基于水力模型的大型污水干管運行優(yōu)化研究

吳 佳，丁 敏

（上海市城市排水有限公司，上海市 200233）

0 引 言

隨著城市建設(shè)日新月異的發(fā)展以及環(huán)境要求的不斷提高，城市污水量分布不斷變化以及城市排水設(shè)施運行產(chǎn)生的更新、改造等問題，都使得各污水總管服務(wù)范圍與承接水量發(fā)生了較大的變化，現(xiàn)有排水設(shè)施的運行和管理也面臨新的挑戰(zhàn)。從城市發(fā)展、民生環(huán)境提升的角度來看，亟需對“泵站——管道——系統(tǒng)”全方位、多角度的提升對污水輸送干管進(jìn)行評估。近幾十年，隨著計算機(jī)模型技術(shù)的迅猛發(fā)展，排水管網(wǎng)水力模型技術(shù)越來越成熟，已被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)運行管理和優(yōu)化工作中[1]。

上海市污水治理三期工程，是上海市合流污水治理一期工程、上海市污水治理二期工程和蘇州河環(huán)境綜合整治一期工程的延續(xù)。它填補(bǔ)了城市化地區(qū)排水系統(tǒng)的空缺；對完善市區(qū)排水系統(tǒng)的骨架，提高污水系統(tǒng)的收集率、處理率及現(xiàn)有設(shè)施的利用率，改善城市水環(huán)境發(fā)揮了核心作用。加強(qiáng)和提高大型污水干管管理的綜合服務(wù)能力和綜合管理水平，保障污水干管安全運行和節(jié)能減排，對進(jìn)一步提升城市水環(huán)境質(zhì)量至關(guān)重要。本文利用先進(jìn)的計算機(jī)水力模型技術(shù)，對污水三期B塊干管的運行調(diào)度方式進(jìn)行優(yōu)化和驗證，充分發(fā)揮現(xiàn)有大型污水設(shè)施的效能，以達(dá)到旱天污水輸送安全可靠、節(jié)能減排，雨天減少合流污水放江量的目的，為其他城市和地區(qū)的大型污水干管優(yōu)化運行管理提供參考和借鑒。

1 工程概況

污水治理三期工程于2003年12月正式開工，2007年建成通水。主要由污水總管系統(tǒng)、竹園第二污水處理廠和污水收集系統(tǒng)等子項目組成。設(shè)計主要收集寶山及附近地區(qū)、虹口和楊浦地區(qū)的合流污水和生活污水，根據(jù)地塊所處的位置，工程分為A塊和B塊兩部分。

B塊主要收集蘇州河以北、黃浦江以西、合流一期工程服務(wù)范圍以南地區(qū)合流污水和生活污水，設(shè)計規(guī)模50萬m3/d，服務(wù)面積37.33 km2，服務(wù)人口93.56萬人，由于該地區(qū)部分為合流制系統(tǒng)，合流制系統(tǒng)截流倍數(shù)為1.5～3倍。B塊地區(qū)污水由兩部分組成，其一為虹口港、楊浦港地區(qū)旱流污水截流工程所收集的污水；其二為佳木斯泵站提升的楊浦港以東地區(qū)的截流污水，另外包括翔殷路以北民星地區(qū)的污水。

污水三期B塊干管自兩港截流預(yù)留接口政本路起，沿國順路、翔殷路至軍工路，接納由佳木斯泵站提升的楊浦港以東地區(qū)的截流污水，然后沿軍工路向北接納民星地區(qū)污水，經(jīng)嫩江路過黃浦江后，經(jīng)浦東北路泵站提升后，輸送至竹園第二污水廠進(jìn)水泵房，經(jīng)進(jìn)口泵站再次提升后，最終進(jìn)竹園第二污水處理廠，經(jīng)處理后深水排放長江。管道總長14.46 km，管徑Φ2 200～Φ3 500，干管從兩港污水截流工程中途泵站至竹園第二污水廠全線采用壓力流。污水三期B塊干管走向如圖1所示。

圖1 污水三期B塊干管走向

近年來，隨著虹口區(qū)和楊浦區(qū)的大力開發(fā)，污水三期B塊服務(wù)區(qū)域發(fā)生了人口增長和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的變化，導(dǎo)致干管污水量不斷上升，且污水量分布也發(fā)生了較大變化，污水量由原先的近40萬m3/d增加至近50萬m3/d。

2 污水三期B塊干管水力模型

研究采用InfoWorks ICM排水管網(wǎng)模型軟件搭建了污水三期B塊干管及截流泵站的水力模型。建模前期收集、整理、分析了大量管網(wǎng)的基本屬性數(shù)據(jù)、設(shè)計資料和竣工資料，包括干管、支線、中途提升泵站、支線泵站和竹園第二污水處理廠進(jìn)廠泵站等；服務(wù)范圍內(nèi)的地形地貌和人口數(shù)據(jù)；各中途提升泵站、支線泵站和竹園第二污水處理廠進(jìn)水泵站近數(shù)年的運行數(shù)據(jù)、雨量數(shù)據(jù)等。

污水三期B塊干管模型建立范圍由兩部分組成，其一為虹口港、楊浦港地區(qū)旱流污水截流工程總管及其海倫路支線、梧州路支線、臨平路支線、保定路支線、蘭州路支線的服務(wù)范圍，其二為污水三期B塊總管及軍工路支線服務(wù)范圍。污水三期B塊干管水力模型如圖2所示。

圖2 污水三期B塊干管水力模型

在分析近幾年實測運行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選取具有代表性的旱天和雨天歷史運行數(shù)據(jù)，針對污水干管的輸送量和主要提升泵站的集水池水位對模型進(jìn)行率定與驗證，主要控制點為兩港中途泵站和浦東北路泵站，通過調(diào)整模型參數(shù)使模型與真實情況盡量吻合，以保證模型的實際應(yīng)用精度。

3 干管主要存在的問題

對比干管原設(shè)計工況，通過對干管的典型旱天和雨天現(xiàn)狀運行情況進(jìn)行分析，評估干管的現(xiàn)狀運行狀態(tài)和能力，主要存在以下幾點問題：

（1）近年來隨著服務(wù)范圍內(nèi)的人口、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，干管旱天輸送量由原先的近40萬m3/d增加至近50萬m3/d，已接近飽和。

（2）受用水量變化的影響，干管的輸送量呈晝多夜少，輸送污水水量不均勻，峰值時，易造成下游污水處理廠產(chǎn)生溢流，亟需優(yōu)化運行模式以杜絕旱天污水溢流。

（3）干管服務(wù)范圍內(nèi)大多數(shù)為合流制系統(tǒng)，總管設(shè)計時考慮到初期雨水截流能力，其管徑較大，導(dǎo)致旱流期間流速過慢，管道淤積嚴(yán)重，雨天管道內(nèi)流速增大，管道內(nèi)沉積物容易泛起導(dǎo)致放江污染水體。

基于上述主要存在的問題，該研究利用模型模擬對現(xiàn)狀運行模式提出優(yōu)化方案。

4 旱天運行優(yōu)化方案

4.1 旱天現(xiàn)狀運行情況

浦東北路泵站旱天采取超越模式，污水三期B塊干管旱天峰時流量情況下，干管全程為滿管壓力流，兩港中途泵站上游管道內(nèi)最高水位在0.4 m左右，兩港中途泵站下游管道內(nèi)最高水位在6.4 m左右，干管末端竹園二廠進(jìn)水泵站最高水位在3.7 m左右，干管的水力坡降線較為平緩，如圖3所示。

圖3 干管旱天運行縱斷面圖

利用模型污水三期B塊干管旱天運行最大流速進(jìn)行了分級顯示，如圖4所示，除兩港中途泵站下游的江浦路干管流速大于0.75 m/s，干管大部分流速小于0.75 m/s，容易產(chǎn)生淤積，降低管道的輸送能力。

4.2 旱天節(jié)能模式

根據(jù)實際運行經(jīng)驗，水泵處于高水位時運行，可節(jié)省能耗，并避免頻繁啟停對水泵和電機(jī)造成的損害。旱天節(jié)能模式將通過提高節(jié)點泵站運行水位，干管在高水位運行，實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。污水三期B塊節(jié)點泵站節(jié)能模式水位控制見表1。

圖4 干管旱天運行流速分布圖

表1 節(jié)點泵站運行水位（節(jié)能模式）

污水三期B塊干管在旱天節(jié)能模式下運行，管道基本都處于滿管壓力流狀態(tài)，兩港中途泵站上游最高水位0.8 m左右，模擬污水三期B塊節(jié)點泵站水位變化曲線如圖5所示，兩港中途泵站出水高位井水位控制在6.3 m以下。浦東北路泵站集水池水位控制在4.8 m以下，竹園二廠集水池水位控制在4 m以下。如圖6所示，污水三期B塊干管流速較現(xiàn)狀運行模式有所提升，可減少管道淤積情況。但由于干管水位偏高，可能存在高峰流量時污水溢流的風(fēng)險。

圖5 節(jié)點泵站水位變化曲線（節(jié)能模式）

圖6 干管旱天運行流速分布圖（減排模式）

4.3 旱天減排模式

通過降低污水三期干管運行水位，增加系統(tǒng)的管道調(diào)蓄空間，緩解峰值流量對干管運行帶來的沖擊，消除旱天峰值流量時污水溢流的現(xiàn)象。污水三期B塊節(jié)點泵站減排模式水位控制如表2所示。

表2 節(jié)點泵站運行水位（減排模式）

模擬表明，處于高峰流量時，兩港中途泵站上游干管最高水位控制在-1.2 m以下，兩港中途泵站下游的水力坡降線較平緩。如圖7所示，兩港中途泵站集水池水位控制在-1.6 m以下，出水高位井水位控制在3.3 m以下。浦東北路泵站集水池水位控制在1.8 m以下，竹園二廠集水池水位控制在1.1 m以下。兩港中途泵站和竹園二廠進(jìn)水泵房基本保持2臺泵機(jī)持續(xù)運行。

圖7 節(jié)點泵站水位變化曲線（減排模式）

4.4 旱天運行方案推薦

根據(jù)上述模擬分析，旱天節(jié)能模式下，水位偏高，可節(jié)約能耗、減少管道淤積情況，但存在高峰流量時污水溢流風(fēng)險。旱天減排模式下，水位偏低，消除旱天峰值流量時污水溢流的現(xiàn)象，但低水位運行流速偏緩，容易造成淤積。綜合兩種模式的優(yōu)點，針對干管輸送量不均勻，呈晝多夜少，推薦旱天白天采用減排模式，夜間采用節(jié)能模式，以達(dá)到削峰填谷、均化水量、消除溢流、減少淤積、節(jié)能降耗等目標(biāo)。

5 雨天運行優(yōu)化方案

污水三期B塊干管不但承擔(dān)著服務(wù)范圍內(nèi)污水收集的任務(wù)，同時還承擔(dān)著截流初期雨水，改善城市水體環(huán)境的重要任務(wù)。本研究通過模型模擬，針對不同降雨強(qiáng)度情況下，評估干管現(xiàn)狀運行模式及其安全保障程度；以增加初期雨水截流量為目標(biāo)，研究運行優(yōu)化措施，進(jìn)一步挖潛污水干管的截流能力。

研究選取不同降雨強(qiáng)度歷史運行數(shù)據(jù)進(jìn)行模型模擬，對污水三期B塊干管的現(xiàn)狀雨天運行工況進(jìn)行安全評估，模擬結(jié)果如下：

（1）在小雨（降雨強(qiáng)度≤5 mm/hr）情況下，兩港中途泵站開啟4臺泵，浦東北路泵站開啟2臺泵，兩港中途和浦東北路泵站出水高位井均未達(dá)到溢流水位，干管運行情況良好。干管服務(wù)范圍內(nèi)未發(fā)生放江現(xiàn)象。

（2）在中雨（降雨強(qiáng)度≤10 mm/hr）情況下，兩港中途泵站開啟5臺泵，浦東北路泵站開啟3臺泵，兩港中途和浦東北路泵站出水高位井均未達(dá)到溢流水位。干管服務(wù)范圍內(nèi)沿線合流泵站僅大定海泵站出現(xiàn)放江現(xiàn)象。

（3）在大雨（降雨強(qiáng)度≥10 mm/hr）情況下，兩港中途泵站開啟6臺泵，浦東北路泵站開啟3臺泵，通過運行調(diào)度，兩港中途和浦東北路泵站出水高位井均未達(dá)到溢流水位，干管可安全運行。干管服務(wù)范圍內(nèi)沿線合流泵站基本都開啟雨水泵，快速排放大雨徑流，發(fā)揮防汛泵站作用，保障地區(qū)防汛安全。

根據(jù)現(xiàn)狀雨天運行工況模擬結(jié)果表面，當(dāng)降雨強(qiáng)度小于10 mm/hr時，污水三期B塊干管有能力承受地區(qū)的初期雨水截流，服務(wù)范圍內(nèi)的防汛泵站基本不放江；當(dāng)降雨強(qiáng)度超過10 mm/hr時，地區(qū)防汛泵站開始放江。研究通過模型模擬優(yōu)化干管節(jié)點泵站的運行工況，降低管道水位，進(jìn)一步增加管道的調(diào)蓄空間、削減降雨徑流峰值的效果，可減少放江量約10%，達(dá)到了雨天安全運行、提高防汛安全、減少污染物排江、改善城市水體的目標(biāo)。

6 結(jié) 論

該研究利用InfoWorks ICM軟件建立了污水三期B塊干管水力模型，并進(jìn)行了率定驗證，分別對旱天、雨天現(xiàn)狀工況進(jìn)行模型模擬和評估分析，并提出了運行優(yōu)化方案，以達(dá)到提高污水干管旱季運行安全平穩(wěn)和節(jié)能減排、雨季確保防汛安全和減少合流污水放江的效果，具體結(jié)論和建議如下：

（1）針對干管輸送量不均勻，呈晝多夜少，流速較緩容易淤積的情況，提出旱天白天采用減排模式，夜間采用節(jié)能模式，以達(dá)到削峰填谷、均化水量、消除溢流、減少淤積、節(jié)能降耗等目標(biāo)。

（2）當(dāng)降雨強(qiáng)度小于10 mm/hr時，污水三期B塊干管有能力承受地區(qū)的初期雨水截流，服務(wù)范圍內(nèi)的防汛泵站基本不放江。

（3）當(dāng)降雨強(qiáng)度超過10 mm/hr時，干管服務(wù)范圍內(nèi)的防汛泵站開始放江。研究提出優(yōu)化干管節(jié)點泵站運行工況，降低管道水位，以達(dá)到增加管道的調(diào)蓄空間、削減降雨徑流峰值的效果，可減少放江量約10%。