赵 见，周玉文，李文涛,李 伟，刘子龙

(1．北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；2．广州市市政工程设计研究院，广东广州 510060；3．河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018)

水力模型在城市污水管网系统改造中的应用

赵 见1，周玉文1，李文涛2,李 伟3，刘子龙1

(1．北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；2．广州市市政工程设计研究院，广东广州 510060；3．河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018)

利用InfoWorks ICM软件建立污水系统水力模型，对污水管网运行状况进行仿真模拟，在模型计算值与实测数据对比满足校核精度要求的前提下，利用水力模型对改造方案进行验证，保证方案的可行性和合理性。以广州市大坦沙污水系统-石井污水系统调水工程为研究对象，应用水力模型对改造方案实施前后的主干管运行超载状况、污水溢流状况和污水厂运行负荷进行评估分析，为该区域污水系统改造方案的可行性分析提供理论依据。

InfoWorks ICM；水力模型；模型校核；污水管网改造

随着计算机技术的发展，水力模型软件得到了广泛的应用[1]。水力模拟技术是基于一系列水文学、水力学基本原理，以计算机为手段实现降雨、产流、汇流和洼蓄积水等实际物理过程的仿真模拟。排水仿真模拟系统平台集成了地理信息系统技术和水力模型技术，将管网物理属性数据、地理信息系统(GIS)与圣维南方程组、曼宁公式等一系列相关联的水文学、水力学的理论公式抽象出的一整套数学模型，包含节点入流模型和管网转输模型等[2-6]。各模块之间有机结合，是一个时间序列函数组合，可以延时仿真模拟污水管网中真实准确的水流状况[7-8]。

计算机模拟技术结合监测数据预测排水系统旱天及雨天运行状况，根据管网中的过流能力以及水流状况来评估设计方案的可行性，从而避免设计方案达不到预期效果而造成的损失，提高工程建设的经济效益。同时，利用排水管网计算机水力模型辅助城市排水系统的设计、改造和管理，可以有效提升一个城市市政基础设施建设和管理的服务水平[9]。模型的辅助不但有利于改善系统运行状况，提高排水系统管理的效率，还为排水安全提供保障。

本文以大坦沙污水系统-石井污水系统调水工程为例，应用InfoWorks ICM水力模型技术，以管网的水力运行状况作为评判依据，对改造方案进行评估，分析该方案实施后所发挥的效用，为该方案的可行性提供理论依据。

1 项目背景

2010年广州亚运会后，因为大坦沙污水处理系统下游管网过流能力不足，污水在管网中无法得到有效排放等原因，污水开始在石井河及其支涌溢流，河涌又开始发黑、发臭，污浊的水质严重影响了两岸人民的生活环境、生活质量。大坦沙污水处理系统内规划建设的同德围污水处理厂，是用来解决系统北部污水处理问题的。但建设工作受征地拆迁等因素影响，在未来几年才能建成。石井污水处理系统随着收集管道的完善，厂内污水量日渐增加，但按照计划，到2013年，系统内能收到的污水约为10万m3/d，仍有约5万m3/d的富余能力。

综上所述：1)大坦沙系统内现状污水量大于污水处理厂处理能力；2)大坦沙系统污水管网运行于高水位，旱天污水溢流；3)石井污水处理厂工程效益未充分发挥。为尽快解决大坦沙污水处理系统内过量的污水造成的环境污染问题，拟建设本工程，考虑暂时将系统内的污水在满足大坦沙污水处理厂满负荷运行的情况下，将剩余污水调至石井污水处理厂，可在最短时间内解决大坦沙污水处理系统内的污染问题，改善环境质量。

工程新建DN1000管道，通过9号泵站用压力流管将污水调至石井系统，压力管自9号泵站出发沿石井河、均禾涌东侧堤岸、穿越京广铁路、白云湖东侧绿化带和现状路敷设，接入华南北路DN2600石井厂进厂主干管。整个设计方案的管道布局如图1所示。

图1 改造方案管道布置平面图Fig.1 Piping layout plan of transformation program

2 模型构建

2.1InfoWorksICM模型

InfoWorks ICM采用带有图形分析功能的关联数据库，集成了资产规划管理功能，提供了一个可以细致、精确模拟雨水、污水收集系统的统一的工作环境。利用时间序列模拟引擎，规划人员和工程师可以针对排水系统或其相关的污水系统的关键要素作出快速、精确、稳定的模拟，预测系统的工作状态或降雨后对环境造成的影响；另外，InfoWorks ICM 软件可以完整地模拟排水管道各种复杂连接及复杂的排水构筑物设施等[10-12]。

2.2模型基础数据的收集和录入

通过2006年广州市一期水污染源调查项目、查漏补缺项目以及水利普查项目，为建模区域管网系统结构、连接性提供最新数据，同时也为系统污染源入流分析提供基础，把这些数据输入InfoWorks ICM模型建立该片区的排水系统模型。

地下水入渗和管道沉积物参数参照实际CCTV，QV等调查数据进行设置，同时通过管线抽查和人为评估进行验证补充。结合实际情况设置管道水头损失和单位人口用水量。工商流量的确定是根据工业区排水标准，按工业用地类型分别估算平均流量。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。根据实测数据得到建模区域旱天污水量24 h变化过程的平均值，作为模型的旱流污水输入。

2.3监测点布置

根据管网系统自身的特点和本次研究的目的制定监测方案。本次模拟区域内，共布置1台ISCO流量计，另外3处泵站(西湾路1#，2#和9#号泵站)均设置有液位计(监测泵站前池液位变化数据)以及流量计(监测泵站总出流流量变化数据)，因此一共有5组数据可用来模型校核，分别为监测点流量、水位、流速数据以及泵站液位数据。其中4组数据作为模型边界条件参与初始设置，1组用来模型校核，该组包括监测点流量、水位、流速数据以及1#，2#泵站前池液位、流量数据。本次监测有效时间段为2013-09-21T00：00至2013-09-22T 00:00，共计24 h。

2.4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。根据所选取监测点的水位、流量、流速3项指标及1#,2#泵站前池液位、流量实测监测数据得到模型的校核结果，模型校核结果分别如图2—图4所示，数据对比如表1所示。

图2 监测点水位、流量、流速实测数据与模拟值对比Fig.2 Comparison of monitoring data and measured data of water level, yield and speed for monitoring points

图3 1#泵站前池液位、流量实测数据与模拟值对比Fig.3 Comparison of monitoring data and measured data of forebay water level and yield for 1# pump

图4 2#泵站前池液位、流量实测数据与模拟值对比Fig.4 Comparison of monitoring data and measured data of forebay water level and yield for 2# pump

表1 实测数据与模拟数据对比

根据《英国排水系统水力模型工程师职业规范》的要求，旱天排水模型需执行2个旱季流量日的修正，其中1天可用于模型调整，另一天数据用于模型验证。针对各项实测数据和模拟值之间的偏离程度，应满足：峰值流量和极小值流量时间偏差均应小于1 h；峰值流量数值偏差在±10%以内；总流量数值偏差在±10%以内。表1结果表明，峰值流量和监测总流量偏差均在要求范围之内，峰值流量与极小值流量偏差均小于1 h，模型模拟结果与实测数据拟合良好，满足模型校核指标要求，该模型管网可以作为实际管网优化、运行和改造的依据。

3 改造方案评估

基于已完成的旱天校核水力模型，模拟验证调水工程方案实施后能达到的工程效果。经过模型计算分析，方案实施后对大坦沙现状系统的改善主要体现在以下几个方面。

3.1主干管运行超载状况

方案实施后，改善了片区超载状况。方案运行前后大坦沙系统主干管具体超载管道长度统计如表2所示。

表2 方案运行前后超载主干管长度统计表

Tab.2 Statistics of overload main pipe length before and after transformation program

管道工况超载管段长度/km比例/%未超载管段长度/km比例/%方案运行前68.5744.4%85.9855.6%方案运行后32.1120.8%122.4479.2%

由此可见，方案实施后，可减轻原大坦沙系统主干管超载的情况，减少大坦沙超载主干管长度约36.46 km，各区域主干管运行状况均得到改善。虽然改造方案不能完全解决主干管超载问题，但实施后完全达到预期效果。

3.2旱天污水溢流状况

通过调水方案的实施以及部分存在结构缺陷溢流口高程的修正，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。虽然部分主干管运行水位仍然偏高，模拟方案实施后仍存在旱天污水溢流状况，但该方案达到了良好的预期效果。对比方案运行前后大坦沙系统污水溢流点位置如图5所示。

图5 方案运行前后旱天污水溢流点对比图Fig.5 Comparison chart of dry weather sewage overflow point before and after transformation program

模拟方案实施后，可减少大坦沙系统旱天污水溢流量4.39万m3/d，溢流次数从23次/d减少为7次/d，对当地水体环境污染物负荷削减起到了重要的作用。

3.3大坦沙污水处理厂处理水量负荷降低

方案实施后，大坦沙污水处理厂处理水量从61万m3/d降低为57万m3/d，减少了污水处理厂处理负荷。虽仍超过了大坦沙污水处理厂总处理规模(55 m3/d)，但较方案运行前已得到了很大的改善，达到了预期效果。

4 结 论

1)基于现状的基础数据和流量动态数据进行模型旱天校核，并通过水力模型工具模拟分析，石井系统与大坦沙系统调水工程方案极大地缓解了大坦沙系统的管道运行超载状况和污水溢流状况。由于能够在较短时间内建设完成，缓解了大坦沙系统污水处理负荷压力，近期将能发挥很好的环境效益。

2)排水管网水力模型是评估现状管网系统缺陷(洪水、CSO和管道超载等)、分析问题产生原因的有效工具。同时，为管网系统未来运行状况的预测和设计改造方案的评估提供基础平台。

3)排水管网水力模型是管理现状排水系统管网数据的有效工具。基于可靠真实的管网数据，加上可靠的现场监测数据，建立水力模型对现状管网运行状况进行分析，找出不足，同时对整个排水系统内各类型数据进行有效管理，也为排水系统规划、设计、养护提供现状数据基础。

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Application of hydraulic model in urban sewage network transformation

ZHAO Jian1， ZHOU Yuwen1， LI Wentao2， LI Wei3， LIU Zilong1

(1．College of Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2．Guangzhou Municipal Engineering Design & Research Institute，Guangzhou Guangdong 510060，China；3．School of Civil Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China)

InfoWorks ICM can be used to build sewage system hydraulic model and realize the simulation of sewer pipe network's operating condition. If the calculated values and the measured data meet the checking accuracy requirement，transformation programs can be validated by the hydraulic model to assess the feasibility. The paper takes the diversion project of Datansha sewage system-Shijing sewerage system in Guangzhou as the research object. By using the computer simulation technology，the hydraulic model is built to assess and analyze the condition of trunk pipeline running overload, sewage overflow and plant operation load, which may provide theoretical basis for feasibility analysis of transformation program.

InfoWorks ICM； hydraulic model； model identification； sewage network transformation

1008-1534(2014)04-0321-05

2014-03-01;

2014-03-30；责任编辑：冯 民

赵 见(1989-)，男，河南商丘人，硕士研究生，主要从事城市管网水力模型应用方面的研究。

E-mail：xftianshi@163.com

TU992

A

10.7535/hbgykj.2014yx04011

赵 见，周玉文，李文涛,等.水力模型在城市污水管网系统改造中的应用[J].河北工业科技,2014,31(4):321-325. ZHAO Jian， ZHOU Yuwen， LI Wentao，et al.Application of hydraulic model in urban sewage network transformation[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(4):321-325.