基于水力模型的污水干管高水位運行原因診斷

王宏利

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州510060）

0 引 言

當前國內大部分城市的污水排水系統中污水廠、排水管網設施由不同的機構管理。系統日常運行過程中，受多種因素影響，往往會出現偏離設計工況的情況。本文依托實際工程咨詢項目（實施期間2017年5月~8月），以西部某省會城市污水處理廠（以下簡稱污水廠）為對象，對其所面臨的廠外干管高水位運行、污水廠水量負荷低，達不到設計工況的原因進行診斷分析，總結工作中的方法，以期能夠為其他水廠提供一定參考。

從污水系統管理完整性角度看，廠、網一體化管理有助于充分發揮現有設施的效能，北京排水集團針對北京中心城區污水系統提出了廠、網一體化運營的水質保障、水量均衡、水位預調3種基本模式，經實踐取得了較好的效果[1]。常州市排水處構建了城市排水管理一體化系統實現了排水管網、泵站、污水廠遠程控制與調度，提高了排水系統管理的質量與效率[2]。

1 研究方法

1.1 污水廠概況

該污水廠位于城市主城區，服務面積為63.9km2，設計規模為15萬m3/d，當前污水廠現狀處理水量穩定維持在10萬m3/d。尾水排至附近河流，服務范圍內污染源以住宅為主，兼有部分商業、學校、醫療、公園等公共建筑。區域內人口密集，發展建設成熟，污水量穩定，且全部進入市政污水管道。依據污水廠運營數據及現場踏勘分析，廠外干管部分節點旱天水位較高，流速較慢，管道嚴重承壓運行。

1.2 水力模型構建

《室外排水設計規范》規定可采用數學模型法進行排水系統的設計及校核[3]。排水系統水力模型參數及邊界條件合理設定，可用于系統現狀分析、方案評價以及風險評估等方面[4]。

目前商業水力建模軟件發展成熟，其中國內應用較多的英國Wallingford的Info Works ICM軟件，實現了城市排水管網系統模型與河道模型的整合，其水力模塊能夠分析污水系統運行狀態分析與評估[5]。本項目采用Info Works ICM軟件作為工具軟件。

根據該污水廠分區管網GIS數據以及CAD圖紙，梳理了污水排水管道走向、高程以及拓撲關系，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145.4km，模型水頭損失等參數，參考排水相關規范設置。

1.3 水力模型校核

模型校核是一個調整參數、反復計算、不斷完善模型，直到計算值與監測值的誤差在允許的范圍之內的過程[6]。由于當前國家規范尚無水力模型校核的相關標準，且本研究基于項目實施目標以及當時尚無管網監測水量水位數據，不具備污水模型校核的客觀條件，因此未進行水力模型的校核。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規范準確設置模型中水頭損失等參數，根據計算工況目標準確輸入水量、水位邊界條件。

2 污水量核算

該污水廠排水區域建設以成型，根據現有資料將污水廠匯水分區劃分為：二環路內片區（27.17km2）和二環路外匯水片區（36.72km2）兩部分，分區2020年規劃人口801064，排水定額取275L/人/d，預測污水量達22萬m3/d。

此外，根據2016年3月～8月排水分區，每日自來水用水量數據分析，二環路內片區用水量穩定，按0.9污水折算系數，二環路片區內日污水量平均值為9.09萬m3/d。單位面積污水量為37.58m3/d/hm2。二環路外匯水片區（36.72km2）無用水量數據，根據單位面積污水量推測，污水量為13.8萬m3/d。預測污水總量日平均值為22.89萬m3。

從區域污水產生量角度來看，服務分區內污水量達22萬m3/d，能夠滿足15萬m3/d設計規模需求。

3 管網匯水特性分析

利用構建污水系統水力模型，合理設定上下游水量、水位邊界條件下，分析管網的匯水能力。

水量邊界：

（1）二環路范圍外污水量為13.8萬m3/d，按系統上游點源入流

（2）二環路片區污水量9.09萬m3/d，按照泰森多邊形均攤水量，片區總污水量為22.89萬m3/d。此外為分析廠外管網系統的排水能力，另外設置總污水量的95%、90%、85%、80%產水量梯度工況計算分析。

下游水位邊界：下游水位（進廠干管末端）頂托會影響管網排水能力，根據2017年4月份廠外干管水位數據，分別設置0m、1.6m、2m、3m、4m的下游水位邊界條件。

統計計算工況下進廠干管末端排水量，模型計算結果分析見表1，結果顯示隨下游水位升高管網排水能力有減弱趨勢；在保證上游管網不出現滿溢下，廠外管網的排水能力維持在13.7～16.4萬m3/d的水平。

表1 不同產水量、水位管網排水水量統計表

4 廠外干管水位分析

根據運行養護資料污水廠上游干管水位較高，處于承壓運行狀態，2017年4月廠外干管水位統計圖（見圖1），可以看出廠外水位和處理水量之間有比較明顯的負相關關系，當處理水量維持在9.9萬t/d水平時對應水位為4.5m，當處理水量維持在10.9萬t/d水平時對應水位為4.05m，基本趨勢為水量提升1萬t，水位約降低0.5m，推測當污水處理水量達到15萬t時，廠外水位約降低到2m，廠外進廠干管管徑為DN1400，因此當水位降低到2m時，管道約負壓0.6m，負壓狀態有較大改善。

根據污水廠提升泵站2017年5月8日～5月10日實測水位數據，泵站格柵前后水頭損失較大，見表2，且水損數值穩定，平均水損值為0.7m，最大0.8m，最小0.67m，方差為0.002，水損值遠超過了設計、運行的經驗值0.2m，在日常養護中提高格柵清淤頻率。

圖1 廠前干管水位、處理量關系圖

表2 提升泵站格柵前后水深與過柵水頭損失 單位：m

5 提升泵站設計校核

根據污水廠設計資，水廠提升泵站現有6臺水泵，其中2臺常開（單臺規模3250m3/h），4臺備用（單臺規模1354m3/h）。泵站集水池平面尺寸為13.8m×13.8m，面積190.44m2，根據運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置能滿足水泵抽升量。

6 水廠水量提升試驗

污水廠設計規模15萬m3/d，現狀處理水量約為10萬m3/d，為檢驗其處理能力是否還有提升空間，水廠管理部門制定了污水量提升方案，對提升泵組運行方式進行優化，并于2017年8月3日14時內進行試驗，同時對廠外干管水位進行了同步監測。

根據試驗數據繪制了污水量提升曲線，見圖2，提升水量由14:00，5003m3/h起逐漸上升，至14:35到達最大提升量6224m3/h，后提升量逐漸下降，至14:55，5434m3/h停止實驗。

圖2 實驗過程中污水提升量曲線

經計算在實驗時段14:00時內，污水提升總量為5798m3，較6250m3/h設計規模偏低了7%，較4167m3/h（日常運行10萬m3/d）增加了39%，基于此，推算日總污水量可提升至139163m3。

根據廠外同步水位監測數據繪制了廠外干管水位線，分析廠前干管水位，在實驗前、實驗中、實驗后的變化過程，實驗前（13:30）水深約為2m，實驗中約14:30水深降低約0.4m，實驗后約（15:20）水深降低0.8m，印證了泵站提升量與廠前水位的負相關關系。

7 結 論

本文利用水力模型工具，從區域產水量、管網匯水能力、廠前干管水位、提升泵站設計復核角度、水量提升進行分析診斷，主要得到以下結論：

（1）污水廠排水分區內的污水量，能夠滿足15萬m3/d設計規模需求。

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

（3）根據廠前干管水位記錄，推測當污水廠處理水量達到15萬t時，廠外水位約降低到2m，承壓狀態有較大改善。

（4）泵站格柵前后水頭損失較大，平均水頭損失值為0.7m，遠超過了設計、運行的經驗值0.2m。

（5）根據水量提升實驗，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行、污水廠水量負荷低，達不到設計工況的主要原因為污水廠提升泵提升量不足，需對泵站運行方式進行優化。建議有條件時，積極推進廠網一體化管理進程，統籌考慮廠、網運行狀態，充分挖掘現有設施的能力。