合流管溢流頻率、水質、水量、降雨等多因素計算分析模型
——以南寧竹排江流域為例

1.項目概述

1.1 項目建設背景

竹排江流域（含南湖）屬于南寧海綿城市示范區中合流制溢流污染控制與初期雨水污染防治示范區，區域內溢流污染及徑流污染的削減、控制對實現南寧海綿城市建設總體目標起著關鍵的作用。按照《南寧市海綿城市總體規劃》中對海綿功能區生態敏感性的評價，南湖屬于生態高度敏感區，該敏感區水環境質量較差，均為劣V類，已嚴重影響城市居民的生活質量。南寧城區有相當一部分城市排水管網為合流制，下雨時經常會發生管網溢流，不僅污染了受納水體，對人們的生活產生了不利影響，隨著人們對水污染和水環境認識的不斷深入，合流制管網溢流污染控制引起了越來越多的重視。

1.2 項目建設目標

南寧竹排江流域（含南湖）合流管分析模型項目，基于動態模型、物聯網、Web、GIS、數據庫等技術理念，以推動南寧市海綿城市示范區及“中國水城”水域有效監管為導向，利用流量計、液位計等在線設備，構建竹排江流域（含南湖）監測及檢測體系，同時搭建南寧竹排江流域（含南湖）排水系統動態仿真模型，實現監測與模型的綜合應用?；诒O測及檢測數據進行區域的排水規律分析、漫溢風險分析、場次降雨徑流量分析以及水質檢測數據分析，為海綿城市的建設提供數據基礎。

2.項目系統建設

本項目充分利用在線監測及檢測數據，基于管網及地形實際構建南寧竹排江流域（含南湖）合流管排水模型，輔助進行排水整體運行負荷及問題識別，為南寧城市排水系統整體排水能力評估、內澇風險分析、河道水位對排口頂托分析評估等提供工具，為海綿城市建設和運行提供技術支撐。該項目應用系統具體包括排水管網模擬系統、設施信息管理系統、在線監測及檢測數據管理子系統、分析結果可視化展示子系統等主要功能。

2.1 排水管網模擬子系統

排水管網模擬系統為模型構建提供工具和平臺。具有管網數據管理、模擬參數設置與率定、模擬運行與結果管理、模擬結果表達等功能。

排水管網模擬系統總體技術要求如下：

1）模型分析系統采用C/S系統模式；

2）具備模擬參數設置功能，支持氣象數據、降雨數據、匯水區特征數據等所有與模擬相關的參數的設置功能；

3）支持多種格式數據錄入、編輯功能；

4）具備模型參數率定功能，保證模型的可靠性和現勢性；

5）能夠進行管網流速、流量、水深等指標的模擬分析及模擬結果的動態播放，提供多種直觀的模擬結果表達方式；

6）能夠進行城市地表積水模擬分析及災害評估；能夠對城市LID設施建設后的效果進行預評估。

2.1.1 模擬運行評估與計算

模擬運行與結果管理對每一次管網模擬運行情況進行統一管理維護與計算評估，并直觀展示評估與計算結果，有利于對模擬結果的查詢和瀏覽，以及為多情景模擬結果對比等高級擴展功能提供數據支持。

2.1.2 模擬結果管理與表達

圖1 模擬評估列表示意圖

圖2 模擬結果表達示意圖

管網模擬結果管理將列出所有模擬結果的列表，方便用戶在各個模擬結果之間進行切換和查看。模擬結果表達實現模擬結果數據可視化的顯示，方便用戶快速查閱某一管網設施節點或管道的模擬運行狀態，并支持動態展示整個模擬運行狀況；實現整個管網中任意一個節點或者管道的流量曲線、管道內水位高低、模擬結果在某一時間的具體數據等進行動態展示。

2.2 設施信息管理子系統

設施信息管理子系統借助GIS技術，集成基礎的地圖瀏覽、查詢、統計等功能，實現設施數據的可視表達、圖文一體化查詢、信息展示、數據統計、設施數據糾正、空間分析等功能，實現對排水設施有效、精細化的管理，并為其他業務管理系統提供統一的接口和服務。

圖3 管網地圖展示界面示例圖

圖4 在線監測數據展示界面示例圖

圖5 南寧市廣西人民出版社門前監測點的連續變化規律

2.3 在線監測及檢測數據管理子系統

在線監測及檢測數據管理子系統對排水管網24h連續監測，使管理人員能夠準確掌握管網中關鍵節點的液位、流量、流速等在線監測數據，及時發現排水管網的溢流、淤積、堵塞和泵站與閘門運行異常等風險。此外，系統支持水質化驗數據的填報和查看，并支持實時監測數據管理、報警管理、監測設備管理和微信服務管理等功能。

2.4 分析結果可視化展示子系統

分析結果可視化展示子系統支持模擬情景的統一管理和維護，實現排水系統規律分析、排水能力分析、內澇風險評估、合流制溢流風險評估、河道水位對排口頂托分析評估及其可視化展示。

2.4.1 排水系統規律分析

基于長期連續監測數據，可以識別監測管段的流量液位變化規律，為進一步分析和問題識別提供依據。

如下圖所示為南寧市廣西人民出版社門前監測點的降雨-流量-液位連續兩個半月的變化曲線，而通過與降雨疊加分析可知，該污水管道在降雨后存在明顯液位升高，管網負荷加大的情況，可能存在管網破損或雨污混接等問題，有漫溢風險。

圖6 南湖周邊區域管道排水能力評估專題圖

圖7 積水深度示意圖

圖8 內澇風險區劃圖

2.4.2 區域排水能力評估

采用排水管網模擬系統中“管道平均過載倍數”指標進行管道過載情況統計分析，對于平均過載倍數（峰值）大于1（不包括等于1）的雨水和合流制管道，均視為過載。

2.4.3 區域內澇風險評估

南寧市內澇防治標準為50年一遇，針對50年一遇長歷時降雨情景進行動態模擬，獲取淹水區域的淹水深度、淹水流速、淹水范圍和淹沒時間等信息。

2.4.4 區域合流制溢流分析

目前南寧舊城區尚有大量的雨污合流制管網，且合流制排水管網的截流倍數較低，如南寧市南湖附近的截流倍數僅為1.3左右，管道設計容量小。強降雨天氣條件下很容易造成污水外溢，年溢流頻率達到50-60次，污染物地表徑流直接排入城市內河，造成內河的污染。

2.4.5 河道水位對排口頂托分析評估

在重現期為2年的降雨下，進行兩種模擬情景的城市排水管網與內部河道耦合分析，均模擬3個小時。選取河道樁號為Z0+160和Z1+080的兩點，繪制兩種情景下的河道水位對比線，如下圖所示。通過排放口淹沒常水位的設置，實現了河道水位的調控。

南寧市邕寧水利樞紐建成前后，雖然南寧市竹排江下游水位上漲，對排口造成一定程度的頂托，但是并沒有影響管網的排水能力。

圖9 不同排放口溢流水質對比圖

圖10 河道樁號Z0+160

圖11 河道樁號Z1+080

3.結論

3.1 模型搭建成果

基于南寧市南湖周邊區域管網測繪數據，進行標準化處理及手動錄入，對現有管網測繪數據連接關系、數據完整性等進行檢查，基于區域土地利用類型、地面高程等數據，進行雨水系統匯水區劃分，結合示范區特點及模型構建經驗進行模型參數設置，完成區域排水管網理論模型構建，模型共包括檢查井12438個，管道237.745km，匯水區3598個。建模范圍內部分區域存在管道逆坡的結構性問題，在一定程度上會影響城市排水通暢，造成上游管道過載。

3.2 區域排水風險

通過分析結果可知，在旱天情景下，除了南寧市雙擁路匯金苑小區前監測點和南寧市金湖廣場北側監測點出現過載外，其余監測點均不過載，也不存在漫溢風險；在降雨情景下，除了上述兩處監測點外，另有南寧市金洲路區政府宿舍周邊監測點出現過載。上述過載監測點的溢流風險指數均小于0.5，屬于低風險等級。

同時，南寧市長湖路與金湖北路交叉口監測點、望園路與茶花園路交叉口監測點、金洲路區政府宿舍監測點、濱湖北路與賢賓路交口監測點的液位在降雨過程中均有升高，說明這些污水管道存在雨水入流或雨污混接等現象，需在降雨時加強對這些管道的監測維護。

3.3 排水系統模型評估

區域排水系統在1年一遇2h、2年一遇2h、3年一遇2h、5年一遇2h降雨情景下，過載管道分別占比37.66%、42.64%、44.87%、47.60%。

建模區域在50年一遇24h降雨設計工況下，部分道路及低洼地區出現積水，根據內澇風險評估方法，內澇低風險區面積為0.155 km2，占建模區域面積1.29%；內澇中風險區域約0.014km2，占建模區域面積0.12%；內澇高風險區面積0.043km2，占建模區域面積0.36%。

3.4 河道水位頂托分析

根據概化的模型，模擬南寧市邕寧水利樞紐建成前后對南寧市竹排江河道水位和管網排水能力的影響進行評估，評估結果表明南寧市邕寧水利樞紐建成后，南寧市竹排江下游水位有所上漲，對排口造成一定程度的頂托，但是對管網的排水能力影響甚微。