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(dǎo)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(nèi)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(yán)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(nèi)水系復(fù)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(biāo)又要兼顧汛期城區(qū)排澇需求，這些挑戰(zhàn)對流域排水設(shè)施運(yùn)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(yīng)用聯(lián)合調(diào)度手段進(jìn)一步保障水體的長制久清。本文以岳陽排水系統(tǒng)設(shè)施聯(lián)調(diào)方案為例，根據(jù)不同情景下流域治理目標(biāo)，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(nèi)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(nèi)建設(shè)有污水處理廠Ⅰ和Ⅱ，設(shè)計(jì)規(guī)模各為5萬m3/d，雨季變化系數(shù)為1.2。工程建設(shè)時序包括環(huán)湖截污和提質(zhì)增效兩個階段，環(huán)湖截污后已完成調(diào)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(yùn)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(zhì)增效后部分片區(qū)雨污分流工程和外水剝離工程實(shí)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(jìn)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(yùn)行關(guān)系

基于研究區(qū)域水體水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)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(diào)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(diào)蓄池工程包括甲調(diào)蓄池系統(tǒng)和乙調(diào)蓄池系統(tǒng)。其中甲調(diào)蓄池系統(tǒng)包括甲調(diào)蓄池A、B池和1#、2#、3#截流井；乙調(diào)蓄池系統(tǒng)包括乙調(diào)蓄池和4#、5#截流井。

甲調(diào)蓄池總規(guī)模30 000m3，分為A、B兩池，規(guī)模各15 000m3。服務(wù)面積為505.8 hm2，服務(wù)范圍主要為A和B片區(qū)內(nèi)的合流制區(qū)域。乙調(diào)蓄池規(guī)模5 500m3，服務(wù)面積為151.2 hm2，服務(wù)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?fù)潢P(guān)系見圖1。

1.2 提質(zhì)增效后“廠-網(wǎng)-站-池”運(yùn)行關(guān)系

基于研究區(qū)域污水處理廠Ⅰ進(jìn)廠水質(zhì)濃度提升的要求，片區(qū)在環(huán)湖截污系統(tǒng)工程實(shí)施的基礎(chǔ)上開展了管道修復(fù)、管道清淤、道路和地塊雨污分流等提質(zhì)增效系統(tǒng)工程。提質(zhì)增效后D片區(qū)污水納入污水處理廠Ⅱ進(jìn)行處理，污水處理廠Ⅰ服務(wù)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(zhì)增效系統(tǒng)工程污水處理廠Ⅰ納污范圍內(nèi)旱天外水剝離進(jìn)廠水量減少、進(jìn)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(diào)蓄池甲服務(wù)范圍內(nèi)合流制排水體制范圍縮小，提質(zhì)增效后“廠-網(wǎng)-站-池”間拓?fù)潢P(guān)系見圖2。

圖3 流域聯(lián)合調(diào)度解決方案技術(shù)路線

2 技術(shù)路線

利用機(jī)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(diào)度方案。首先，搭建流域排水系統(tǒng)機(jī)理模型，并應(yīng)用“廠-網(wǎng)-站-池”單體設(shè)施監(jiān)測運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)率定和結(jié)果校核，應(yīng)用機(jī)理模型從設(shè)施間離線調(diào)度和管網(wǎng)在線調(diào)蓄的角度進(jìn)行現(xiàn)狀排水系統(tǒng)優(yōu)化潛力評估，同時分析出設(shè)施敏感指示點(diǎn)作為聯(lián)合調(diào)度方案閾值。進(jìn)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(nèi)澇治理目標(biāo)建立聯(lián)合調(diào)度控制目標(biāo)，結(jié)合上步生成的優(yōu)化潛力閾值，生成基于不同建設(shè)階段“廠-網(wǎng)-站-池”連接關(guān)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(dǎo)入機(jī)理模型，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證控制策略的有效性和可靠性，并將其校驗(yàn)后的結(jié)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(diào)度解決方案

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

3.1 模型體系構(gòu)建

3.1.1 機(jī)理模型構(gòu)建

應(yīng)用PCSWMM軟件進(jìn)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(diǎn)，1393根管，2座調(diào)蓄池，19個水泵，見圖4。機(jī)理模型結(jié)果與多場降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，納什效率系數(shù)（NSE）均大于0.55，滿足方案對機(jī)理模型真實(shí)性的要求。

3.1.2 控制仿真模型構(gòu)建

根據(jù)流域排水系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院自主開發(fā)的城市水系統(tǒng)控制仿真軟件（Simuwater），構(gòu)建流域控制仿真模型。

Simuwater模型綜合機(jī)理模型、概念模型，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)水量水質(zhì)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(yùn)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(diào)蓄池存蓄量及污水處理廠進(jìn)水量的模擬結(jié)果，對Simuwater模型進(jìn)行參數(shù)校正，為進(jìn)一步保證Simuwater模型可靠性，選取流域重要節(jié)點(diǎn)（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(jìn)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(qiáng)度下有代表性的降雨場次進(jìn)行優(yōu)化策略合理性分析。（是否應(yīng)該先介紹重點(diǎn)降雨場次，然后進(jìn)行全年分析）在機(jī)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(shè)施運(yùn)行狀態(tài)，重點(diǎn)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(diào)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(diào)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(diào)蓄池已充滿、乙調(diào)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(diào)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(diào)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(qiáng)度較大，超過調(diào)蓄池系統(tǒng)的最大進(jìn)水流量；②系統(tǒng)各路來水水量與單體排水設(shè)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(zhì)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(jìn)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(diào)蓄池優(yōu)化策略的分析。

3.3 不同建設(shè)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(diào)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(diào)蓄池的利用率并沒有達(dá)到100%。一方面可以認(rèn)為功能性排水設(shè)施有剩余的可利用空間，可以通過提高這些設(shè)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(shè)施之間水量轉(zhuǎn)輸關(guān)系分析利用這些剩余空間的可行性。4號降雨情景下調(diào)蓄池已充分使用，污水處理廠已接近滿負(fù)荷運(yùn)行，流域排水設(shè)施已無優(yōu)化運(yùn)行潛力。

在線調(diào)蓄空間的評估是制定優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行策略的基礎(chǔ)，通過模擬分析不同降雨情景下管道充滿度、排水設(shè)施水量轉(zhuǎn)輸關(guān)系，計(jì)算可利用管道在線儲蓄空間，分析可控設(shè)施上游的合流制箱涵調(diào)蓄能力，可以計(jì)算出降雨過程中管網(wǎng)的最大在線調(diào)蓄能力。同時結(jié)合優(yōu)化前系統(tǒng)運(yùn)行液位，計(jì)算場次降雨條件下的優(yōu)化提升潛力，模擬計(jì)算值初步分析排水系統(tǒng)在線調(diào)蓄可行性并結(jié)合管道液位數(shù)據(jù)（調(diào)蓄箱涵及上游敏感點(diǎn)管道液位）擬合結(jié)果形成管道在線調(diào)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(diào)蓄空間如表3所示。

表3 不同降雨下管道在線調(diào)蓄量模擬計(jì)算

3.3.2 提質(zhì)增效后

（1）不同降雨情景下功能性設(shè)施能力優(yōu)化潛力評估。提質(zhì)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(yùn)行液位低于環(huán)湖截污后階段；雨天，甲調(diào)蓄池服務(wù)范圍內(nèi)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(diào)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(fù)荷運(yùn)行?？梢酝ㄟ^優(yōu)化調(diào)度策略，使污水廠進(jìn)水量更加平均，分擔(dān)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(diào)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(jié)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(shè)施關(guān)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(jié)果，這部分管道最大充滿度平均值為71%，通過計(jì)算該段管道還有約14680m3的未充滿空間，可用于在線調(diào)蓄，進(jìn)一步減少CSO。

3.4 優(yōu)化控制策略及效果評估

流域內(nèi)在建、已建28座可控設(shè)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(diào)蓄池及其附屬截流井。根據(jù)流域系統(tǒng)工程的不同建設(shè)階段、不同降雨情況，結(jié)合可控設(shè)施控制閾值制定流域模擬工況庫。應(yīng)用流域Simuwater模型，模擬不同工況下排水系統(tǒng)運(yùn)行情況，以CSO作為目標(biāo)函數(shù)，片區(qū)內(nèi)澇量為邊界條件，管道、泵站轉(zhuǎn)輸能力、智能分流井閘門開度、調(diào)蓄池調(diào)蓄量、污水廠處理能力等為控制條件，用遺傳算法進(jìn)行多周期預(yù)測生成由可控設(shè)施及其相關(guān)排水設(shè)施的液位值與設(shè)施啟閉關(guān)系構(gòu)成的優(yōu)化策略，形成優(yōu)化策略庫。在優(yōu)化策略實(shí)施時，可根據(jù)相關(guān)設(shè)施液位計(jì)實(shí)測監(jiān)測數(shù)據(jù)替代部分與既有模擬預(yù)測不符的排水設(shè)施當(dāng)前狀態(tài)模擬值，再進(jìn)行進(jìn)一步尋優(yōu)后替代原優(yōu)化策略。應(yīng)用流域Simuwater模型，模擬不同工況下排水系統(tǒng)運(yùn)行情況，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制目標(biāo)和可控設(shè)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(shè)施空間利用率和時序合理性，最大程度發(fā)揮設(shè)施價(jià)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(shè)置可控設(shè)施啟閉液位規(guī)則可預(yù)先空出排澇設(shè)施，強(qiáng)化雨天運(yùn)行功能，進(jìn)一步緩解上游片區(qū)內(nèi)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(diào)蓄池負(fù)荷、乙調(diào)蓄池負(fù)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(jìn)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(nèi)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(yuǎn)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(shè)施控制規(guī)則分配空間水量，避免廠前溢流等污染物轉(zhuǎn)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(jié)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(dá)39%。

利用Simuwater模型，將前文所述優(yōu)化調(diào)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(yùn)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(diào)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(zhì)增效后優(yōu)化策略效果分析

提質(zhì)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(diǎn)安全液位的基礎(chǔ)上延緩各截流井溢流開啟時間，增加調(diào)蓄池使用效率及污水處理廠進(jìn)水總量；降雨后以污水處理廠處理能力為條件，盡快開啟調(diào)蓄池排空泵站為下一場降雨做準(zhǔn)備。優(yōu)化策略實(shí)施后該場大雨流域可削減64%的溢流量。

4 結(jié)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(nèi)澇的角度出發(fā)，在排水系統(tǒng)運(yùn)維調(diào)度層面進(jìn)行不同建設(shè)階段、不同降雨工況下廠池站網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度策略分析，實(shí)現(xiàn)流域級排水系統(tǒng)聯(lián)排聯(lián)調(diào)策略的探索。該運(yùn)行策略主要是通過空間水量調(diào)配減少流域合流制溢流總量，從而達(dá)到流域排水系統(tǒng)污染負(fù)荷排放總量的削減目標(biāo)，為城市排水系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度實(shí)施提供借鑒意義。隨著水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)，排水系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度方案將逐步以水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為控制邊界條件形成優(yōu)化策略，進(jìn)一步緩解流域水環(huán)境污染的情況。