浅析水力模型排水系统规划设计的要求

　　一、研究区域
　　港前路是某市H区东西向的主要市政道路，位于DS污水处理系统的东部片区。本次研究区域为DS东部片区，服务面积为1833ha，系统下游干管连接2#污水泵站，经泵站提升送往DS污水处理厂。由于市政道路建设不够完善，片区范围内东西走向主干管只有黄埔东路d800～1200主干管。由于某市“东进”的战略，东部片区的常住人口从2008年的20万增长到2012年的45万，现流经2#泵站的污水量已达到3.5万m3/d，大大超过了黄埔东路主干管的运输能力，导致2#泵站上游管段长时间处于高水位运行状态，造成部分污水从标高较低的溢流口溢流至河涌，污染周边河涌水体，无法发挥排水收集系统应有的效益。根据上述的运行现状，有必要敷设港前路排水管道，收集港前路两侧地块污水，新建一条市政污水主干管，从而减轻黄埔东路已建主干管的压力。新建港前路排水主干管以广江路为界分为东西部分;广江路以东沿港前路敷设d400～500污水管，从广裕码头自西向东接入广江路d500已建污水管。广江路以东沿港前路敷设d500～800污水管，从春园西路自东向西排往2#泵站。
　
　二、模型构建
　　(一)模型构建平台
　　英国Wallingford公司的InfoWorksCS是一个利用计算机构建城市排水管网系统的水力模型。它能够进行多方位的模拟多种情境设计，其中包括主干管、沟渠、逆流和回水的影响、繁杂的管道连接以及繁琐的辅助控制架构等;InfoWorksCS具有自己的计算引擎，能够用于对城市完整水循环的水文模拟，包括城市污水泛溢及污染情况的预测以及水质模拟和沉积物在管网中的转移情况，最多节点数为100000个;InfoWorksCS基于数据库对污水管网数据进行管理，更加安全可靠。因此本研究选用InfoWorksCS软件作为模型构建平台。


　　(二)监测点布设
　　根据排水系统特征和研究目的制定流量监测点。在石化南路主干管和2#泵站前池处安装流量计和液位计，因此获得5组监测数据，分别为石化南路监测点流量、水位、流速数据以及2#泵站前池液位、流量数据。于2011年8月至2011年12月对监测点进行多次、反复实测，对监测数据整体质量做出判断评估，最终确定监测有效时间为2011年11月3日(周四)至2011年11月4日(周五)，共计48小时。
　
　(三)基础数据收集和输入
　　根据2006年某市一期污染源调查、查漏补缺、水利普查等途径获得DS东部片区污水处理系统准确的管网数据，并将其输入模型。结合港前路排水管网规划设计图纸，利用InfoWorksCS软件建立DS排水系统东部片区的水力模型。结合实际情况设置管道水头损失、管道沉积物厚度、单位人口用水量。地下水入渗量和生活污水量合并考虑，根据实测数据得到建模区域旱天污水量24小时变化过程的平均值，作为模型的旱流污水输入。工商流量的确定根据工业区排水标准按工业用地类型，分别估算平均流量。用地类型分类标准和单位计算指标见表1。模型中泵站运行控制规则按现场监测情况通过实时控制库实现。
　
　(四)模型校核
　　建模区域以石化南路监测点总出流流量和水位变化情况作为模型边界，选取2011年11月4日的实测数据进行模型校核。根据所选取监测点的实测监测数据得到模型校核的结果，包括水位、流量、流速三项指标的校核结果。根据《英国排水系统水力模型工程师职业规范》中要求，实测数据与模拟计算值之间偏离程度应满足以下条件：峰值流量和极小值流量时间偏差均小于1小时;峰值流量和总流量数值偏差在±10%以内，则说明模拟值与实测值拟合情况较好。本次模型校核石化南路监测点监测总流量和峰值流量偏差分别为0.19%和0.64%，峰值流量与极小值流量偏差均小于1小时。选取2011年11月3日的实测数据对模型进行验证，验证模拟结果与实测数据的变化规律较为一致。上述结果表明，模型计算结果与实测数据拟合良好，符合模型校核指标要求，DS东部片区模型的建立工作已基本完成，可以作为实际管网运行、优化和改造的依据。


　　(五)设计方案评估
　　基于校核完的水力模型，为了解决黄埔东路主干管高水位运行的问题，通过调整部分泵站运行水位方案以及新建港前路污水主干管，模拟评估港前路规划设计方案实施后能达到的工程效果。根据2#泵站的设计规划调整泵站运行水位方案，水位方案的具体数据见表2。配合港前路规划设计方案以及泵站运行优化，模拟方案实施后，可减少2#泵站上游超负荷主干管长度约4.11千米，从方案运行前的23%减少为5%，能有效缓解黄埔东路主干管的超负荷现状问题。对方案实施前后建模区域内超载管段长度以及过载历时进行对比统计。分析结果表明方案实施后大部分超负荷管段均是由于管道自身的拓扑问题影响了排水系统的运输能力，建议加强管网的养护与管理控制。同时，由于方案实施后降低了管道运行水位，系统旱天污水溢流状况得到较大改善。模拟方案实施后，可减少DS东部排水系统旱天溢流量6622m3/d，对水体环境污染物负荷削减起了重要作用。
　
　三、结语
　　以某市港前路排水系统规划设计为研究对象，利用InfoWorksCS软件建立排水系统水力模型，对排水管网的非恒定流进行仿真模拟，并利用水力模型对规划设计方案实施后的管道负荷和溢流状况进行评估分析，验证方案的合理性和可行性。结果表明，方案实施后可减少超负荷主干管长度4.11千米，减少溢流量约6600m3/d，能有效缓解该区域排水系统的现状问题。