武汉市东湖水环境提升工程CSO调蓄池规模模拟研究

徐成剑 胡胜利

摘要：合流制溢流（CSO）污染是大多数老城区面源污染的主要来源之一，也是城市黑臭水体形成的主要因素。CSO调蓄池是一项控制CSO污染的重要工程措施，设计时确定其规模至关重要。以武汉市东湖水環境提升工程CSO调蓄池为例，针对区域溢流污染，提出了两种CSO调蓄池建设方案。以控制年溢流频次或溢流污染物削减效果为目标，结合研究区域的降雨特性、管网建设等实际情况，采用InfoWorks ICM模型模拟了两种CSO调蓄池建设方案的规模，并综合考虑施工难度、投资及污染物削减效果等对两种方案进行比选。结果表明：方案二（只建设8万m3调蓄池）较方案一（6万m3调蓄池+2万m3/d处理站）更优，方案二可控制区域年溢流8次以内，溢流污染物削减率达70.4%。

关键词：合流制溢流污染;CSO调蓄池;调蓄池规模;InfoWorks ICM;溢流频次

中图法分类号：TU992 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.022

文章编号：1006 - 0081（2021）12 - 0124 - 06

0 引 言

合流制溢流（CSO）作为城市排水系统发展历程中的遗留问题，在中国老城区普遍存在，严重影响城市水生态环境健康与安全，是造成城市水体恶化的主要原因之一[1]。目前，针对CSO污染的主要治理策略包括源头治理和末端治理两方面。源头治理主要包括源头海绵化改造、分流制改造与管网修复;末端治理通常通过建设调蓄池、提高截流倍数、采用智能分流井和人工湿地等方式控制溢流污染[2]。其中，末端调蓄池技术成熟，施工相对便捷，效果好且可操作性较高，是目前应用较为广泛且高效CSO控制工程措施[3]。CSO调蓄池规模是重要的设计参数之一，但目前主要依赖于经验方法确定[4]，如德国的有效容积法及临界雨量法、日本的经验公式法、美国的截获率法以及中国GB 50014-2021《室外排水设计标准》所采用的截流倍数法等[5-6]。这些方法经验性较强、普适性较弱[7]，易导致建设投资偏大或调蓄控制效果不佳，难以满足复杂的工程应用需求。

本研究以武汉市东湖水环境提升工程CSO调蓄池为例，以控制年溢流频次为目标，通过降雨事件法选取典型年及典型场次降雨，根据项目区实际情况设置多种比选工况，并采用Infoworks ICM模型对不同工况CSO调蓄池规模、典型年溢流频次控制及污染物削减效果进行模拟。同时，综合考虑施工难度、投资及污染物削减效果等，确定了CSO调蓄池合理的规模及设计方案，以期为其他CSO调蓄池的规模论证及建设方案提供参考。

1 工程概况及区域排水体制

东湖水环境提升工程为东湖流域水环境治理的重要工程，涵盖控源截污、内源治理、水生态修复和水质自动监测预警系统等方面，其中CSO调蓄池为控源截污的关键工程。CSO调蓄池包括湖滨闸调蓄池和卓刀泉闸调蓄池，主要解决卓刀泉闸、湖滨闸排口雨天溢流污染问题，其中卓刀泉闸调蓄池与两湖隧道工程合建，不纳入东湖水环境提升工程，调蓄池规模4.5万m3，但其处理设施由东湖水环境提升工程实施，处理规模为0.3 m3/s。因此，在卓刀泉闸调蓄池规模及调蓄池处理规模已定的基础上，采用InfoWorks ICM排水模型，充分论证湖滨闸CSO调蓄池规模及优化设计方案。

卓刀泉闸、湖滨闸排口汇水区总面积约5.8 km2，详见图1，区域现状为合流制排水系统（图2）。其中，湖滨闸排口服务范围约3.3 km2，旱季污水收集后在湖滨闸前经截流管截流进入湖滨泵站，最终排入龙王嘴污水处理厂;当雨天来水超出泵站设计流量后，开闸溢流经现状明渠最终排入东湖;湖滨泵站主要进水通道为B×H=4.2 m×2.4 m（宽×高）合流管以及DN600污水管道;根据湖滨泵站设计资料，该区域旱季污水设计流量为0.35 m3/s，经截流管截留后进入湖滨泵站，截留倍数为1，湖滨泵站设计规模为0.7 m3/s;实际运行过程中，湖滨泵站现状污水量为0.4 m3/s，富余规模为0.3 m3/s。卓刀泉闸服务范围约2.5 km2，旱季污水收集后在卓刀泉闸前经截流管截流进入卓北路现状污水管，再进入八一路泵站（现状规模0.3 m3/s），最终排入沙湖污水处理厂;当雨天来水超出污水系统设计流量后，开闸溢流排入东湖，闸前箱涵规模B×H=4.5 m×1.6 m。

2 模型构建

2.1 研究思路

本文采用InfoWorks ICM模型构建东湖卓刀泉闸、湖滨闸排口上游排水区水力计算模型，依据建设“调蓄池+处理站”方案控制年溢流次数4～6次，或只建设调蓄池时确保污染物削减率不小于“调蓄池+处理站”方案的削减率作为建设标准，计算区域出流量。辅助决策区域所需初雨调蓄池容积及初雨处理站建设规模的确定思路如下：①选取典型年并进行场次降雨分析，筛选出能控制年溢流4～6次的场次降雨;②构建InfoWorks ICM计算模型;③通过典型场次降雨分析论证调蓄池模型，并通过年降雨进行年溢流次数复核;④结合施工难度、工程投资、污染削减效果等综合比选，确定合理的调蓄池规模及设计方案。具体的技术路线见图3。

2.2 建设标准

依据GB 50014-2021 《室外排水设计标准》规定，用于合流制排水系统溢流污染控制的雨水调蓄设施设计应符合下列规定：根据当地降雨特征、收纳水体环境容量、下游污水系统负荷和服务范围内源头减排设施规模等因素，合理确定年均溢流频次或年均溢流污染控制率，计算设计调蓄量，并应采用数学模型法进行复核。参照《武汉溢流污染及面源污染治理系统建设规划》，对于排入没有环境容量的水体，年均溢流次数控制在4～6次左右。

综上所述，初步确定建设“调蓄池+处理站”方案控制年溢流次数4～6次，或只建设调蓄池时确保污染物削减率不小于“调蓄池+处理站”方案的削减率作为调蓄池的建设标准。

2.3 模型模拟

2.3.1 典型年及典型场次降雨选取

降雨数据采用典型年及典型场次降水事件，典型年及典型场次降雨选取原则如下。

2.3.1.1 典型年年降雨选取

典型代表年从1987～2016年中选取。选取的原则考虑两方面因素：①每年60，120 min与1 440 min降雨的降雨量、降雨场次、降雨形态分布;②每年降雨场次、降雨总量和雨日统计。根据以上因素加权分析，综合挑选出武汉市东湖区域年降雨的典型代表年。典型代表年（频率为65.65%）的降雨量与降雨场次时长详见图4。

2.3.1.2 标准场次降雨选取

如果按照年均溢流4～6次的控制标准，根据降雨总量和降雨历时选取临界最不利降雨，进一步分析，典型年8月23日场次降雨总降雨量46.3 mm，总历时240 min，属于临界降雨（典型年第七大降雨）中降雨量最大、且降雨历时较短的最不利降雨事件，在处理规模一定的情况下，该场降雨需要的调蓄容积最大。因此，以该场降雨为标准，确定初雨调蓄池容积和处理设施规模。典型场次降雨过程见图5。

2.3.2 计算方案

（1）方案一。卓刀泉区域2.5 km2排口水量进入调蓄箱涵调蓄，并通过提升泵站（提升能力为0.3 m3/s）进入滨湖区域，最终由湖滨泵站进入龙王嘴处理。湖滨区域3.3 km2初期雨水进入新建湖滨调蓄池，并建设处理站进行就地处理后排放。

（2）方案二。不建设处理站，将湖滨调蓄池规模扩大，分别按6万，8万，10万m3等进行调蓄池试算。

3 结果分析

3.1 方案论证

3.1.1 方案一规模论证

3.1.1.1 建设标准

控制年溢流次数4～6次。

3.1.1.2 调蓄池规模计算

调蓄池的最小調蓄容积为降雨时间内的总进水量减去总处理水量，可根据流量随时间的变化曲线方程求解，公式如下：

[V=0t0（Qin-Qout）dt]

式中：V为CSO调蓄池容积，m3;t为从调蓄池开始进水至停止进水的时间，s;t0为调蓄时间，s;Qin为入流流量，m3/s;Qout为CSO处理设施的处理能力，m3/s。

根据InforWorks水力模型对流量随时间变化曲线进行调蓄池容积求解计算，模拟结果参见图6。

根据标准场次降雨的末端过流曲线分析，区域总出流量峰值达到6.3 m3/s，考虑一定的安全系数，同时考虑20 000 t/d的处理规模，湖滨区域需要总调蓄容积约6万m3（卓刀泉区域来水流量为0.3 m3/s，考虑与湖滨泵站剩余空间基本平衡）。

3.1.1.3 溢流污染控制效果分析

（1）溢流次数控制。根据上述计算，湖滨调蓄池调蓄规模6万m3，处理站规模采用2万m3/d，此时卓刀泉调蓄池调蓄规模仍为4.5万m3，采用典型年降雨进行复核，验证所选调蓄池及处理站规模能否控制年溢流4～6次，模拟计算成果见图7。

本研究将24 h内场次降雨的溢流设置为一次溢流事件。由图7典型年溢流统计可知，方案一典型年可控制年溢流在6次以内。因此，方案一规模选择满足调蓄池溢流频次控制标准。

（2）溢流污染物削减效果。经过模型计算分析，该方案实施后，年溢流次数4～6次，系统年溢流水量66.04万m3，年削减溢流总量230.34万m3，削减溢流量由龙王嘴污水厂和处理站共同处理，处理后尾水排入现状明渠，最终排入东湖，尾水排放标准见表1。

注：当设计水质高于设计进水水质时，按去除率控制;当设计水质低于设计进水水质时，出水水质按设计出水水质值考虑。TP均按出水0.5 mg/L进行控制;NH3-N出水标准5（8），参考《城镇污水处理厂污染物排放标准（征求意见稿）》中一级A标准排放限值，括号外数值为水温>12 ℃时的控制指标，括号内数值为水温≤12 ℃时的控制指标。

根据李立青等[8]采用降雨过程水量和水质同步监测的方法对武汉市汉阳区合流制排水口的出水平均浓度进行研究，结果表明：武汉市汉阳区TSS，COD，TN和TP浓度的平均值分别为380.00，275.00，17.1，和2.32 mg/L。该研究区为汉阳墨水湖北岸的十里铺集水小区，土地利用为城市建设用地、居住用地、高校、科研院所、办公用地及少量的绿地和耕地，与研究区域周边用地类型具有相似性，因此该区域合流制排口污染物平均浓度可为估算研究区域溢流污染负荷及调蓄处理工程溢流污染削减规模提供参考。

根据年溢流水量、处理站尾水排放量、溢流污染浓度以及尾水排放标准可以综合确定实施方案一后，湖滨闸排口年污染负荷入湖量以及溢流污染削减量，详见表2。

3.1.2 方案二规模论证

3.1.2.1 建设标准

年溢流污染物削减率不小于方案一。

3.1.2.2 调蓄池规模计算

取消处理设施设置，直接通过湖滨泵站（提升能力为0.3 m3/s）进入龙王嘴污水厂处理，只建调蓄池的方案不利于连续降雨的溢流次数控制，需要更大的调蓄容积控制多场连续降雨。根据试算，若控制年溢流次数4～6次，需建设调蓄池13.5万m3，调蓄池规模过大，由于调蓄池选址位于滨湖区域，地质条件较为复杂，规模过大难以实施。因此，考虑适当放宽建设标准，并依次进行只建6万，8万，10万m3等调蓄池试算，确保溢流污染物削减率不低于方案一。

方案一溢流污染物CODCr，NH3-N，TN，TP削减率分别为70.12%，60.29%，35.91%，68.60%，经过InforWorks模拟分析发现，当方案二只建设8万m3调蓄池时的溢流污染物削减率不低于方案一，该方案年削减溢流水量208.66万m3，削减溢流量全部由龙王嘴污水厂处理，除去超过调蓄处理能力的溢流污染外，其他入污水厂处理的量视为全部被削减，溢流污染物削减效果见表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设标准进行模拟分析，确定方案二为只建8万m3调蓄池，采用典型年降雨进行复核，该方案可控制年溢流次数为8次以内。模拟计算成果见图8。

3.2 调蓄池规模优选

根据分析可知，按照方案一控制年溢流次数4～6次，方案二污染物削减率不小于方案一的建设标准，确定两种方案调蓄池建设规模，从施工难度、投资、溢流污染控制效果等方面来看：方案一在湖滨闸排口设置6万m3调蓄池和2万m3/d的处理站，年溢流次数4～6次，调蓄池停留时间2～3 d，但需新建处理站，整体工艺较复杂，考虑处理站与调蓄池合建，整体基坑深度达26 m，施工难度较大，工程总投资5.2亿元。方案二在湖滨闸排口设置8万m3的调蓄池，取消处理站，年溢流次数8次以内，整体工艺简单，整体基坑深度14.4 m，施工难度较小，工程总投资3.01亿元，且溢流污染负荷削减效果相比方案一更好。

综合对比分析，方案二在整体工艺、施工难度、工程投资及溢流污染物削减效果等方面均较方案一更优，因此湖滨CSO调蓄池的建设方案及规模选择方案二，即只建设8万m3调蓄池，调蓄水量利用现状湖滨泵站0.3 m3/s的富余规模送往龙王嘴污水处理厂处理。

4 结 论

本文以武汉市东湖水环境提升工程CSO调蓄池为例，以控制年溢流频次或溢流污染物削减率为目标，筛选典型年及典型场次降雨数据，采用InfoWorks ICM排水模型系统论证了调蓄池容积及建设方案，并得出以下结论。

（1）在进行CSO调蓄池规模论证及方案设计时，有必要通过模型进行连续模拟分析，从控制全年溢流频次、溢流污染物削减率等多方面进行评估，确定最优规模及方案。

（2）本次研究通过对CSO调蓄池规模的综合比选论证，最终确定湖滨调蓄池建设方案及规模为仅建设1座8万m3的CSO调蓄池，调蓄水量通过现有湖滨污水泵站送往龙王嘴污水处理厂处理，该方案可控制典型年溢流频次8次以内，年溢流污染物削减率达70.4%。

参考文献：

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[3] 施祖辉，胡艳飞. 调蓄池在合流制污水系统中的应用[J]. 给水排水，2008（7）：43-45.

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[8] 李立青，尹澄清，何庆慈，等. 武汉汉阳地区城市集水区尺度降雨径流污染过程与排放特征[J]. 环境科学学报，2006（7）：1057-1061.

（编辑：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