案例：流域排水系統(tǒng)提升空間到底有多大

2022-09-15 16:01:47 0 雙良環(huán)境

受全球氣候變化導致的氣溫、降雨和極端事件的影響，近年來我國城市水體水環(huán)境污染加重、城區(qū)內澇頻發(fā)，國家和地方政府對此高度重視，也對城市排水系統(tǒng)的智慧化管控提出嚴格要求。位于湖南省東北部的岳陽市，北枕長江，南納三湘四水，環(huán)抱洞庭，流域內水系復雜且降雨豐富，流域治理既要考慮非汛期水環(huán)境提升目標又要兼顧汛期城區(qū)排澇需求，這些挑戰(zhàn)對流域排水設施運維管理提出更高要求。面對岳陽市排水系統(tǒng)工程改造后仍存在雨天局部區(qū)域反黑反臭的現(xiàn)象，亟需應用聯(lián)合調度手段進一步保障水體的長制久清。本文以岳陽排水系統(tǒng)設施聯(lián)調方案為例，根據(jù)不同情景下流域治理目標，從“廠-網(wǎng)-站-池”系統(tǒng)治水的角度出發(fā)，探討流域水環(huán)境治理和內澇防治背景下的排水系統(tǒng)能力提升方法。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于岳陽市主城區(qū)西北部，洞庭湖與長江交匯口處，與洞庭湖隔堤相連，東臨芭蕉湖流域，南接南湖流域，流域匯流面積為17.3km2，流域內建設有污水處理廠Ⅰ和Ⅱ，設計規(guī)模各為5萬m3/d，雨季變化系數(shù)為1.2。工程建設時序包括環(huán)湖截污和提質增效兩個階段，環(huán)湖截污后已完成調蓄池及環(huán)湖截污干管一期工程，該階段污水處理廠Ⅱ未運行，污水處理廠Ⅰ的納污范圍包含A、B、C、D共四個片區(qū)，片區(qū)排水體制以截流式合流制為主。提質增效后部分片區(qū)雨污分流工程和外水剝離工程實施完成，該階段污水處理廠Ⅰ的納污范圍縮減為A、B、C三個片區(qū)，D片區(qū)污水進入污水處理廠Ⅱ，部分片區(qū)排水體制改為分流制。

1.1 環(huán)湖截污后廠網(wǎng)站池運行關系

基于研究區(qū)域水體水質穩(wěn)定達標的治理需求，片區(qū)開展了沿湖截污管道修建、合流制溢流（CSO）調蓄池工程、排口治理工程等環(huán)湖截污系統(tǒng)工程。已建合流制溢流污染體調蓄池工程包括甲調蓄池系統(tǒng)和乙調蓄池系統(tǒng)。其中甲調蓄池系統(tǒng)包括甲調蓄池A、B池和1#、2#、3#截流井；乙調蓄池系統(tǒng)包括乙調蓄池和4#、5#截流井。

甲調蓄池總規(guī)模30 000m3，分為A、B兩池，規(guī)模各15 000m3。服務面積為505.8 hm2，服務范圍主要為A和B片區(qū)內的合流制區(qū)域。乙調蓄池規(guī)模5 500m3，服務面積為151.2 hm2，服務范圍為D片區(qū)的部分合流制片區(qū)。研究區(qū)域“廠-網(wǎng)-站-池”間拓撲關系見圖1。

1.2 提質增效后“廠-網(wǎng)-站-池”運行關系

基于研究區(qū)域污水處理廠Ⅰ進廠水質濃度提升的要求，片區(qū)在環(huán)湖截污系統(tǒng)工程實施的基礎上開展了管道修復、管道清淤、道路和地塊雨污分流等提質增效系統(tǒng)工程。提質增效后D片區(qū)污水納入污水處理廠Ⅱ進行處理，污水處理廠Ⅰ服務范圍縮小。其中A片區(qū)及C片區(qū)排水體制經(jīng)雨污分流工程改造后為分流制，B片區(qū)部分區(qū)域仍保留合流制，經(jīng)提質增效系統(tǒng)工程污水處理廠Ⅰ納污范圍內旱天外水剝離進廠水量減少、進水濃度提升，為污水處理廠雨天處理更多合流制污水提供條件。調蓄池甲服務范圍內合流制排水體制范圍縮小，提質增效后“廠-網(wǎng)-站-池”間拓撲關系見圖2。

圖3 流域聯(lián)合調度解決方案技術路線

2 技術路線

利用機理模型和控制仿真模型共同完成對“廠-網(wǎng)-站-池”一體化的模擬，通過流域排水系統(tǒng)匹配性分析和系統(tǒng)優(yōu)化潛力評估，形成優(yōu)化策略，從而制定排水系統(tǒng)優(yōu)化調度方案。首先，搭建流域排水系統(tǒng)機理模型，并應用“廠-網(wǎng)-站-池”單體設施監(jiān)測運行數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)率定和結果校核，應用機理模型從設施間離線調度和管網(wǎng)在線調蓄的角度進行現(xiàn)狀排水系統(tǒng)優(yōu)化潛力評估，同時分析出設施敏感指示點作為聯(lián)合調度方案閾值。進而搭建控制仿真模型，根據(jù)不同降雨工況下流域CSO控制和內澇治理目標建立聯(lián)合調度控制目標，結合上步生成的優(yōu)化潛力閾值，生成基于不同建設階段“廠-網(wǎng)-站-池”連接關系的優(yōu)化控制策略。最后，將控制仿真模型生成的優(yōu)化控制策略導入機理模型，結合監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證控制策略的有效性和可靠性，并將其校驗后的結果作為優(yōu)化方案核定效果，將各場次最優(yōu)優(yōu)化策略收入優(yōu)化策略庫。

3 聯(lián)合調度解決方案

聯(lián)合調度解決方案應根據(jù)典型年降雨模擬結果，分析不同降雨工況下污水處理廠剩余處理能力、調蓄池使用率、管道最大充滿度及系統(tǒng)合流制溢流量，結合優(yōu)化調度控制目標制定聯(lián)合調度策略，驗證策略可靠性并形成優(yōu)化調度策略庫。本文選取有代表性的降雨場次進行聯(lián)合調度方案的重點研究并對典型年降雨的優(yōu)化調度效果進行驗證分析。

3.1 模型體系構建

3.1.1 機理模型構建

應用PCSWMM軟件進行流域排水管網(wǎng)模型搭建，將流域模型概化為1388個節(jié)點，1393根管，2座調蓄池，19個水泵，見圖4。機理模型結果與多場降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)進行率定，納什效率系數(shù)（NSE）均大于0.55，滿足方案對機理模型真實性的要求。

3.1.2 控制仿真模型構建

根據(jù)流域排水系統(tǒng)的拓撲結構和基礎數(shù)據(jù)，利用中國市政工程華北設計研究總院自主開發(fā)的城市水系統(tǒng)控制仿真軟件（Simuwater），構建流域控制仿真模型。

Simuwater模型綜合機理模型、概念模型，實現(xiàn)排水系統(tǒng)水量水質模擬、控制仿真和策略優(yōu)化，在保證一定精度的前提下，大幅提高運算速度。通過對比場次降雨及典型年降雨工況下SWMM模型（已參數(shù)率定）和Simuwater模型針對各片區(qū)合流制溢流量、調蓄池存蓄量及污水處理廠進水量的模擬結果，對Simuwater模型進行參數(shù)校正，為進一步保證Simuwater模型可靠性，選取流域重要節(jié)點（3#溢流通道）監(jiān)測數(shù)據(jù)（流量、水位過程線）與Simuwater模型模擬值進行參數(shù)率定，NSE大于0.5。

3.2 研究降雨數(shù)據(jù)選取

根據(jù)優(yōu)化策略庫“一場雨一策略”的研究原則，流域優(yōu)化策略庫除需要評估典型年降雨下的系統(tǒng)優(yōu)化效果后，還需選取不同降雨等級、降雨強度下有代表性的降雨場次進行優(yōu)化策略合理性分析。（是否應該先介紹重點降雨場次，然后進行全年分析）在機理模型中，輸入岳陽市典型年降雨數(shù)據(jù)（共75場次降雨），根據(jù)不同場次降雨中環(huán)湖截污后排水設施運行狀態(tài)，重點考慮4個片區(qū)的溢流量，選取4場降雨（見表1），其中1號場次降雨：調蓄池未充滿，但系統(tǒng)已開始出現(xiàn)合流制溢流現(xiàn)象；2號場次降雨：調蓄池未充滿，但大部分截流井出現(xiàn)合流制溢流現(xiàn)象；3號場次降雨：甲調蓄池已充滿、乙調蓄池未充滿，大部分截流井出現(xiàn)合流制溢流現(xiàn)象；4號場次降雨：系統(tǒng)調蓄池全部充滿，截流井都出現(xiàn)合流制溢流現(xiàn)象。1號、2號降雨場次調蓄池未充滿但系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)合流制溢流現(xiàn)象經(jīng)模擬分析主要有兩個原因：①短時降雨強度較大，超過調蓄池系統(tǒng)的最大進水流量；②系統(tǒng)各路來水水量與單體排水設施處理能力不匹配，比如因短時匯流來水流量急劇增大超過專屬泵站提升能力；由于提質增效后，A、B、C片區(qū)同場降雨情況下的合流制溢流量明顯減少，D片區(qū)污水泵入污水處理廠Ⅱ進行處理，從“廠-網(wǎng)-站-池”聯(lián)動增效的角度出發(fā)，本研究不考慮該階段D片區(qū)及其所屬調蓄池優(yōu)化策略的分析。

3.3 不同建設階段“廠-網(wǎng)-站-池”優(yōu)化潛力評估

3.3.1 環(huán)湖截污后

4場降雨情景下污水處理廠及調蓄池的利用情況如表2所示，在前三場降雨中出現(xiàn)不同程度的合流制溢流現(xiàn)象，調蓄池的利用率并沒有達到100%。一方面可以認為功能性排水設施有剩余的可利用空間，可以通過提高這些設施的利用率，來減少同樣降雨下CSO的溢流量；另一方面需要從排水管網(wǎng)與排水設施之間水量轉輸關系分析利用這些剩余空間的可行性。4號降雨情景下調蓄池已充分使用，污水處理廠已接近滿負荷運行，流域排水設施已無優(yōu)化運行潛力。

在線調蓄空間的評估是制定優(yōu)化調度運行策略的基礎，通過模擬分析不同降雨情景下管道充滿度、排水設施水量轉輸關系，計算可利用管道在線儲蓄空間，分析可控設施上游的合流制箱涵調蓄能力，可以計算出降雨過程中管網(wǎng)的最大在線調蓄能力。同時結合優(yōu)化前系統(tǒng)運行液位，計算場次降雨條件下的優(yōu)化提升潛力，模擬計算值初步分析排水系統(tǒng)在線調蓄可行性并結合管道液位數(shù)據(jù)（調蓄箱涵及上游敏感點管道液位）擬合結果形成管道在線調蓄控制策略。

1號至4號降雨情景下幾個可控截流井上游排水管網(wǎng)的平均最大充滿度和可調蓄空間如表3所示。

表3 不同降雨下管道在線調蓄量模擬計算

3.3.2 提質增效后

（1）不同降雨情景下功能性設施能力優(yōu)化潛力評估。提質增效后因污水處理廠Ⅰ旱天處理能力大于來水水量，管道運行液位低于環(huán)湖截污后階段；雨天，甲調蓄池服務范圍內部分合流制改為分流制排水體制，經(jīng)模擬分析得出雖場次降雨下調蓄池使用率降低，但僅4號降雨會產(chǎn)生CSO。表4中污水處理廠Ⅰ剩余處理能力為整場降雨時間下的污水廠的處理能力平均值，在4號降雨發(fā)生溢流的時刻，污水處理廠Ⅰ已經(jīng)滿負荷運行?？梢酝ㄟ^優(yōu)化調度策略，使污水廠進水量更加平均，分擔降雨峰值時期的來水量，從而更充分地利用降雨前期污水處理廠Ⅰ的剩余處理能力。

（2）不同降雨情景下管網(wǎng)在線調蓄空間評估。1號至3號降雨場次排水系統(tǒng)未發(fā)生溢流，故本研究不考慮這三場降雨下的管網(wǎng)優(yōu)化空間，4號降雨情景下，A、B、C片區(qū)的CSO發(fā)生在2#截流井和3#截流井，經(jīng)模擬結果發(fā)現(xiàn)因降雨量較大，1#截流井和3#截流井上游管網(wǎng)充滿度較高。

根據(jù)管網(wǎng)設施關系分析，2#和3#截流井相連，在本場降雨中，3#截流井上游存在可優(yōu)化空間。根據(jù)模擬結果，這部分管道最大充滿度平均值為71%，通過計算該段管道還有約14680m3的未充滿空間，可用于在線調蓄，進一步減少CSO。

3.4 優(yōu)化控制策略及效果評估

流域內在建、已建28座可控設施，包括8座截流井，6座污水提升泵站、5座排澇泵站、9座調蓄池及其附屬截流井。根據(jù)流域系統(tǒng)工程的不同建設階段、不同降雨情況，結合可控設施控制閾值制定流域模擬工況庫。應用流域Simuwater模型，模擬不同工況下排水系統(tǒng)運行情況，以CSO作為目標函數(shù)，片區(qū)內澇量為邊界條件，管道、泵站轉輸能力、智能分流井閘門開度、調蓄池調蓄量、污水廠處理能力等為控制條件，用遺傳算法進行多周期預測生成由可控設施及其相關排水設施的液位值與設施啟閉關系構成的優(yōu)化策略，形成優(yōu)化策略庫。在優(yōu)化策略實施時，可根據(jù)相關設施液位計實測監(jiān)測數(shù)據(jù)替代部分與既有模擬預測不符的排水設施當前狀態(tài)模擬值，再進行進一步尋優(yōu)后替代原優(yōu)化策略。應用流域Simuwater模型，模擬不同工況下排水系統(tǒng)運行情況，根據(jù)預設的控制目標和可控設施，求解不同工況下的優(yōu)化策略，形成流域優(yōu)化策略庫。小雨、中雨、大雨時，從系統(tǒng)化、全局化的層面提高排水設施空間利用率和時序合理性，最大程度發(fā)揮設施價值，優(yōu)化利用率，減少合流制管網(wǎng)溢流。大雨、暴雨、大暴雨時通過合理設置可控設施啟閉液位規(guī)則可預先空出排澇設施，強化雨天運行功能，進一步緩解上游片區(qū)內澇情況。

3.4.1 環(huán)湖截污后優(yōu)化策略效果分析

利用Simuwater模型策略優(yōu)化功能，以污水處理廠Ⅰ的凈化能力、甲調蓄池負荷、乙調蓄池負荷、截流井井室液位、上游管網(wǎng)充滿度為條件，制定溢流通道閘門、污水處理廠Ⅰ進水通道閘門、提升泵站的優(yōu)化規(guī)則。在保證1#、2#、3#截流井上游管道不發(fā)生內澇的前提下，減小1#、2#、3#截流井溢流入水體水量。此外考慮到環(huán)湖截污階段D片區(qū)污水遠距離輸送的情況，需要從雨天各片區(qū)來水流量分配的角度出發(fā)，合理制定可控設施控制規(guī)則分配空間水量，避免廠前溢流等污染物轉移的現(xiàn)象發(fā)生。

Simuwater優(yōu)化模型及SWMM原始規(guī)則模型中ABC片區(qū)、D片區(qū)的總溢流量如表6所示。

結果表明，Simuwater模型的優(yōu)化規(guī)則對四場模擬降雨流域總溢流量均有明顯的削減，其中兩場中雨已無CSO，大雨最高削減比例可達39%。

利用Simuwater模型，將前文所述優(yōu)化調度策略納入控制規(guī)則，同樣完整模擬典型年降雨過程，與原始運行規(guī)則對比各季度流域主要溢流通道的溢流量均有不同程度的下降，如圖6。

經(jīng)模擬分析通過優(yōu)化控制后典型年流域總體溢流量下降18.4%，各季度分別下降15.0%，40.1%，3.5%和1.9%。根據(jù)降雨資料分析，第二季度降雨事件中小雨、中雨及大雨場次數(shù)量及比例明顯大于其他季度，經(jīng)模擬分析得出排水管網(wǎng)對非極端降雨過程的優(yōu)化調度效果明顯優(yōu)于極端降雨事件，故第二季度溢流量削減效果最佳，見圖7。

3.4.2 提質增效后優(yōu)化策略效果分析

提質增效后經(jīng)模擬分析原始控制規(guī)則僅4號降雨產(chǎn)生CSO，在降雨中保障上游易澇點安全液位的基礎上延緩各截流井溢流開啟時間，增加調蓄池使用效率及污水處理廠進水總量；降雨后以污水處理廠處理能力為條件，盡快開啟調蓄池排空泵站為下一場降雨做準備。優(yōu)化策略實施后該場大雨流域可削減64%的溢流量。

4 結語

本文從提升流域排水系統(tǒng)效能，減少流域合流制溢流和緩解內澇的角度出發(fā)，在排水系統(tǒng)運維調度層面進行不同建設階段、不同降雨工況下廠池站網(wǎng)的運行調度策略分析，實現(xiàn)流域級排水系統(tǒng)聯(lián)排聯(lián)調策略的探索。該運行策略主要是通過空間水量調配減少流域合流制溢流總量，從而達到流域排水系統(tǒng)污染負荷排放總量的削減目標，為城市排水系統(tǒng)聯(lián)合調度實施提供借鑒意義。隨著水質在線監(jiān)測設備的研發(fā)，排水系統(tǒng)聯(lián)合調度方案將逐步以水質監(jiān)測數(shù)據(jù)作為控制邊界條件形成優(yōu)化策略，進一步緩解流域水環(huán)境污染的情況。