“海绵城市”建设中银川市排水规划设计研究

李付兰

（宁夏环境科学研究院有限责任公司，宁夏银川 750000）

近年来，宁夏银川市为打造“废水减排、管渠排放、蓄排共赢、应急响应”的排水防涝工程体系，积极推进排水防涝设施建设，内涝治理工作取得显著成效，城市排水防涝能力显著提升，但仍存在排水管渠系统设计标准偏低、排水设施建设滞后等问题。为推进海绵城市建设，做好城市排水防涝设施规划建设与城镇老旧小区改造、污水处理设施建设、新型城市基础设施建设的衔接，优化各类工程的空间布局和建设时序安排，本文对银川市排水规划设计进行研究，为构建高效完善的城市排水防涝体系出谋划策，使银川城市建设既有“面子”更有“里子”。

1 研究背景

城市化发展的进程也在不断增速，若市政排水系统设计不科学，将会导致污水排入河道进而污染水体。目前，主要有截流和清源两种治理方案。截流，指在废水排放的末端建设收集设施，将雨水和废水混合收集后送至市政污水处理站，其中所需要的费用主要包括河水补水费用、建设末端收集设施费用及废水处理费等。清源，是指建设两套收集系统，废水进入市政污水处理站处理，雨水通过管网引至河沟中排放，其中所需费用包括清源管网建设费用及废水处理的费用。

目前，银川市的排水系统已有部分的清源的管网体系建设完成，剩余的部分有以下两种方案进行完善：一是采用清源建设方案，补建大量管网，对雨污不分流的管道进行整改分流，建设费用相对较高；二是采用截流建设方案，增加雨水及废水混合收集管网，增强输水能力，若出现强降雨情况，降水量过大，混合水无法及时处理，进入河水中，造成地表水体的污染。

2 研究方法

本文采取清源截流共同建设方案，以废水治理效果（直接进入地表水体的废水量）作为目标函数，以废水治理总费用作为约束条件，建立数学模型对银川市排水规划设计进行研究[1]。各项参数设为：A为研究区面积，y(t)为t月单位面积的降雨量，x(t)为x月单位面积排放的废水量，ξ(t)为地表水体污染指标，D为单位面积枯水期的月平均废水量，g为雨水进入混合水中造成地表水体污染在总降水量中的占比，p为错接率，即所有管道中雨污不分流管道的占比，r为该地区实现清源区域的面积占比，Φ截流倍数。

2.1 废水治理效果模型[1]

清源与截流共同建设，通过对研究区进行调查，确定r的大小，对实现清源的区域，采用清源方案，Φ保持不变；剩余的截流区域采用截流方案，提高Φ。WM(t)设为t时刻直排进入地表水体的废水量，主要包括以下4部分：

（1）截流区域超出Φ直排进入地表水体的废水量：

其中，截流倍数为：

（2）未完成建设清源部分超出截流倍数排入河道的污水量：

其中，清源比例为：

（3）已完成清源建设部分中错接部分污水量：

其中，时刻清源区域的总错接面积为：

（4）已完成清源建设部分中地表径流污染：

综上，时刻直接排入河道的污水总量为：

2.2 废水治理总费用模型

各项参数设为：PΦ为增加一单位的截流水量所需的费用，Pr为单位面积的清源建设费用，Pp为单位面积的错接整改费用，P1为1体积污水处理所需费用，P2为1体积河道补水所需费用，P3为1体积水直接排入地表水体后的治理费用，α为河道月降水量相对一年中降水最少月份月降水量的倍数。

设CBM(t)为0～t月研究区废水治理总费用，包括截流区域建设费用、清源区域建设费用及错接纠错的费用之和：

其中，CBD(t)为0～t月研究区的清源区域建设费用：

Ur(t)为0～t月内整改纠错所占面积，为已建设的清源区域的面积减去第月雨污管道接错的面积：

记VM(t)为该方案下第t月排入河道的总水量：

设CTM(t)为第t月区域的污水处理费用，主要包括以下5个部分：①直接排放进入地表水体污染地表水体的费用；②截流区域废水处理所需费用；③采用清源方案未建设完成区域所需废水处理费用；④已建设完成的清源区域减掉错接面积的废水处理费用；⑤截流区域所需的补水费用。

2.3 最优规划模型

将T设定为规划模型的考察时间，按照相关政策规划等条件取定。以废水治理效果作为目标函数[2]，以治污总费用作为约束条件：

设CM(t)是清源截流同时建设方案下0～t月的总费用：

其中，Ω为0～T月的总预算。

根据清源与截流同时建设方案，通过设定Φ和r变量，最终进行调整优化得到最优方案，确定最优解Φ*和r*，通过式(2)和式(4)，可确定最优方案的截流倍数Φ(t)和清源比例r(t)随时间的变化曲线，依据此科学规划设计排水防涝体系建设。

3 实例模拟仿真

采用2022年宁夏银川市每月降水量数据和排水防涝工程建设费用等数据，利用建立的最优规划模型，模拟仿真2023年至2027年，银川市采用清源和截流同时建设方案时，4 a的污水总量、费用总和Φ与r和关系[3]。

由图1、2可知，和与4 a的废水量总和成反比，与费用总和成正比。为了得到最优的清源比例和截流倍数，根据图2和图1对比得到花费不同费用可排放的最小污水量。

图1 4 a的污水总量（万m3）与φ、r关系图

图2 4 a 总费用（万元）与φ、r关系图

为进一步研究4 a的污水排放总量、总费用r与Φ的关系，固定的取值，做出二者的关系图，如图3、图4所示。由图3分析可知，若Φ不变，r增大，废水排放量的下降速度变小。从边际效用递减的角度分析，当清源比例Δr有相同增量时，污水排放量ΔW的减少量逐渐减少。由此可得出结论：当清源比例越来越大，污水排放量降低的效果越来越差，在实际投入资金约束下，并不需要将清源比例r显著提高。同时，通过仿真发现，当将初始错接率从5%提升至15%时，4 a的污水排放量关于r的变化曲线下凸更加明显，这是由于当错接率较高时，清源比例越大，由于错接排放河道的污染水量越多。所以，如果清源建设面积较大，必须降低错接率。

图3 对固定的φ，4 a的污水总量与r关系图

图4 对固定的φ，4 a总费用与r关系图

相应地，固定r的取值，做出4 a的污水排放总量、总费用与Φ的关系图，如图5、图6所示。分析图5可知，其与图3中变化趋势基本一致，即污水排放总量W与截流倍数Φ之间也存在“边际递减效应”现象，因此在实际投入资金有限的条件下，可不用大幅度提升截流倍数。由图6可知，当Φ=4.18时，r不影响总费用C，C为1212万元，此时清源建设和截流建设费用达到平衡状态，即不论清源比例r是多少，对于费用的增减没有影响，如图6中加粗水平直线所示。

图5 对固定的r，4 a的污水总量与φ关系图

图6 对固定的r，4 a总费用与φ关系图

4 结语

本文从污水排放量、治污总费用等角度，对银川市排水防涝系统采取清源截流同时建设方案建立了数学模型，采用数值模拟方法进行仿真分析。从结果看，在实际投入资金约束下，能够得到最优清源比例和截流倍数，形成最优排水体系建设方案；由于截流倍数、清源比例与污水总量存在“边际效用递减”规律，并不需要将清源比例和截流倍数大幅度提升。同时，该模型具有较强的适用性，针对较大规模排水防涝建设区域，可划分为多个小区域进行类似研究，确定各个区域建设顺序，最终实现最优规划。