Vol. 22 No. S2
中国建筑金属结构
第22卷 第S2期 Sep. 2023 CHINA CONSTRUCTION METAL STRUCTURE 2023年9月
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武汉市机场河末端大型CSO 调蓄池的工艺设计
袁 尚1，廖华丰1，张碧波1，祝佳佳2，洪 磊1，朱 畅1
（1. 中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430014；2. 桂林理工大学环境科学与工程学院，桂林 541006） 摘 要：合流制溢流污染问题是目前城市老、旧城区排水中急需解决的问题，CSO 调蓄池作为控制溢流污染的重要工程措施，发挥着关键的作用和功能，对于改善水环境质量具有积极的意义。本文以武汉市机场河CSO 调蓄池工程为例，着重介绍了全地下调蓄池的工艺设计，包含平面布置、竖向处理、除臭、通风等各环节，深入开展分析，针对性提出合理的设计策略，以供借鉴和参考。
关键词：CSO 调蓄池；门式冲洗；离子除臭
DOI: 10.20080/jki.ISSN1671-3362.2023.S2.029
0 引言
随着国家水污染防治行动计划的颁布，各个城市开始对排水系统进行升级改造及提质增效的建设，使得城市点源污染得到有效控制，但面源污染仍不可忽视，特别是城市降雨径流污染。降雨将空气中及地面上的各种污染物冲刷至地表水体，导致自然水体污染严重，在排水系统末端设置调蓄池，是控制面源污染的有效工程措施，也是控制面源污染的最后一道防线。因此，调蓄池在排水系统的设置显得十分重要。近几年，像上海、南京、合肥等地各大城市已经建成几十座调蓄池，既有分流制排水系统中用于源头径流总量和污染控制的调蓄池，又有合流制排水系统中用于溢流污染控制的调蓄池，调蓄池的功能和型式也根据每个城市排水系统的布局和特点而各不相同。本文通过对武汉市机场河合流制排水系统的模拟分析，测算出控制溢流污染调蓄池的规模，同时对调蓄池的具体设计作出了
详细介绍，对后续同类型排水系统调蓄池的设计提供一定借鉴意义。
1 工程概况
机场河是武汉市城市重要内河之一，承担着汉口和东西湖部分地区的雨污水排放任务，其中分流制片区约13.9km 2，合流制片区约21.2km 2；机场河上游为箱涵暗涵段，自解放大道起，止于金山大道，长度为8km ，下游为明渠段，分为东渠、西渠2条相邻平行明渠，东渠自金山大道起，至常青排涝泵站止，长约为3.4km ，宽27~48m ，西渠自金山大道起，至李家墩闸止，长约为 2.7km ，宽20~30m ，东渠、
西渠末端有连接渠道联通。
根据《机场河水环境综合整治--机场河段工程修建规划》，西渠片区通过雨污分流改造解决合流制溢流污染的问题；基于东渠片区雨污分流改造难度很大，规划维持合流制排水体制，合流制溢流污染主要通过“上游调蓄
--中途转输--末端处理”的方
图1 机场河CSO 污染治理技术路线图
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式进行解决。即前端在东渠暗涵段设置常青调蓄池削减一部分峰值流量，中端在东渠明渠起点处设置低位箱涵截污转输污水，末端在东渠明渠终点处（汉西污水厂段）设置CSO调蓄池及处理设施，把通过低位截污箱涵转输的污水就地处理达标排放，集中解决东渠雨天溢流污染问题。
2 CSO调蓄池规模
现行《室外排水设计标准》（GB50014-2021）规定，用于合流制排水系统溢流污染控制的雨水调蓄池，应根据当地降雨特征、受纳水体环境容量、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。
现行的《城镇雨水调蓄工程技术规范》（GB51174-2017）采用截流倍数法计算合流制排水系统径流污染控制调蓄池的容积，截流倍数计算法是一种简化计算方法，该方法建立在降雨事件为均匀降雨的基础上，且假设调蓄池的运行时间不小于发生溢流的降雨历时，以及调蓄池的放空时间小于两场降雨的间隔，而实际情况下，很难满足上述假设。因此，以截流倍数计算法得到的调蓄池容积偏小，计算得到的调蓄池容积在实际运行过程中发挥的效益小于设定的调蓄效益。
发达国家的CSO污染控制目标包括溢流量、溢流次数削减、溢流污染物总量削减、对某重现期降雨事件的控制，或“合流制污染负荷等同于分流制”等，归根到底都是让受纳水体水质达到或提升至某一目标[1~2]。CSO污染控制目标的制定有以下几个特点：
（1）不同部门制定的目标可能不同，如美国EPA和DEQ的要求不同；
（2）不同层面制定的目标可能不同，如国家标准、地方标准及具体项目的要求可能不同；
（3）不同阶段制定的目标可能不同，如东京CSO控制有明确的近期、中期和远期目标；如美国、日本的控制目标都是并列的、不同角度的几条。美国部分地区和城市CSO控制规划目标与阶段性溢流污染控制效果如表1所示。
表1 美国部分城市CSO控制规划目标一览表
城市 CSO控制目标 CSO控制实施期限对应溢流总量控制率
美国环保署实证途径：水系达到环境标准推测途径：年均溢流次数
不高于4~6 次，或85%溢流总量削减
1994年颁布控制政策 85%
密尔沃基平均溢流次数不高于6次或溢流污染削减率不低于85% 1977-2002年 80%
波特兰冬季不高于4次，夏季3年一遇不溢流 1993-2010年 79%
纽约1972-2011年 72%
西雅图平均未处理的年溢流次数不高于1次 1980-2010年 60%
圣路易斯大都会溢流次数不高于4次 1980-2009年 55% 费城削减80%的合流制80%
北美国家大多采用“溢流频次”方法进行计算调蓄池的容积。美国在20世纪80和90年代开始进行CSO污染的治理工作，经过长期的工程规划实践，认为各城市CSO溢流频次的控制目标在4~6次/年较为合理，能够实现环境效益和经济效益的最优[1~3]。
根据《机场河水环境综合整治--机场河段工程修建规划》，结合项目近远期的可行性，武汉市机场河约21.2km2合流制区域CSO溢流频次确定控制在10次/年，远期进一步提高至5次/年。
2.1 区域代表年降雨选取
对于一个特定的地区，地表特征及排水设施等参数均按照当地现实管线普查结果等进行明确，溢流污水
量则直接取决于降雨量，因此需要选取降雨代表年分析降雨量对溢流污水量的影响[3]。从长系列降雨数据分析，降雨具有一定的规律，如年降雨总量、降雨峰值位置等。因此，通过分析历年实测分钟级降雨资料，选出符合当地降雨实际情况，可反映区域的降雨特性的真实降雨过程，即选取降雨代表年。代表年从1987~2016年中选取。选取的原则参考几方面因素：每一年中60min、120min与1 440min降雨的降雨量、降雨场次、降雨形态分布，以及每一年的降雨场次、降雨总量和雨日统计。根据以上因素加权综合挑选出武汉市的降雨代表年。
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（1）三种雨型根据雨峰位置不同统计降雨场次统计分析三种雨型的雨峰位置分布，得出各种雨型总数，对三种雨型总场次按场次由多到少进行排序，得到各年份排序表。
（2）降雨总场次统计：统计各年份1 440min 间隔的降雨场次总数，计算每年场次总数与多年平均值的差值，对其进行排序，得到各年份排序表。
（3）降雨总量及降雨天数统计：对于每年降雨数据，筛选出日降雨量大于2mm的降雨，统计该年年降雨总量和年降雨日数，求每年平均降雨总量和平均降雨日数与多年的差距，并进行排序。
（4）综上，对上述结果进行权重分析，选出代表年1和代表年2。
其中代表年1和代表年2的降雨场次与时长图见下。
表2 代表年降雨场次特征
代表年降雨场次
场次最大降
雨量mm
场次最大5min
中国十大机场降雨强度mm/hr 代表年1114 118.2
74
代表年2100 92.1 127
图1 代表年1的降雨场次特征
图2代表年2的降雨场次特征
2.2 临界降雨确定
根据典型年的排序计算，确定当年溢流次数
控制在10次左右时，需要控制的降雨量约为24~
28mm左右，结合降雨时长与峰值强度，挑选
（24.4mm，65min）作为临界降雨。工程规模初
算值确定后，先进行单场复核，根据模拟结果对
规模进行调整，直至满足单场复核条件后，进行
年模拟复核，若溢流次数超过10次，则再进行
调整规模，直至满足年溢流次数在10次左右的
目标。
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图3 临界降雨确定
2.3 水量平衡与设施规模总量分析
根据《机场河水环境综合整治--机场河段工程修建规划》，机场河系统规划排水量约63万m 3/d ，考虑到施工降水带来的不确定性，目前汉西污水处理厂的设计能力基本满足旱天的排水要求。雨天时，由于合流制片区的雨污合流，部分雨水进入管网，为了避免污染机场河明渠水体，末端需要转输与处理设施。
根据合流制溢流频次的控制目标，结合典型年降雨排序，基本确定末端设施需控制24~28mm 左右的降雨带来的合流制溢流污水。由于西渠片区即将进行雨污分流改造，因此需计算东渠片区在24~28mm 降雨下带来的溢流量分别将典型年降雨数据输入模型，模拟无设施条件下机场河系统的溢流情况。
根据输出数据，在临界降雨场次下，东渠片区的平均溢流量约26万~33万m 3。
由于常青公园调蓄池可承担10万m 3的合流制污水调蓄，末端需在溢流前处理16万~23万m 3的水量，根据低位截污箱涵的调蓄容积，以及末端调蓄与处理设施的组合，末端需要一定程度的缓冲容积调蓄设
施与快速处理设施相结合的方式共同承担剩余的合流制污水。
因此，就旱天来看，汉西污水处理厂近期没有
必须扩建的需求，但是雨天带来的合流制溢流污染，需在末端处理。根据组合测算，当末端调蓄设施与处理设施的建设规模为10万m 3调蓄池+4m 3/s 时，过流能力基本匹配临界降雨的溢流量。该设施可结
合汉西污水处理厂的扩建一起建设，也可单独
建设。
图4 24.4mm~65min 降雨曲线
2.4 溢流高度控制分析
为控制两条河的明渠入口处不发生溢流，对明渠入口处设置闸门作为控制溢流的约束，并设置溢流高度，当水位超过溢流高度时，说明此时上游管网内水位已触及可能引发大面积内涝的水位，必须及时开闸泄水，防止水安全问题发生。机场河明渠前有两道闸门，黄家大湾闸和东渠闸门。黄家大湾闸旱天保持关闭状态，以确保管网内水位，保证常青污水泵站的正常抽排。中小降雨时黄家大湾闸部分打开，雨水优先进入低位截污箱涵，为保障上游地区不发生内涝问题，东渠闸门前水位为17.6m 时达到临界水位，需开闸泄水。因此，机场河东渠闸门的溢流高度控制在17.6m 。
2.5 低位截污箱涵末端过流能力确定
低位截污箱涵末端的过流能力决定了上游来水是否能在溢流前将水量输送至末端收集并处理。因此，根据末端所需收集水量，对不同规模的过流能力进行模拟。当机场河低位截污箱涵配套过流能力为15m 3/s 时，基本刚好超过临界值，满足不溢流的条件。结合用地与经济条件分析，确定该过流能力值为低
位截污箱涵配套的过流能力。
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141表3 不同过流能力值的溢流效果
方案名称
机场河低位箱涵配套过流能力规模
其它工程
机场河溢流
与否 方案1 15 不溢流 方案2 12
溢流 方案3 13 机场河低位箱涵 4x3m ，上游配套10万方
CSO 调蓄池
溢流
图5 机场河低位箱涵过流能力在15m 3/s 下的明
渠前闸门起端水位变化
2.6 试算规模确定
由于降雨的峰值高度不同、位置不同，仅从总量计算无法满足遏制溢流的条件。在总量计算的基础上，根据模型模拟的结果进一步分解设施规模。首先，根据调洪演算的结果，计算了末端处理设施与调蓄池容积的匹配关系。由于该结果仅考虑了末端流量的分配关系，未考虑上游箱涵容积与达到溢流高度前上游管网的调蓄容积，因此该演算的组合规模偏大，是一个更为保守的安全组合值。后续进行试算规模初始赋值时可进行参考。其次，以降雨时间间隔作为参考，计算调蓄池与末端处理设施的
匹配关系，避免处理设施规模过大，造成浪费。根
据统计，确定典型年降雨间隔为12h 。中途调蓄不仅可以在溢流口上游提前截住雨峰带来的峰值流量，同时在瞬时流量的控制上可达到25~30m 3/s 甚至更高，调峰效果明显。受用地限制，可设置常青公园中途调蓄池容积约10万m 3，进水流量控制在25~30m 3/s 。
调蓄池的调度对水位变化与溢流时间也有着很大影响，根据截污箱涵的起端水位（14.0、14.3、14.5、15.0、15.5、16.0、16.5、16.8）多种方案的模拟比选，可得常青公园调蓄池可大幅延缓水位上升速度，调蓄池灌满后，箱涵起端水位上升上限值约为1.2m 。因此控制调蓄池的进水水位为截污箱涵起端水位16.0m 时较为合适。
在这种情况下，基本确定了临界降雨从开始到溢流的时间与末端设施开始抽排到开始溢流的时间；并赋予末端设施（6万m 3调蓄+2m 3/s ）、（6万m 3调蓄+3m 3/s ）
、（6万m 3调蓄+5m 3/s ）、（8万m 3调蓄+2m 3/s ）
、（8万m 3调蓄+3m 3/s ）、（10万m 3调蓄+2m 3/s ）等的试算值。
2.6 单场复核与年复核
根据试算规模进行组合，模拟（24.4mm~ 65min ）临界降雨的溢流情况。
结果表明：机场河系统的组合规模为（6万m 3调蓄+5m 3/s ）、（10万m 3调蓄+2m 3/s ）时，可满足
单场降雨的不溢流复核；依据上述规模进行组合，选取不同代表年进行年模拟，对规模再次进行复核。结果表明，不同代表年下，年溢流次数均不超过10次。
图6 机场河代表年模拟结果
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