排水系统地下水渗入量的水力学模型辅助评估

'第26卷第1O期中国给水排水V01．26No．102010年5月CHINAWATER&WASTEWATERMav2010排水系统地下水渗入量的水力学模型辅助评估王溯，李田，冯沧，鞠春方(1．同济大学环境科学与工程学院，上海200092；2．上海市浦东新区环保市容局，上海200135)摘要：基于水量平衡原理，通过管道水力模型计算与现场流量及水位监测，研究考察了不能直接应用夜间最小流量法的水泵强制排水系统地下水渗入量的水力模型辅助评估方法，据此评定了上海市某混接雨水系统旱流截污运行条件下的地下水渗入量，并对该方法的应用条件进行了分析讨论，为排水系统管理与地下水渗入量研究提供了借鉴。关键词：地下水渗入量；夜间最小流量；水力模型；混接雨水系统；旱流截污中图分类号：TU992文献标识码：B文章编号：1000—4602(2010)10—0013—06HydraulicModel-assistedEvaluationofGroundwaterInfiltrationRateintoDrainageSystemsWANGSu，LITian，FENGCang，JUChun—fang(1．SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，rongiiUnivemity，Shanghai200092，China；2．BureauofEnvironmentalProtectionandMunicipalSanitationManagementofPudongNewDistrict，Shanghai200135，China)Abstract：Basedonwaterquantitybalance，andthroughpipelinehydraulicmodelcalculationandin—sitemonitoringofthesystemflowandwaterlevel，thehydraulicmodel—assistedevaluationmethodofgroundwaterinfiltrationrateintopumpingdrainagesystemsinwhichtheminimumnightflowcannotbedirectlyusedwasinvestigated．ThegroundwaterinfiltrationrateintoastormwatersystemWithillicitcon—nectionoperatedinformofdryweatherflowsewageinterceptioninShanghaiwasassessed，andtheappli-cationconditionsofthemethodwerediscussed．Theresultprovidesreferenceformanagementofdrainagesystemandresearchongroundwaterinfiltrationrate．Keywords：groundwaterinfiltrationrate；minimumnightflow；hydraulicmodel；stormwatersystemwithillicitconnection；dryweatherflowsewageinterception在高地下水位地区，地下水渗入合流制管道或由此产生了分流制雨水系统地下水渗人造成的排水分流制的污水管道，造成管道系统的收集输送效率系统运行效率受损。对于实行旱流截污的混接分流下降、合流制系统的雨天溢流水量增加、污水厂进水制雨水系统的地下水渗入水量的测算及地下水渗入污染物浓度明显降低，长期以来在国内外受到广泛对系统运行效率的影响，国内外均未见研究报道。关注。近年来，国内大中城市普遍采用旱流截污措目前，国外确定排水系统地下水渗入量的方法施应对分流制雨水系统雨污混接造成的旱流污染，主要有夜间最小流量法、三角形法、移动最小值法与基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07316—001)·l3· 第26卷第l0期中国给水排水www．watergasheat．corn模型评估法等¨J。其中夜间最小流量法以日水量补偿流量；更重要的是对于水泵强排系统，可以计算监测值为基础，所需要的数据监测期短、对研究工作得到进入系统的瞬时污水、人渗水流量的变化过程。的软硬件要求比水力模型法低；三角形法基于系统在非降雨日，混接雨水系统管道人流量是混接一年的长期日流量的连续测定统计，需要的实测数旱流流量和地下水渗入量之和，管道中混接旱流流据多；以主要节点流量检测为基础的管网水力模型量、地下水渗入量、排出流量与管道储水量间存在如方法，可以计算系统干管部分的渗入水量，并评价其下水量平衡关系：空间分布，但是该方法对水量监测的要求高。目前A=Q混+Q渗一Q出流(1)夜间最小流量法被认为是最主要的渗入量检测方A法，然而对于服务面积大的重力流系统或水泵强制式中竿——单位时段内系统存储水量的变化，U排水系统，其夜间最小流量通常无法获得。应用水m／s力模型测算系统存储水量变化对夜间最小流量的影Q混——雨水系统的早流混接流量，in。／s响，研究解决没有夜间最小流量的泵排系统地下水Q海——入渗的地下水流量，m／s渗入量评估的实用方法，以期为我国南方城市排水Q流——雨水系统的出流流量，m／s系统的诊断与渗入量评价提供可靠的工具。1排水管道渗入量的估算方法非降雨日系统旱流截污的瞬时流量，可以在掌握截流泵特性曲线基础上结合泵站前池水位实测值国内外众多研究认为，夜间最小流量法是评价计算得到。管道存储水量的过程值，在掌握系统各排水管道地下水渗入量的最好方法之一。该方法的管段管径、管长、高程数据的情况下，可运用管道水基本原理为：非降雨时段地下水渗入量全天是恒定力模型软件InfoworksCS结合前池水位实测值计算的，在凌晨3：00_5：00排水系统内污(废)水流人获得。量很少，排水系统出口处的流量主要是地下水渗入在上述工作基础上，通过式(1)计算得到系统量。通过连续测定一个阶段(如一周的系统出流量变化过程)，可以得到夜问最小流量的平均值。通入流瞬时流量的变化过程，可得到包括夜间混接流过实测，掌握夜间最小用水量或污水量数据，将其从量与渗人流量在内的夜间最小流量数据。通过实测夜间最小流量中扣除，就可以得到合流制系统或污掌握典型混接雨水系统的夜间混接流量占日均流量水系统的地下水渗入量。的比例，将其从夜间最小流量中扣除，即可得到系统夜间最小流量法的缺点之一，是在系统服务范的地下水渗入量。围比较大的场合，夜间最小流量的峰谷不明显，这与2计算结果与分析管道系统存在较大的调蓄容量、夜间系统水位下降2．1案例简介带来的补偿流量等因素有关J。对于水泵强排系通过调查筛选，选择位于上海浦东新区某封闭统，系统任一时刻的外排流量由水泵的运行状态决性良好的分流制雨水系统——H系统进行渗入量测定，管道系统的日人流量变化过程以及系统的实际算研究。H系统建成于1998年，汇水面积为3．88夜间最小流量，必须结合系统的瞬时水位与调蓄的km，地面平均高程为4．5In，地下水位高程约3．5容量变化方能确定。此外，对于混接雨水系统，其夜133，服务区域为包含少量服务业的居民区。由于位间最小混接污水流量的测定与扣除也没有可供参考于浦东新区的核心区域，在旱流截污工况下该系统的经验。因此，对于水泵强排系统，特别是混接雨水的前池平均运行水位控制得很低，仅有一2．29m，明系统的渗入量调查，需要探索新的评估方法和计算显低于上海市多数旱流截污雨水系统的水位。夜间参数。截流泵停止运行后系统水位上升缓慢，据此可以推建立管道水力模型可以方便地评估给定管道系断其封闭性很好。该系统于2000年增设了旱流污统的水位变化所对应的总储水量的变化。据此，在水截流系统，配有2台潜水泵，1用1备。H系统的测定日排放流量变化过程的同时，精确测定管道系泵站配备有可记录水泵运行状态的PLC以及超声统的水位变化过程，可以通过模型计算扣除排水系波液位计，可精确测定前池水位，并将数据上传到上统在夜间流量最小时段因系统存储水量下降带来的位机存储。由于该系统的运行水位在一3．0～·l4· 王溯，等：排水系统地下水渗入量的水力学模型辅助评估第26卷第l0期一1．27m，远低于地下水位，很容易发生地下水渗测数据相对变化趋势线的波动幅度，90％处于入。±0．01m之内，经计算0．01m的水位波动会导致根据H系统管道竣工图所提供的各管段管径、人流流量计算结果出现20L／s的跳跃。根据水位管长、高程数据，采用InfoworksCS软件建立了系统变化过程应为连续过程，受波浪影响是前池水位数管道模型，应用模型的功能获得了运行水位与系统据无规则波动的原因，在数据统计时将水位数据中总储水量的关系，结果见图1。变化幅度远高于0．01m的噪声点剔除，然后以6个数据点为步长进行6点等权中心滑动平均处理J，取平均值作为中心点数据，这样可以保证对应时间点的水位值稳定且具有代表性。平滑处理前、后的某时段水位数据如图2所示。图1系统存储水量与运行水位拟合曲线％∞∞船mH拗瑚鲫Fig．1FittingCUlTeofstoragevolumeandWaterlevel在实际运行水位范围内，对图1进行拟合得到4：l94：485：l65：456：l46：437：l27：408：098：389：07存储水量与水位h的拟合函数，如式(2)所示。时间W：1231．4h+8841．5h+157l0图2平滑处理前、后的水位数据Fig．2DataOilwaterlevelsbeforeandaftersmoothingR=0．998(2)式中一系统存储水量，m选择2009年6月11Et一1713连续一周非降雨日实测数据进行流量过程计算，将平滑处理后的^——前池水位，mH系统的地面标高约4．5m，潜水截流泵将旱水位数据以30min为步长分别代入式(2)～(4)中，分别计算得到和出流流量Q出流。结合截流泵流污水从前池提升到高程约为5m的污水管道入口的运行时刻表，由式(1)计算得到连续一周的入流井，后经重力流污水管道接至附近的污水泵站，提升流量变化过程，结果见图3。过程中的总水头损失以及出流速度水头按10kPa估算。在截流泵流量计算中，运行的实际扬程H如式(3)所示。H=6一h(3)式中——前池水位标高，实际运行时为负值对系统配置的潜水截流泵的特性曲线进行拟合，得到该截流泵特性函数如式(4)所示。Q出流=一32．84H+488．99(4)式中Q出流——截流泵截流流量，L／s2．2计算结果与讨论H系统的雨水泵站SCADA系统每5rain记录一组泵站前池水位、截流泵／雨水泵的启／闭状态数据。由于系统在低水位运行，管道基本处于排空状态、管道系统的调节容积较大，前池水位的微小变化即会导致总储水量的较大变化，进而导致人流流量计算值的跳跃。统计发现，H系统每5min水位实·15· 第26卷第10期中国给水排水w、^．watergasheat．corn现最小值。1，其中夜问最小流量为每天凌晨1：00—5：00的平相关的日均流量与夜间最小流量计算结果见表均流量。表1H排水系统的雨季水量计算结果Tab．1Resultsofdaily&nightminimumflowofHstormwatersystemduringrainyseason项目2o09—06—112009—06—122009—06—132009一O6—142009—06—152009—06—162c109—06一l7(星期五)(星期六)(星期日)(星期一)(星期二)(星期三)(星期四)Et平均流量／(m·d)9729105321062795o4994598589409夜间最小流量／(L·S)57．659．361．551．753．656．155．9表1的统计结果表明，周末的夜间最小流量明显高于工作日，平均值分别为6O．4L／s和55．0L／S。这主要是因为周末夜间居民用水量比工作日要-、大，进入雨水管的夜间混接水量也较大，因此在估算邑删夜间最小流量时宜采用工作日数据。根据表1数据媛计算得知，H雨水系统雨季工作日的日平均流量为9689m／d，平均流量为112．1L／s，5个工作13的夜间最小流量平均值为55．0L／s，夜间最小流量值约_L』00000000为日平均流量的49％。88g8gg吕8另选2009年1月12日一18日连续一周非降雨日期日的SCADA数据进行了同样的计算，结果见图4。图4H雨水系统旱季旱流流量变化过程统计一周的日平均流量和夜间最小流量如表2所Fig．4Dry—weatherflowpaRemofHstormwatersystem示duringdryseason表2H雨水系统旱季旱流水量统计结果Tab．2Resultsofdaily＆nig}ltminimumflowofHstornlwatersystemduringdseason项目20ID9—01—122009—01—132009—01—142009—01—152009—．01——162009—01—1720o9—01一l8(星期一)(星期二)(星期三)(星期四)(星期五)(星期六)(星期日)日平均流量／(m·d)936394658785101399l53l082711080夜间最小流量／(L·s)46．748．546．851．145．955．247．9根据表2数据计算得知，H雨水系统旱季工作。2009—03-19(M1，J、区)一2009—05-22(M2，J、区)日的日均旱流流量为93811TI／d，相当于108．6L／S；工作13的平均夜间最小流量为47．8L／s。夜间最小流量值约为日平均流量的44％。上述两个时段的实测结果表明，混接雨水系统的旱流水量逐时变化幅度相对合流制系统比较平缓。为确定混接雨水系统夜间混接水量，在H系统服务范围内选择了建成于1998年的两个分流制街坊M1和M2进行实测调查，两街坊均为6层楼住宅图5M1、M2小区旱流水量变化过程区，其中M1小区总服务面积为11．38hm，M2小区Fig。5Dry-weatherflowpatterninM1andM2总面积为l5．96hm，均有自己独立的排水系统，系residentialareas统封闭性较好，在H系统服务范围内具有一定的代对M1小区共进行了2次工作日监测，凌晨表性。在小区的雨水干管出口处，使用速度面积流1：00—5：00夜间混接水量占日平均流量的28．4％；量计(NIVUSPCMPro)连续测定24h旱流流量，两对M2小区共进行了3次工作日监测，其夜间混接小区非降雨日出流流量变化过程如图5所示。水量占日平均流量的27．2％。小区雨水管道埋深-16· 王溯，等：排水系统地下水渗入量的水力学模型辅助评估第26卷第1O期浅且为塑料管，其地下水的渗入量可忽略。据此，结雨季与旱季的地下水渗入量占日平均流量的比例分合表1、2的工作日夜问最小流量值，得出H系统在别为21％和16％，具体计算结果见表3。表3H系统地下水渗入量测定结果分析Tab．3AnalysisofevaluationresultsofgroundwaterinfiltrationintoHsystem日均流量／夜间最小流量及比例夜间混接水量及比例地下水渗入量及比例项目(流量／占日平均值流量／占日平均值渗入量／占日平均值m·d)(L·s一)的比例／％(L·s)的比例／％(m·km～·d)的比例／％雨季968955．04930．32754922旱季938147．84430．82838716由表3可知，以占混接系统的日均流量的比例从图6可知，借助管道水力模型计算得到的人衡量，则H系统的地下水渗入量较高；而按单位服流流量过程也存在一定程度上的不连续现象：水泵务面积的渗入量数值考量，地下水的渗入量则较低。启闭时刻进入系统的瞬时流量变化幅度大于实际情这是因为该混接雨水系统单位面积的早流水量不到况。实际上系统水位不会随水泵的启闭出现突然变上海市典型合流制系统的1／3。该系统90％以上的化，而是呈现一个渐变的过程。这是该方法的一个管道为市政部门统一投资建设，采用了柔性接口混局限。但是这种局限基本上不影响推算夜间最小流凝土管，且建成年代不长，所以其单位面积的渗入量量以及日平均流量，因为夜问最小流量是一个较长比较低。其他建设条件较差、使用年限长的混接雨时段流量的平均值，而水泵启闭造成的流量突变在水系统，渗入量可能比较大，特别是一些设计施工中相对较短的时段内已经结束。无闭水试验要求的刚性接口管道雨水系统，随着旱文中实测水位的波动对计算结果的影响程度较流截污而来的地下水入渗危害可能十分严重。大。对于一个服务面积较大的排水系统，在其运行3分析与讨论水位处于大部分管道没有充满的条件下，前池实测对于南方沿海地区常用的水泵强排系统，不借水位的微小变化就会导致系统存储水量的较大波助管道模型根据系统总储水量的变化进行人流流量动，进而引起瞬时流量的变化。由图6可知计算所补偿，与直接根据水泵特性曲线或铭牌流量估算系得人流流量有一定的波动，但是总的变化趋势比较统的人流流量所得到的人流曲线是不连续的；而对稳定，能够反映人流量的实际规律。液位计测量水位值的灵敏度约为0．005m，每5min水位出现截流泵24h连续运行的系统，显示的人流流量是基0．005m的波动会导致流量计算结果发生l0L／s的本恒定的，得不到可信的夜间最小流量。对于H系变化，因此水位测量的精度会影响到该计算方法的统来说，在水位补偿前、后其流量计算结果见图6。+前池7k位实用性。300+考虑补偿的计算流量一1．5+未补偿时流量为此，在计算过程中先对水位数据进行噪声点250开泵关泵—2·O的剔除，然后以6个数据点为步长进行6点等权中，e200一2．5心滑动平均处理，所得到的人流量曲线比较平滑，不1503．0*仅能满足估算日均流量与夜间最小流量的需要，还一嫣100可以较好地了解系统瞬时人流水量的变化过程。对一3．550于运行水位比较高的排水系统，流量计算结果对水开泵关泵0■—4．0位测量值的灵敏度会比较低，该方法的实用性更好。00llo。。。004结语II。。o。0000通过建立系统水力模型，确定了上海市某混接日期雨水系统存储水量与水位的关系，通过截流泵特性图6H系统考虑存储水量变化补偿与否的入流曲线计算了系统截流的瞬时流量，运用水量平衡原流量测算结果理，得到系统人流流量的日变化过程。选择了该系Fig．6FlowcalculationresultofconsideringstoragevolumecompensationornotforHsystem统内两个代表性小区，对小区夜间混接流量进行了·17· 第26卷第1O期中国给水排水www．watergasheat．corn现场监测。在上述工作基础上，采用夜间最小流量前景。法确定了该系统的地下水渗入量。该文的研究为解决服务面积较大的水泵强制排水系统地下水渗人量参考文献：的评估开拓了新思路，所获结果可信。[1]DeB6n6dittisJ，Bertrand．KmiewskiJL．Infiltrationin排水系统地下水渗入量较高是国内南方城市污sewersystems：comparisonofmeasurementmethods[J]．WaterSciTeehnol，2005，52(3)：219—227．水厂进水污染物浓度偏低的原因之一，已受到水务[2]李田，时珍宝，张善发．上海市排水小区地下水渗入量管理部门的高度关注。该文采用的方法只需要利用研究[J]．给水排水，2004，30(1)：29—33．模型软件计算已知管道参数的排水系统水位与存储[3]裴益轩，郭民．滑动平均法的基本原理及应用[J]．火容积的关系，不需要对模型进行率定验证，比典型的炮发射与控制学报，2001，1(1)：21—23．模型计算方法简便。随着排水管网水力模型在国内的逐步普及和泵电话：13764971880站控制系统的硬件设施得到改善，应用该方法开展E—mail：oceanwang@163．con类似排水系统地下水渗入量的测算具有良好的应用收稿日期：2009—12—25rlrLrLr●Lr●L(上接第12页)一一]]"]][8]郑平，PiemeConstantAnatole，杜泽俊，等．气提式内ehemEngJ，2005，27(1)：40—44．循环生物反应器处理高浓度含氨废水的研究[J]．浙FanYaobo，LiGang，WuLinlin，eta1．Treatmentandre-江大学学报，2001，27(1)：23—27．useoftoiletwastewaterbyanairliftexternalcirculation[9]WenJianping，PanLei，HanWei，eta1．Thedenitrifica—membranebioreactor[J]．ProcBiochem，2006，41(6)：tionofnitratecontainedwastewaterinagas-liquid--solid1364—1370．three—phaseflowairliftloopbioreactor[J]．BiochemEng余世锋，程可可，张建安，等．气升式环流反应器处理J，2003，15(2)：153—157．化纤废水[J]．水处理技术，2007，33(2)：56—59．[10]毛国柱，闻建平，贾晓强．应用多导流筒气升式环流蔡建安，李俊，钟梅英，等．三相气提升循环流化床处生物反应器处理化肥工业含氨废水[J]．环境工程，理焦化废水[J]．水处理技术，1997，23(2)：110一2006，24(2)：7—8．l14．ZhangZhiyong，ZhouJiti，WangJing，eta1．Integration程树培，崔益斌，申为民，等．外循环气升式环流反应ofnitrificationanddenitrifyingdephosphatationinairlift器中光合细菌处理味精废水的研究[J]．环境科学，loopsequencingbatchbiofilmreactor[J]．ProcBio—1993，15(2)：1—6．chem，2006，41(3)：599—608．WenJianping，JiaXiaoqiang，PanLei，eta1．Nitrifying[12]柯建明，王凯军．采用好氧气提反应器处理含硫化物treatmentofwastewaterfromfertilizerproductionina废水[J]．环境科学，1998，19(4)：62—64．multipleairliftloopbioreactor[J]．BiochemEngJ，[13]张永明，陈素华，虞启义，等．气升式内循环接触氧化2005，25(1)：33—37．生物反应器处理啤酒废水的研究[J]．环境工程，薛胜伟．气升式环流反应器流动与传质的研究[D]．2000，18(6)：17—18．南京：南京工业大学，2005．[14]LiuXianling，WenJianping，YuanQing．Thepilotstudyf0roilrefinerywastewatertreatmentusingagas—liquid—E—mail：xiongyancong@sina．consolidthree—phaseflowaidiflloopbioreactor[J]．Bio一收稿日期：2009—11—03·18·'