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合流制溢流调蓄与处理设施规模设计方法及案例发布日期:2019-11-27

我国合流制溢流(CSO)污染控制技术体系构建的系统性尚不足,溢流频次、体积与污染物控制标准以及基于设计暴雨、模型连续模拟等方法的设施规模设计方法缺失。结合案例,基于SWMM模型连续模拟数据,在划分CSO事件的基础上,采用统计分析的方法,获取溢流体积、溢流峰值流量与对应重现期关系曲线,分析CSO调蓄池和CSO处理站/厂的设计规模,可为我国CSO控制设施的设计提供参考。


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存在的主要问题

1.1 技术措施

随着海绵城市建设的科学推进和相关研究的不断深入,我国对CSO污染控制技术体系的梳理和认识逐渐清晰,然而,我国CSO污染控制的系统性工程实践极为不足。CSO控制技术措施主要包括源头减排(绿色基础设施等)、截流干管和污水处理厂提标改造、CSO调蓄、CSO处理以及非工程措施(如实时控制、管网运维调度)等,主要技术路线与标准如图1、图2所示。



1.2 控制标准

我国现行标准规范中未有明确的以溢流频次、溢流体积、溢流污染物控制为直接效果导向的控制标准,难以适应我国目前黑臭水体整治或水环境质量提升的迫切要求。


在美国,以水环境质量为目标,依托从国家到各州的法规、NPDES许可制度以及CSO长期控制规划,一般以年均溢流频次、年均溢流体积控制率作为CSO调蓄系统的控制标准,以年均TSS、BOD5总量或浓度去除率、粪大肠杆菌等污染物指标的浓度排放限值作为CSO处理系统的控制标准。


实践中,调蓄和处理往往作为CSO控制系统的2个子系统或2个工艺单元,如污水处理厂、CSO处理站/厂与调蓄池/隧道系统联合运行,污水处理厂、CSO处理站/厂在处理单元前设置调蓄单元以提高其整体处理能力,因此,CSO污染控制系统可同时包含频次、体积、水质多个控制标准。


1.3 设计方法

由于技术措施不完善、基于直接效果导向的控制标准缺失,CSO调蓄池设计进水流量与池容,CSO处理站/厂设计处理流量的确定方法等也相应缺乏。在我国《室外排水设计规范》(GB 50014—2006,2016年版)与《城镇雨水调蓄工程技术规范》(GB 51174—2017)中,提出CSO调蓄设施的规模基于截流倍数进行计算,但与CSO控制效果、污水处理厂的处理能力的关系交代不清。


在美国,已有比较成熟的基于设计暴雨和模型连续模拟方法的CSO控制设施规模设计实践,考虑设计暴雨法无法考虑连续降雨等因素对控制效果的影响,近些年,一些州多用监测与模型连续模拟相结合的方法对CSO控制设施的规模进行设计。


针对上述我国CSO控制系统规划设计方面存在的问题和不足,本文重点对CSO调蓄池与CSO处理站/厂的规模设计的一种方法进行阐述。


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模型模拟法设计

2.1 方法概述

对采用模型连续模拟得到的溢流排水口多年溢流体积和峰值流量数据进行统计分析,建立溢流体积、峰值流量与对应重现期的关系曲线,从而得到达到某年均溢流频次(如1年不超过3次)等控制标准的CSO调蓄池池容和设计进水流量,或得到CSO处理站/厂的设计处理流量。


该方法尤其适用于监测数据不足,无法支撑进行多年年均溢流频次、溢流体积分析的情况,在我国CSO污染控制工程规划设计工作起步较晚,监测数据严重不足的现实条件下,该方法具有一定的优越性。


建立溢流体积、峰值流量与对应重现期的关系曲线,即得到基于统计的,不同溢流体积、峰值流量值的CSO事件可能出现一次的平均间隔时间。如模拟得到现状条件下,某合流制系统溢流体积超过4 000 m3的CSO事件的重现期为0.25年,说明溢流体积大于4 000 m3的CSO事件平均1年约发生4次,同时也可得知,若将CSO调蓄池的规模设计为4 000 m3,可实现该区域年均溢流频次不超过4次。


2.2 数据需求

该方法基于模型连续模拟,模型应具有地面产汇流、管道汇流、源头减排设施模拟功能。模型建模应具有源头减排设施参数、管网拓扑、截流干管和污水处理厂旱天与雨天运行工况、下垫面、地形、一般至少近10年的步长1 min或5min的连续降雨等数据。


此外,有条件的项目还需要通过一定数量的监测数据对模型进行参数率定与验证。可在与相关排水分区相关联的合流制溢流排水口及关键的管网节点设置流量计,进行连续自动监测,获取至少1年的管网“时间-流量”序列监测数据,并筛选不少于4场有显著意义的CSO事件(如至少包含1场0.33年一遇的降雨等)进行模型参数率定与验证。


CSO调蓄设施建成运行期,可通过至少1年的监测数据重新对模型进行参数率定和验证后,校核CSO控制达标情况。


2.3 CSO事件划分


合理划分合流制溢流事件(CSO Event)是确定CSO频次控制标准与设施规模的基础。CSO事件的划分有多种方式,对于面积较小、CSO发生频次较少的合流制区域,可将特定时间(如24 h)内发生的一次或多次溢流作为一次CSO事件。对于尺度较大较复杂、CSO排水口和CSO频次较多的合流制排水系统,可基于独立降雨事件的划分确定CSO事件,或基于合流制排水管渠系统的溢流特征并结合独立降雨事件的划分确定CSO事件等,具体分析如下。


2.3.1 基于独立降雨事件的划分确定CSO事件

对于一场降雨的实际降雨过程,合流制溢流排水口的溢流过程往往是间断的,该间断的溢流可认为是由该场降雨产生的一次CSO事件,而如何区分1年或多年长历时连续降雨条件下产生的CSO事件,需确定用来区分两场独立CSO事件的最小间隔时间(MIET)。


独立CSO事件的MIET的确定可按照一场降雨事件最多产生一次CSO事件的原则,参考独立降雨事件的MIET确定,而独立降雨事件的MIET可按如下方法确定:按照该MIET划分得到的系列降雨事件,实际降雨间隔时间的变异系数(标准偏差与平均值的比值)CV≈1。


以北京市近30年(1987~2016年)逐小时降雨数据为例,以降雨量为0 mm的降雨持续时间超过t=i(h)(i=1,2,3…,N)为标准进行场雨划分,得到N组系列场降雨事件,扣除降雨量小于等于2 mm的场降雨事件后,分别计算各组系列场降雨事件实际降雨间隔时间的变异系数CV,按照降雨间隔时间的CV≈1确定独立降雨事件的MIET=13 h(CV=1001),即对于北京,可根据间隔时间>13 h划分CSO事件。


2.3.2 基于合流制排水管渠系统的溢流特征确定CSO事件

合流制排水管渠系统的溢流特征受降雨特征、汇水区域大小、用地情况、截流干管和污水处理厂运行工况等条件影响,较为复杂。实际运行中,CSO结束的时间会滞后于降雨,降雨强度峰值前后、峰值之间往往不发生CSO,导致经常出现溢流的间断时间长于降雨事件间隔时间的情况,此时,按照一场降雨最多产生一次CSO事件的原则,用于划分CSO事件的MIET取值会大于用于划分降雨事件的MIET,具体取值大小应根据不同项目条件做具体分析,也可根据大量工程建设及运行经验统一确定适用于本地区CSO事件划分的MIET,如美国华盛顿州的CSO事件的MIET取值为24 h(大于降雨事件的MIET=18 h)。从CSO控制系统的协调运行角度考虑,CSO事件的MIET确定还与CSO调蓄设施的排空时间、处理设施的处理能力等相关。综上,基于模型模拟的CSO调蓄与处理设施规模设计流程如图3所示。


3案例分析

3.1 区域概况与模型建立

选择北京市某个面积为47.2 hm2合流制区域,区域不透水面积率为53.4%,污水主要为生活污水和工商废水,区域污水设计流量为172.8 L/s,截流干管截流倍数为2。通过资料分析,共划分排水分区32个、合流管线80条、检查井节点79个、排水口2个,截流井1个,用于SWMM模型建模。


3.2 建立溢流体积与对应重现期关系曲线

搭建该区域SWMM模型,采用30年(1987~2016年)逐分钟降雨数据进行连续模拟,得到连续溢流流量数据,暂且按MIET=13 h划分CSO事件。


CSO事件划分后的统计结果如图4、图5所示。年均溢流频次为9.4次,其中最大年份为2008年,溢流16次;最小年份为1999年,溢流1次。年均溢流体积为1.45万m3,最大溢流体积为3.64万m3,出现于2016年,6~8月份溢流频次占年均溢流频次的比例为83%。

按照溢流体积从大到小将CSO事件进行降序排列,并选取前N场最大CSO事件,N=βm,其中,β为每年选取CSO事件的个数,按年多个样法,本案例β取值为4,m为模拟年数30年。每场CSO事件溢流体积对应的重现期T=(m+1-2α)/(i-α)[9],其中i为CSO事件按溢流体积从大到小排列的序号,α为权重因子,取04,计算结果如表1所示,其中,重现期T也可根据式T=(mβ+1)/iβ计算。

根据表1,建立溢流体积与对应重现期关系曲线,如图6所示,1次/年、2次/年、3次/年、4次/年的年均溢流频次控制标准对应的溢流体积分别为0.46万m3、0.21万m3、0.11万m3、0.07万m3。若将其初步作为相应年均溢流频次控制标准下的CSO调蓄池设计池容,经校核,对应的年均溢流体积控制率可分别达到77%、53%、37%、27%。



3.3 建立溢流峰值流量与对应重现期关系曲线

参照上述方法,可得到溢流峰值流量与对应重现期关系曲线如图7所示,1次/年、2次/年、3次/年、4次/年对应的溢流峰值流量分别为1.74 m3/s、1.05 m3/s、0.83 m3/s、0.60 m3/s,可用于CSO调蓄池设计进水流量(可据此进一步确定进水管管径)和CSO处理站/厂的设计最大处理流量的设计。

4结语

我国CSO污染控制设施的规划设计仍存在较大短板,应尽快修订相关标准规范,明确基于溢流量和溢流污染控制目标的CSO污染控制标准,给出设施规模设计方法。各地应尽快着手开展本底CSO污染情况的监测,加强合流制管网运行情况的普查,为后续CSO控制规划设计、模拟分析提供有效的基础数据保障。


原文标题:基于模型模拟的合流制溢流调蓄与处理设施规模设计方法探讨;作者:王文亮,王二松,贾楠,李俊奇,车伍;作者单位:北京建筑大学;刊登在《给水排水》2018年第10期。