水力模型在城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)改造中的應用

趙 見，周玉文，李文濤,李 偉，劉子龍

(1．北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124；2．廣州市市政工程設計研究院，廣東廣州 510060；3．河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050018)

水力模型在城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)改造中的應用

趙 見1，周玉文1，李文濤2,李 偉3，劉子龍1

(1．北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124；2．廣州市市政工程設計研究院，廣東廣州 510060；3．河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050018)

利用InfoWorks ICM軟件建立污水系統(tǒng)水力模型，對污水管網(wǎng)運行狀況進行仿真模擬，在模型計算值與實測數(shù)據(jù)對比滿足校核精度要求的前提下，利用水力模型對改造方案進行驗證，保證方案的可行性和合理性。以廣州市大坦沙污水系統(tǒng)-石井污水系統(tǒng)調水工程為研究對象，應用水力模型對改造方案實施前后的主干管運行超載狀況、污水溢流狀況和污水廠運行負荷進行評估分析，為該區(qū)域污水系統(tǒng)改造方案的可行性分析提供理論依據(jù)。

InfoWorks ICM；水力模型；模型校核；污水管網(wǎng)改造

隨著計算機技術的發(fā)展，水力模型軟件得到了廣泛的應用[1]。水力模擬技術是基于一系列水文學、水力學基本原理，以計算機為手段實現(xiàn)降雨、產(chǎn)流、匯流和洼蓄積水等實際物理過程的仿真模擬。排水仿真模擬系統(tǒng)平臺集成了地理信息系統(tǒng)技術和水力模型技術，將管網(wǎng)物理屬性數(shù)據(jù)、地理信息系統(tǒng)(GIS)與圣維南方程組、曼寧公式等一系列相關聯(lián)的水文學、水力學的理論公式抽象出的一整套數(shù)學模型，包含節(jié)點入流模型和管網(wǎng)轉輸模型等[2-6]。各模塊之間有機結合，是一個時間序列函數(shù)組合，可以延時仿真模擬污水管網(wǎng)中真實準確的水流狀況[7-8]。

計算機模擬技術結合監(jiān)測數(shù)據(jù)預測排水系統(tǒng)旱天及雨天運行狀況，根據(jù)管網(wǎng)中的過流能力以及水流狀況來評估設計方案的可行性，從而避免設計方案達不到預期效果而造成的損失，提高工程建設的經(jīng)濟效益。同時，利用排水管網(wǎng)計算機水力模型輔助城市排水系統(tǒng)的設計、改造和管理，可以有效提升一個城市市政基礎設施建設和管理的服務水平[9]。模型的輔助不但有利于改善系統(tǒng)運行狀況，提高排水系統(tǒng)管理的效率，還為排水安全提供保障。

本文以大坦沙污水系統(tǒng)-石井污水系統(tǒng)調水工程為例，應用InfoWorks ICM水力模型技術，以管網(wǎng)的水力運行狀況作為評判依據(jù)，對改造方案進行評估，分析該方案實施后所發(fā)揮的效用，為該方案的可行性提供理論依據(jù)。

1 項目背景

2010年廣州亞運會后，因為大坦沙污水處理系統(tǒng)下游管網(wǎng)過流能力不足，污水在管網(wǎng)中無法得到有效排放等原因，污水開始在石井河及其支涌溢流，河涌又開始發(fā)黑、發(fā)臭，污濁的水質嚴重影響了兩岸人民的生活環(huán)境、生活質量。大坦沙污水處理系統(tǒng)內(nèi)規(guī)劃建設的同德圍污水處理廠，是用來解決系統(tǒng)北部污水處理問題的。但建設工作受征地拆遷等因素影響，在未來幾年才能建成。石井污水處理系統(tǒng)隨著收集管道的完善，廠內(nèi)污水量日漸增加，但按照計劃，到2013年，系統(tǒng)內(nèi)能收到的污水約為10萬m3/d，仍有約5萬m3/d的富余能力。

綜上所述：1)大坦沙系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)狀污水量大于污水處理廠處理能力；2)大坦沙系統(tǒng)污水管網(wǎng)運行于高水位，旱天污水溢流；3)石井污水處理廠工程效益未充分發(fā)揮。為盡快解決大坦沙污水處理系統(tǒng)內(nèi)過量的污水造成的環(huán)境污染問題，擬建設本工程，考慮暫時將系統(tǒng)內(nèi)的污水在滿足大坦沙污水處理廠滿負荷運行的情況下，將剩余污水調至石井污水處理廠，可在最短時間內(nèi)解決大坦沙污水處理系統(tǒng)內(nèi)的污染問題，改善環(huán)境質量。

工程新建DN1000管道，通過9號泵站用壓力流管將污水調至石井系統(tǒng)，壓力管自9號泵站出發(fā)沿石井河、均禾涌東側堤岸、穿越京廣鐵路、白云湖東側綠化帶和現(xiàn)狀路敷設，接入華南北路DN2600石井廠進廠主干管。整個設計方案的管道布局如圖1所示。

圖1 改造方案管道布置平面圖Fig.1 Piping layout plan of transformation program

2 模型構建

2.1InfoWorksICM模型

InfoWorks ICM采用帶有圖形分析功能的關聯(lián)數(shù)據(jù)庫，集成了資產(chǎn)規(guī)劃管理功能，提供了一個可以細致、精確模擬雨水、污水收集系統(tǒng)的統(tǒng)一的工作環(huán)境。利用時間序列模擬引擎，規(guī)劃人員和工程師可以針對排水系統(tǒng)或其相關的污水系統(tǒng)的關鍵要素作出快速、精確、穩(wěn)定的模擬，預測系統(tǒng)的工作狀態(tài)或降雨后對環(huán)境造成的影響；另外，InfoWorks ICM 軟件可以完整地模擬排水管道各種復雜連接及復雜的排水構筑物設施等[10-12]。

2.2模型基礎數(shù)據(jù)的收集和錄入

通過2006年廣州市一期水污染源調查項目、查漏補缺項目以及水利普查項目，為建模區(qū)域管網(wǎng)系統(tǒng)結構、連接性提供最新數(shù)據(jù)，同時也為系統(tǒng)污染源入流分析提供基礎，把這些數(shù)據(jù)輸入InfoWorks ICM模型建立該片區(qū)的排水系統(tǒng)模型。

地下水入滲和管道沉積物參數(shù)參照實際CCTV，QV等調查數(shù)據(jù)進行設置，同時通過管線抽查和人為評估進行驗證補充。結合實際情況設置管道水頭損失和單位人口用水量。工商流量的確定是根據(jù)工業(yè)區(qū)排水標準，按工業(yè)用地類型分別估算平均流量。模型中泵站運行控制規(guī)則按現(xiàn)場監(jiān)測情況通過實時控制庫實現(xiàn)。根據(jù)實測數(shù)據(jù)得到建模區(qū)域旱天污水量24 h變化過程的平均值，作為模型的旱流污水輸入。

2.3監(jiān)測點布置

根據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)自身的特點和本次研究的目的制定監(jiān)測方案。本次模擬區(qū)域內(nèi)，共布置1臺ISCO流量計，另外3處泵站(西灣路1#，2#和9#號泵站)均設置有液位計(監(jiān)測泵站前池液位變化數(shù)據(jù))以及流量計(監(jiān)測泵站總出流流量變化數(shù)據(jù))，因此一共有5組數(shù)據(jù)可用來模型校核，分別為監(jiān)測點流量、水位、流速數(shù)據(jù)以及泵站液位數(shù)據(jù)。其中4組數(shù)據(jù)作為模型邊界條件參與初始設置，1組用來模型校核，該組包括監(jiān)測點流量、水位、流速數(shù)據(jù)以及1#，2#泵站前池液位、流量數(shù)據(jù)。本次監(jiān)測有效時間段為2013-09-21T00：00至2013-09-22T 00:00，共計24 h。

2.4模型校核

建模區(qū)域以石化南路監(jiān)測點總出流流量和水位變化情況作為模型邊界。根據(jù)所選取監(jiān)測點的水位、流量、流速3項指標及1#,2#泵站前池液位、流量實測監(jiān)測數(shù)據(jù)得到模型的校核結果，模型校核結果分別如圖2—圖4所示，數(shù)據(jù)對比如表1所示。

圖2 監(jiān)測點水位、流量、流速實測數(shù)據(jù)與模擬值對比Fig.2 Comparison of monitoring data and measured data of water level, yield and speed for monitoring points

圖3 1#泵站前池液位、流量實測數(shù)據(jù)與模擬值對比Fig.3 Comparison of monitoring data and measured data of forebay water level and yield for 1# pump

圖4 2#泵站前池液位、流量實測數(shù)據(jù)與模擬值對比Fig.4 Comparison of monitoring data and measured data of forebay water level and yield for 2# pump

表1 實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比

根據(jù)《英國排水系統(tǒng)水力模型工程師職業(yè)規(guī)范》的要求，旱天排水模型需執(zhí)行2個旱季流量日的修正，其中1天可用于模型調整，另一天數(shù)據(jù)用于模型驗證。針對各項實測數(shù)據(jù)和模擬值之間的偏離程度，應滿足：峰值流量和極小值流量時間偏差均應小于1 h；峰值流量數(shù)值偏差在±10%以內(nèi)；總流量數(shù)值偏差在±10%以內(nèi)。表1結果表明，峰值流量和監(jiān)測總流量偏差均在要求范圍之內(nèi)，峰值流量與極小值流量偏差均小于1 h，模型模擬結果與實測數(shù)據(jù)擬合良好，滿足模型校核指標要求，該模型管網(wǎng)可以作為實際管網(wǎng)優(yōu)化、運行和改造的依據(jù)。

3 改造方案評估

基于已完成的旱天校核水力模型，模擬驗證調水工程方案實施后能達到的工程效果。經(jīng)過模型計算分析，方案實施后對大坦沙現(xiàn)狀系統(tǒng)的改善主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1主干管運行超載狀況

方案實施后，改善了片區(qū)超載狀況。方案運行前后大坦沙系統(tǒng)主干管具體超載管道長度統(tǒng)計如表2所示。

表2 方案運行前后超載主干管長度統(tǒng)計表

Tab.2 Statistics of overload main pipe length before and after transformation program

管道工況超載管段長度/km比例/%未超載管段長度/km比例/%方案運行前68.5744.4%85.9855.6%方案運行后32.1120.8%122.4479.2%

由此可見，方案實施后，可減輕原大坦沙系統(tǒng)主干管超載的情況，減少大坦沙超載主干管長度約36.46 km，各區(qū)域主干管運行狀況均得到改善。雖然改造方案不能完全解決主干管超載問題，但實施后完全達到預期效果。

3.2旱天污水溢流狀況

通過調水方案的實施以及部分存在結構缺陷溢流口高程的修正，降低了管道運行水位，系統(tǒng)旱天污水溢流狀況得到較大改善。雖然部分主干管運行水位仍然偏高，模擬方案實施后仍存在旱天污水溢流狀況，但該方案達到了良好的預期效果。對比方案運行前后大坦沙系統(tǒng)污水溢流點位置如圖5所示。

圖5 方案運行前后旱天污水溢流點對比圖Fig.5 Comparison chart of dry weather sewage overflow point before and after transformation program

模擬方案實施后，可減少大坦沙系統(tǒng)旱天污水溢流量4.39萬m3/d，溢流次數(shù)從23次/d減少為7次/d，對當?shù)厮w環(huán)境污染物負荷削減起到了重要的作用。

3.3大坦沙污水處理廠處理水量負荷降低

方案實施后，大坦沙污水處理廠處理水量從61萬m3/d降低為57萬m3/d，減少了污水處理廠處理負荷。雖仍超過了大坦沙污水處理廠總處理規(guī)模(55 m3/d)，但較方案運行前已得到了很大的改善，達到了預期效果。

4 結 論

1)基于現(xiàn)狀的基礎數(shù)據(jù)和流量動態(tài)數(shù)據(jù)進行模型旱天校核，并通過水力模型工具模擬分析，石井系統(tǒng)與大坦沙系統(tǒng)調水工程方案極大地緩解了大坦沙系統(tǒng)的管道運行超載狀況和污水溢流狀況。由于能夠在較短時間內(nèi)建設完成，緩解了大坦沙系統(tǒng)污水處理負荷壓力，近期將能發(fā)揮很好的環(huán)境效益。

2)排水管網(wǎng)水力模型是評估現(xiàn)狀管網(wǎng)系統(tǒng)缺陷(洪水、CSO和管道超載等)、分析問題產(chǎn)生原因的有效工具。同時，為管網(wǎng)系統(tǒng)未來運行狀況的預測和設計改造方案的評估提供基礎平臺。

3)排水管網(wǎng)水力模型是管理現(xiàn)狀排水系統(tǒng)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的有效工具?；诳煽空鎸嵉墓芫W(wǎng)數(shù)據(jù)，加上可靠的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立水力模型對現(xiàn)狀管網(wǎng)運行狀況進行分析，找出不足，同時對整個排水系統(tǒng)內(nèi)各類型數(shù)據(jù)進行有效管理，也為排水系統(tǒng)規(guī)劃、設計、養(yǎng)護提供現(xiàn)狀數(shù)據(jù)基礎。

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Application of hydraulic model in urban sewage network transformation

ZHAO Jian1， ZHOU Yuwen1， LI Wentao2， LI Wei3， LIU Zilong1

(1．College of Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2．Guangzhou Municipal Engineering Design & Research Institute，Guangzhou Guangdong 510060，China；3．School of Civil Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China)

InfoWorks ICM can be used to build sewage system hydraulic model and realize the simulation of sewer pipe network's operating condition. If the calculated values and the measured data meet the checking accuracy requirement，transformation programs can be validated by the hydraulic model to assess the feasibility. The paper takes the diversion project of Datansha sewage system-Shijing sewerage system in Guangzhou as the research object. By using the computer simulation technology，the hydraulic model is built to assess and analyze the condition of trunk pipeline running overload, sewage overflow and plant operation load, which may provide theoretical basis for feasibility analysis of transformation program.

InfoWorks ICM； hydraulic model； model identification； sewage network transformation

1008-1534(2014)04-0321-05

2014-03-01;

2014-03-30；責任編輯：馮 民

趙 見(1989-)，男，河南商丘人，碩士研究生，主要從事城市管網(wǎng)水力模型應用方面的研究。

E-mail：xftianshi@163.com

TU992

A

10.7535/hbgykj.2014yx04011

趙 見，周玉文，李文濤,等.水力模型在城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)改造中的應用[J].河北工業(yè)科技,2014,31(4):321-325. ZHAO Jian， ZHOU Yuwen， LI Wentao，et al.Application of hydraulic model in urban sewage network transformation[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(4):321-325.