城市排水系統性能評價研究進展

朱成曉

1 概況

目前,國內在排水系統的設計及改造中采用推理公式法計算管道參數,并根據地形條件、道路狀況、施工條件等因素來確定設計與改造的方案,因此,管道設計是否合理、方案選擇是否最優存在著較大的主觀性和隨意性,這就為管道漫溢的發生埋下了隱患。而國外在排水系統的設計,尤其是大型排水系統的設計與改造中,已廣泛采用計算機水力模型進行輔助[4],并在計算機水力模型的基礎上,建立了排水系統性能評價體系,對未建排水系統進行校核計算,對已建排水系統進行性能診斷,以定量地掌握未建或已建排水系統的水力特性及性能值,并根據系統水力特性及整體性能合理的優化和選擇設計、改造方案,以保證設計與改造方案的安全性和合理性。因此,排水系統性能評價體系的建立不但可以定量的評價設計、改造方案的合理性,而且也為排水系統調度控制和維護管理提供了定量的標準。

2 性能評價體系(Performance Assessment System)

性能評價體系作為一種技術分析工具已在材料、交通、企業、建筑等領域廣泛應用[5,6],20世紀80年代以來,許多國家在水工業中也引進了性能評價,以期提高水廠和污水處理廠的效率和效益[7]。Coulibaly等也對魁北克的十個水廠建立了基于水廠的運行操作、基礎設施、維修保養三大方面為性能指標的評價體系[8]。在國內,性能評價也被用于給水管網。伍悅濱等人將給水管網的水力分析、水質分析及可靠性分析作為三個基本評價體系,并遵循以水力分析為前提、水質分析為補充、可靠性分析為主體的原則,對給水管網系統的性能進行定量的評價[9]。而對城市排水系統進行評價,也需要建立一套完善的性能評價體系,確定績效指標(Performance Indicator),建立性能函數(Performance Function),得出排水系統定量的性能值。

排水系統的評價過程[10]:確定排水系統主要的性能方面→選定能反映這些性能的參數或系統特征并建立量化方法→選定一個模型或監測方案→確定選擇參數的標準和性能曲線→計算管網單元及整個管網的值并繪制性能圖表。

2.1 排水系統性能指標選定

排水系統的性能本身很難測定,因此,選用特定的反映排水系統性能的指標來測量排水系統的性能是有效而又簡便的方法。性能指標的選定是進行城市排水系統評價的第一步,好的性能指標不但能全面反映排水系統的整體運行情況,而且還有助于職能部門的決策。Kolsky認為性能指標應該滿足三點:1)能有效反映排水系統性能;2)便于測量;3)有助于決策[11]。而且,性能指標的確定也不能僅局限于技術方面,它應該能較全面的反映排水系統所涉及的社會、經濟、環境等方面。因此,性能指標應該包含以下幾個方面[12]:1)水力方面,如水位、流速、溢流量、峰值和持續時間、雨天和晴天最大流量比;2)環境方面,如污染物濃度、溢流污染量、腐敗性;3)結構方面,如損壞率、滲漏;4)經濟方面,如維護費用、能耗費用等;5)社會方面,如影響街道交通、公眾投訴、臭味。

性能指標在城市排水系統設計、管理和操作中起著越來越重要的作用。但是,性能指標只是排水系統性能的間接反映,存在著一定的不確定性,因此,在計算和使用性能指標時要考慮到性能指標的偏差[13]。

2.2 性能函數的建立

排水系統中某根管道的水面性能函數如圖1所示[12]。

另一個水力性能指標則是流速,對于分流制生活污水系統來說,過低的流速容易在管道內產生沉積,而過快的流速則會對關閉沖刷,損壞管道的結構,因此,Cardoso根據本國的設計規范,建立了如圖2所示的某管道流速性能曲線[10],低于最小流速的情況下,性能值為零;在1.5倍的最小流速和最大流速范圍內,性能值最優;而在超過最大流速時,性能值逐漸下降;達到和超過1.2倍的最大流速時,性能最差,性能值降為零。

其中,IDWF為旱天情況下性能指標;Te為旱天的持續時間,24 h;Td為水面超過預定值的歷時,h。

式(1)意味著若一天24 h內,水位沒有超過預定水位,則IDWF=1,得分最高,假如一天內水位都高于預定值,則IDWF=0,得分最低。

在綜合某一個性能指標時,Cardoso采用建立加權平均值的歸納函數的方法,使用kQinL的權重,其中,Qin為管道的過流能力;L為管道長度;k為風險因子,表示對該段管道的積水風險的推斷。對于所有的管段k=1,就表示它們有相同的發生積水的風險[10]。而對于將多種性能指標綜合歸納時,Geerse等人采用了有序分層的評價方法[14]:引進了性能指數(Performance Index)的概念,將系統的性能評價分成性能指數、目標、性能指標三層,性能指數建立在目標的滿足程度上,如式(2)所示:

Geerse在評價鹿特丹市排水系統采用新的中央自動控制較之過去局部自動控制和人工遠距控制情況下,排水系統性能改進的情況時,采用了另一種性能指標計算方法[14]。比如在計算要求排水系統水位低于預定最大值這個性能指標時,采用式(1)所示的指標計算方法:

其中,PI為無因次的性能指數;C為系統所加載的條件(旱天或雨天);n為目標數量;O為目標;W0為不同目標的權重。而目標的滿足與否則可用賦有權重的系統參數表達,如式(3)所示:

其中,O為目標滿足比率;I為性能指標;m為性能指標個數;WI為性能指標權重。

這樣,系統的綜合性能指數就可以通過性能指標表達出來。

2.3 決策支持系統(Decision Support System)

決策支持系統是一個交互式的計算機基本系統,是在大量實測數據信息基礎上,利用數據庫、模型庫和方法庫以及很好的人機交互部件和圖形部件,幫助各級決策者實現科學決策的系統[15]。對排水系統的評價最終就是為了對排水系統改造、調度、管理提供決策支持,因此,通過對排水系統和管道的評價,建立一個城市排水系統管理的決策系統,提高排水系統的效率。意大利在城市水資源研究中心等部門的合作框架下,開發了用于城市排水系統管理分析的決策支持系統MOMA FD,目的在于數據可靠性的分析和城市排水系統技術、環境和經濟方面的評價[16]。

3 國內發展現狀

國內,隨著非開挖管道修復工程的推廣,相應的管道評價指標逐漸引進和建立,但是由于受排水系統資料不全,歷史數據缺乏以及分析工具落后等各方面技術原因,對城市排水系統的評價僅僅局限于以暴雨重現期、設計污水量等設計參數來衡量系統的實際運行狀況,缺乏標準的,成套的,規范的評價指標和體系。隨著城市品位的提升,傳統的評價方法已不能滿足要求,因此,亟需從以下幾個方面著手,建立適合中國國情和排水系統規范的性能評價體系:1)在排水系統,尤其是大型排水系統的設計與改造中,建議使用水力模型對設計方案以及現狀管道系統進行模擬和診斷;2)選定并建立適合中國城市排水系統的性能指標體系,并對排水系統水力狀況指標進行細化;3)根據排水系統規范以及對排水系統安全性的要求,因地制宜地制定性能評價函數;4)在國外發展及應用的基礎上,建立一個適合于排水系統整體性能評價,又適用于局部水力瓶頸的分析的性能評價體系。

4 結語

隨著經濟的發展,環保意識的提高,使得對城市排水系統的要求也進一步提高。然而,排水系統作為城市的基礎設施往往是一個復雜的系統,其建設與完善跨越了十幾年甚至幾十年上百年,設計標準不盡統一,排水體制混淆等因素使得排水系統故障頻出,因此,城市市政排水中便出現了排水系統的老化與排水要求的提高這對矛盾,而解決這對矛盾就必須建立性能評價體系,科學地,定量地進行排水系統的設計、管理和改造,以提高排水系統的性能,增強排水系統的安全性,節約改造和建設投資費用。

[1] 郭 瑞,禹華謙.強降雨對城市排水系統的影響[J].四川建筑,2005,25(3):10-11.

[2] 徐 翹,邵衛云.淺議生態化的城市排水系統[J].市政技術,2004,22(6):385-387.

[3] 梅曉嵐,劉應明.深圳市南山區雨水系統現狀分析及改造對策[J].給水排水,2005,31(2):9-11.

[4] Schmitt T G,Thomas M,Ettrich N.Analysis and modeling of flooding in urban drainage systems[J].Journal of Hydrology,2004(299):300-311.

[5] 丁慶軍,胡曙光.高強輕集料混凝土分層離析控制技術的研究[J].武漢大學學報(工學版),2002,35(3):59-62.

[6] 徐 罡,王 剛.一種面向過程的企業性能評價體系[J].哈爾濱工業大學學報,2002,34(6):806-809,814.

[7] Merkel W.International report:performance assessment in the water industry[J].Water science and technology:water supply,2002,2(4):151-162.

[8] Coulibaly H D,Rodriguez M J.Development of performance indicators for small Quebec drinking water utilities[J].Journal of Enivronmental Management,2004(73):243-255.

[9] 伍悅濱,袁一星,高金良.給水管網系統性能評價方法[J].中國給水排水,2003,19(4):23-25.

[10] Cardoso M A,Coelho S T,Praca P,etc..Technical performance assessment of urban sewer systems[J].Journal of performance of constructed facilities,2005,19(4):339-346.

[11] Kolsky P,Butler D.Performance indicators for urban storm drainage in developing countries[J].Urban water,2002(4):137-144.

[12] Fenner R A.Approaches to sewer maintenance:a review[J].Urban water,2000(2):336-343.

[13] Bertrand-Krajewski J L,Barraud S,Bardin J P.Uncertainties,performance indicators and decision aid applied to stormwater facilities[J].Urban Water,2002(4):163-179.

[14] Geerse J M U,Lobbrecht A H.Assessing the performance of urban draina ge systems:‘general approach'applied to the city of Rotterdam[J].Urban water,2002(4):198-209.

[15] 薛華成.管理信息系統[M].第3版.北京:清華大學出版社,1996.

[16] Artina S,Becciu G,Maglionico M,etc..Performance indicators for the efficiency analysis of urban drainage systems[J].Water Science and Technology,2005,51(2):109-118.

[17] 周鑫根.城市給排水現代化指標體系探索[J].給水排水,2004,30(10):39-41.