陳云路，李鵬程，丁鈺力

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)

引 言

習(xí)近平書記指出：“良好生態(tài)環(huán)境是最公平的公共產(chǎn)品，是最普惠的民生福祉”。水生態(tài)環(huán)境是生態(tài)環(huán)境的重要組成，河流、湖泊是孕育人類文明搖籃，由于在城市化的快速推進(jìn)中忽視了環(huán)境影響，大多數(shù)城市的水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀與水環(huán)境目標(biāo)相去甚遠(yuǎn)，亟需改善。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國城市河道中約40%存在不同程度的黑臭現(xiàn)象，水環(huán)境質(zhì)量差、水生態(tài)受損重、環(huán)境隱患多等問題十分突出，不利于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。2015年4月國務(wù)院發(fā)布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(以下簡(jiǎn)稱水十條)，要求到2020年，全國水環(huán)境質(zhì)量得到階段性改善；2030年，全國水環(huán)境質(zhì)量總體改善，水生態(tài)系統(tǒng)功能初步恢復(fù)。為貫徹中央部署，各部委先后印發(fā)《對(duì)部分城市黑臭水體實(shí)行重點(diǎn)掛牌督辦的通知》、《中共中央國務(wù)院關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》等文件，助力各地打好城市水體治理攻堅(jiān)戰(zhàn)。目前，大多數(shù)城市的旱季污水直排入河現(xiàn)狀已得到有效控制，水環(huán)境質(zhì)量改善的矛盾已轉(zhuǎn)移到面源污染控制上，必要的調(diào)蓄設(shè)施是面源污染控制的關(guān)鍵一環(huán)[1～3]。上海早期建設(shè)的調(diào)蓄池規(guī)模計(jì)算一般采用德國廢水協(xié)會(huì)《ATV128合流污水系統(tǒng)暴雨削減裝置設(shè)置指南》，德國調(diào)蓄容積的計(jì)算主要考慮與流域面積的相關(guān)性問題，但截流規(guī)模計(jì)算實(shí)際與降雨雨型密切，德國公式并不完全適用中國國情。現(xiàn)狀分流制調(diào)蓄池相關(guān)工程的計(jì)算一般按照《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》GB 51174—2017的建議4～8mm，直接取值，缺少取值依據(jù)，整體計(jì)算缺乏合理性?，F(xiàn)階段已有部分研究考慮使用模型工具計(jì)算調(diào)蓄規(guī)模，但其計(jì)算僅僅與長(zhǎng)系列降雨溢流水量控制有關(guān)，未考慮與受納水體的關(guān)系，計(jì)算流程仍難形成邏輯閉環(huán)。

雖然初期雨水和初期沖刷存在不確定性[4～6]，但基于水質(zhì)變化的截留主要依賴于日常管理及在線監(jiān)控手段的發(fā)展，本文主要關(guān)注如何確定調(diào)蓄設(shè)施的規(guī)模，如何高效利用設(shè)施暫不在本文討論。通過調(diào)蓄設(shè)施控制徑流污染時(shí)，一般根據(jù)截流倍數(shù)或毫米數(shù)計(jì)算調(diào)蓄容積。截流倍數(shù)與毫米數(shù)從目標(biāo)的角度均可以轉(zhuǎn)換為溢流頻次，以溢流頻次作為指標(biāo)即具有科學(xué)性，又便于百姓理解(一年溢流幾次)，本論文以水環(huán)境質(zhì)量改善為目標(biāo)，以溢流頻次為控制指標(biāo)，研究調(diào)蓄規(guī)模計(jì)算的技術(shù)路線，并以南方某城市典型地區(qū)為例進(jìn)行分析計(jì)算。

1 工具與方法

1.1 分析工具

InfoWorks ICM(Integrated Catchment Management)模型，即城市綜合流域排水模型，是由Wallingford軟件公司于2011年推出的最新版城市排水系統(tǒng)模擬軟件，其模型的適用性已在上海、香港、美國、柏林等[7～10]城市的排水管網(wǎng)系統(tǒng)建模中得到充分驗(yàn)證。InfoWorks為市政給排水提供了別具一格的完整的系統(tǒng)模擬工具，可以準(zhǔn)確、快速地仿真模擬城市水文循環(huán)，進(jìn)行管網(wǎng)的局限性分析和方案優(yōu)化遴選。該模型通常被用于模擬與分析污水系統(tǒng)、雨水系統(tǒng)、合流制排水系統(tǒng)以及地表漫流系統(tǒng)等，例如分析上述系統(tǒng)產(chǎn)生積水的原因，并找出解決問題的方法。

本文借助該模型，以溢流頻次為控制目標(biāo)研究分析城市雨水調(diào)蓄設(shè)施的規(guī)模。

1.2 模型控制方程及算法

1.2.1 明渠非恒定流

模型中的管渠用具有一定長(zhǎng)度的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接來表示。連接和節(jié)點(diǎn)間的邊界類型可為出水口或水頭損失。對(duì)于封閉管道或明渠，Infoworks模型提供了多種預(yù)先定義的橫截面形狀。圓管定義直徑，其他形狀則定義高度和寬度。管渠的坡度由兩端點(diǎn)的底標(biāo)高確定。 管渠可以分配兩個(gè)不同的水力粗糙系數(shù)；一個(gè)粗糙值用于管渠底部三分之一的部分，其余的部分可用另一個(gè)不同的粗糙值。模型也可以為管渠的底部定義一個(gè)永久的沉積物深度；這部分永久沉積物不受沖刷作用和再沉淀。

模型計(jì)算明渠流的基本公式為圣維南方程組。它們是一對(duì)質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒等式。假設(shè)排水管網(wǎng)中的水流視為不可壓縮、無空隙的液體，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在dt 時(shí)段內(nèi)，入流斷面流入和出流斷面流出的水量差應(yīng)等于水體體積的增量，則有

連續(xù)性方程：

(1)

上下游過流斷面間的各種力做功，可以得到上下斷面的動(dòng)量方程為：

(2)

其中Q為流量，A為過水?dāng)嗝婷娣e，Z為水位，Sf為摩阻坡度，g為重力加速度，q為旁側(cè)入流量。

Infoworks模型對(duì)圣.維南方程組求解，其解為圣.維南方程組全解，通常成為動(dòng)力波解，也就是動(dòng)力波法。由于它包括了非恒定明渠流動(dòng)力影響的所有項(xiàng)，考慮了上下游兩個(gè)邊界條件的水流狀況，因此能夠模擬回水對(duì)上游水流的影響，管道中的逆向流、滲入滲出(相對(duì)管道而言)損失及洪峰在管道傳播中的衰減，用該方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬的精度高且適用范圍廣。

1.2.2 壓力流

對(duì)于超負(fù)荷(壓力流)的模擬Infoworks模型采用 Preissmann Slot 的隱式差分方法，能夠仿真各種復(fù)雜的水力狀況，例如模擬水泵、孔口、堰流等的出流情況。這時(shí)需在管頂引入一個(gè)恰當(dāng)?shù)母拍罨恼p，稱為 Preissmann縫。通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)管渠中自由表面流到超負(fù)荷狀態(tài)的平滑過渡。對(duì)于選擇的一些管道可以使用壓力管流模型而非完全求解(圣維南)方程：例如，在模擬上升管或倒虹管時(shí)。模型中壓力管流的基本公式稍有差別，不同之處在于其中的自由表面寬度概念化的用一個(gè)相對(duì)較小的項(xiàng)進(jìn)行替換。因?yàn)閴毫芰髂Ｐ筒粸楣艿蕾x予基流或 Preissmann縫，因此它比完全解(圣維南)模型更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)壓力流態(tài)下的流速等水流狀態(tài)信息。計(jì)算時(shí)，每一個(gè)管渠默認(rèn)等距離(間隔距離為 20 倍管渠直徑)均分成 N 個(gè)離散的計(jì)算點(diǎn)。采用4點(diǎn)Preissmann 方法求解圣維南方程，其中函數(shù)和導(dǎo)數(shù)用(x,t)空間的4個(gè)拐點(diǎn)的權(quán)重平均值來代替，差分格式見公式(1)，具體線性化方程的步驟如下：

(3)

展開連續(xù)方程：

(4)

(5)

第n個(gè)時(shí)間層的變量(流量和水位)其實(shí)是已知量(初始條件)，因此不知道的量，也就是真正的未知量是第n+1層的各個(gè)網(wǎng)格的流量和水位。所以我們可以把方程(5)改寫成如下的形式：

(6)

同理，用差分格式展開動(dòng)量方程得到：

(7)

同連續(xù)方程一樣的方法，把動(dòng)量方程的未知量(上標(biāo)為n+1的)寫在一邊，得到下面的方程:

(8)

其中

因?yàn)榉匠?6)和方程(8)的左邊都是n+1時(shí)間層的未知數(shù)，為了書寫方便，可以省去n+1這個(gè)上標(biāo)，讓我們把公式(2)、(3)，也就是用preissmann隱式差分格式離散好的連續(xù)方程和動(dòng)量方程寫在一起如下：

Qj+1-Qj+CjZj+1+CjZj=Dj

(9)

GjQj+1+EjQj+FjZj+1-FjZj=Φj

(10)

至此，完成了 preissmann差分格式把偏微分方程組改寫成了線性的代數(shù)方程組，下面用追趕法求解上述線性代數(shù)方程組即可。

1.3 分析方法

按照以下步驟，以溢流頻次為控制目標(biāo)，建議計(jì)算機(jī)模型，對(duì)調(diào)蓄池規(guī)模進(jìn)行論證：

1.3.1 以溢流頻次為指標(biāo)，計(jì)算不同調(diào)蓄規(guī)模下豐、平、枯水年份近、遠(yuǎn)期的溢流頻次，溢流水量。

1.3.2 根據(jù)選取地區(qū)相關(guān)研究報(bào)告的成果，判斷溢流場(chǎng)次中真正影響當(dāng)?shù)厮w水質(zhì)的次數(shù)。

1.3.3 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，制作降雨規(guī)?！缌饔绊懰|(zhì)次數(shù)的曲線，尋找效益最大化的調(diào)蓄池規(guī)模。

1.3.4 確定調(diào)蓄池規(guī)模。

1.4 分析地區(qū)特征

1.4.1 徑流系數(shù)

地區(qū)綜合徑流系數(shù)根據(jù)地區(qū)用地性質(zhì)分類以及面積進(jìn)行綜合分析，加權(quán)計(jì)算。地區(qū)近遠(yuǎn)期綜合徑流分析情況根據(jù)地區(qū)規(guī)劃，詳見表1和表2。

表1 近期綜合徑流系數(shù)分析表

表2 遠(yuǎn)期綜合徑流系數(shù)分析表

近期：由于雨水收集范圍大部分不屬于海綿城市近期建設(shè)范圍，因此擬按常規(guī)規(guī)劃控制指標(biāo)取值加權(quán)分析徑流系數(shù)。

遠(yuǎn)期：擬按海綿化改造完成后控制指標(biāo)加權(quán)分析徑流系數(shù)。

則近遠(yuǎn)期綜合徑流系數(shù)如下表所示，近期綜合徑流系數(shù)為0.60，遠(yuǎn)期綜合徑流系數(shù)為0.44。

1.4.2 降雨典型年

南方某城市多年平均降雨量1 150mm，本次研究豐、平、枯水年分別選擇以下典型代表年份的次降雨數(shù)據(jù)。

2005年：總降水量1 350mm，代表平水年；

2016年：總降水量1 899mm，代表豐水年；

2017年：總降水量813mm，代表枯水年。

2 結(jié)果與分析

2.1 Infoworks 地區(qū)排水系統(tǒng)綜合模型建立

基于南方某城市典型地區(qū)截污系統(tǒng)的測(cè)量和管網(wǎng)數(shù)據(jù)，建立地區(qū)截污排水系統(tǒng)綜合模型(包含環(huán)湖箱涵)，模型總平面見圖1。

圖1 南方某城市典型地區(qū)截污排水系統(tǒng)總平面圖

2.2 影響水質(zhì)的溢流水量的確定

水體具有一定的自凈能力，因此在計(jì)算溢流頻次和溢流水量之前，首先需要確定影響地區(qū)水體的溢流水量為多少，只有溢流的污染物負(fù)荷達(dá)到一定程度，次降雨溢流才會(huì)對(duì)受納水體產(chǎn)生影響。根據(jù)國家海洋局第三海洋研究所的相關(guān)研究《岸線調(diào)整后鐘宅灣灣內(nèi)水體開發(fā)數(shù)模試驗(yàn)研究》，當(dāng)每天排入當(dāng)?shù)厥芗{水體的COD總量不高于0.8 t時(shí)，可保證目標(biāo)水體達(dá)到第三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)實(shí)測(cè)雨天溢流COD平均濃度，結(jié)合地區(qū)相關(guān)研究成果，當(dāng)溢流水量小于4 624 m3時(shí)，可認(rèn)為次降雨溢流未影響受納水體水質(zhì)。因此，后續(xù)統(tǒng)計(jì)溢流次數(shù)時(shí)，僅統(tǒng)計(jì)溢流水量大于4 624 m3的溢流場(chǎng)次。

2.3 調(diào)蓄規(guī)模的假定

本次研究調(diào)蓄池的規(guī)模按照5 000 m3、25 000 m3、40 000 m3、50 000 m3、60 000 m3不同規(guī)模進(jìn)行溢流水量及頻次模擬(表3)。

表3 調(diào)蓄池規(guī)模表

2.4 不同工況溢流水量及溢流頻次模擬

根據(jù)模型模擬的結(jié)果，不同工況下的溢流次數(shù)與調(diào)蓄規(guī)模的相關(guān)曲線見圖2(近期工況)與圖3(遠(yuǎn)期工況)。

圖2 近期調(diào)蓄規(guī)模與溢流頻次關(guān)系圖

圖3 遠(yuǎn)期調(diào)蓄規(guī)模與溢流頻次關(guān)系圖

不同降雨條件的年份下，該地區(qū)以現(xiàn)狀土地規(guī)劃，在近期和遠(yuǎn)期都呈現(xiàn)調(diào)蓄規(guī)模越大，溢流頻次控制越強(qiáng)，其中從溢流頻次控制目標(biāo)的角度，近期平水年調(diào)蓄規(guī)模6mm達(dá)到調(diào)蓄效益的拐點(diǎn)，枯水年則在調(diào)蓄規(guī)模8mm時(shí)達(dá)到拐點(diǎn)；遠(yuǎn)期，平水年、枯水年的調(diào)蓄效益拐點(diǎn)均為8mm；豐水年未在模擬中達(dá)到調(diào)蓄效益拐點(diǎn)。

溢流控制的次數(shù)目前尚未有成熟的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)要求。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮，參考國內(nèi)城市的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，溢流頻次一般按照90%降雨場(chǎng)次為控制目標(biāo)。(福州水環(huán)境綜合整治目標(biāo)按90%控制，上海最新的污水規(guī)劃將有調(diào)蓄設(shè)施的地區(qū)雨季溢流發(fā)生次數(shù)少于降雨場(chǎng)次的10%作為規(guī)劃的控制目標(biāo)等等)。

綜合近遠(yuǎn)期不同規(guī)模條件下的溢流次數(shù)(表4)，當(dāng)調(diào)蓄規(guī)模取8mm時(shí)，近、遠(yuǎn)期豐、平、枯年平均可控制約90%降雨場(chǎng)次。

表4 調(diào)蓄池取8mm工況下的溢流頻次統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 論

3.1 應(yīng)用Infoworks ICM模型，針對(duì)典型年份，分析不同調(diào)蓄規(guī)模下的溢流次數(shù)，以控制溢流頻次為目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)調(diào)蓄效益與調(diào)蓄規(guī)模成正相關(guān)，調(diào)蓄規(guī)模為8mm時(shí)可達(dá)到多數(shù)工況下的調(diào)蓄規(guī)模效益的拐點(diǎn)。

3.2 本研究從目標(biāo)水體的水環(huán)境質(zhì)量出發(fā)，首先定義了影響水質(zhì)的溢流水量閾值，考慮海綿改造前后，以及降雨的不確定性等邊界條件，根據(jù)90%降雨場(chǎng)次不溢流為控制目標(biāo)，按照近、遠(yuǎn)期豐、平、枯年的計(jì)算結(jié)果確定調(diào)蓄設(shè)施規(guī)模的最優(yōu)設(shè)計(jì)值。

3.3 本研究可對(duì)相似地區(qū)設(shè)計(jì)調(diào)蓄池規(guī)模提供依據(jù)，也可為其他地區(qū)調(diào)蓄規(guī)模的計(jì)算論證提供參考。