首都功能核心区，即北京市现在东城区和西城区所辖范围，占地92.5km²，其功能定位是：全国政治中心、文化中心和国际交往中心的核心承载区，是历史文化名城保护的重点地区，是展示国家首都形象的重要窗口地区^[1]。规划定位对核心区水环境治理带来了严峻考验。本研究以龙潭西湖流域雨污合流制溢流（CSO）污染治理为例开展核心区老城CSO污染控制规划研究。

龙潭湖位于核心区西南角位置（如图1），由东、中、西三个相互连通的湖组成，水面总面积约46hm²，现状水质为地表水Ⅴ类。其中龙潭西湖所承接的排水暗沟历史上称为“龙须沟”，龙须沟于1951年由明渠改为暗沟，断面为4 400 mm×2 400mm，流域面积约320hm²，由于该暗沟排水为雨污合流制排水，在排入龙潭西湖之前进行了污水截流改造，流域内旱季污水已经全被截流排入下游高碑店再生水厂处理。但是，现状截污设施能力有限，当发生中大降雨时，该暗沟经常发生雨污合流溢流，会对龙潭西湖乃至龙潭湖水体造成严重污染。

根据《北京市人民政府办公厅关于<推进海绵城市建设的实施意见>》（京政办发[2017]49号）及《东城区实施河湖生态环境管理“河长制”工作方案》等相关文件精神，要求相关单位大力改善公园水质，提升公园生态环境质量，确保龙潭西湖（龙潭湖）水质在2020年底前达到地表水Ⅳ类水质标准要求。为了有效控制雨季CSO溢流对龙潭西湖及与其连通的中湖、东湖造成严重污染，开展龙潭西湖CSO污染控制规划研究是必要的，对核心区CSO污染控制措施摸索具有重要示范作用。

为解决北京龙潭西湖CSO污染问题，拟采用源头LID、雨污分流、截流和调蓄等措施减少污染物排放。规划提标改造龙潭西湖北侧龙潭路的排水管渠，使该流域合流污水最终排除出路改为下游南护城河，不再排入龙潭西湖。同时，为了确保南护城河水质达标，需要在龙潭西湖底修建调蓄水池，调蓄容积应根据南护城河流域水环境容量及该流域污染物减排量确定。其中，龙潭西湖流域现状污染物排放量和规划减排量均需通过构建排水系统水力和水质数学模型进行模拟演算。

数学模型在城市排水系统中的应用主要分为两方面：一是水力模型，用数学关系式表达管网水流的能量守恒和连续性等；另一是水质模型，用数学关系表达管网水质物理、化学、生物等变化规律^[2]。本研究拟通过构建龙潭西湖流域排水系统水力和水质模型，分析现状CSO污染状况和辅助编制规划方案。

龙潭西湖流域排水系统主要包括800 mm×（1 000～4 400)mm×2 400mm的合流排水暗涵及近年已经实施的分流制雨水和污水管道，下游现状接入龙潭西湖。汇水区内平均日污水量约1.34万m³/d，污水截流能力约0.46m³/s。

本研究采用InfoWorks ICM软件构建了龙潭西湖流域的合流、雨水及污水管网水力模型^[3]。模型参数包括平均日用水定额、污水量变化系数、管道粗糙系数、雨水径流系数等，参数初值取自《城镇内涝防治系统数学模型应用技术规程》（T/CECS647-2019），并开展了实际监测和参数率定。

在水力模型排水流量计算基础上，再结合北京老城地区雨水、污水、合流污水水质随降雨的实际监测数据（包括变化规律分析），就可以模拟计算排放口CSO溢流污染物总量。

对于合流制排水系统，降雨产生地表径流汇集到合流管网，流域内污水也排入到合流管网，一部分雨污合流水经沿河污水管道截流排入再生水厂，一部分雨污合流水截流进入调蓄设施调蓄后排入再生水厂，剩余雨污合流水溢流排入河道，流域雨污水产汇流过程如图2所示。

对于合流制排水系统，当流域雨污水总汇流量小于或等于沿河污水管道截流能力时，该时刻流域总汇流量全部被沿河污水管道截入再生水厂处理；当流域雨污水总汇流量大于沿河污水管道截流能力时，该时刻超出沿河污水管道截流能力的汇流量被末端调蓄设施进水管道截入调蓄设施，下游排入再生水厂处理，若该时刻超出沿河污水管道截流能力的汇流量小于或等于末端调蓄设施进水管道能力时，该超出部分汇流量全部被截流至调蓄设施，否则，该时刻超出末端调蓄设施进水管道能力部分的汇流量溢流排入河道。合流制排水系统排放和调蓄水量计算过程如图3所示。

利用水力模型计算出合流制溢流口单场降雨每个时刻的流量，分别乘以污染物浓度得出各时刻CSO污染物的质量，再累计单场降雨溢流污染物的总量，其中COD、氨氮及总磷的溢流污染物总量分别可按如式（1）～式（3）计算：

在典型年降雨条件下，按照上述公式分别计算COD、氨氮及总磷每场雨的溢流污染物总量，再将每月各场雨溢流污染物累加得出各月总量，全年各场雨溢流污染物累加得出全年总量。

(1）污染物浓度值。根据近年来北京城市排水集团有限责任公司委托专业单位对首都功能核心区老城合流制排水系统、雨水系统及污水系统的相关水质监测数据，并参照《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》（GB 50400-2016）等文献资料，初步确定北京老城地区降雨期间雨污合流水、雨水以及污水的COD、氨氮及总磷平均浓度值，如表1所示。

(2）典型年设计降雨。根据北京市气象中心对北京市中心城1961-2016年期间的降雨资料分析结果，确定采用2008年乐家花园雨量站监测的以5min为间隔的24h实际降雨数据作为典型年设计降雨。该典型年2mm以上降雨共有38场，总降雨量为591.7 mm，其中小雨24场，降雨量129.8mm；中雨6场，降雨量为89.7mm；大雨6场，降雨量为254.2mm；暴雨2场，降雨量为118.0mm，全年降雨分布及降雨过程如图4所示。

根据水力及水质模型模拟计算，典型年降雨条件下，现状龙潭西湖流域合流制系统在全年38场降雨中共发生了28次溢流，如图5所示。经计算，全年溢流COD总量约258.3t，氨氮总量约7.3t，总磷总量约1.52t，详见表2所示。尤其在4-9月，由于污水溢流污染，造成龙潭西湖水态环境恶化。

为了彻底解决龙潭西湖CSO污染问题，规划对龙潭西湖北侧龙潭路排水管渠进行分流改造。通过建设完善污水管道系统，并翻建原有2 400 mm×2 200mm合流管渠为5 000mm×2 500mm雨水管渠，将现状该流域部分雨污合流水截流排入污水管道。超出污水管道截流能力的合流污水通过龙潭路雨水管道排入南护城河，不再排入龙潭西湖。然而，该流域CSO污染仍会对南护城河造成影响，必需进行控制。

经文献调研，老城合流制排水地区CSO染污控制的主要措施包括源头控污、雨污分流、截流和调蓄。

源头控污，即在建设小区和道路按照“渗、滞、蓄、净、用、排”的海绵城市理念，因地制宜建设下凹绿地、透水铺装、雨水花坛、绿化屋顶等低影响开发（LID）设施，以实现对面源污染的有效控制。由于该地区属于老城，现状空间比较紧张，这类设施实施具有较长周期。

雨污分流改造是指对原有雨污合流管道进行分流改造。原则上市政主干道路、次干道路、支路、6m及以上胡同应按照雨污分流制建设或改造排水管道^[4]。当前，老城地区道路下市政管线错综复杂，加上交通繁忙，实现雨污分流系统改造难度较大，这类措施只能随道路大修进行，系统实施也具有较长周期。

近期围绕减排目标，有条件实施的措施只有污水截流和调蓄。可以在排水流域的中游或末端，利用区域内公园绿地、体育场馆、文化广场、停车场等场所建设污水截流和调蓄设施，能够削减部分污染物排入河道。截流和调蓄的污水可以就地分散处理，就地回用，或者在雨停间歇，错峰排入污水管道和污水处理厂进行处理。

首先，根据市环保局对南护城河末段东便门考核断面（考核指标为COD、氨氮及总磷）的要求，即全年水质监测均值达到地表水Ⅳ类水平（另外，为严格控制，增加月均值达标率至少90%，即全年仅允许主汛期1个月均值不达标的要求），并结合南护城河上游来水流量和水质等边界条件，可以推算出南护城河全部河段的水环境容量（略）。然后，按各流域污染程度贡献进行分配，计算得到龙潭西湖流域的水环境容量，如表2所示。与现状污染物排放量相比，欲达到上述控制目标，该流域需要全年平均减排85%（以COD计）污染物。

为控制龙潭西湖流域CSO污染，研究提出两个规划方案。方案一是远期规划方案，考虑未来在源头控污和雨污分流改造等工程实施基础上，再利用截流和调蓄设施削减污染物排放；方案二是近期规划方案，考虑近期源头控污和分流改造工程难以实施情况下，为满足上述控制目标，拟主要依靠污水截流和调蓄设施来实现CSO污染控制。结合城市用地规划，调蓄设施位置确定在龙潭西湖底部。以下在典型年降雨条件下（如图5所示），基于数学模型对二个规划方案进行辅助计算和评估分析。

方案1边界条件为：远期按《雨水控制与利用工程设计规范》（DB 11/685-2013）的要求建设源头低影响开发（LID）设施，对建筑小区及市政道路进行雨污分流改造。经反复模拟计算，为满足该流域水环境容量要求，方案1需要在龙潭西湖底部新建3.4万m³调蓄设施，全年调蓄总水量约42万m³（如图6),COD、氨氮、总磷减排总量分别为238.3t、6.4t和1.4t，减排率分别为92.3%、88.0%和92.5%，月均达标率超过90%，详见表3所示。

方案2边界条件为：现状建设小区和道路下垫面及现状排水系统。经反复模拟计算，为满足该流域水环境容量要求，方案2需要在龙潭西湖底部新建6.2万m³调蓄设施，全年调蓄总水量约73万m³（如图7),COD、氨氮、总磷减排总量分别为224.9t、6.7t和1.37t，减排率分别为87.1%、91.5%和89.9%，月均达标率超过90%，详见表4所示。

将两个方案模拟结果进行对比分析。方案1的源头控污、雨污分流改造、截流和调蓄工程具有较高的CSO污染控制率，较方案2可以大幅度减小调蓄设施规模，节省工程投资；方案2较方案1的优势是可操作性强，对交通和居民生活影响较小，建设周期短，见效快。经市水务、规划和区市容管委等部门协商，根据老城区现状胡同平房区和道路拥挤情况以及其他基础设施（如电力沟和地铁等）错综复杂的敷设状况，认为方案1实施需要较长时间周期。近期为满足河道断面考核要求，拟采用方案2，即新建6.2万m³龙潭西湖调蓄水池，主要通过截流和调蓄方式控制雨季CSO污染，以达到水体环境容量控制要求。截流调蓄的污水一部分就地处理回用于龙潭西湖，一部分错峰排入北侧龙潭路污水管道，再排至下游高碑店再生水厂进行达标处理。

本研究针对龙潭西湖流域CSO污染问题，构建了排水系统的水力模型和水质模型，并辅助开展现状评估、规划研究和方案编制工作。

(1）基于数学模型，模拟分析了龙潭西湖流域CSO污染物排放现状情况，根据下游南护城河水环境容量要求，确定龙潭西湖流域污染物减排目标，要求全年污染物减排约85%（以COD计）。

(2）基于数学模型，对远期和近期规划方案进行模拟。模拟结果显示，以源头控污和雨污分流改造为主的工程方案具有较高的CSO污染控制率，可以大幅度减小截流和调蓄设施规模，但根据老城区现状条件判断，这些工程项目落地实施需要相当长的时间周期。近期为满足河道断面考核要求，拟通过增大调蓄容积来控制CSO污染。