張 欣，周 驊，謝宇銘,余凱華

(1. 上海市政工程設(shè)計研究總院〈集團(tuán)〉有限公司，上海 200092；2. 上海城投水務(wù)〈集團(tuán)〉有限公司，上海 200092)

上海是國內(nèi)最早建成排水管道的城市，在20世紀(jì)70～80年代，市規(guī)劃和城建部門結(jié)合農(nóng)用施肥灌溉實施了西干線和南干線；1985年，在世界銀行和國際咨詢專家的支持下，上海市依據(jù)《上海市區(qū)污水治理戰(zhàn)略方案研究報告》，確立了以主城區(qū)及周邊地區(qū)集中外排處理和郊區(qū)分散處理相結(jié)合的污水治理方針，相繼建成了合流污水治理一期工程，污水治理二期、吳閔外排等工程。進(jìn)入21世紀(jì)以后，依據(jù)新的人口布局和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，調(diào)整了中心城區(qū)污水規(guī)模與布局，在已建西干線、南干線、合流一期、污水二期等總管工程的基礎(chǔ)上，實施了蘇州河六支流工程、污水三期工程、兩港截流工程、南線東段工程，至此基本形成了上海市中心城的污水集中外排處理格局，在上海市中心城區(qū)污水治理和水環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮了核心作用。

1 現(xiàn)狀和問題

上海市中心城區(qū)污水集中外排體系包括石洞口、竹園和白龍港3大片區(qū)，5根污水總管和若干污水干線。石洞口片區(qū)建設(shè)有西干線，竹園片區(qū)建設(shè)有合流污水一期總管和污水治理三期總管，白龍港片區(qū)已建有污水治理二期中線、南線和南干線，其相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 上海城市污水干線關(guān)系示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Sewage Mains in Shanghai City

由圖1可知，片區(qū)間幾無聯(lián)系，僅有石洞口片區(qū)至竹園片區(qū)的單向聯(lián)通，而最大的兩個片區(qū)，竹園和白龍港之間無任何連通。同樣，對于擁有多條污水干線總管的竹園片區(qū)和白龍港片區(qū)，各只有一處連通，且可轉(zhuǎn)輸?shù)牧渴钟邢?，片區(qū)內(nèi)的聯(lián)系薄弱，因此，存在諸多隱患。

(1)應(yīng)對突發(fā)事故能力弱。污水集中外排總管之間基本獨立，總管與終端污水處理廠一一對應(yīng)，如遇失電、管道損壞等突發(fā)性事故，可能會引發(fā)市中心污水冒溢、河道污染、國考斷面不達(dá)標(biāo)等重大事故。根據(jù)《上海市污水處理系統(tǒng)及污泥處理處置規(guī)劃(2017-2035)》，在中心城區(qū)污水處理廠功能調(diào)整后，中心城區(qū)石洞口、竹園、白龍港三大片區(qū)污水均集中外排處置，污水總量約為690萬m3/d，約占全市污水處理總量(1 150萬m3/d)的60%，是上海排水系統(tǒng)的重中之重，維系著城市公共安全[1]。

(2)無法實現(xiàn)停水檢修。污水干線管齡普遍已達(dá)10～30年，南干線更是超過40年，已進(jìn)入或接近設(shè)計年限中期。在多種因素綜合作用下，管涵內(nèi)部逐步出現(xiàn)了頂板混凝土腐蝕剝落、鋼筋銹斷脫落等結(jié)構(gòu)嚴(yán)重缺陷，承載力大大削弱，但由于管道互不連通，單管設(shè)計的總管無法實現(xiàn)停水檢修，局部管段內(nèi)淤積嚴(yán)重。

(3)接納初期雨水及混接污水的能力較差。為了實現(xiàn)2020年基本消除劣V類水體的目標(biāo)，“水十條”、《上海市水污染防治行動計劃實施方案》對河道水環(huán)境治理提出了指示和要求?！渡虾Ｊ形鬯幚硐到y(tǒng)及污泥處理處置規(guī)劃(2017-2035)》提出，全市強(qiáng)排系統(tǒng)初期雨水截流量約為300萬m3，初期雨水截流標(biāo)準(zhǔn)為合流制11 mm，分流制5 mm[1]。但目前石洞口片區(qū)管道輸送能力已基本飽和，竹園、白龍港污水片區(qū)管道輸送能力尚有富余，污水干線總管輸送量與輸送能力不平衡，外排總管接納初期雨水和混接污水的能力較差，在應(yīng)對時空分布不均勻的突發(fā)災(zāi)害性氣候時，無法借助相鄰片區(qū)設(shè)施的能力受納超量污水，造成局部地區(qū)積水和溢流。

(4)無法實現(xiàn)統(tǒng)一的運行調(diào)度。污水干線相對獨立、互不連通，輸送方式既有重力流，又有壓力流，無法像城市給水管一樣實現(xiàn)水量調(diào)配，給運行調(diào)度帶來了較大難度。在檢修維護(hù)、發(fā)生應(yīng)急事故時，無法借助相鄰污水片區(qū)的污水輸送能力，將污水調(diào)配后輸送至末端污水處理廠達(dá)標(biāo)處理，客觀上易造成水環(huán)境污染。

2 研究方法

為了更好地掌握污水干線總管系統(tǒng)中的潛在運行安全風(fēng)險，本研究通過數(shù)據(jù)分析，從現(xiàn)狀系統(tǒng)的輸送能力、潛在的輸送需求以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方面來評估污水干線總管系統(tǒng)。

2.1 輸送能力評估

輸送能力評估利用上海市城市排水有限公司運行歷史記錄中提取的5根污水干線總管上22座干線節(jié)點泵站的SCADA數(shù)據(jù)和對應(yīng)的雨量記錄數(shù)據(jù)，分析泵站的輸水量、泵站的開泵數(shù)量以及潛在富裕的輸送能力。根據(jù)不同的降雨量，對比同一座泵站在旱天、雨天和雨后等不同工況下的輸送量，其中旱天工況下泵站的輸送量已達(dá)到設(shè)計最大值的可認(rèn)為是系統(tǒng)的瓶頸點，已無法承擔(dān)降雨期間初期雨水輸送的需求。

2.2 需求分析

需求分析包括污水量預(yù)測和初期雨水量預(yù)測兩個方面。通過計算得到的規(guī)劃污水量和初期雨水及混流污水量，與現(xiàn)狀5條污水干線總管的輸送能力相對比，可以得到現(xiàn)狀系統(tǒng)中潛在的瓶頸點。

污水量預(yù)測采用綜合指標(biāo)法，綜合污水量標(biāo)準(zhǔn)按供水量標(biāo)準(zhǔn)的0.9進(jìn)行折算，折算后為290～315 L/(人·d)。污水片區(qū)人口數(shù)取自《上海市污水處理系統(tǒng)及污泥處理處置專業(yè)規(guī)劃(2017-2035)》[1]，計算如(1)。

預(yù)測污水量=規(guī)劃服務(wù)人口×綜合污水量標(biāo)準(zhǔn)+地下水滲入量

(1)

由式(1)可知，上海市中心城三大污水片區(qū)石洞口片區(qū)規(guī)劃日均污水量約為100萬m3/d，竹園片區(qū)規(guī)劃日均污水量約為220萬m3/d，白龍港片區(qū)規(guī)劃日均污水量約為370萬m3/d。

初期雨水量采用面積負(fù)荷法計算，其中初期雨水截流標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《上海市污水處理系統(tǒng)及污泥處理處置專業(yè)規(guī)劃(2017-2035)》為合流制11 mm、分流制5 mm，計算如式(2)。

V=0.01DFΨ

(2)

其中：V——調(diào)蓄量，m3；

D——調(diào)蓄量，mm；

F——匯水面積，m2；

Ψ——徑流系數(shù)。

由式(2)可知，上海市中心城竹園片區(qū)初期雨水量和混流污水量約為110萬m3/d，白龍港片區(qū)初期雨水量和混流污水量約為175萬m3/d。

2.3 拓?fù)浞治?/h3>

拓?fù)浞治鱿葘ΜF(xiàn)有的污水外排干線總管進(jìn)行矢量化處理，將支管接入點作為節(jié)點分類編號，得到污水干線總管的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，并從系統(tǒng)連通度、可靠度和脆弱度等方面開展分析(圖2)。

圖2 污水干線總管平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topological Structure of Sewage Mains

系統(tǒng)的連通度通過考察網(wǎng)絡(luò)的鄰近中心勢來體現(xiàn)，某節(jié)點xi在網(wǎng)絡(luò)中的鄰近中心性為節(jié)點i到其他節(jié)點平均距離的倒數(shù)，即節(jié)點xi在網(wǎng)絡(luò)中的相對可達(dá)性，該指標(biāo)可以反映整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的中心化程度，一般樹狀結(jié)構(gòu)的連通程度明顯低于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[2]。

系統(tǒng)可靠度通過考察網(wǎng)絡(luò)中高穩(wěn)定節(jié)點的數(shù)量來體現(xiàn)，與某節(jié)點xi相連的節(jié)點數(shù)多，則該節(jié)點穩(wěn)定性越高，穩(wěn)定節(jié)點數(shù)量占比越高，則網(wǎng)絡(luò)整體也就越穩(wěn)定[3]。

網(wǎng)絡(luò)的脆弱度則通過分析橋在網(wǎng)絡(luò)連線中的占比體現(xiàn)，將網(wǎng)絡(luò)中兩個節(jié)點間的唯一連線定義為橋，橋占比越高，不穩(wěn)定因素越多，整體網(wǎng)絡(luò)越脆弱；橋占比越低，不穩(wěn)定因素越少，整體網(wǎng)絡(luò)越不脆弱[4]。

通過拓?fù)浞治?，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀集中外排污水干線總管網(wǎng)絡(luò)中的薄弱點，進(jìn)而評估不同優(yōu)化方案的效果。

3 優(yōu)化策略

上海市中心城污水集中外排體系現(xiàn)狀問題主要在于外排干線總管之間的枝狀特性所導(dǎo)致的連通度低、脆弱度高、穩(wěn)定性差?！妒彝饨o水設(shè)計規(guī)范》中要求原水輸水管采用2根以上，并按照事故用水量分段設(shè)置連通管。不同于給水管道的壓力輸送方式，污水管道以重力輸送為主，污水干線總管間的連通管難以實現(xiàn)雙向自流輸送。柏林、北京等城市，為了解決污水處理廠停水檢修等需要，通過設(shè)置雙向泵站等措施，實現(xiàn)局部的調(diào)水。為了更好地解決現(xiàn)狀污水集中外排體系存在的問題，增加外排干線總管之間的聯(lián)系，本研究嘗試在相鄰的污水干線總管間的等壓差點建立連通管段，將污水干線總管由枝狀管網(wǎng)變成局部的環(huán)狀管網(wǎng)，增加干線總管間的聯(lián)系，實現(xiàn)跨干線總管的雙向水量調(diào)配。

上海市的污水外排總管長度大于30 km，屬于帶有收集功能的長距離污水輸送干線，各區(qū)段功能有所不同。其中，位于干線提升泵站前段的一般為重力管段設(shè)計，主要承擔(dān)沿線排水分區(qū)污水和截流的初期雨水的收集，將此段定義為污水干線總管的上游；干線提升泵站后至外環(huán)線段，主要承擔(dān)上游水量的轉(zhuǎn)輸功能，兼具收集沿線排水分區(qū)的污水和截流的初期雨水，將此段定義為污水干線總管的中游；外環(huán)線以外至污水處理廠段途經(jīng)區(qū)域不屬于上海市中心城范圍，不再承擔(dān)沿線污水和初期雨水收集的功能，僅有轉(zhuǎn)輸功能，將此段定義為污水干線總管的下游。結(jié)合污水干線總管不同區(qū)段間功能的不同，在各污水片區(qū)干線總管的“上游、中游、下游”設(shè)置連通管及排水設(shè)施，形成干線總管之間的“兩兩互通”，提升系統(tǒng)之間的連通互補和跨區(qū)調(diào)度。

(1)“上游”連通：以始端地塊污水的通暢排放為目標(biāo)，分析排水系統(tǒng)與上游總管所處的位置，在環(huán)境敏感和重要地區(qū)設(shè)置上游連通管，為地塊污水排放提供備用通道，確保重要地區(qū)污水排放的安全性和可靠性，實現(xiàn)源頭的分流和上游干線的控流。

(2)“中游”連通：以保障污水干線總管安全運行為目標(biāo)，分析不同干線各節(jié)點的水位、壓差、位置、路由和實施可行性等要素，在污水干線總管的中游設(shè)置連通管，實現(xiàn)干線總管的分段停運檢修和維護(hù)養(yǎng)護(hù)，確保干線總管的安全運行，為不同片區(qū)間污水量調(diào)度和調(diào)配創(chuàng)造條件。

(3)“下游”連通：以末端污水處理廠的穩(wěn)定運行為目標(biāo)，在污水干線總管的下游設(shè)置廠際連通管，實現(xiàn)跨片區(qū)的廠前污水流量調(diào)配，降低污水處理廠進(jìn)廠流量的總變化系數(shù)Kz，通過削峰穩(wěn)流減少污水處理廠的雨天溢流放江，應(yīng)對污水處理廠內(nèi)的突發(fā)事件，便于超大型污水廠的養(yǎng)護(hù)管理。

通過以上連通管，最終實現(xiàn)跨片區(qū)的水量調(diào)配，滿足初期雨水等的輸送，便于排水干線總管的檢修養(yǎng)護(hù)，提高污水系統(tǒng)的安全保障。

4 建模及驗證

4.1 水力模型評估

本研究利用InfoWorks ICM模型構(gòu)建了5大污水干線聯(lián)動的水力模型，并將“上游、中游、下游”連通管方案納入其中，實現(xiàn)對污水輸送干線的運行現(xiàn)狀模擬和不同工況下連通管的實際效用分析(圖3)[5-6]。

圖3 上海城市污水干線總管網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Network of Urban Sewage Mains in Shanghai

模型驗證表明：上游連通管可作為中心城區(qū)內(nèi)環(huán)境敏感和重要地區(qū)污水出路的備用通道，同時實現(xiàn)超量初期雨水的跨片區(qū)轉(zhuǎn)輸，減少初期雨水對河道水環(huán)境的影響；中游連通管作為污水干線總管分流和疏解的出路，可實現(xiàn)不同污水干線總管間片區(qū)內(nèi)乃至跨片區(qū)的污水調(diào)配，在不同污水片區(qū)不均勻降雨的工況下調(diào)蓄超量初期雨水，降低雨天流量對沿線污水處理廠的水質(zhì)水量沖擊；下游連通管能起到削減污水處理廠雨天溢流放江，降低沿線污水處理廠進(jìn)廠流量總變化系數(shù)等功能?！吧嫌?、中游、下游”連通管形成的干線總管之間“兩兩互通”可實現(xiàn)污水干線總管的日常檢修和事故應(yīng)急，從而應(yīng)對污水干線總管的檢修及事故工況，利用連通管實現(xiàn)跨片區(qū)的污水輸送，提高污水系統(tǒng)安全保障。

4.2 拓?fù)浞治鲵炞C

圖4 污水干線總管“上游、中游、下游”連通管方案拓?fù)浞治鯢ig.4 Topological Analysis of "Upstream, Middle and Downstream" Connection Scheme of Sewage Mains

根據(jù)優(yōu)化策略，在圖2中嘗試不同的“上游、中游、下游”連通管方案，評估其系統(tǒng)連通度、可靠度和脆弱度的數(shù)值變化，其中得分較高的連線方案如圖4所示。得分最高的連線方案(節(jié)點10與節(jié)點16)其網(wǎng)絡(luò)連通度增加300%，網(wǎng)絡(luò)脆弱度(倒數(shù))增加8%，網(wǎng)絡(luò)可靠度增加5%，較圖2基本網(wǎng)絡(luò)的數(shù)值有了大幅提升，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如實反映了“上游、中游、下游”連通管對于原有污水干線總管網(wǎng)絡(luò)連通度低、脆弱度高、穩(wěn)定性差的優(yōu)化效果。

5 結(jié)論

本文提出的干線總管“兩兩互通”策略，在維持現(xiàn)有三大排水片區(qū)格局和污水＂就地分散收集、長距離外排輸送和集中處理排江＂模式的基礎(chǔ)上，通過在各污水片區(qū)的“上游、中游、下游”增設(shè)連通管及排水設(shè)施，解決了現(xiàn)有枝狀污水干線總管存在的輸送能力不足、無法停運維護(hù)、不能跨片區(qū)調(diào)度等問題，并借助水力模型軟件模擬和數(shù)學(xué)拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行了驗證。本研究構(gòu)建的局部環(huán)狀管網(wǎng)可大幅改善管網(wǎng)拓樸結(jié)構(gòu)的脆弱度和可靠度，提高了管網(wǎng)系統(tǒng)的連通度和穩(wěn)定性，充分挖掘了現(xiàn)狀管網(wǎng)的潛能。連通管建成后，可實現(xiàn)污水片區(qū)內(nèi)和跨片區(qū)的雙向調(diào)配，保障了污水和初期雨水的全收集，提升了排水基礎(chǔ)設(shè)施的能級，可滿足城市精細(xì)化管理的需要，為一網(wǎng)調(diào)度和安全運維奠定基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)上海市2035城市總體規(guī)劃提出的美好愿景“卓越的全球城市，令人向往的創(chuàng)新之城、人文之城、生態(tài)之城，具有世界影響力的社會主義現(xiàn)代化國際大都市”。