基于水動(dòng)力模型與大數(shù)據(jù)分析的污水干線優(yōu)化調(diào)度策略

陳澤偉,紀(jì)莎莎,何 黎,宋晨曦

(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司,上海 200125)

城市化的快速發(fā)展和人口增長帶來了污水排放的急劇增加,同時(shí),政策對(duì)水環(huán)境保護(hù)和污水處理的要求也日益提高[1-3]。為了滿足這些要求,城市的污水排水系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜,包括污水處理廠、管網(wǎng)、泵站等多個(gè)部分。這些部分之間相互聯(lián)系,涉及的參數(shù)和變量也非常多,往往需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)預(yù)警等多方面的工作,以確保污水系統(tǒng)的正常運(yùn)行和高效運(yùn)轉(zhuǎn)。然而,單純依靠人工經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行污水系統(tǒng)的運(yùn)維和優(yōu)化調(diào)度已經(jīng)無法滿足日益復(fù)雜的要求,必須借助先進(jìn)的技術(shù)手段和科學(xué)的管理方法來實(shí)現(xiàn)污水系統(tǒng)的智能化管理和優(yōu)化運(yùn)營[4]。本文通過上海市白龍港污水主干泵站的歷史大數(shù)據(jù)挖掘與排水水動(dòng)力模型耦合的新方案,為復(fù)雜的污水主干系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度提供了一個(gè)新的解決思路:通過大量歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析挖掘,將調(diào)度人員的調(diào)度經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)提煉,通過大數(shù)據(jù)算法分析出潛在的優(yōu)化調(diào)度方案。將潛在的優(yōu)化調(diào)度方案輸入經(jīng)過嚴(yán)格率定驗(yàn)證的模型進(jìn)行評(píng)估,進(jìn)而得到最優(yōu)的調(diào)度策略。

1 研究對(duì)象概況

白龍港片區(qū)目前已形成“二片、二廠、三線”污水處理格局。“二片”是指白龍港污水處理廠污水片和虹橋污水處理廠污水片,“二廠”是指白龍港污水處理廠和虹橋污水處理廠,“三線”是指污水二期中線、南干線、污水二期南線三條污水干線[5-6],具體情況如圖1所示。

圖1 白龍港片區(qū)污水處理格局

其中,白龍港污水處理廠規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)模為350萬m3/d,近期總規(guī)模為280萬m3/d,虹橋污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為20萬m3/d。

污水中線服務(wù)范圍涉及黃浦區(qū)與部分浦東新區(qū),沿途有M1、M2兩座中途泵站,污水經(jīng)白龍港污水處理廠處理后深水?dāng)U散排放長江。

污水南干線主要節(jié)點(diǎn)泵站為南干線1#、3#、4#、5#和6#泵站。由于南干線建設(shè)年代久遠(yuǎn)、應(yīng)急搶險(xiǎn)事件頻發(fā),目前正在對(duì)南干線3#～6#泵站間的干線管線實(shí)施搬遷改建,南干線的水量目前由中線承擔(dān)。

南線服務(wù)范圍涉及徐匯區(qū)、閔行區(qū)、長寧區(qū)和浦東新區(qū)中部地區(qū),是白龍港片區(qū)服務(wù)范圍最大的一根污水主干,主要節(jié)點(diǎn)泵站為SA泵站、吳閔1#泵站、華涇港泵站及SB泵站。

2 模型的構(gòu)建與率定驗(yàn)證

2.1 模型的建立

白龍港系統(tǒng)規(guī)模龐大且接入支線多而復(fù)雜,白龍港污水主干全長為181 km,中途涉及20座提升泵站與101個(gè)泵機(jī)。其中最長主干從上游的紀(jì)一泵站到下游的白龍港污水廠,管道總長超過了67 km。因此,采用分段建模思路:即從白龍港污水廠出發(fā),逐步向上游拓展,分步建模,最終完成白龍港系統(tǒng)整體污水主干模型的建立。

鑒于白龍港污水廠及其相關(guān)污水主干模型異常復(fù)雜,因此,采用分段梳理、分段建立、分段驗(yàn)證的思路。其中,第一階段建設(shè)范圍為M2/SB至白龍港污水處理廠,第二階段建設(shè)范圍為M1/華涇港/吳閔一至白龍港污水處理廠,第三階段為紀(jì)一泵站至白龍港污水處理廠的全段污水主干模型建模。

在第三階段,污水干線模型共納入67個(gè)污水支線水量數(shù)據(jù),水量輸入的類型主要分為3類:(1)2021年每5 min泵站啟閉數(shù)據(jù);(2)2021年日均泵站輸送數(shù)據(jù);(3)通過人口數(shù)據(jù)推算的重力片區(qū)污水量。3類數(shù)據(jù)使用的優(yōu)先級(jí)從高到低。具體水量接入情況如圖2所示。

圖2 污水主干模型流量數(shù)據(jù)接入點(diǎn)

2.2 模型的率定

將建立的第三階段的白龍港污水主干模型進(jìn)行2021年的模擬,全年模擬效果較好,全年模擬水量為11.42億m3,白龍港進(jìn)廠水量為11.63億m3,全年總水量誤差為1.8%。2021年全年每5 min模擬對(duì)比詳如圖3所示。其中,典型的旱天、大雨以及暴雨工況的率定成果如表1所示。

表1 白龍港污水主干模型不同工況率定成果

圖3 白龍港污水主干模型2021年每5 min模擬進(jìn)廠流量與實(shí)測(cè)進(jìn)廠流量對(duì)比

為了保證污水主干模型的準(zhǔn)確性,除了進(jìn)行納什系數(shù),峰值流量以及總量的常規(guī)率定外,根據(jù)CodeofPracticefortheHydraulicModellingofUrbanDrainageSystem中對(duì)于污水系統(tǒng)的率定要求,針對(duì)污水主干的旱天流量,進(jìn)行了進(jìn)一步的模擬值與歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比。提取2021年旱天中逐日逐時(shí)的最大/最小流量作為邊界值,與2021年度的所有旱天流量模擬曲線進(jìn)行對(duì)比評(píng)估(圖4)。評(píng)估發(fā)現(xiàn):基本所有模擬旱天曲線均落于90%的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)邊界內(nèi),從另一個(gè)方面說明了主干模型的準(zhǔn)確性。

圖4 白龍港污水模型旱天模擬流量曲線

3 主干泵站歷史運(yùn)行大數(shù)據(jù)分析研究

國內(nèi)外已經(jīng)有學(xué)者通過排水模型對(duì)城市大型污水排水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行研究[5-9]。因此,在污水主干模型率定驗(yàn)證成功的基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化主干泵站的運(yùn)行工況來降低末端白龍港污水處理廠的溢流問題。白龍港污水廠的末端瞬時(shí)處理能力峰值為35 m3/s。根據(jù)白龍港2020年每5 min的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析:其旱天平均流量為34.4 m3/s,雨天平均流量為36.6 m3/s。顯然控制雨天溢流需要通過擴(kuò)建污水廠加以解決,故本次研究重點(diǎn)為減少旱天污水廠的溢流量。

中線末端M2泵站與南線末端SB泵站的單泵流量極大,分別為4.7 m3/s與7.5 m3/s,這兩個(gè)末端泵站的泵站啟閉對(duì)于末端污水廠的流量影響較大。因此,本次大數(shù)據(jù)分析研究的重點(diǎn)為M2以及SB這兩個(gè)主干末端泵站在不進(jìn)行工程性措施改造的前提下,通過優(yōu)化這兩個(gè)末端泵站的啟閉工況,達(dá)到在旱天情況下既能保證系統(tǒng)前端不冒溢,又可減少溢流發(fā)生天數(shù)。

(1)M2泵站

M2泵站位于龍東大道1851號(hào),為中途輸送泵站,屬于污水二期干線系統(tǒng)。泵站裝有污水泵6臺(tái),設(shè)計(jì)輸送能力為19.16 m3/s。上游為M1泵站、SB泵站,下游為白龍港污水處理廠,污水輸送至污水二期南線。

M2泵站共有2個(gè)前池(1#及2#),6臺(tái)泵機(jī),每個(gè)前池各配有3臺(tái)泵,其中2臺(tái)定頻,單機(jī)流量為4.7 m3/s,1臺(tái)變頻,單機(jī)流量為4.25～4.70 m3/s。

①泵站流量分析

M2泵站日均流量為96.1萬m3/d,最小流量為66.7萬m3/d,最大流量為126.3萬m3/d。M2輸送量80%以上分布在76萬～102萬m3/d,折算輸送量為8.8～11.8 m3/s,即開啟的泵臺(tái)數(shù)為2～3臺(tái)。

②M2泵站與白龍港進(jìn)廠流量相關(guān)分析

M2泵站占白龍港污水廠進(jìn)廠流量的29%,M2泵站流量占白龍港進(jìn)廠流量比例主要分布在24%～35%。此外,當(dāng)白龍港進(jìn)廠流量<35 m3/s時(shí),開啟2臺(tái)泵的比例為73.5%,開啟3臺(tái)泵的比例為25.7%,其他比例為0.8%;當(dāng)進(jìn)廠流量≥35 m3/s時(shí),開啟2臺(tái)泵的比例為24.8%,開啟3臺(tái)泵的比例為72.8%,開啟4臺(tái)泵的比例為2.3%,其他比例為0.1%。

③2020年泵啟停個(gè)數(shù)與前池水位相關(guān)性分析

為了探索泵站如何控制泵的啟閉,重點(diǎn)研究泵啟閉個(gè)數(shù)與泵站前池水位關(guān)系。通過使用Python腳本對(duì)于10萬余個(gè)泵站每5 min運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗后,通過提取泵啟閉變化數(shù)據(jù)得到泵站共有888個(gè)泵啟閉變化點(diǎn)。除去不合理點(diǎn),剩余884個(gè)時(shí)刻點(diǎn)。將這884個(gè)泵站啟閉工況發(fā)生變化的工況與M2泵站的兩個(gè)前池液位進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,得出M2泵站前池液位的最高值、最低值、平均值以及80%的泵站啟閉點(diǎn)位對(duì)應(yīng)的泵站前池水位區(qū)間以及最高啟閉頻率對(duì)應(yīng)的前池水位。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析如表2所示。

表2 M2泵站啟閉個(gè)數(shù)與前池水位相關(guān)性分析

(2)SB泵站

SB泵站位于浦三路3606號(hào),為中途輸送泵站,屬于污水二期干線系統(tǒng)。泵站裝有污水泵6臺(tái),設(shè)計(jì)輸送能力為31.28 m3/s。上游為SA泵站及吳閔1#泵站,下游為白龍港污水處理廠,污水輸送至污水二期南線東段。

SB泵站共有2個(gè)前池(1#、2#),6臺(tái)泵機(jī),每個(gè)前池各配有3臺(tái)泵,其中2臺(tái)定頻,單機(jī)流量為7.5 m3/s,1臺(tái)變頻,單機(jī)流量為6.26～7.5 m3/s。

①泵站流量分析

SB泵站日均流量為146.3萬m3/d,最小流量為83.0萬m3/d,最大流量為233.5萬m3/d。SB輸送量80%以上分布在122萬～170萬m3/d,折算輸送量為14.1～19.7 m3/s,即開啟的泵臺(tái)數(shù)為2～3臺(tái)。

②與白龍港進(jìn)廠流量相關(guān)分析

SB泵站占白龍港污水廠進(jìn)廠流量的47%,SB泵站流量占白龍港進(jìn)廠流量比例主要分布在43%～52%。此外,當(dāng)白龍港進(jìn)廠流量<35 m3/s時(shí),開啟2臺(tái)泵的比例為56.0%,開啟3臺(tái)泵的比例為42.2%,其他比例為1.8%;當(dāng)進(jìn)廠流量≥35 m3/s時(shí),開啟2臺(tái)泵的比例為19.6%,開啟3臺(tái)泵的比例為76.9%,開啟4臺(tái)泵的比例為3.0%,其他比例為0.5%。

③2020年泵啟停個(gè)數(shù)與前池水位相關(guān)性分析

為了探索泵站如何控制泵的啟閉,重點(diǎn)研究泵啟閉個(gè)數(shù)與泵站前池水位關(guān)系。通過數(shù)據(jù)清洗后形成泵站每5 min運(yùn)行數(shù)據(jù),通過提取泵啟閉變化數(shù)據(jù)得到泵站共有414個(gè)泵啟閉變化點(diǎn),將這414個(gè)泵站啟閉工況發(fā)生變化的工況與SB泵站的兩個(gè)前池液位進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,得出SB泵站前池液位的最高值、最低值、平均值以及80%的泵站啟閉點(diǎn)位對(duì)應(yīng)的泵站前池水位區(qū)間以及最高啟閉頻率對(duì)應(yīng)的前池水位。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析如表3所示。

表3 SB泵站啟閉個(gè)數(shù)與前池水位相關(guān)性分析

4 優(yōu)化運(yùn)行策略的研究與試運(yùn)行

4.1 優(yōu)化運(yùn)行策略研究

將污水主干泵站大數(shù)據(jù)分析出來的泵站高頻啟閉液位數(shù)據(jù),輸入經(jīng)過率定驗(yàn)證的污水主干模型進(jìn)行模擬并與現(xiàn)狀運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。為了保證優(yōu)化運(yùn)行工況的可落地性,模擬優(yōu)化工況中的各個(gè)泵機(jī)的啟閉水位的選取是綜合了現(xiàn)狀啟閉液位與泵機(jī)高頻啟閉液位數(shù)據(jù),并參考了泵站管理人員的相關(guān)建議在盡可能減少對(duì)現(xiàn)狀啟閉工況改變情況下進(jìn)行的優(yōu)化調(diào)度分析。現(xiàn)狀運(yùn)行的旱天溢流天數(shù)為58 d。其識(shí)別溢流的策略為:進(jìn)廠瞬時(shí)流量超過35 m3/s,且持續(xù)時(shí)長超過0.5 h。消除溢流的策略為:進(jìn)廠瞬時(shí)流量不超過35 m3/s,或者在超過35 m3/s的前提下,持續(xù)時(shí)長低于0.5 h。

采用如表4所示的優(yōu)化方案,優(yōu)化工況下旱天溢流天數(shù)分別為50 d。相比實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),優(yōu)化工況下旱天溢流率相比實(shí)際運(yùn)行工況降低了14%。

表4 實(shí)際運(yùn)行工況與優(yōu)化工況的情況對(duì)比

4.2 泵站優(yōu)化策略的試運(yùn)行

運(yùn)維單位在2022年度的3月—4月的旱季工況試用了該優(yōu)化工況對(duì)M2、SB泵站進(jìn)行運(yùn)行調(diào)度。最終對(duì)比發(fā)現(xiàn):相比2021年度的3月—4月,在2022年度旱天平均進(jìn)廠水量基本持平、旱天天數(shù)增加5 d的基礎(chǔ)上,2022年旱天溢流天數(shù)與2021年持平。此外旱天溢流總量從238萬m3降低至207萬m3,旱天溢流總量降低了約13%(表5)。該實(shí)際試運(yùn)行證明了該泵站優(yōu)化策略作為一個(gè)非工程性措施對(duì)于減少末端污水廠溢流有一定的作用。

表5 2021年原始調(diào)度工況與2022年優(yōu)化調(diào)度工況下的白龍港3月—4月溢流情況對(duì)比

5 結(jié)論與展望

通過歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析挖掘結(jié)合水動(dòng)力模型,進(jìn)行污水主干系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化是一種有效的降低末端污水廠溢流的措施。該措施可以在不進(jìn)行任何工程性改造的條件下將末端污水廠的旱天溢流總量降低。相比單純依靠建立水動(dòng)力模型進(jìn)行污水系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化,本方法由于是基于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)提出的優(yōu)化策略,其優(yōu)化調(diào)度方案的可實(shí)施性更強(qiáng)。

本次研究污水系統(tǒng)主干的優(yōu)化調(diào)度只采用了M2、SB兩個(gè)末端泵站進(jìn)行了優(yōu)化。下一階段研究應(yīng)考慮如何針對(duì)全局的污水泵站進(jìn)行優(yōu)化策略的研究。此外,本次研究采用的歷史數(shù)據(jù)跨度為2020年—2022年,這3年的污水量情況或多或少受到疫情影響,可能與非疫情時(shí)間段有一定差距。下一階段研究應(yīng)增加大數(shù)據(jù)研究的樣本量,以降低疫情對(duì)于整個(gè)研究的影響。