2024年4月24日发(作者：)

第5期(总第265期）

2021 年 5 月

域并、|_斜5杉呆

URBAN

ROADS

BRIDGES

&

FLOOD

CONTROL

防洪排水

DOI

: 10.16799/

j

.

cnki

.

csdqyfh

.2021.05.049

基于水力模型的污水干管高水位运行原因诊断

王宏利

(广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东广州510060)

摘要：利用水力模型工具，结合运行数据、试验数据统计分析，对某污水厂所面临的厂外干管高水位运行，水量负

荷低，达不到设计工况的原因进行诊断。从污水量、管网汇水能力、干管水位、提升泵站能力、能力提升试验5个角度

进行系统分析，得出主要原因为污水提升泵站提升水量不足。

关键词：城市污水处理厂；高水位；水量低；水力模型

中图分类号：

TU

992.2 文献标志码

：B

文章编号：1009-7716(2021 )05-0166-03

0引言

当前国内大部分城市的污水排水系统中污水

厂、排水管网设施由不同的机构管理。系统日常运行

过程中，受多种因素影响，往往会出现偏离设计工况

的情况。本文依托实际工程咨询项目（实施期间

2017年5月~8月），以西部某省会城市污水处理厂

(以下简称污水厂）为对象，对其所面临的厂外干管

高水位运行、污水厂水量负荷低，达不到设计工况的

原因进行诊断分析，总结工作中的方法，以期能够为

其他水厂提供一定参考。

从污水系统管理完整性角度看，厂、网一体化管

理有助于充分发挥现有设施的效能，北京排水集团

针对北京中心城区污水系统提出了厂、网一体化运

营的水质保障、水量均衡、水位预调3种基本模式，

经实践取得了较好的效果

I

"。常州市排水处构建了城

市排水管理一体化系统实现了排水管网、泵站、污水

厂远程控制与调度，提高了排水系统管理的质量与

效率12]。

水量稳定，且全部进人市政污水管道。依据污水厂运

营数据及现场踏勘分析，厂外干管部分节点旱天水位

较高，流速较慢，管道严重承压运行。

1.2水力模型构建

《室外排水设计规范》规定可采用数学模型法进

行排水系统的设计及校核|31。排水系统水力模型参数

及边界条件合理设定，可用于系统现状分析、方案评

价以及风险评估等方面'

目前商业水力建模软件发展成熟，其中国内应用

较多的英国

Wallingforcl

的

InfoWorks

ICM

软件，实

现了城市排水管网系统模型与河道模型的整合，其水

力模块能够分析污水系统运行状态分析与评估本

项目采用

Info

Works

ICM

软件作为工具软件。

根据该污水厂分区管网

GIS

数据以及

CAD

图

纸，梳理了污水排水管道走向、高程以及拓扑关系，

采用

InfoWorks

ICM

软件建立水力模型，建模范围

27.2

km

2,管径分布范围

DN

300 ~

DN

1600,污水管总

长145.4

km

，模型水头损失等参数，参考排水相关规

范设置。

1研究方法

1.1污水厂概况

该污水厂位于城市主城区，服务面积为63.9

km

2,

设计规模为15万

m

3/

d

，当前污水厂现状处理水量稳

定维持在10万

m

3/

d

。尾水排至附近河流，服务范围

内污染源以住宅为主,兼有部分商业、学校、医疗、公

园等公共建筑。区域内人口密集，发展建设成熟，污

收稿曰期：2020-11-09

作者简介：王宏利（1988—),男，硕士，工程师，从事城市

排水管网设计与模拟计算工作。

1.3水力模型校核

模型校核是一个调整参数、反复计算、不断完善

模型，直到计算值与监测值的误差在允许的范围之内

的过程|6]。由于当前国家规范尚无水力模型校核的相

关标准，且本研究基于项目实施目标以及当时尚无管

网监测水量水位数据，不具备污水模型校核的客观条

件，因此未进行水力模型的校核。为保证模型的精确

性与合理性，采取的手段为参考排水相关规范准确设

置模型中水头损失等参数，根据计算工况目标准确输

人水量、水位边界条件。

.166 •

2021年第5期

王宏利：基于水力模型的污水干管高水位运行原因诊断

统计计算工况下进厂干管末端排水量，模型计

算结果分析见表1,结果显示随下游水位升高管网排

2污水量核算

该污水厂排水区域建设以成型，根据现有资料将

污水厂汇水分区划分为：二环路内片区（27.17

km

2)

和二环路外汇水片区（36.72

km

2)两部分，分区2020

年规划人口 801 064,排水定额取275

L

/人/

d

，预测

污水量达22万

m

3/

d

。

此外，根据2016年3月~8月排水分区，每日自

来水用水量数据分析，二环路内片区用水量稳定，按

0.9污水折算系数，二环路片区内日污水量平均值为

9.09万

m

3/

d

。单位面积污水量为37.58

m

3/

d

/

hm

2。二

环路外汇水片区（36.72

km

2)无用水量数据，根据单

位面积污水量推测，污水量为13.8万

m

3/

d

。预测污

水总量日平均值为22.89万

m

3。

从区域污水产生量角度来看，服务分区内污水量

达22万

m

3/

d

，能够满足15万

m

3/

d

设计规模需求。

水能力有减弱趋势；在保证上游管网不出现满溢下，

厂外管网的排水能力维持在13.7 ~ 16.4万

m

3/

d

的

水平。

表1不同产水蛋、水位管网排水水量统计表

水量

下游

水位

0

m

1.6

m

2

m

3

m

4

m

100%产水量

是否

满溢

是

是

是

是

是

排水量/

(万

m

3.

d

)

18.09

17.91

17.71

17.32

16.82

90%产水量

是否

满溢

否

否

否

是

是

80%产水量

排水量/

(万

m

3.

d

)

14.68

14.59

14.43

14.10

13.74

排水量/是否

(万

m

3.

d

)

满溢

16.43

16.30

16.13

15.78

15.37

否

否

否

否

否

4厂外干管水位分析

根据运行养护资料污水厂上游干管水位较高，处

于承压运行状态，2017年4月厂外干管水位统计图

(见图1),可以看出厂外水位和处理水量之间有比较

明显的负相关关系，当处理水量维持在9.9万

t

/

d

水

平时对应水位为4.5

m

，当处理水量维持在10.9万

l/d

3管网汇水特性分析

利用构建污水系统水力模型，合理设定上下游水

量、水位边界条件下，分析管网的汇水能力。

水量边界：

(1)

水

二环路范围外污水量为13.8万

m

3/

d

，按系统

平时对应水位为4.05

m

,基本趋势为水量提升

1万

t

,水位约降低0.5

m

,推测当污水处理水量达到

上游点源入流

1

5万

t

时，厂外水位约降低到2

m

，厂外进厂干管管

二环路片区污水量9.09万

m

3/

d

，按照泰森多

径为

DN

1400,因此当水位降低到2

m

时，管道约负

边形均摊水量，片区总污水量为22.89万

m

3/

d

。此外

(2)

为分析厂外管网系统的排水能力，另外设置总污水

量的95%、90%、85%、80%产水量梯度工况计算分

析。

下游水位边界：下游水位（进厂干管末端）顶托

会影响管网排水能力，根据2017年4月份厂外干管

水位数据，分别设置〇111、1.6 111、2 111、3 111、4 111的下

游水位边界条件。

压0.6

m

，负压状态有较大改善。

根据污水厂提升栗站2017年5月8日~5月

10曰实测水位数据，泵站格栅前后水头损失较大，见

表2,且水损数值稳定，平均水损值为0.7

m

，最大

0.8

m

，最小0.67

m

,方差为0.002,水损值远超过了

设计、运行的经验值0.2

m

,在日常养护中提高格栅

清淤频率。

t 2017

处理水量万

/

年月四厂厂外水位图

4

厂外水位

/m

图1厂前干管水位、处

理置

关系图

• 167 .

王宏利：基于水力模型的污水干管高水位运行原因诊断

2021年第5期

表2提升泵站格栅前后水深与过栅水头损失单位

：m

经计算在实验时段14:00时内，污水提升总量

为5 798

m

3，较6 250

m

3/

h

设计规模偏低了 7%,较

4 167

m

3/

h

(日常运行10万

m

3/

d

)增加了 39%,基于

此，推算日总污水量可提升至丨39 163

m

3。

根据厂外同步水位监测数据绘制了厂外干管水

位线，分析厂前干管水位，在实验前、实验中、实验后

的变化过程，实验前（13:30)水深约为2

m

,实验中约

14:30水深降低约0.4

m

，实验后约（15:20)水深降低

0.8

m

,印证了泵站提升量与厂前水位的负相关关系。

曰期

5月8曰

位置

栅前

栅后

水头损失

栅前

10:00

5.48

4.8

0.68

4.95

4.28

0.67

4.77

4.03

0.74

16:00

5.13

4.4

0.73

5.14

4.45

0.69

5.12

4.4

0.72

22:00

5.3

4.5

0.8

5.25

4.6

0.65

5.61

4.94

0.67

5月9曰

栅后

水头损失

栅前

5月10日

栅后

水头损失

7结论

5提升泵站设计校核

根据污水厂设计资，水厂提升泵站现有6台水

泵，其中2台常开（单台规模3 250

m

3/

h

)，4台备用

(单台规模1 354

m

3/

h

)。泵站集水池平面尺寸为

13.8

mx

13.8

m

，面积190.44

m

2,根据运行记录泵站

前池有效水深=494.5-491.35=3.15

m

，有效池容=

190.44

x

3.15=599.8

m

3,泵站大泵最大5

min

排水量=

3 250/60

x

5=270

m

3其小于有效池容，泵站集水前

池尺寸设置能满足水泵抽升量。

本文利用水力模型工具，从区域产水量、管网汇

水能力、厂前干管水位、提升栗站设计复核角度、水

量提升进行分析诊断，主要得到以下结论：

(1) 污水厂排水分区内的污水量，能够满足

15万

m

3/

d

设计规模需求。

(2) 下游水位升高管网排水能力有减弱趋势，厂

外管网的排水能力维持在13.7 ~ 16.4万

m

3/

d

的水平。

(3) 根据厂前干管水位记录，推测当污水厂处理

水量达到15万

t

时，厂外水位约降低到2

m

,承压状

态有较大改善。

(4)

6水厂水量提升试验

污水厂设计规模15万

mVd

，现状处理水量约为

10万

m

3/

d

,为检验其处理能力是否还有提升空间，

水厂管理部门制定了污水量提升方案，对提升泵组

运行方式进行优化，并于2017年8月3日14时内

进行试验，同时对厂外干管水位进行了同步监测。

根据试验数据绘制了污水量提升曲线，见图2,

提升水量由丨4:00,5 003

m

3/

h

起逐渐上升，至14:35

到达最大提升量6 224

m

3/

h

，后提升量逐渐下降，至

14:55,5434

m3/h

停止实验。

泵站格栅前后水头损失较大，平均水头损失

值为0.7

m

，远超过了设计、运行的经验值0.2

m

。

(5) 根据水量提升实验，推算污水量可提升至

139 163

m

3

M

。

综上判断，该污水厂厂外干管高水位运行、污水

厂水量负荷低，达不到设计工况的主要原因为污水

厂提升栗提升量不足，需对栗站运行方式进行优化。

建议有条件时，积极推进厂网一体化管理进程，统筹

考虑厂、网运行状态，充分挖掘现有设施的能力。

参考文献：

郑江.城镇排水系统厂网一体化运营模式的研究与实践[

J

1.给水排

水，2016,42(10):47-51.

[2丨陈亚峰，周炯如，盛新宇.基于

I)IM

ASIS

的城市排水管理一体化系

统[

J

1.自动化与仪表,2012,27(6):7-11.

|3]

GB

50014—2006,室外排水设计规范（2014年版）[

S

].

|4]隋军，王宏利，李捷.城市排水系统水质模型的构建及应用丨

J

】.中国

给水排水，2016(7): 130-134.

13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20 14:25 14:30 14:35 14:40 14:45 14:50 14:55 15:00 15:05

时间

图2实验过程中污水提升最曲线

[5] 李捷，王宏利，隋军，等.水质模型在东*涌深层隧道排水系统中的

应用[

J

].中国给水排水,201(8):丨5-19.

[6] 曾玉蚊.城市排水系统模拟校核实践研究

P

1.北京:北京工业大学，

2013.

.168 •

.............................................................................................................................................................LIU Pengchen ( 156 )

Abstract

：

The composite seawall with a combination of steep walls and slopes is more common in the

seawall projects along the southeast coast of China. Taking a composite seawall upgrading project in

Guangdong Province as an example, the schemes of upgraded section seawall type, revetment structure

and wave wall reinforcement are compared and selected so as to demonstrate the rationality of upgraded

section from the perspective of improving the functions of engineering disaster prevention and mitigation,

and the integrated economic applicability and aesthetics.

Keywords

：

composite seawall, upgrading, comparison analysis, Guangdong Province

Discussion on the Calculation of Energy Dissipation and Scour Preventionin Sluice Engineering ..........................

................................................................................................................................................................................CHEN Jie( 160)

Abstract

：

The calculation of energy dissipation and scour prevention is an important part in sluice design.

The structural dimensions of energy dissipation and anti scour facilities such as stilling basin, apron

section and anti scour groove need to be determined by calculation. The corresponding calculation formula

of energy dissipation and anti-scour is given in the design specification of sluice. A brief introduction is

made with an example of engineering about the selection of calculation of water level combination，

calculation of non scour velocity and allowable flow of river channel, determination of gate opening and

sluice discharge, calculation process of energy dissipation and anti scour, layout of energy dissipation and

anti scour facilities.

Keywords

：

water level combination, non impingement velocity, gate discharge, calculation of energy

dissipation and erosion prevention

Review and Summary of Key Technology for System Commissioning of Taihe Full Underground Wastewater

Treatment Plant ................................................................................................................................................. ZHU Mu ( 163 )

Abstract

：

Taihe Wastewater Treatment Plant is the largest wastewater treatment plant (WWTP) with the

whole process and full underground intensive layout in China« The construction scale of the first phase

project is 400 000 m3/d. The scheme optimizing the sludge inoculation cultivation and acclimation, the

linkage scheduling of system pipe network, the optimization of commissioning sequence and the others are

adopted in the commissioning process. Within the shortest time, the up-to-standard discharge of WWTP

has been realized and the environmental efficiency of Taihe Wastewater Treatment Plant has been brought

into play. The key technologies in the commissioning process of Taihe Wastewater Treatment Plant are

reviewed, and the commissioning points of the full underground large-volume WWTP are summarized.

Keywords

：

full underground, large volume, wastewater treatment plant (WWTP), process commissioning

Diagnosis of High Water Level Operation Cause of Main Sewer Based on Hydraulic Model .....................................

........................................................................................................................................................................WANG H〇ngli( 166)

Abstract:

By using the hydraulic model tools, combined with statistical analysis of operating data and test

data, the causes of the high water level operation, low water load and not reaching the design conditions of

the external trunk sewer for a wastewater treatment plant are diagnosed. The sewage volume, pipe network

catchment capacity, trunk pipe water level, lifting pump station capacity and capacity improvement test

are systematically analyzed. The conclusion shows that the main cause is the insufficient lifting water

volume of the sewage lifting pump station.

Keywords:

urban wastewater sewage treatment plant (WWTP), high water level, low flow, hydraulic model

Study on Hydraulic Computation of Sino-British Bridge Deck Drain Outlets ................ XIAO Lei, LI Hao ( 169 )

Abstract

：

Taking an expressway extension project in the southern part of Sri Lanka as an example,

according to the current British Bridge Design Manual HA 102/00, the expressway bridge deck grilling