我國合流制溢流（CSO）污染控制技術(shù)體系構(gòu)建的系統(tǒng)性尚不足，溢流頻次、體積與污染物控制標準以及基于設(shè)計暴雨、模型連續(xù)模擬等方法的設(shè)施規(guī)模設(shè)計方法缺失。結(jié)合案例，基于SWMM模型連續(xù)模擬數(shù)據(jù)，在劃分CSO事件的基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計分析的方法，獲取溢流體積、溢流峰值流量與對應(yīng)重現(xiàn)期關(guān)系曲線，分析CSO調(diào)蓄池和CSO處理站/廠的設(shè)計規(guī)模，可為我國CSO控制設(shè)施的設(shè)計提供參考。

1

存在的主要問題

1.1 技術(shù)措施

隨著海綿城市建設(shè)的科學(xué)推進和相關(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(tǒng)性工程實踐極為不足。CSO控制技術(shù)措施主要包括源頭減排（綠色基礎(chǔ)設(shè)施等）、截流干管和污水處理廠提標改造、CSO調(diào)蓄、CSO處理以及非工程措施（如實時控制、管網(wǎng)運維調(diào)度）等，主要技術(shù)路線與標準如圖1、圖2所示。

1.2 控制標準

我國現(xiàn)行標準規(guī)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(dǎo)向的控制標準，難以適應(yīng)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(guī)、NPDES許可制度以及CSO長期控制規(guī)劃，一般以年均溢流頻次、年均溢流體積控制率作為CSO調(diào)蓄系統(tǒng)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(tǒng)的控制標準。

實踐中，調(diào)蓄和處理往往作為CSO控制系統(tǒng)的2個子系統(tǒng)或2個工藝單元，如污水處理廠、CSO處理站/廠與調(diào)蓄池/隧道系統(tǒng)聯(lián)合運行，污水處理廠、CSO處理站/廠在處理單元前設(shè)置調(diào)蓄單元以提高其整體處理能力，因此，CSO污染控制系統(tǒng)可同時包含頻次、體積、水質(zhì)多個控制標準。

1.3 設(shè)計方法

由于技術(shù)措施不完善、基于直接效果導(dǎo)向的控制標準缺失，CSO調(diào)蓄池設(shè)計進水流量與池容，CSO處理站/廠設(shè)計處理流量的確定方法等也相應(yīng)缺乏。在我國《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006，2016年版）與《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51174—2017）中，提出CSO調(diào)蓄設(shè)施的規(guī)模基于截流倍數(shù)進行計算，但與CSO控制效果、污水處理廠的處理能力的關(guān)系交代不清。

在美國，已有比較成熟的基于設(shè)計暴雨和模型連續(xù)模擬方法的CSO控制設(shè)施規(guī)模設(shè)計實踐，考慮設(shè)計暴雨法無法考慮連續(xù)降雨等因素對控制效果的影響，近些年，一些州多用監(jiān)測與模型連續(xù)模擬相結(jié)合的方法對CSO控制設(shè)施的規(guī)模進行設(shè)計。

針對上述我國CSO控制系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計方面存在的問題和不足，本文重點對CSO調(diào)蓄池與CSO處理站/廠的規(guī)模設(shè)計的一種方法進行闡述。

2

模型模擬法設(shè)計

2.1 方法概述

對采用模型連續(xù)模擬得到的溢流排水口多年溢流體積和峰值流量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，建立溢流體積、峰值流量與對應(yīng)重現(xiàn)期的關(guān)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(diào)蓄池池容和設(shè)計進水流量，或得到CSO處理站/廠的設(shè)計處理流量。

該方法尤其適用于監(jiān)測數(shù)據(jù)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(guī)劃設(shè)計工作起步較晚，監(jiān)測數(shù)據(jù)嚴重不足的現(xiàn)實條件下，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(yīng)重現(xiàn)期的關(guān)系曲線，即得到基于統(tǒng)計的，不同溢流體積、峰值流量值的CSO事件可能出現(xiàn)一次的平均間隔時間。如模擬得到現(xiàn)狀條件下，某合流制系統(tǒng)溢流體積超過4 000 m3的CSO事件的重現(xiàn)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(fā)生4次，同時也可得知，若將CSO調(diào)蓄池的規(guī)模設(shè)計為4 000 m3，可實現(xiàn)該區(qū)域年均溢流頻次不超過4次。

2.2 數(shù)據(jù)需求

該方法基于模型連續(xù)模擬，模型應(yīng)具有地面產(chǎn)匯流、管道匯流、源頭減排設(shè)施模擬功能。模型建模應(yīng)具有源頭減排設(shè)施參數(shù)、管網(wǎng)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(xù)降雨等數(shù)據(jù)。

此外，有條件的項目還需要通過一定數(shù)量的監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進行參數(shù)率定與驗證。可在與相關(guān)排水分區(qū)相關(guān)聯(lián)的合流制溢流排水口及關(guān)鍵的管網(wǎng)節(jié)點設(shè)置流量計，進行連續(xù)自動監(jiān)測，獲取至少1年的管網(wǎng)“時間-流量”序列監(jiān)測數(shù)據(jù)，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(shù)率定與驗證。

CSO調(diào)蓄設(shè)施建成運行期，可通過至少1年的監(jiān)測數(shù)據(jù)重新對模型進行參數(shù)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(shè)施規(guī)模的基礎(chǔ)。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(qū)域，可將特定時間（如24 h）內(nèi)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(fù)雜、CSO排水口和CSO頻次較多的合流制排水系統(tǒng)，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(tǒng)的溢流特征并結(jié)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(chǎn)生的一次CSO事件，而如何區(qū)分1年或多年長歷時連續(xù)降雨條件下產(chǎn)生的CSO事件，需確定用來區(qū)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(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，實際降雨間隔時間的變異系數(shù)（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(shù)據(jù)為例，以降雨量為0 mm的降雨持續(xù)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(shù)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(jù)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(tǒng)的溢流特征確定CSO事件

合流制排水管渠系統(tǒng)的溢流特征受降雨特征、匯水區(qū)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(fù)雜。實際運行中，CSO結(jié)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(fā)生CSO，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)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(chǎn)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(yīng)根據(jù)不同項目條件做具體分析，也可根據(jù)大量工程建設(shè)及運行經(jīng)驗統(tǒng)一確定適用于本地區(qū)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(tǒng)的協(xié)調(diào)運行角度考慮，CSO事件的MIET確定還與CSO調(diào)蓄設(shè)施的排空時間、處理設(shè)施的處理能力等相關(guān)。綜上，基于模型模擬的CSO調(diào)蓄與處理設(shè)施規(guī)模設(shè)計流程如圖3所示。

3案例分析

3.1 區(qū)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(qū)域，區(qū)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(qū)域污水設(shè)計流量為172.8 L/s，截流干管截流倍數(shù)為2。通過資料分析，共劃分排水分區(qū)32個、合流管線80條、檢查井節(jié)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(yīng)重現(xiàn)期關(guān)系曲線

搭建該區(qū)域SWMM模型，采用30年（1987～2016年）逐分鐘降雨數(shù)據(jù)進行連續(xù)模擬，得到連續(xù)溢流流量數(shù)據(jù)，暫且按MIET=13 h劃分CSO事件。

CSO事件劃分后的統(tǒng)計結(jié)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(xiàn)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(shù)，按年多個樣法，本案例β取值為4，m為模擬年數(shù)30年。每場CSO事件溢流體積對應(yīng)的重現(xiàn)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(quán)重因子，取04，計算結(jié)果如表1所示，其中，重現(xiàn)期T也可根據(jù)式T=（mβ+1）/iβ計算。

根據(jù)表1，建立溢流體積與對應(yīng)重現(xiàn)期關(guān)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(yīng)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(yīng)年均溢流頻次控制標準下的CSO調(diào)蓄池設(shè)計池容，經(jīng)校核，對應(yīng)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(yīng)重現(xiàn)期關(guān)系曲線

參照上述方法，可得到溢流峰值流量與對應(yīng)重現(xiàn)期關(guān)系曲線如圖7所示，1次/年、2次/年、3次/年、4次/年對應(yīng)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(diào)蓄池設(shè)計進水流量（可據(jù)此進一步確定進水管管徑）和CSO處理站/廠的設(shè)計最大處理流量的設(shè)計。

4結(jié)語

我國CSO污染控制設(shè)施的規(guī)劃設(shè)計仍存在較大短板，應(yīng)盡快修訂相關(guān)標準規(guī)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(shè)施規(guī)模設(shè)計方法。各地應(yīng)盡快著手開展本底CSO污染情況的監(jiān)測，加強合流制管網(wǎng)運行情況的普查，為后續(xù)CSO控制規(guī)劃設(shè)計、模擬分析提供有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。

原文標題：基于模型模擬的合流制溢流調(diào)蓄與處理設(shè)施規(guī)模設(shè)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(xué)；刊登在《給水排水》2018年第10期。