案例：流域排水系统提升空间到底有多大
【谷腾环保网讯】受全球气候变化导致的气温、降雨和极端事件的影响，近年来我国城市水体水环境污染加重、城区内涝频发，国家和地方政府对此高度重视，也对城市排水系统的智慧化管控提出严格要求。位于湖南省东北部的岳阳市，北枕长江，南纳三湘四水，环抱洞庭，流域内水系复杂且降雨丰富，流域治理既要考虑非汛期水环境提升目标又要兼顾汛期城区排涝需求，这些挑战对流域排水设施运维管理提出更高要求。面对岳阳市排水系统工程改造后仍存在雨天局部区域反黑反臭的现象，亟需应用联合调度手段进一步保障水体的长制久清。本文以岳阳排水系统设施联调方案为例，根据不同情景下流域治理目标，从“厂-网-站-池”系统治水的角度出发，探讨流域水环境治理和内涝防治背景下的排水系统能力提升方法。
1 研究区域概况
研究区域位于岳阳市主城区西北部，洞庭湖与长江交汇口处，与洞庭湖隔堤相连，东临芭蕉湖流域，南接南湖流域，流域汇流面积为17.3km²，流域内建设有污水处理厂Ⅰ和Ⅱ，设计规模各为5万m³/d，雨季变化系数为1.2。工程建设时序包括环湖截污和提质增效两个阶段，环湖截污后已完成调蓄池及环湖截污干管一期工程，该阶段污水处理厂Ⅱ未运行，污水处理厂Ⅰ的纳污范围包含A、B、C、D共四个片区，片区排水体制以截流式合流制为主。提质增效后部分片区雨污分流工程和外水剥离工程实施完成，该阶段污水处理厂Ⅰ的纳污范围缩减为A、B、C三个片区，D片区污水进入污水处理厂Ⅱ，部分片区排水体制改为分流制。
1.1 环湖截污后厂网站池运行关系
基于研究区域水体水质稳定达标的治理需求，片区开展了沿湖截污管道修建、合流制溢流（CSO）调蓄池工程、排口治理工程等环湖截污系统工程。已建合流制溢流污染体调蓄池工程包括甲调蓄池系统和乙调蓄池系统。其中甲调蓄池系统包括甲调蓄池A、B池和1#、2#、3#截流井；乙调蓄池系统包括乙调蓄池和4#、5#截流井。
甲调蓄池总规模30 000m³，分为A、B两池，规模各15 000m³。服务面积为505.8 hm²，服务范围主要为A和B片区内的合流制区域。乙调蓄池规模5 500m³，服务面积为151.2 hm²，服务范围为D片区的部分合流制片区。研究区域“厂-网-站-池”间拓扑关系见图1。
1.2 提质增效后“厂-网-站-池”运行关系
基于研究区域污水处理厂Ⅰ进厂水质浓度提升的要求，片区在环湖截污系统工程实施的基础上开展了管道修复、管道清淤、道路和地块雨污分流等提质增效系统工程。提质增效后D片区污水纳入污水处理厂Ⅱ进行处理，污水处理厂Ⅰ服务范围缩小。其中A片区及C片区排水体制经雨污分流工程改造后为分流制，B片区部分区域仍保留合流制，经提质增效系统工程污水处理厂Ⅰ纳污范围内旱天外水剥离进厂水量减少、进水浓度提升，为污水处理厂雨天处理更多合流制污水提供条件。调蓄池甲服务范围内合流制排水体制范围缩小，提质增效后“厂-网-站-池”间拓扑关系见图2。
图3 流域联合调度解决方案技术路线
2 技术路线
利用机理模型和控制仿真模型共同完成对“厂-网-站-池”一体化的模拟，通过流域排水系统匹配性分析和系统优化潜力评估，形成优化策略，从而制定排水系统优化调度方案。首先，搭建流域排水系统机理模型，并应用“厂-网-站-池”单体设施监测运行数据进行模型参数率定和结果校核，应用机理模型从设施间离线调度和管网在线调蓄的角度进行现状排水系统优化潜力评估，同时分析出设施敏感指示点作为联合调度方案阈值。进而搭建控制仿真模型，根据不同降雨工况下流域CSO控制和内涝治理目标建立联合调度控制目标，结合上步生成的优化潜力阈值，生成基于不同建设阶段“厂-网-站-池”连接关系的优化控制策略。最后，将控制仿真模型生成的优化控制策略导入机理模型，结合监测数据验证控制策略的有效性和可靠性，并将其校验后的结果作为优化方案核定效果，将各场次最优优化策略收入优化策略库。
3 联合调度解决方案
联合调度解决方案应根据典型年降雨模拟结果，分析不同降雨工况下污水处理厂剩余处理能力、调蓄池使用率、管道最大充满度及系统合流制溢流量，结合优化调度控制目标制定联合调度策略，验证策略可靠性并形成优化调度策略库。本文选取有代表性的降雨场次进行联合调度方案的重点研究并对典型年降雨的优化调度效果进行验证分析。
3.1 模型体系构建
3.1.1 机理模型构建
应用PCSWMM软件进行流域排水管网模型搭建，将流域模型概化为1388个节点，1393根管，2座调蓄池，19个水泵，见图4。机理模型结果与多场降雨监测数据进行率定，纳什效率系数（NSE）均大于0.55，满足方案对机理模型真实性的要求。
3.1.2 控制仿真模型构建
根据流域排水系统的拓扑结构和基础数据，利用中国市政工程华北设计研究总院自主开发的城市水系统控制仿真软件（Simuwater），构建流域控制仿真模型。
Simuwater模型综合机理模型、概念模型，实现排水系统水量水质模拟、控制仿真和策略优化，在保证一定精度的前提下，大幅提高运算速度。通过对比场次降雨及典型年降雨工况下SWMM模型（已参数率定）和Simuwater模型针对各片区合流制溢流量、调蓄池存蓄量及污水处理厂进水量的模拟结果，对Simuwater模型进行参数校正，为进一步保证Simuwater模型可靠性，选取流域重要节点（3#溢流通道）监测数据（流量、水位过程线）与Simuwater模型模拟值进行参数率定，NSE大于0.5。
3.2 研究降雨数据选取
根据优化策略库“一场雨一策略”的研究原则，流域优化策略库除需要评估典型年降雨下的系统优化效果后，还需选取不同降雨等级、降雨强度下有代表性的降雨场次进行优化策略合理性分析。（是否应该先介绍重点降雨场次，然后进行全年分析）在机理模型中，输入岳阳市典型年降雨数据（共75场次降雨），根据不同场次降雨中环湖截污后排水设施运行状态，重点考虑4个片区的溢流量，选取4场降雨（见表1），其中1号场次降雨：调蓄池未充满，但系统已开始出现合流制溢流现象；2号场次降雨：调蓄池未充满，但大部分截流井出现合流制溢流现象；3号场次降雨：甲调蓄池已充满、乙调蓄池未充满，大部分截流井出现合流制溢流现象；4号场次降雨：系统调蓄池全部充满，截流井都出现合流制溢流现象。1号、2号降雨场次调蓄池未充满但系统已经出现合流制溢流现象经模拟分析主要有两个原因：①短时降雨强度较大，超过调蓄池系统的最大进水流量；②系统各路来水水量与单体排水设施处理能力不匹配，比如因短时汇流来水流量急剧增大超过专属泵站提升能力；由于提质增效后，A、B、C片区同场降雨情况下的合流制溢流量明显减少，D片区污水泵入污水处理厂Ⅱ进行处理，从“厂-网-站-池”联动增效的角度出发，本研究不考虑该阶段D片区及其所属调蓄池优化策略的分析。
3.3 不同建设阶段“厂-网-站-池”优化潜力评估
3.3.1 环湖截污后
4场降雨情景下污水处理厂及调蓄池的利用情况如表2所示，在前三场降雨中出现不同程度的合流制溢流现象，调蓄池的利用率并没有达到100%。一方面可以认为功能性排水设施有剩余的可利用空间，可以通过提高这些设施的利用率，来减少同样降雨下CSO的溢流量；另一方面需要从排水管网与排水设施之间水量转输关系分析利用这些剩余空间的可行性。4号降雨情景下调蓄池已充分使用，污水处理厂已接近满负荷运行，流域排水设施已无优化运行潜力。
在线调蓄空间的评估是制定优化调度运行策略的基础，通过模拟分析不同降雨情景下管道充满度、排水设施水量转输关系，计算可利用管道在线储蓄空间，分析可控设施上游的合流制箱涵调蓄能力，可以计算出降雨过程中管网的最大在线调蓄能力。同时结合优化前系统运行液位，计算场次降雨条件下的优化提升潜力，模拟计算值初步分析排水系统在线调蓄可行性并结合管道液位数据（调蓄箱涵及上游敏感点管道液位）拟合结果形成管道在线调蓄控制策略。
1号至4号降雨情景下几个可控截流井上游排水管网的平均最大充满度和可调蓄空间如表3所示。
表3 不同降雨下管道在线调蓄量模拟计算
3.3.2 提质增效后
（1）不同降雨情景下功能性设施能力优化潜力评估。提质增效后因污水处理厂Ⅰ旱天处理能力大于来水水量，管道运行液位低于环湖截污后阶段；雨天，甲调蓄池服务范围内部分合流制改为分流制排水体制，经模拟分析得出虽场次降雨下调蓄池使用率降低，但仅4号降雨会产生CSO。表4中污水处理厂Ⅰ剩余处理能力为整场降雨时间下的污水厂的处理能力平均值，在4号降雨发生溢流的时刻，污水处理厂Ⅰ已经满负荷运行。可以通过优化调度策略，使污水厂进水量更加平均，分担降雨峰值时期的来水量，从而更充分地利用降雨前期污水处理厂Ⅰ的剩余处理能力。
（2）不同降雨情景下管网在线调蓄空间评估。1号至3号降雨场次排水系统未发生溢流，故本研究不考虑这三场降雨下的管网优化空间，4号降雨情景下，A、B、C片区的CSO发生在2#截流井和3#截流井，经模拟结果发现因降雨量较大，1#截流井和3#截流井上游管网充满度较高。
根据管网设施关系分析，2#和3#截流井相连，在本场降雨中，3#截流井上游存在可优化空间。根据模拟结果，这部分管道最大充满度平均值为71%，通过计算该段管道还有约14680m³的未充满空间，可用于在线调蓄，进一步减少CSO。
3.4 优化控制策略及效果评估
流域内在建、已建28座可控设施，包括8座截流井，6座污水提升泵站、5座排涝泵站、9座调蓄池及其附属截流井。根据流域系统工程的不同建设阶段、不同降雨情况，结合可控设施控制阈值制定流域模拟工况库。应用流域Simuwater模型，模拟不同工况下排水系统运行情况，以CSO作为目标函数，片区内涝量为边界条件，管道、泵站转输能力、智能分流井闸门开度、调蓄池调蓄量、污水厂处理能力等为控制条件，用遗传算法进行多周期预测生成由可控设施及其相关排水设施的液位值与设施启闭关系构成的优化策略，形成优化策略库。在优化策略实施时，可根据相关设施液位计实测监测数据替代部分与既有模拟预测不符的排水设施当前状态模拟值，再进行进一步寻优后替代原优化策略。应用流域Simuwater模型，模拟不同工况下排水系统运行情况，根据预设的控制目标和可控设施，求解不同工况下的优化策略，形成流域优化策略库。小雨、中雨、大雨时，从系统化、全局化的层面提高排水设施空间利用率和时序合理性，最大程度发挥设施价值，优化利用率，减少合流制管网溢流。大雨、暴雨、大暴雨时通过合理设置可控设施启闭液位规则可预先空出排涝设施，强化雨天运行功能，进一步缓解上游片区内涝情况。
3.4.1 环湖截污后优化策略效果分析
利用Simuwater模型策略优化功能，以污水处理厂Ⅰ的净化能力、甲调蓄池负荷、乙调蓄池负荷、截流井井室液位、上游管网充满度为条件，制定溢流通道闸门、污水处理厂Ⅰ进水通道闸门、提升泵站的优化规则。在保证1#、2#、3#截流井上游管道不发生内涝的前提下，减小1#、2#、3#截流井溢流入水体水量。此外考虑到环湖截污阶段D片区污水远距离输送的情况，需要从雨天各片区来水流量分配的角度出发，合理制定可控设施控制规则分配空间水量，避免厂前溢流等污染物转移的现象发生。
Simuwater优化模型及SWMM原始规则模型中ABC片区、D片区的总溢流量如表6所示。
结果表明，Simuwater模型的优化规则对四场模拟降雨流域总溢流量均有明显的削减，其中两场中雨已无CSO，大雨最高削减比例可达39%。
利用Simuwater模型，将前文所述优化调度策略纳入控制规则，同样完整模拟典型年降雨过程，与原始运行规则对比各季度流域主要溢流通道的溢流量均有不同程度的下降，如图6。
经模拟分析通过优化控制后典型年流域总体溢流量下降18.4%，各季度分别下降15.0%，40.1%，3.5%和1.9%。根据降雨资料分析，第二季度降雨事件中小雨、中雨及大雨场次数量及比例明显大于其他季度，经模拟分析得出排水管网对非极端降雨过程的优化调度效果明显优于极端降雨事件，故第二季度溢流量削减效果最佳，见图7。
3.4.2 提质增效后优化策略效果分析
提质增效后经模拟分析原始控制规则仅4号降雨产生CSO，在降雨中保障上游易涝点安全液位的基础上延缓各截流井溢流开启时间，增加调蓄池使用效率及污水处理厂进水总量；降雨后以污水处理厂处理能力为条件，尽快开启调蓄池排空泵站为下一场降雨做准备。优化策略实施后该场大雨流域可削减64%的溢流量。
4 结语
本文从提升流域排水系统效能，减少流域合流制溢流和缓解内涝的角度出发，在排水系统运维调度层面进行不同建设阶段、不同降雨工况下厂池站网的运行调度策略分析，实现流域级排水系统联排联调策略的探索。该运行策略主要是通过空间水量调配减少流域合流制溢流总量，从而达到流域排水系统污染负荷排放总量的削减目标，为城市排水系统联合调度实施提供借鉴意义。随着水质在线监测设备的研发，排水系统联合调度方案将逐步以水质监测数据作为控制边界条件形成优化策略，进一步缓解流域水环境污染的情况。
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