龐 紅 璐， 郝 韶 楠

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

城市排水系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，對(duì)居民居住環(huán)境有著重要的意義[1]。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的加快，城市污水量隨之增加，現(xiàn)狀排水系統(tǒng)已無(wú)法滿足當(dāng)前發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)的需求，因此，對(duì)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估和診斷具有十分重要的意義。對(duì)于排水方案的評(píng)估與診斷常采用傳統(tǒng)分析方法，與之相比，數(shù)學(xué)模型分析具有速度快、效率高、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，分析計(jì)算更加精準(zhǔn)[2-3]。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的模型主要包括Infoworks ICM[4-6]、Mike Urban[7-8]、SWMM[9-10]等。其中Infoworks ICM功能最為齊全，可實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)與河網(wǎng)系統(tǒng)的耦合，能較為真實(shí)地模擬地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表受納水體之間的相互作用，且擁有強(qiáng)大的前后處理能力，已廣泛地應(yīng)用于排水系統(tǒng)現(xiàn)狀評(píng)估、城市內(nèi)澇積水模擬及城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析等。

1 研究區(qū)域——獅嶺村

獅嶺村位于廣東省佛山市南海區(qū)獅山鎮(zhèn)西北部，總面積約13.58 km2。獅嶺村現(xiàn)狀污水收集管網(wǎng)覆蓋率不高，生活污水和工業(yè)廢水大多直接排入河道，造成周邊河道水體黑臭，影響城市環(huán)境。除部分主干市政道路為分流制外，區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀基本為合流制排水體制。獅嶺村西片區(qū)為獅嶺村管網(wǎng)相對(duì)獨(dú)立的一個(gè)區(qū)域，存在大量管網(wǎng)空白區(qū)，污水直接排入附近的水塘渠系，主要問(wèn)題是污水收集系統(tǒng)不完善。

2 模型構(gòu)建

2.1 Infoworks ICM模型

Infoworks ICM模型是由英國(guó)Wallingford軟件公司開(kāi)發(fā)的排水模型，是首款實(shí)現(xiàn)在單個(gè)模擬引擎內(nèi)將城市排水管網(wǎng)及河道的一維水力模型同城市/流域二維洪澇淹沒(méi)模型、海綿城市的低影響開(kāi)發(fā)系統(tǒng)(包括雨水資源的利用)模擬、洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等有機(jī)整合的軟件。Infoworks ICM可以實(shí)現(xiàn)城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型與河道模型的整合，更為真實(shí)地模擬地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表受納水體之間的相互作用[11]。多應(yīng)用于城市排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀評(píng)估、改造規(guī)劃和新建城市化排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃等方面[12]。

Infoworks ICM排水模型主要包括水文模型、水力模型和綜合模型三類，其中水文模型主要是模擬降雨的匯流過(guò)程；水力模型主要是模擬坡面和雨污水管網(wǎng)中流速、流量等水力要素的變化；綜合模型則是水文和水力模型的結(jié)合，應(yīng)用于雨污水中污染物的排放和傳輸規(guī)律的模擬運(yùn)用。

2.2 排水模型構(gòu)建

2.2.1 基本信息導(dǎo)入

利用ICM模型構(gòu)建獅嶺村污水系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立的西片區(qū)的排水模型。在基本信息導(dǎo)入模型之前，需要對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，轉(zhuǎn)換為ICM模型可以識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，如CSV、shapefile等。本研究以前期勘察摸排數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)換為CSV格式文件進(jìn)行導(dǎo)入。導(dǎo)入的文件基本信息包括管道上下游的高程、管道形狀、管徑、管道系統(tǒng)類型、流向、檢查井坐標(biāo)、井地面高程等數(shù)據(jù)。

2.2.2 管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢查及簡(jiǎn)化

利用ICM模型中的“新縱斷面”或者“選擇對(duì)象的縱斷面視圖”工具，對(duì)管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行修改、檢查和完善，并在翔實(shí)的管網(wǎng)摸排數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，如刪除雨水篦子和小區(qū)內(nèi)部管線等，但需要注意的是，要保留小區(qū)出戶管。對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化的目的，是對(duì)污水系統(tǒng)進(jìn)行瘦身，降低模型計(jì)算工作量，提高模型計(jì)算速度。

2.2.3 集水區(qū)劃分

集水區(qū)包括雨水分區(qū)和污水分區(qū)兩大類。雨水分區(qū)的劃分，是根據(jù)下墊面類型和管道走向進(jìn)行初步劃分，隨后可借助ICM工具生成泰森多邊形，該區(qū)域共劃分雨水分區(qū)317個(gè)，最小雨水分區(qū)60 m2，最大雨水分區(qū)1 249 680 m2；污水分區(qū)需結(jié)合居民點(diǎn)進(jìn)行劃定，根據(jù)污水管線分布及走向，通過(guò)“連接性”字段分別指向附近的污水管或者就近散排到河網(wǎng)中。

2.2.4 基本參數(shù)設(shè)置

獅嶺村西片區(qū)約有5 230人，根據(jù)人口密度，給予每個(gè)污水分區(qū)人口；人均綜合生活用水量取270 L/(人·天)，日均旱流污水量按照日均用水量的85%進(jìn)行折算，污水定額為229.5 L/(人·天)。

3 市政工程設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 現(xiàn)狀污水系統(tǒng)問(wèn)題診斷

市政污水管網(wǎng)屬地下隱蔽工程，建設(shè)過(guò)程中通常是分片區(qū)和分期實(shí)施，由于建設(shè)時(shí)序不同，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，通常難以準(zhǔn)確掌握地下污水管網(wǎng)數(shù)據(jù)。通過(guò)各種途徑收集得到的管網(wǎng)數(shù)據(jù)類型多樣，常見(jiàn)的有CAD設(shè)計(jì)圖紙、竣工圖、勘探圖、excel表格等，數(shù)據(jù)的質(zhì)量也參差不齊，且對(duì)勘探過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)質(zhì)量問(wèn)題無(wú)法直觀判斷[13]。Infoworks ICM 軟件可對(duì)現(xiàn)狀管網(wǎng)進(jìn)行初步的診斷和分析，如利用SQL工具可快速識(shí)別出系統(tǒng)中混、錯(cuò)接的數(shù)量和位置，利用縱斷面檢查工具可識(shí)別管道是否存在大管接小管、逆坡等不合理的區(qū)域，并針對(duì)該區(qū)域優(yōu)先復(fù)勘摸排，為勘察摸排提供重點(diǎn)工作范圍，減少摸排工作量，同時(shí)根據(jù)摸排數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)狀管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核修正，使管網(wǎng)模型與真實(shí)情況更為接近。

3.2 規(guī)劃污水管網(wǎng)截污效果評(píng)估

獅嶺西片區(qū)面積約4.6 km2，居住人口約5 230人，污水管網(wǎng)建設(shè)長(zhǎng)度約3.60 km，管網(wǎng)密度為0.78 km/km2，存在大量管網(wǎng)空白區(qū)，污水多直排入附近的溝塘渠系。根據(jù)源頭污染物的產(chǎn)生量以及末端管網(wǎng)污染物的通量，評(píng)估該片區(qū)污水管網(wǎng)截污效果。經(jīng)估算，旱季源頭污染物產(chǎn)生量COD、氨氮、總磷約為9 562.71 kg/30 d、956.26 kg/30 d、127.47 kg/30 d，末端污水管網(wǎng)通量約為2 516.42 kg/30 d、265.53 kg/30 d、37.21 kg/30 d，污水截污率較低，約為26.31%。

規(guī)劃工況下，新建污水管網(wǎng)約5.34 km，完善現(xiàn)有截污工程，填補(bǔ)現(xiàn)狀管網(wǎng)空白區(qū)，大大降低了污水直排入河的水量，規(guī)劃工況下，旱季污水截污率可達(dá)到94.87%，截污效果顯著。現(xiàn)狀及規(guī)劃工況獅嶺西片區(qū)污水收集率見(jiàn)表1。

3.3 污水管網(wǎng)輸水能力評(píng)估

管道的負(fù)荷狀態(tài)指管道內(nèi)水流的充滿程度，Infoworks ICM定義“超負(fù)荷狀態(tài)”來(lái)反映管道的負(fù)荷狀態(tài)[14]。本文選取3個(gè)超負(fù)荷狀態(tài)的閾值(0.8，1，2)對(duì)管網(wǎng)輸水能力進(jìn)行評(píng)估，超負(fù)荷狀態(tài)閾值表示的含義見(jiàn)表2。

表2 超負(fù)荷狀態(tài)閾值表示的含義

規(guī)劃工況下，污水管道超負(fù)荷狀態(tài)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。當(dāng)S<0.8時(shí)，運(yùn)行的管道比例為82.97%，具有應(yīng)對(duì)水量變化的能力，排水高峰期污水溢流風(fēng)險(xiǎn)低；當(dāng)0.8≤S<1時(shí)，運(yùn)行的管道比例為2.72%，滿載運(yùn)行的管道比例為14.60%，主要是由于下游管道過(guò)流能力限制而導(dǎo)致的超負(fù)荷；區(qū)域不存在管道流量大于管道設(shè)計(jì)能力而導(dǎo)致超負(fù)荷的情況。管道最不利情況和超負(fù)荷斷面示意圖分別見(jiàn)圖1、2。

表3 污水管道超負(fù)荷狀態(tài)統(tǒng)計(jì)

圖1 管道最不利情況

圖2 超負(fù)荷斷面示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)獅嶺村西片區(qū)管網(wǎng)、截污系統(tǒng)以及過(guò)流能力進(jìn)行系統(tǒng)的研究，為該區(qū)域日后污水管網(wǎng)的運(yùn)行管理和未來(lái)管線規(guī)劃設(shè)計(jì)提供模型依據(jù)。

(1)采用Infoworks ICM 模型構(gòu)建獅嶺村西片區(qū)管網(wǎng)模型，通過(guò)模型檢查工具，可清晰直觀的對(duì)現(xiàn)狀管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)鍵問(wèn)題診斷，為現(xiàn)場(chǎng)勘察摸排階段提供優(yōu)先復(fù)勘點(diǎn)，降低摸排工作量。

(2)現(xiàn)狀污水管網(wǎng)系統(tǒng)存在大量管網(wǎng)空白區(qū)，旱季截污率較低，僅為26.31%，規(guī)劃截污工程順利完工的情況下，旱季污水截污率可達(dá)到94.87%，大大降低了污水直排入河的水量。

(3)規(guī)劃工況下，約82.97%的管道充滿度小于0.8，具有應(yīng)對(duì)水量變化的能力，排水高峰期污水溢流風(fēng)險(xiǎn)較低；約17.30%的管子應(yīng)對(duì)水量變化的能力較弱，其中14.60%的管子主要是由于下游管道過(guò)流能力限制而導(dǎo)致的超負(fù)荷，不存在管道流量大于管道設(shè)計(jì)排泄能力的情況。