我國合流制溢流（CSO）污染控制技術(shù)體系構建的系統性尚不足，溢流頻次、體積與污染物控制標準以及基于設計暴雨、模型連續模擬等方法的設施規模設計方法缺失。結合案例，基于SWMM模型連續模擬數據，在劃分CSO事件的基礎上，采用統計分析的方法，獲取溢流體積、溢流峰值流量與對應重現期關(guān)系曲線(xiàn)，分析CSO調蓄池和CSO處理站/廠(chǎng)的設計規模，可為我國CSO控制設施的設計提供參考。

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存在的主要問(wèn)題

1.1 技術(shù)措施

隨著(zhù)海綿城市建設的科學(xué)推進(jìn)和相關(guān)研究的不斷深入，我國對CSO污染控制技術(shù)體系的梳理和認識逐漸清晰，然而，我國CSO污染控制的系統性工程實(shí)踐極為不足。CSO控制技術(shù)措施主要包括源頭減排（綠色基礎設施等）、截流干管和污水處理廠(chǎng)提標改造、CSO調蓄、CSO處理以及非工程措施（如實(shí)時(shí)控制、管網(wǎng)運維調度）等，主要技術(shù)路線(xiàn)與標準如圖1、圖2所示。

1.2 控制標準

我國現行標準規范中未有明確的以溢流頻次、溢流體積、溢流污染物控制為直接效果導向的控制標準，難以適應我國目前黑臭水體整治或水環(huán)境質(zhì)量提升的迫切要求。

在美國，以水環(huán)境質(zhì)量為目標，依托從國家到各州的法規、NPDES許可制度以及CSO長(cháng)期控制規劃，一般以年均溢流頻次、年均溢流體積控制率作為CSO調蓄系統的控制標準，以年均TSS、BOD5總量或濃度去除率、糞大腸桿菌等污染物指標的濃度排放限值作為CSO處理系統的控制標準。

實(shí)踐中，調蓄和處理往往作為CSO控制系統的2個(gè)子系統或2個(gè)工藝單元，如污水處理廠(chǎng)、CSO處理站/廠(chǎng)與調蓄池/隧道系統聯(lián)合運行，污水處理廠(chǎng)、CSO處理站/廠(chǎng)在處理單元前設置調蓄單元以提高其整體處理能力，因此，CSO污染控制系統可同時(shí)包含頻次、體積、水質(zhì)多個(gè)控制標準。

1.3 設計方法

由于技術(shù)措施不完善、基于直接效果導向的控制標準缺失，CSO調蓄池設計進(jìn)水流量與池容，CSO處理站/廠(chǎng)設計處理流量的確定方法等也相應缺乏。在我國《室外排水設計規范》（GB 50014—2006，2016年版）與《城鎮雨水調蓄工程技術(shù)規范》（GB 51174—2017）中，提出CSO調蓄設施的規?；诮亓鞅稊颠M(jìn)行計算，但與CSO控制效果、污水處理廠(chǎng)的處理能力的關(guān)系交代不清。

在美國，已有比較成熟的基于設計暴雨和模型連續模擬方法的CSO控制設施規模設計實(shí)踐，考慮設計暴雨法無(wú)法考慮連續降雨等因素對控制效果的影響，近些年，一些州多用監測與模型連續模擬相結合的方法對CSO控制設施的規模進(jìn)行設計。

針對上述我國CSO控制系統規劃設計方面存在的問(wèn)題和不足，本文重點(diǎn)對CSO調蓄池與CSO處理站/廠(chǎng)的規模設計的一種方法進(jìn)行闡述。

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模型模擬法設計

2.1 方法概述

對采用模型連續模擬得到的溢流排水口多年溢流體積和峰值流量數據進(jìn)行統計分析，建立溢流體積、峰值流量與對應重現期的關(guān)系曲線(xiàn)，從而得到達到某年均溢流頻次（如1年不超過(guò)3次）等控制標準的CSO調蓄池池容和設計進(jìn)水流量，或得到CSO處理站/廠(chǎng)的設計處理流量。

該方法尤其適用于監測數據不足，無(wú)法支撐進(jìn)行多年年均溢流頻次、溢流體積分析的情況，在我國CSO污染控制工程規劃設計工作起步較晚，監測數據嚴重不足的現實(shí)條件下，該方法具有一定的優(yōu)越性。

建立溢流體積、峰值流量與對應重現期的關(guān)系曲線(xiàn)，即得到基于統計的，不同溢流體積、峰值流量值的CSO事件可能出現一次的平均間隔時(shí)間。如模擬得到現狀條件下，某合流制系統溢流體積超過(guò)4 000 m3的CSO事件的重現期為0.25年，說(shuō)明溢流體積大于4 000 m3的CSO事件平均1年約發(fā)生4次，同時(shí)也可得知，若將CSO調蓄池的規模設計為4 000 m3，可實(shí)現該區域年均溢流頻次不超過(guò)4次。

2.2 數據需求

該方法基于模型連續模擬，模型應具有地面產(chǎn)匯流、管道匯流、源頭減排設施模擬功能。模型建模應具有源頭減排設施參數、管網(wǎng)拓撲、截流干管和污水處理廠(chǎng)旱天與雨天運行工況、下墊面、地形、一般至少近10年的步長(cháng)1 min或5min的連續降雨等數據。

此外，有條件的項目還需要通過(guò)一定數量的監測數據對模型進(jìn)行參數率定與驗證?？稍谂c相關(guān)排水分區相關(guān)聯(lián)的合流制溢流排水口及關(guān)鍵的管網(wǎng)節點(diǎn)設置流量計，進(jìn)行連續自動(dòng)監測，獲取至少1年的管網(wǎng)“時(shí)間-流量”序列監測數據，并篩選不少于4場(chǎng)有顯著(zhù)意義的CSO事件（如至少包含1場(chǎng)0.33年一遇的降雨等）進(jìn)行模型參數率定與驗證。

CSO調蓄設施建成運行期，可通過(guò)至少1年的監測數據重新對模型進(jìn)行參數率定和驗證后，校核CSO控制達標情況。

2.3 CSO事件劃分

合理劃分合流制溢流事件（CSO Event）是確定CSO頻次控制標準與設施規模的基礎。CSO事件的劃分有多種方式，對于面積較小、CSO發(fā)生頻次較少的合流制區域，可將特定時(shí)間（如24 h）內發(fā)生的一次或多次溢流作為一次CSO事件。對于尺度較大較復雜、CSO排水口和CSO頻次較多的合流制排水系統，可基于獨立降雨事件的劃分確定CSO事件，或基于合流制排水管渠系統的溢流特征并結合獨立降雨事件的劃分確定CSO事件等，具體分析如下。

2.3.1 基于獨立降雨事件的劃分確定CSO事件

對于一場(chǎng)降雨的實(shí)際降雨過(guò)程，合流制溢流排水口的溢流過(guò)程往往是間斷的，該間斷的溢流可認為是由該場(chǎng)降雨產(chǎn)生的一次CSO事件，而如何區分1年或多年長(cháng)歷時(shí)連續降雨條件下產(chǎn)生的CSO事件，需確定用來(lái)區分兩場(chǎng)獨立CSO事件的最小間隔時(shí)間（MIET）。

獨立CSO事件的MIET的確定可按照一場(chǎng)降雨事件最多產(chǎn)生一次CSO事件的原則，參考獨立降雨事件的MIET確定，而獨立降雨事件的MIET可按如下方法確定：按照該MIET劃分得到的系列降雨事件，實(shí)際降雨間隔時(shí)間的變異系數（標準偏差與平均值的比值）CV≈1。

以北京市近30年（1987~2016年）逐小時(shí)降雨數據為例，以降雨量為0 mm的降雨持續時(shí)間超過(guò)t=i（h）（i=1,2,3…，N）為標準進(jìn)行場(chǎng)雨劃分，得到N組系列場(chǎng)降雨事件，扣除降雨量小于等于2 mm的場(chǎng)降雨事件后，分別計算各組系列場(chǎng)降雨事件實(shí)際降雨間隔時(shí)間的變異系數CV，按照降雨間隔時(shí)間的CV≈1確定獨立降雨事件的MIET=13 h（CV=1001），即對于北京，可根據間隔時(shí)間＞13 h劃分CSO事件。

2.3.2 基于合流制排水管渠系統的溢流特征確定CSO事件

合流制排水管渠系統的溢流特征受降雨特征、匯水區域大小、用地情況、截流干管和污水處理廠(chǎng)運行工況等條件影響，較為復雜。實(shí)際運行中，CSO結束的時(shí)間會(huì )滯后于降雨，降雨強度峰值前后、峰值之間往往不發(fā)生CSO，導致經(jīng)常出現溢流的間斷時(shí)間長(cháng)于降雨事件間隔時(shí)間的情況，此時(shí)，按照一場(chǎng)降雨最多產(chǎn)生一次CSO事件的原則，用于劃分CSO事件的MIET取值會(huì )大于用于劃分降雨事件的MIET，具體取值大小應根據不同項目條件做具體分析，也可根據大量工程建設及運行經(jīng)驗統一確定適用于本地區CSO事件劃分的MIET，如美國華盛頓州的CSO事件的MIET取值為24 h（大于降雨事件的MIET=18 h）。從CSO控制系統的協(xié)調運行角度考慮，CSO事件的MIET確定還與CSO調蓄設施的排空時(shí)間、處理設施的處理能力等相關(guān)。綜上，基于模型模擬的CSO調蓄與處理設施規模設計流程如圖3所示。

3案例分析

3.1 區域概況與模型建立

選擇北京市某個(gè)面積為47.2 hm2合流制區域，區域不透水面積率為53.4%，污水主要為生活污水和工商廢水，區域污水設計流量為172.8 L/s，截流干管截流倍數為2。通過(guò)資料分析，共劃分排水分區32個(gè)、合流管線(xiàn)80條、檢查井節點(diǎn)79個(gè)、排水口2個(gè)，截流井1個(gè)，用于SWMM模型建模。

3.2 建立溢流體積與對應重現期關(guān)系曲線(xiàn)

搭建該區域SWMM模型，采用30年（1987～2016年）逐分鐘降雨數據進(jìn)行連續模擬，得到連續溢流流量數據，暫且按MIET=13 h劃分CSO事件。

CSO事件劃分后的統計結果如圖4、圖5所示。年均溢流頻次為9.4次，其中最大年份為2008年，溢流16次；最小年份為1999年，溢流1次。年均溢流體積為1.45萬(wàn)m3，最大溢流體積為3.64萬(wàn)m3，出現于2016年，6～8月份溢流頻次占年均溢流頻次的比例為83%。

按照溢流體積從大到小將CSO事件進(jìn)行降序排列，并選取前N場(chǎng)最大CSO事件，N=βm，其中，β為每年選取CSO事件的個(gè)數，按年多個(gè)樣法，本案例β取值為4，m為模擬年數30年。每場(chǎng)CSO事件溢流體積對應的重現期T=（m+1-2α）/（i-α）［9］，其中i為CSO事件按溢流體積從大到小排列的序號，α為權重因子，取04，計算結果如表1所示，其中，重現期T也可根據式T=（mβ+1）/iβ計算。

根據表1，建立溢流體積與對應重現期關(guān)系曲線(xiàn)，如圖6所示，1次/年、2次/年、3次/年、4次/年的年均溢流頻次控制標準對應的溢流體積分別為0.46萬(wàn)m3、0.21萬(wàn)m3、0.11萬(wàn)m3、0.07萬(wàn)m3。若將其初步作為相應年均溢流頻次控制標準下的CSO調蓄池設計池容，經(jīng)校核，對應的年均溢流體積控制率可分別達到77%、53%、37%、27%。

3.3 建立溢流峰值流量與對應重現期關(guān)系曲線(xiàn)

參照上述方法，可得到溢流峰值流量與對應重現期關(guān)系曲線(xiàn)如圖7所示，1次/年、2次/年、3次/年、4次/年對應的溢流峰值流量分別為1.74 m3/s、1.05 m3/s、0.83 m3/s、0.60 m3/s，可用于CSO調蓄池設計進(jìn)水流量（可據此進(jìn)一步確定進(jìn)水管管徑）和CSO處理站/廠(chǎng)的設計最大處理流量的設計。

4結語(yǔ)

我國CSO污染控制設施的規劃設計仍存在較大短板，應盡快修訂相關(guān)標準規范，明確基于溢流量和溢流污染控制目標的CSO污染控制標準，給出設施規模設計方法。各地應盡快著(zhù)手開(kāi)展本底CSO污染情況的監測，加強合流制管網(wǎng)運行情況的普查，為后續CSO控制規劃設計、模擬分析提供有效的基礎數據保障。

原文標題：基于模型模擬的合流制溢流調蓄與處理設施規模設計方法探討；作者：王文亮，王二松，賈楠，李俊奇，車(chē)伍；作者單位：北京建筑大學(xué)；刊登在《給水排水》2018年第10期。