基于水力模型的大型污水干管运行优化研究

吴 佳，丁 敏

（上海市城市排水有限公司，上海市 200233）

0 引 言

随着城市建设日新月异的发展以及环境要求的不断提高，城市污水量分布不断变化以及城市排水设施运行产生的更新、改造等问题，都使得各污水总管服务范围与承接水量发生了较大的变化，现有排水设施的运行和管理也面临新的挑战。从城市发展、民生环境提升的角度来看，亟需对“泵站——管道——系统”全方位、多角度的提升对污水输送干管进行评估。近几十年，随着计算机模型技术的迅猛发展，排水管网水力模型技术越来越成熟，已被广泛应用于城镇排水管网运行管理和优化工作中[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苏州河环境综合整治一期工程的延续。它填补了城市化地区排水系统的空缺；对完善市区排水系统的骨架，提高污水系统的收集率、处理率及现有设施的利用率，改善城市水环境发挥了核心作用。加强和提高大型污水干管管理的综合服务能力和综合管理水平，保障污水干管安全运行和节能减排，对进一步提升城市水环境质量至关重要。本文利用先进的计算机水力模型技术，对污水三期B块干管的运行调度方式进行优化和验证，充分发挥现有大型污水设施的效能，以达到旱天污水输送安全可靠、节能减排，雨天减少合流污水放江量的目的，为其他城市和地区的大型污水干管优化运行管理提供参考和借鉴。

1 工程概况

污水治理三期工程于2003年12月正式开工，2007年建成通水。主要由污水总管系统、竹园第二污水处理厂和污水收集系统等子项目组成。设计主要收集宝山及附近地区、虹口和杨浦地区的合流污水和生活污水，根据地块所处的位置，工程分为A块和B块两部分。

B块主要收集苏州河以北、黄浦江以西、合流一期工程服务范围以南地区合流污水和生活污水，设计规模50万m3/d，服务面积37.33 km2，服务人口93.56万人，由于该地区部分为合流制系统，合流制系统截流倍数为1.5～3倍。B块地区污水由两部分组成，其一为虹口港、杨浦港地区旱流污水截流工程所收集的污水；其二为佳木斯泵站提升的杨浦港以东地区的截流污水，另外包括翔殷路以北民星地区的污水。

污水三期B块干管自两港截流预留接口政本路起，沿国顺路、翔殷路至军工路，接纳由佳木斯泵站提升的杨浦港以东地区的截流污水，然后沿军工路向北接纳民星地区污水，经嫩江路过黄浦江后，经浦东北路泵站提升后，输送至竹园第二污水厂进水泵房，经进口泵站再次提升后，最终进竹园第二污水处理厂，经处理后深水排放长江。管道总长14.46 km，管径Φ2 200～Φ3 500，干管从两港污水截流工程中途泵站至竹园第二污水厂全线采用压力流。污水三期B块干管走向如图1所示。

图1 污水三期B块干管走向

近年来，随着虹口区和杨浦区的大力开发，污水三期B块服务区域发生了人口增长和产业结构调整的变化，导致干管污水量不断上升，且污水量分布也发生了较大变化，污水量由原先的近40万m3/d增加至近50万m3/d。

2 污水三期B块干管水力模型

研究采用InfoWorks ICM排水管网模型软件搭建了污水三期B块干管及截流泵站的水力模型。建模前期收集、整理、分析了大量管网的基本属性数据、设计资料和竣工资料，包括干管、支线、中途提升泵站、支线泵站和竹园第二污水处理厂进厂泵站等；服务范围内的地形地貌和人口数据；各中途提升泵站、支线泵站和竹园第二污水处理厂进水泵站近数年的运行数据、雨量数据等。

污水三期B块干管模型建立范围由两部分组成，其一为虹口港、杨浦港地区旱流污水截流工程总管及其海伦路支线、梧州路支线、临平路支线、保定路支线、兰州路支线的服务范围，其二为污水三期B块总管及军工路支线服务范围。污水三期B块干管水力模型如图2所示。

图2 污水三期B块干管水力模型

在分析近几年实测运行数据的基础上，选取具有代表性的旱天和雨天历史运行数据，针对污水干管的输送量和主要提升泵站的集水池水位对模型进行率定与验证，主要控制点为两港中途泵站和浦东北路泵站，通过调整模型参数使模型与真实情况尽量吻合，以保证模型的实际应用精度。

3 干管主要存在的问题

对比干管原设计工况，通过对干管的典型旱天和雨天现状运行情况进行分析，评估干管的现状运行状态和能力，主要存在以下几点问题：

（1）近年来随着服务范围内的人口、产业结构调整，干管旱天输送量由原先的近40万m3/d增加至近50万m3/d，已接近饱和。

（2）受用水量变化的影响，干管的输送量呈昼多夜少，输送污水水量不均匀，峰值时，易造成下游污水处理厂产生溢流，亟需优化运行模式以杜绝旱天污水溢流。

（3）干管服务范围内大多数为合流制系统，总管设计时考虑到初期雨水截流能力，其管径较大，导致旱流期间流速过慢，管道淤积严重，雨天管道内流速增大，管道内沉积物容易泛起导致放江污染水体。

基于上述主要存在的问题，该研究利用模型模拟对现状运行模式提出优化方案。

4 旱天运行优化方案

4.1 旱天现状运行情况

浦东北路泵站旱天采取超越模式，污水三期B块干管旱天峰时流量情况下，干管全程为满管压力流，两港中途泵站上游管道内最高水位在0.4 m左右，两港中途泵站下游管道内最高水位在6.4 m左右，干管末端竹园二厂进水泵站最高水位在3.7 m左右，干管的水力坡降线较为平缓，如图3所示。

图3 干管旱天运行纵断面图

利用模型污水三期B块干管旱天运行最大流速进行了分级显示，如图4所示，除两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，容易产生淤积，降低管道的输送能力。

4.2 旱天节能模式

根据实际运行经验，水泵处于高水位时运行，可节省能耗，并避免频繁启停对水泵和电机造成的损害。旱天节能模式将通过提高节点泵站运行水位，干管在高水位运行，实现节能目标。污水三期B块节点泵站节能模式水位控制见表1。

图4 干管旱天运行流速分布图

表1 节点泵站运行水位（节能模式）

污水三期B块干管在旱天节能模式下运行，管道基本都处于满管压力流状态，两港中途泵站上游最高水位0.8 m左右，模拟污水三期B块节点泵站水位变化曲线如图5所示，两港中途泵站出水高位井水位控制在6.3 m以下。浦东北路泵站集水池水位控制在4.8 m以下，竹园二厂集水池水位控制在4 m以下。如图6所示，污水三期B块干管流速较现状运行模式有所提升，可减少管道淤积情况。但由于干管水位偏高，可能存在高峰流量时污水溢流的风险。

图5 节点泵站水位变化曲线（节能模式）

图6 干管旱天运行流速分布图（减排模式）

4.3 旱天减排模式

通过降低污水三期干管运行水位，增加系统的管道调蓄空间，缓解峰值流量对干管运行带来的冲击，消除旱天峰值流量时污水溢流的现象。污水三期B块节点泵站减排模式水位控制如表2所示。

表2 节点泵站运行水位（减排模式）

模拟表明，处于高峰流量时，两港中途泵站上游干管最高水位控制在-1.2 m以下，两港中途泵站下游的水力坡降线较平缓。如图7所示，两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。浦东北路泵站集水池水位控制在1.8 m以下，竹园二厂集水池水位控制在1.1 m以下。两港中途泵站和竹园二厂进水泵房基本保持2台泵机持续运行。

图7 节点泵站水位变化曲线（减排模式）

4.4 旱天运行方案推荐

根据上述模拟分析，旱天节能模式下，水位偏高，可节约能耗、减少管道淤积情况，但存在高峰流量时污水溢流风险。旱天减排模式下，水位偏低，消除旱天峰值流量时污水溢流的现象，但低水位运行流速偏缓，容易造成淤积。综合两种模式的优点，针对干管输送量不均匀，呈昼多夜少，推荐旱天白天采用减排模式，夜间采用节能模式，以达到削峰填谷、均化水量、消除溢流、减少淤积、节能降耗等目标。

5 雨天运行优化方案

污水三期B块干管不但承担着服务范围内污水收集的任务，同时还承担着截流初期雨水，改善城市水体环境的重要任务。本研究通过模型模拟，针对不同降雨强度情况下，评估干管现状运行模式及其安全保障程度；以增加初期雨水截流量为目标，研究运行优化措施，进一步挖潜污水干管的截流能力。

研究选取不同降雨强度历史运行数据进行模型模拟，对污水三期B块干管的现状雨天运行工况进行安全评估，模拟结果如下：

（1）在小雨（降雨强度≤5 mm/hr）情况下，两港中途泵站开启4台泵，浦东北路泵站开启2台泵，两港中途和浦东北路泵站出水高位井均未达到溢流水位，干管运行情况良好。干管服务范围内未发生放江现象。

（2）在中雨（降雨强度≤10 mm/hr）情况下，两港中途泵站开启5台泵，浦东北路泵站开启3台泵，两港中途和浦东北路泵站出水高位井均未达到溢流水位。干管服务范围内沿线合流泵站仅大定海泵站出现放江现象。

（3）在大雨（降雨强度≥10 mm/hr）情况下，两港中途泵站开启6台泵，浦东北路泵站开启3台泵，通过运行调度，两港中途和浦东北路泵站出水高位井均未达到溢流水位，干管可安全运行。干管服务范围内沿线合流泵站基本都开启雨水泵，快速排放大雨径流，发挥防汛泵站作用，保障地区防汛安全。

根据现状雨天运行工况模拟结果表面，当降雨强度小于10 mm/hr时，污水三期B块干管有能力承受地区的初期雨水截流，服务范围内的防汛泵站基本不放江；当降雨强度超过10 mm/hr时，地区防汛泵站开始放江。研究通过模型模拟优化干管节点泵站的运行工况，降低管道水位，进一步增加管道的调蓄空间、削减降雨径流峰值的效果，可减少放江量约10%，达到了雨天安全运行、提高防汛安全、减少污染物排江、改善城市水体的目标。

6 结 论

该研究利用InfoWorks ICM软件建立了污水三期B块干管水力模型，并进行了率定验证，分别对旱天、雨天现状工况进行模型模拟和评估分析，并提出了运行优化方案，以达到提高污水干管旱季运行安全平稳和节能减排、雨季确保防汛安全和减少合流污水放江的效果，具体结论和建议如下：

（1）针对干管输送量不均匀，呈昼多夜少，流速较缓容易淤积的情况，提出旱天白天采用减排模式，夜间采用节能模式，以达到削峰填谷、均化水量、消除溢流、减少淤积、节能降耗等目标。

（2）当降雨强度小于10 mm/hr时，污水三期B块干管有能力承受地区的初期雨水截流，服务范围内的防汛泵站基本不放江。

（3）当降雨强度超过10 mm/hr时，干管服务范围内的防汛泵站开始放江。研究提出优化干管节点泵站运行工况，降低管道水位，以达到增加管道的调蓄空间、削减降雨径流峰值的效果，可减少放江量约10%。