王宏利

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州510060）

0 引 言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)大部分城市的污水排水系統(tǒng)中污水廠、排水管網(wǎng)設(shè)施由不同的機(jī)構(gòu)管理。系統(tǒng)日常運(yùn)行過(guò)程中，受多種因素影響，往往會(huì)出現(xiàn)偏離設(shè)計(jì)工況的情況。本文依托實(shí)際工程咨詢項(xiàng)目（實(shí)施期間2017年5月~8月），以西部某省會(huì)城市污水處理廠（以下簡(jiǎn)稱污水廠）為對(duì)象，對(duì)其所面臨的廠外干管高水位運(yùn)行、污水廠水量負(fù)荷低，達(dá)不到設(shè)計(jì)工況的原因進(jìn)行診斷分析，總結(jié)工作中的方法，以期能夠?yàn)槠渌畯S提供一定參考。

從污水系統(tǒng)管理完整性角度看，廠、網(wǎng)一體化管理有助于充分發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)施的效能，北京排水集團(tuán)針對(duì)北京中心城區(qū)污水系統(tǒng)提出了廠、網(wǎng)一體化運(yùn)營(yíng)的水質(zhì)保障、水量均衡、水位預(yù)調(diào)3種基本模式，經(jīng)實(shí)踐取得了較好的效果[1]。常州市排水處構(gòu)建了城市排水管理一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了排水管網(wǎng)、泵站、污水廠遠(yuǎn)程控制與調(diào)度，提高了排水系統(tǒng)管理的質(zhì)量與效率[2]。

1 研究方法

1.1 污水廠概況

該污水廠位于城市主城區(qū)，服務(wù)面積為63.9km2，設(shè)計(jì)規(guī)模為15萬(wàn)m3/d，當(dāng)前污水廠現(xiàn)狀處理水量穩(wěn)定維持在10萬(wàn)m3/d。尾水排至附近河流，服務(wù)范圍內(nèi)污染源以住宅為主，兼有部分商業(yè)、學(xué)校、醫(yī)療、公園等公共建筑。區(qū)域內(nèi)人口密集，發(fā)展建設(shè)成熟，污水量穩(wěn)定，且全部進(jìn)入市政污水管道。依據(jù)污水廠運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)踏勘分析，廠外干管部分節(jié)點(diǎn)旱天水位較高，流速較慢，管道嚴(yán)重承壓運(yùn)行。

1.2 水力模型構(gòu)建

《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定可采用數(shù)學(xué)模型法進(jìn)行排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及校核[3]。排水系統(tǒng)水力模型參數(shù)及邊界條件合理設(shè)定，可用于系統(tǒng)現(xiàn)狀分析、方案評(píng)價(jià)以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面[4]。

目前商業(yè)水力建模軟件發(fā)展成熟，其中國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的英國(guó)Wallingford的Info Works ICM軟件，實(shí)現(xiàn)了城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型與河道模型的整合，其水力模塊能夠分析污水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分析與評(píng)估[5]。本項(xiàng)目采用Info Works ICM軟件作為工具軟件。

根據(jù)該污水廠分區(qū)管網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)以及CAD圖紙，梳理了污水排水管道走向、高程以及拓?fù)潢P(guān)系，采用Info Works ICM軟件建立水力模型，建模范圍27.2km2，管徑分布范圍DN300～DN1600，污水管總長(zhǎng)145.4km，模型水頭損失等參數(shù)，參考排水相關(guān)規(guī)范設(shè)置。

1.3 水力模型校核

模型校核是一個(gè)調(diào)整參數(shù)、反復(fù)計(jì)算、不斷完善模型，直到計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值的誤差在允許的范圍之內(nèi)的過(guò)程[6]。由于當(dāng)前國(guó)家規(guī)范尚無(wú)水力模型校核的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，且本研究基于項(xiàng)目實(shí)施目標(biāo)以及當(dāng)時(shí)尚無(wú)管網(wǎng)監(jiān)測(cè)水量水位數(shù)據(jù)，不具備污水模型校核的客觀條件，因此未進(jìn)行水力模型的校核。為保證模型的精確性與合理性，采取的手段為參考排水相關(guān)規(guī)范準(zhǔn)確設(shè)置模型中水頭損失等參數(shù)，根據(jù)計(jì)算工況目標(biāo)準(zhǔn)確輸入水量、水位邊界條件。

2 污水量核算

該污水廠排水區(qū)域建設(shè)以成型，根據(jù)現(xiàn)有資料將污水廠匯水分區(qū)劃分為：二環(huán)路內(nèi)片區(qū)（27.17km2）和二環(huán)路外匯水片區(qū)（36.72km2）兩部分，分區(qū)2020年規(guī)劃人口801064，排水定額取275L/人/d，預(yù)測(cè)污水量達(dá)22萬(wàn)m3/d。

此外，根據(jù)2016年3月～8月排水分區(qū)，每日自來(lái)水用水量數(shù)據(jù)分析，二環(huán)路內(nèi)片區(qū)用水量穩(wěn)定，按0.9污水折算系數(shù)，二環(huán)路片區(qū)內(nèi)日污水量平均值為9.09萬(wàn)m3/d。單位面積污水量為37.58m3/d/hm2。二環(huán)路外匯水片區(qū)（36.72km2）無(wú)用水量數(shù)據(jù)，根據(jù)單位面積污水量推測(cè)，污水量為13.8萬(wàn)m3/d。預(yù)測(cè)污水總量日平均值為22.89萬(wàn)m3。

從區(qū)域污水產(chǎn)生量角度來(lái)看，服務(wù)分區(qū)內(nèi)污水量達(dá)22萬(wàn)m3/d，能夠滿足15萬(wàn)m3/d設(shè)計(jì)規(guī)模需求。

3 管網(wǎng)匯水特性分析

利用構(gòu)建污水系統(tǒng)水力模型，合理設(shè)定上下游水量、水位邊界條件下，分析管網(wǎng)的匯水能力。

水量邊界：

（1）二環(huán)路范圍外污水量為13.8萬(wàn)m3/d，按系統(tǒng)上游點(diǎn)源入流

（2）二環(huán)路片區(qū)污水量9.09萬(wàn)m3/d，按照泰森多邊形均攤水量，片區(qū)總污水量為22.89萬(wàn)m3/d。此外為分析廠外管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力，另外設(shè)置總污水量的95%、90%、85%、80%產(chǎn)水量梯度工況計(jì)算分析。

下游水位邊界：下游水位（進(jìn)廠干管末端）頂托會(huì)影響管網(wǎng)排水能力，根據(jù)2017年4月份廠外干管水位數(shù)據(jù)，分別設(shè)置0m、1.6m、2m、3m、4m的下游水位邊界條件。

統(tǒng)計(jì)計(jì)算工況下進(jìn)廠干管末端排水量，模型計(jì)算結(jié)果分析見(jiàn)表1，結(jié)果顯示隨下游水位升高管網(wǎng)排水能力有減弱趨勢(shì)；在保證上游管網(wǎng)不出現(xiàn)滿溢下，廠外管網(wǎng)的排水能力維持在13.7～16.4萬(wàn)m3/d的水平。

表1 不同產(chǎn)水量、水位管網(wǎng)排水水量統(tǒng)計(jì)表

4 廠外干管水位分析

根據(jù)運(yùn)行養(yǎng)護(hù)資料污水廠上游干管水位較高，處于承壓運(yùn)行狀態(tài)，2017年4月廠外干管水位統(tǒng)計(jì)圖（見(jiàn)圖1），可以看出廠外水位和處理水量之間有比較明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)處理水量維持在9.9萬(wàn)t/d水平時(shí)對(duì)應(yīng)水位為4.5m，當(dāng)處理水量維持在10.9萬(wàn)t/d水平時(shí)對(duì)應(yīng)水位為4.05m，基本趨勢(shì)為水量提升1萬(wàn)t，水位約降低0.5m，推測(cè)當(dāng)污水處理水量達(dá)到15萬(wàn)t時(shí)，廠外水位約降低到2m，廠外進(jìn)廠干管管徑為DN1400，因此當(dāng)水位降低到2m時(shí)，管道約負(fù)壓0.6m，負(fù)壓狀態(tài)有較大改善。

根據(jù)污水廠提升泵站2017年5月8日～5月10日實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)，泵站格柵前后水頭損失較大，見(jiàn)表2，且水損數(shù)值穩(wěn)定，平均水損值為0.7m，最大0.8m，最小0.67m，方差為0.002，水損值遠(yuǎn)超過(guò)了設(shè)計(jì)、運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)值0.2m，在日常養(yǎng)護(hù)中提高格柵清淤頻率。

圖1 廠前干管水位、處理量關(guān)系圖

表2 提升泵站格柵前后水深與過(guò)柵水頭損失 單位：m

5 提升泵站設(shè)計(jì)校核

根據(jù)污水廠設(shè)計(jì)資，水廠提升泵站現(xiàn)有6臺(tái)水泵，其中2臺(tái)常開(kāi)（單臺(tái)規(guī)模3250m3/h），4臺(tái)備用（單臺(tái)規(guī)模1354m3/h）。泵站集水池平面尺寸為13.8m×13.8m，面積190.44m2，根據(jù)運(yùn)行記錄泵站前池有效水深=494.5-491.35=3.15m，有效池容=190.44×3.15=599.8m3，泵站大泵最大5min排水量=3250/60×5=270m3其小于有效池容，泵站集水前池尺寸設(shè)置能滿足水泵抽升量。

6 水廠水量提升試驗(yàn)

污水廠設(shè)計(jì)規(guī)模15萬(wàn)m3/d，現(xiàn)狀處理水量約為10萬(wàn)m3/d，為檢驗(yàn)其處理能力是否還有提升空間，水廠管理部門(mén)制定了污水量提升方案，對(duì)提升泵組運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化，并于2017年8月3日14時(shí)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)廠外干管水位進(jìn)行了同步監(jiān)測(cè)。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了污水量提升曲線，見(jiàn)圖2，提升水量由14:00，5003m3/h起逐漸上升，至14:35到達(dá)最大提升量6224m3/h，后提升量逐漸下降，至14:55，5434m3/h停止實(shí)驗(yàn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中污水提升量曲線

經(jīng)計(jì)算在實(shí)驗(yàn)時(shí)段14:00時(shí)內(nèi)，污水提升總量為5798m3，較6250m3/h設(shè)計(jì)規(guī)模偏低了7%，較4167m3/h（日常運(yùn)行10萬(wàn)m3/d）增加了39%，基于此，推算日總污水量可提升至139163m3。

根據(jù)廠外同步水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制了廠外干管水位線，分析廠前干管水位，在實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中、實(shí)驗(yàn)后的變化過(guò)程，實(shí)驗(yàn)前（13:30）水深約為2m，實(shí)驗(yàn)中約14:30水深降低約0.4m，實(shí)驗(yàn)后約（15:20）水深降低0.8m，印證了泵站提升量與廠前水位的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

7 結(jié) 論

本文利用水力模型工具，從區(qū)域產(chǎn)水量、管網(wǎng)匯水能力、廠前干管水位、提升泵站設(shè)計(jì)復(fù)核角度、水量提升進(jìn)行分析診斷，主要得到以下結(jié)論：

（1）污水廠排水分區(qū)內(nèi)的污水量，能夠滿足15萬(wàn)m3/d設(shè)計(jì)規(guī)模需求。

（2）下游水位升高管網(wǎng)排水能力有減弱趨勢(shì)，廠外管網(wǎng)的排水能力維持在13.7～16.4萬(wàn)m3/d的水平。

（3）根據(jù)廠前干管水位記錄，推測(cè)當(dāng)污水廠處理水量達(dá)到15萬(wàn)t時(shí)，廠外水位約降低到2m，承壓狀態(tài)有較大改善。

（4）泵站格柵前后水頭損失較大，平均水頭損失值為0.7m，遠(yuǎn)超過(guò)了設(shè)計(jì)、運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)值0.2m。

（5）根據(jù)水量提升實(shí)驗(yàn)，推算污水量可提升至139163m3/d。

綜上判斷，該污水廠廠外干管高水位運(yùn)行、污水廠水量負(fù)荷低，達(dá)不到設(shè)計(jì)工況的主要原因?yàn)槲鬯畯S提升泵提升量不足，需對(duì)泵站運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化。建議有條件時(shí)，積極推進(jìn)廠網(wǎng)一體化管理進(jìn)程，統(tǒng)籌考慮廠、網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，充分挖掘現(xiàn)有設(shè)施的能力。