城市排水系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)研究進(jìn)展

朱成曉

1 概況

目前,國內(nèi)在排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及改造中采用推理公式法計(jì)算管道參數(shù),并根據(jù)地形條件、道路狀況、施工條件等因素來確定設(shè)計(jì)與改造的方案,因此,管道設(shè)計(jì)是否合理、方案選擇是否最優(yōu)存在著較大的主觀性和隨意性,這就為管道漫溢的發(fā)生埋下了隱患。而國外在排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì),尤其是大型排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造中,已廣泛采用計(jì)算機(jī)水力模型進(jìn)行輔助[4],并在計(jì)算機(jī)水力模型的基礎(chǔ)上,建立了排水系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)體系,對(duì)未建排水系統(tǒng)進(jìn)行校核計(jì)算,對(duì)已建排水系統(tǒng)進(jìn)行性能診斷,以定量地掌握未建或已建排水系統(tǒng)的水力特性及性能值,并根據(jù)系統(tǒng)水力特性及整體性能合理的優(yōu)化和選擇設(shè)計(jì)、改造方案,以保證設(shè)計(jì)與改造方案的安全性和合理性。因此,排水系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)體系的建立不但可以定量的評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)、改造方案的合理性,而且也為排水系統(tǒng)調(diào)度控制和維護(hù)管理提供了定量的標(biāo)準(zhǔn)。

2 性能評(píng)價(jià)體系(Performance Assessment System)

性能評(píng)價(jià)體系作為一種技術(shù)分析工具已在材料、交通、企業(yè)、建筑等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[5,6],20世紀(jì)80年代以來,許多國家在水工業(yè)中也引進(jìn)了性能評(píng)價(jià),以期提高水廠和污水處理廠的效率和效益[7]。Coulibaly等也對(duì)魁北克的十個(gè)水廠建立了基于水廠的運(yùn)行操作、基礎(chǔ)設(shè)施、維修保養(yǎng)三大方面為性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系[8]。在國內(nèi),性能評(píng)價(jià)也被用于給水管網(wǎng)。伍悅濱等人將給水管網(wǎng)的水力分析、水質(zhì)分析及可靠性分析作為三個(gè)基本評(píng)價(jià)體系,并遵循以水力分析為前提、水質(zhì)分析為補(bǔ)充、可靠性分析為主體的原則,對(duì)給水管網(wǎng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)[9]。而對(duì)城市排水系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià),也需要建立一套完善的性能評(píng)價(jià)體系,確定績效指標(biāo)(Performance Indicator),建立性能函數(shù)(Performance Function),得出排水系統(tǒng)定量的性能值。

排水系統(tǒng)的評(píng)價(jià)過程[10]:確定排水系統(tǒng)主要的性能方面→選定能反映這些性能的參數(shù)或系統(tǒng)特征并建立量化方法→選定一個(gè)模型或監(jiān)測(cè)方案→確定選擇參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和性能曲線→計(jì)算管網(wǎng)單元及整個(gè)管網(wǎng)的值并繪制性能圖表。

2.1 排水系統(tǒng)性能指標(biāo)選定

排水系統(tǒng)的性能本身很難測(cè)定,因此,選用特定的反映排水系統(tǒng)性能的指標(biāo)來測(cè)量排水系統(tǒng)的性能是有效而又簡便的方法。性能指標(biāo)的選定是進(jìn)行城市排水系統(tǒng)評(píng)價(jià)的第一步,好的性能指標(biāo)不但能全面反映排水系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況,而且還有助于職能部門的決策。Kolsky認(rèn)為性能指標(biāo)應(yīng)該滿足三點(diǎn):1)能有效反映排水系統(tǒng)性能;2)便于測(cè)量;3)有助于決策[11]。而且,性能指標(biāo)的確定也不能僅局限于技術(shù)方面,它應(yīng)該能較全面的反映排水系統(tǒng)所涉及的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等方面。因此,性能指標(biāo)應(yīng)該包含以下幾個(gè)方面[12]:1)水力方面,如水位、流速、溢流量、峰值和持續(xù)時(shí)間、雨天和晴天最大流量比;2)環(huán)境方面,如污染物濃度、溢流污染量、腐敗性;3)結(jié)構(gòu)方面,如損壞率、滲漏;4)經(jīng)濟(jì)方面,如維護(hù)費(fèi)用、能耗費(fèi)用等;5)社會(huì)方面,如影響街道交通、公眾投訴、臭味。

性能指標(biāo)在城市排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、管理和操作中起著越來越重要的作用。但是,性能指標(biāo)只是排水系統(tǒng)性能的間接反映,存在著一定的不確定性,因此,在計(jì)算和使用性能指標(biāo)時(shí)要考慮到性能指標(biāo)的偏差[13]。

2.2 性能函數(shù)的建立

排水系統(tǒng)中某根管道的水面性能函數(shù)如圖1所示[12]。

另一個(gè)水力性能指標(biāo)則是流速,對(duì)于分流制生活污水系統(tǒng)來說,過低的流速容易在管道內(nèi)產(chǎn)生沉積,而過快的流速則會(huì)對(duì)關(guān)閉沖刷,損壞管道的結(jié)構(gòu),因此,Cardoso根據(jù)本國的設(shè)計(jì)規(guī)范,建立了如圖2所示的某管道流速性能曲線[10],低于最小流速的情況下,性能值為零;在1.5倍的最小流速和最大流速范圍內(nèi),性能值最優(yōu);而在超過最大流速時(shí),性能值逐漸下降;達(dá)到和超過1.2倍的最大流速時(shí),性能最差,性能值降為零。

其中,IDWF為旱天情況下性能指標(biāo);Te為旱天的持續(xù)時(shí)間,24 h;Td為水面超過預(yù)定值的歷時(shí),h。

式(1)意味著若一天24 h內(nèi),水位沒有超過預(yù)定水位,則IDWF=1,得分最高,假如一天內(nèi)水位都高于預(yù)定值,則IDWF=0,得分最低。

在綜合某一個(gè)性能指標(biāo)時(shí),Cardoso采用建立加權(quán)平均值的歸納函數(shù)的方法,使用kQinL的權(quán)重,其中,Qin為管道的過流能力;L為管道長度;k為風(fēng)險(xiǎn)因子,表示對(duì)該段管道的積水風(fēng)險(xiǎn)的推斷。對(duì)于所有的管段k=1,就表示它們有相同的發(fā)生積水的風(fēng)險(xiǎn)[10]。而對(duì)于將多種性能指標(biāo)綜合歸納時(shí),Geerse等人采用了有序分層的評(píng)價(jià)方法[14]:引進(jìn)了性能指數(shù)(Performance Index)的概念,將系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)分成性能指數(shù)、目標(biāo)、性能指標(biāo)三層,性能指數(shù)建立在目標(biāo)的滿足程度上,如式(2)所示:

Geerse在評(píng)價(jià)鹿特丹市排水系統(tǒng)采用新的中央自動(dòng)控制較之過去局部自動(dòng)控制和人工遠(yuǎn)距控制情況下,排水系統(tǒng)性能改進(jìn)的情況時(shí),采用了另一種性能指標(biāo)計(jì)算方法[14]。比如在計(jì)算要求排水系統(tǒng)水位低于預(yù)定最大值這個(gè)性能指標(biāo)時(shí),采用式(1)所示的指標(biāo)計(jì)算方法:

其中,PI為無因次的性能指數(shù);C為系統(tǒng)所加載的條件(旱天或雨天);n為目標(biāo)數(shù)量;O為目標(biāo);W0為不同目標(biāo)的權(quán)重。而目標(biāo)的滿足與否則可用賦有權(quán)重的系統(tǒng)參數(shù)表達(dá),如式(3)所示:

其中,O為目標(biāo)滿足比率;I為性能指標(biāo);m為性能指標(biāo)個(gè)數(shù);WI為性能指標(biāo)權(quán)重。

這樣,系統(tǒng)的綜合性能指數(shù)就可以通過性能指標(biāo)表達(dá)出來。

2.3 決策支持系統(tǒng)(Decision Support System)

決策支持系統(tǒng)是一個(gè)交互式的計(jì)算機(jī)基本系統(tǒng),是在大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上,利用數(shù)據(jù)庫、模型庫和方法庫以及很好的人機(jī)交互部件和圖形部件,幫助各級(jí)決策者實(shí)現(xiàn)科學(xué)決策的系統(tǒng)[15]。對(duì)排水系統(tǒng)的評(píng)價(jià)最終就是為了對(duì)排水系統(tǒng)改造、調(diào)度、管理提供決策支持,因此,通過對(duì)排水系統(tǒng)和管道的評(píng)價(jià),建立一個(gè)城市排水系統(tǒng)管理的決策系統(tǒng),提高排水系統(tǒng)的效率。意大利在城市水資源研究中心等部門的合作框架下,開發(fā)了用于城市排水系統(tǒng)管理分析的決策支持系統(tǒng)MOMA FD,目的在于數(shù)據(jù)可靠性的分析和城市排水系統(tǒng)技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面的評(píng)價(jià)[16]。

3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi),隨著非開挖管道修復(fù)工程的推廣,相應(yīng)的管道評(píng)價(jià)指標(biāo)逐漸引進(jìn)和建立,但是由于受排水系統(tǒng)資料不全,歷史數(shù)據(jù)缺乏以及分析工具落后等各方面技術(shù)原因,對(duì)城市排水系統(tǒng)的評(píng)價(jià)僅僅局限于以暴雨重現(xiàn)期、設(shè)計(jì)污水量等設(shè)計(jì)參數(shù)來衡量系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況,缺乏標(biāo)準(zhǔn)的,成套的,規(guī)范的評(píng)價(jià)指標(biāo)和體系。隨著城市品位的提升,傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法已不能滿足要求,因此,亟需從以下幾個(gè)方面著手,建立適合中國國情和排水系統(tǒng)規(guī)范的性能評(píng)價(jià)體系:1)在排水系統(tǒng),尤其是大型排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造中,建議使用水力模型對(duì)設(shè)計(jì)方案以及現(xiàn)狀管道系統(tǒng)進(jìn)行模擬和診斷;2)選定并建立適合中國城市排水系統(tǒng)的性能指標(biāo)體系,并對(duì)排水系統(tǒng)水力狀況指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化;3)根據(jù)排水系統(tǒng)規(guī)范以及對(duì)排水系統(tǒng)安全性的要求,因地制宜地制定性能評(píng)價(jià)函數(shù);4)在國外發(fā)展及應(yīng)用的基礎(chǔ)上,建立一個(gè)適合于排水系統(tǒng)整體性能評(píng)價(jià),又適用于局部水力瓶頸的分析的性能評(píng)價(jià)體系。

4 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,環(huán)保意識(shí)的提高,使得對(duì)城市排水系統(tǒng)的要求也進(jìn)一步提高。然而,排水系統(tǒng)作為城市的基礎(chǔ)設(shè)施往往是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),其建設(shè)與完善跨越了十幾年甚至幾十年上百年,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不盡統(tǒng)一,排水體制混淆等因素使得排水系統(tǒng)故障頻出,因此,城市市政排水中便出現(xiàn)了排水系統(tǒng)的老化與排水要求的提高這對(duì)矛盾,而解決這對(duì)矛盾就必須建立性能評(píng)價(jià)體系,科學(xué)地,定量地進(jìn)行排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、管理和改造,以提高排水系統(tǒng)的性能,增強(qiáng)排水系統(tǒng)的安全性,節(jié)約改造和建設(shè)投資費(fèi)用。

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