我國合流制溢流（CSO）污染控制技術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系曲線，分析CSO調蓄池和CSO處理站/廠的設計規模，可為我國CSO控制設施的設計提供參考。

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存在的主要問題

1.1 技術措施

隨著海綿城市建設的科學推進和相關研究的不斷深入，我國對CSO污染控制技術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踐極為不足。CSO控制技術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提標改造、CSO調蓄、CSO處理以及非工程措施（如實時控制、管網運維調度）等，主要技術路線與標準如圖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境質量提升的迫切要求。

在美國，以水環境質量為目標，依托從國家到各州的法規、NPDES許可制度以及CSO長期控制規劃，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。

實踐中，調蓄和處理往往作為CSO控制系統的2個子系統或2個工藝單元，如污水處理廠、CSO處理站/廠與調蓄池/隧道系統聯合運行，污水處理廠、CSO處理站/廠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包含頻次、體積、水質多個控制標準。

1.3 設計方法

由于技術措施不完善、基于直接效果導向的控制標準缺失，CSO調蓄池設計進水流量與池容，CSO處理站/廠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規范》（GB 51174—2017）中，提出CSO調蓄設施的規模基于截流倍數進行計算，但與CSO控制效果、污水處理廠的處理能力的關系交代不清。

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踐，考慮設計暴雨法無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控制設施的規模進行設計。

針對上述我國CSO控制系統規劃設計方面存在的問題和不足，本文重點對CSO調蓄池與CSO處理站/廠的規模設計的一種方法進行闡述。

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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行統計分析，建立溢流體積、峰值流量與對應重現期的關系曲線，從而得到達到某年均溢流頻次（如1年不超過3次）等控制標準的CSO調蓄池池容和設計進水流量，或得到CSO處理站/廠的設計處理流量。

該方法尤其適用于監測數據不足，無法支撐進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條件下，該方法具有一定的優越性。

建立溢流體積、峰值流量與對應重現期的關系曲線，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間。如模擬得到現狀條件下，某合流制系統溢流體積超過4 000 m3的CSO事件的重現期為0.25年，說明溢流體積大于4 000 m3的CSO事件平均1年約發生4次，同時也可得知，若將CSO調蓄池的規模設計為4 000 m3，可實現該區域年均溢流頻次不超過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、管網拓撲、截流干管和污水處理廠旱天與雨天運行工況、下墊面、地形、一般至少近10年的步長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一定數量的監測數據對模型進行參數率定與驗證。可在與相關排水分區相關聯的合流制溢流排水口及關鍵的管網節點設置流量計，進行連續自動監測，獲取至少1年的管網“時間-流量”序列監測數據，并篩選不少于4場有顯著意義的CSO事件（如至少包含1場0.33年一遇的降雨等）進行模型參數率定與驗證。

CSO調蓄設施建成運行期，可通過至少1年的監測數據重新對模型進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發生頻次較少的合流制區域，可將特定時間（如24 h）內發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

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

獨立CSO事件的MIET的確定可按照一場降雨事件最多產生一次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，實際降雨間隔時間的變異系數（標準偏差與平均值的比值）CV≈1。

以北京市近30年（1987~2016年）逐小時降雨數據為例，以降雨量為0 mm的降雨持續時間超過t=i（h）（i=1,2,3…，N）為標準進行場雨劃分，得到N組系列場降雨事件，扣除降雨量小于等于2 mm的場降雨事件后，分別計算各組系列場降雨事件實際降雨間隔時間的變異系數CV，按照降雨間隔時間的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運行工況等條件影響，較為復雜。實際運行中，CSO結束的時間會滯后于降雨，降雨強度峰值前后、峰值之間往往不發生CSO，導致經常出現溢流的間斷時間長于降雨事件間隔時間的情況，此時，按照一場降雨最多產生一次CSO事件的原則，用于劃分CSO事件的MIET取值會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調蓄設施的排空時間、處理設施的處理能力等相關。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。通過資料分析，共劃分排水分區32個、合流管線80條、檢查井節點79個、排水口2個，截流井1個，用于SWMM模型建模。

3.2 建立溢流體積與對應重現期關系曲線

搭建該區域SWMM模型，采用30年（1987～2016年）逐分鐘降雨數據進行連續模擬，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m3，最大溢流體積為3.64萬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事件進行降序排列，并選取前N場最大CSO事件，N=βm，其中，β為每年選取CSO事件的個數，按年多個樣法，本案例β取值為4，m為模擬年數30年。每場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系曲線，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m3、0.21萬m3、0.11萬m3、0.07萬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系曲線

參照上述方法，可得到溢流峰值流量與對應重現期關系曲線如圖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調蓄池設計進水流量（可據此進一步確定進水管管徑）和CSO處理站/廠的設計最大處理流量的設計。

4結語

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。各地應盡快著手開展本底CSO污染情況的監測，加強合流制管網運行情況的普查，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，車伍；作者單位：北京建筑大學；刊登在《給水排水》2018年第10期。