武汉市机场河末端大型CSO_调蓄池的工艺设计

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/ki.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
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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2.7 低位截污箱涵出流方式选择
低位截污箱涵的出流方式有两种选择，一种为利用提升泵站抽排入调蓄池，一种为重力流自流进入调蓄池，并随着调蓄池内的水位上升最终变为淹没出流方式进入调蓄池。

两种方式在技术上均可满足15m3/s的过流能力，从经济角度比选，二者成本造价相差不大，而自流方式的调蓄池进水水力条件相对较优，且无需后期运营维护。

因此，推荐采用自流方式进入调蓄池。

2.8 综合确定设施规模
根据模型的复核结果，不同的组合规模均可达到溢流次数的要求。

因此，在设施设计方面，需根据用地的平面布局与造价估算进行比较。

当机场河系统的末端设施组合规模为10万m3调蓄池+2m3/s 的处理设施时，工程量与造价投资最优。

另外，由于汉西污水处理厂已满负荷运转，常青公园调蓄池的部分出水近期无法由汉西污水处理厂承接处理，因此在末端CSO处理设施处增大2m3/s的规模，确保常青公园调蓄池里10万m3的水可以尽快由末端CSO处理设施处理并排出。

因此，机场河CSO调蓄及强化处理设施的最终规模为10万m3+4m3/s，低位截污箱涵采用自流方式进入调蓄池。

并在调蓄池末端预留了2m3/s的提升能力，待远期隔壁汉西污水厂扩建后有富余处理能力时，将调蓄池的合理制溢流污水直接输送污水处理厂处理后达标排放。

3 CSO调蓄池工艺设计
3.1 调蓄池的平面及竖向设计
调蓄池1座分2格，与粗格栅、提升泵房等合建。

调蓄池（含粗格栅、提升泵房等）总平面尺寸157.4×103.4m，高度9.0m，有效水深7.0m，全地下式钢砼结构。

3.1.1 粗格栅
功能：拦截污水中较大悬浮物，确保水泵正常运行。

设计流量：Q=15m3/s
设计过栅流速：v=0.80m/s
栅条间隙：b=20mm
栅前水深：h=3.3m
安装角度：75°
主要工程内容：
粗格栅间1座，与调蓄池合建，设钢丝绳牵引格栅除污机4台，每台格栅渠道宽2.0m，栅条间隙：20mm，栅条宽10mm，配用电机功率2.2kW。

设皮带输送机1台，配套电机功率4 kW。

每台粗格栅前后各设1台B×H=1800×1800mm闸门用作检修和切换闸门。

运行方式：
根据格栅前后水位差或按时间周期自动控制清渣，也可机旁手动控制清渣。

3.1.2 调蓄池
功能：径流污染控制。

调蓄容积：10万m3
调蓄水深：H=7m
主要工程内容：
调蓄池1座分2格，与粗格栅、提升泵房等合建。

单格设17个廊道，单个廊道净宽5.3m，每个廊道设门式冲洗系统1套；另外设置2套智能喷射器。

运行方式:
根据上游低位箱涵及提升泵房的水位计自动控制。

3.1.3 提升泵房
功能：将污水提升进入处理构筑物。

设计流量：Q=4m3/s+2m3/s（预留）
主要工程内容：
进水泵房1座，与粗格栅间、调蓄池等合建。

集水池内设潜水排污泵泵位6个，本次设潜污泵4台，变频，Q=3 600m3/h，H=16~23m，Pe= 355kW。

每台水泵后设有静音止回阀及电动蝶阀各一台，用于水泵切换与检修。

运行方式:
水泵的开、停根据泵井内水位计自动控制。

3.2 调蓄池的冲洗系统设计
合流制污水径流中携带了地面和管道沉积的污物杂质，调蓄池在使用后底部不可避免地滞留有沉积杂物、泥沙淤积，如果不及时进行清理，沉积物积聚过多将使调蓄池无法发挥其功效。

因此，在设计调蓄池时必须考虑对底部沉积物的有效冲洗和清除。

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调蓄池的冲洗方式有多种，如人工清洗、水力冲洗反斗、潜水搅拌器、门式冲洗、智能喷射器冲洗、真空冲洗等，目前使用较多是真空冲洗系统、门式冲洗系统、智能喷射器冲洗系统等[4]。

不同冲洗的形式影响调蓄池的外形与布置，同时应保证后期维护管理的方便，而调蓄池的布置需结合调蓄池用地及实际情况择优选择。

本工程调蓄池平面布置形状规则，为矩形布置，综合考虑运行及维护，本设计主要采用冲洗水头较低，安全可靠，维护管理简单，冲洗效果好，使用更为广泛的门式冲洗系统。

调蓄池共设34个廊道，单个廊道净宽5.3m，每个廊道设门式冲洗系统1套，单台门宽度：4 000mm，高：400mm，P=0.75 kW,电-液压驱动；另外设置4套智能喷射器, 单台喷射半径26m，最大喷射角度270°，Pe=22 kW。

3.3 调蓄池的除臭设计
CSO调蓄池由于池容较大，溢流污水停留时间较长，运行过程中容易产生臭气，必须对臭气进行处理。

经处理净化后的尾气需符合GB14554-93《恶臭污染物排放标准》或 GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中厂界标准值中二级排放标准，最后以扩散气流的形式排入大气中。

表4 污水厂厂界（防护带边缘）废气排放最高允许浓度控制项目氨H2S甲烷臭气浓度（无量纲）控制值（mg/m3） 15 0.06 1 20
（其中甲烷控制值为厂区最高体积分数，%）
离子法具有处理效果启动速度快、相对稳定、运行费用低等优点，根据现场条件及调蓄池除臭系统间歇使用的特点[5]，本工程采用离子除臭工艺。

根据《城镇雨水调蓄工程技术规范》（GB51174- 2017）规定：当采用封闭的调蓄池时，应设置除臭设施；除臭风量按调蓄池容积1~2倍/小时考虑。

地下10万m3调蓄池的总处理臭气风量按20万m3/h设计，选用4套Q=58 000m3/h Pe=46 kW离子除臭设备，包括新鲜空气过滤段、氧离子发生段、废气集中处理箱段、离心风机，以及系统内配套风管、阀门等的制作、指导安装与调试。

3.4 调蓄池的通风设计
根据《城镇雨水调蓄工程技术规范》（GB51174- 2017）规定：当采用封闭的调蓄池时，应设置送排风设施及除臭设施；本次设计通风换气次数取4次/h。

对于调蓄池设备间、控制室，为了及时排除房间电气设备工作的热量，需在房间内设强制通风，通风能力为：通风量6次/h。

调蓄池通风分毒害气体报警通风工况、巡视检修通风工况两种工况。

（1）毒害气体报警通风工况
为保持进出水期间池内气压平衡，保障进出水通畅和有毒有害气体的有组织排放，设置池内硫化氢、甲烷等有毒有害气体检测装置。

根据检测浓度控制由控制中心自动开启调蓄池内的排风机（低速运转）和除臭排风风机，稀释池内毒害气体。

（2）巡视检修通风工况
工作人员巡视、检修前，需提前半个小时开启调蓄池内的排风机和除臭排风机通风，当池内含氧量>20%，毒害气体浓度低于规范要求时，继续通风5~10min，人员方可进入，在人员巡视检修过程中，调蓄池内的排风机、除臭风机需一直保持开启状态。

本工程CSO调蓄池采用自然进风，机械排风，设置4处8575×2575新风井，1处1500×1500新风井，设置5台排风机如下：
调蓄池排风风机共4台，2大2小。

大风机：风量159 750m3/h，风压1 410Pa，功率90kW，落地装；小风机：风量134 160m3/h，风压1 450Pa，功率75kW，落地装。

调蓄池设备间排风风机共1台，风机风量45 972m3/h，风压488Pa，功率7.5kW，吊装。

4 工艺设计特点
机场河末端CSO调蓄池规模较大，布置在整个排水系统的末端，与强化处理设施联动运行，其工程设计具有以下特点：
（1）CSO调蓄池采用分格设计，1座调蓄池分成2格，既可以实现进配水均匀，也可以根据下雨的强度和延续时间，来确定CSO调蓄池单格独立运行或联合运行，从而有效应对下雨量的不同工况，确保CSO调蓄池有效和经济地运行。

（2）CSO调蓄池在每个门式冲洗廊道的存水室增设了1套DN80的补水管道系统，解决了门式
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冲洗只能1次冲洗的缺点，在门式冲洗系统以调蓄池溢流污水1次冲洗未冲洗干净时，利用中水或自来水的补水可对廊道进行多次冲洗，直到完全冲洗干净。

（3）CSO调蓄池采用的是全地下式结构，池顶覆土5.50m，重力式进水，格栅、闸门、水泵、风机、冲洗等设备全部安装在地下，封闭运行，可以最大限度地减少对南侧居民社区的邻避效益。

（4）CSO调蓄池结构紧凑，用地集约。

调蓄池配套的通风、除臭设备间均设在调蓄池顶板与地面覆土之间的夹层中，即调蓄池顶板以上至地面线以下空间范围内，减少了对地上面积的占用。

另外，调蓄池覆土上，北部区域上建设了综合办公楼和变配电间，南部区域上建设了口袋公园，美化了厂区的环境和减少了工业建筑的痕迹。

5 结语
目前，机场河CSO调蓄池已进入安装调试阶段，待达产运行后，预测每年排入机场河的COD cr 污染负荷减少225t，机场河的水体环境质量将得到进一步改善!为保障实现调蓄池的工程效益，必须加强相应的管理措施。

不仅要对CSO系统进行科学合理的运行调度，此外还需对调蓄池进行日常维护管理，只有将工程措施和管理措施相融合,同时加强对污染源头的管控，才能完全发挥工程效益，真正改善机场河的水生态环境。

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