5.2億元。方案二在湖濱閘排口設(shè)置8萬m3的調(diào)蓄池，取消處理站，年溢流次數(shù)8次以內(nèi)，整體工藝簡單，整體基坑深度14.4 m，施工難度較小，工程總投資3.01億元，且溢流污染負荷削減效果相比方案一更好。

綜合對比分析，方案二在整體工藝、施工難度、工程投資及溢流污染物削減效果等方面均較方案一更優(yōu)，因此湖濱CSO調(diào)蓄池的建設(shè)方案及規(guī)模選擇方案二，即只建設(shè)8萬m3調(diào)蓄池，調(diào)蓄水量利用現(xiàn)狀湖濱泵站0.3 m3/s的富余規(guī)模送往龍王嘴污水處理廠處理。

4 結(jié) 論

本文以武漢市東湖水環(huán)境提升工程CSO調(diào)蓄池為例，以控制年溢流頻次或溢流污染物削減率為目標，篩選典型年及典型場次降雨數(shù)據(jù)，采用InfoWorks ICM排水模型系統(tǒng)論證了調(diào)蓄池容積及建設(shè)方案，并得出以下結(jié)論。

（1）在進行CSO調(diào)蓄池規(guī)模論證及方案設(shè)計時，有必要通過模型進行連續(xù)模擬分析，從控制全年溢流頻次、溢流污染物削減率等多方面進行評估，確定最優(yōu)規(guī)模及方案。

（2）本次研究通過對CSO調(diào)蓄池規(guī)模的綜合比選論證，最終確定湖濱調(diào)蓄池建設(shè)方案及規(guī)模為僅建設(shè)1座8萬m3的CSO調(diào)蓄池，調(diào)蓄水量通過現(xiàn)有湖濱污水泵站送往龍王嘴污水處理廠處理，該方案可控制典型年溢流頻次8次以內(nèi)，年溢流污染物削減率達70.4%。

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（編輯：江 文）

Study on scale simulation of CSO storage tank in Wuhan East Lake water

environment improvement project

XU Chengjian， HU Shengli

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan? 430010， China）

Abstract： Combined sewer overflows pollution is one of the main sources of non-point source pollution in most old urban areas， and it is also the main factor for the formation of urban black and smelly water bodies. CSO storage tank is an important engineering measure to control combined sewer overflows， and its scale is an important design parameter. This study takes CSO storage tank of Wuhan East Lake water environment improvement project as an example and aiming at controlling the annual overflow times or the reduction effect of overflow pollutants， tow CSO storage tank construction schemes for overflow pollution control are proposed according to the actual situation of rainfall characteristics and pipe network construction in the study area. The scale of the two CSO storage tank construction schemes is reasonably demonstrated by Infoworks ICM simulation， and the two schemes is comprehensively compared in the view of construction difficulty， investment and pollutant reduction effect， etc. The results showed that scheme II（only 80 000 m3 storage tank） is better than scheme I（60 000 m3? storage tank + 20 000 m3/d treatment station）. Scheme II could control the overflow in the area less than 8 times a year， and the overflow pollutant reduction rate is 70.4%.

Key words： combined sewer overflows pollution; CSO storage tank;storage tank scale; Infoworks ICM;overflow frequency