当前位置:智慧市政网 -> 资讯 -> 管线
基于AgSWMM与物联网技术的城市排水管网溢流污染控制研究
时间: 2016-10-27 来源: 智慧市政网 作者: 谭畅 等

1 前言
  随着城市化进程的加快,极端天气导致城市暴雨内涝频现,以及合流制排水管道的溢流污染问题变得日益严重。广州市近年5-9月雨季经常受大雨影响,市内多条路段水浸,全城塞车,多条过江桥梁隧道拥堵;北京、上海、武汉等城市也已出现严重内涝,被网友称为“城市看海”。未经有效处理的溢流污水排入水体造成了水体富营养化或水环境恶化,溢流污水流入商业区或居住社区影响正常工作与生活的秩序,可能传播疾病危及人类健康,制约了城市的可持续发展。
  国外很多城市采用合流制管道系统,他们对合流制管道溢流污染控制研究的历史已久。德国、美国、日本等国自 20 世纪 60 年代起就开始了对合流制排水系统雨天溢流污染的研究,并制定了有关于CSO污染控制技术的设计规定和标准。我国一些城市也开展了一些研究并采取相应的治理措施(车伍,唐磊,2012)。如上海为减少合流制系统溢流污水对苏州河的污染,加强合流污水调蓄池的建设,对初期雨水进行调蓄处理并配套相应的管理措施,将工程措施和非工程措施相结合,加强污染源头的治理与控制。武汉旧城对于合流制排水系统,通过提高截流倍数和增加截流量,以有效减少溢流次数及避免合流污水直接污染水体。通过改造、增加截流支管等方法将截流量提高,使雨天溢流次数、溢流量减少(陈雄志等,2010)。
  本研究利用地理信息系统、水力/水质建模和互联网技术,在传统CSO(Combined Sewer Overflows,合流制溢流污染)污染控制措施的基础上,加强动态监测和自动控制,构建大型合流制排水管道CSO污染控制系统,致力于CSO从源头到末端处理的全程监控,有利于城市水环境实时高效的管控和排水应急管理科学有效的决策。

 

2 研究区概况
  广州地处我国南部亚热带沿海地区,受亚热带季风气候的影响,夏季高温多雨、冬季温和湿润,年平均降雨量高达1800mm,主要以短历时高强度降雨为主,是内涝灾害易发城市之一。东濠涌流域是广州市老城区中心腹地(图1 a),位于广州市城东越秀区境内,东濠涌流域总面积为1580.3公顷,占越秀区总面积的52%。据统计,2010年人口密度为34239人/平方公里(国家统计局,2011)。东濠涌是珠江下游的主要河涌之一,其发源于白云山南麓一带的小河涌,沿经麓景路、下塘西路、小北路、北教场路地下暗河,最后转为明渠南下,在江湾大桥路段汇入珠江。
  东濠涌流域地势北高南低,中间河涌穿插,雨水直接通过排水管网系统排放到河涌,再由河涌、暗渠引流到珠江下游,东濠涌排水设计过程中一般不需要借助水泵等设施进行引排、抽排,直接利用重力流即可对雨水进行有效排放。但多种复杂因素致使东濠涌成为广州市的内涝重灾区,如东濠涌流域位于广州老城区,排水设施设计标准比较低,主要为一年一遇不能满足雨水排放的需要;多年来的开发建设,城区地表不透区比例增加,地下土壤硬化,渗水能力变弱,使得地表径流量峰值变大、峰现时间变短、排水管网系统瞬间排放压力大,易出现溢流污染现象(南方日报,2013)。东濠涌流域位置及其土地利用图如图1所示。


图1 东濠涌流域

 

3 技术方法
  本文中采用的AgSWMM软件是基于GIS二次开发以及SWMM接口进行开发,主要用于构建水动力模型以及水质模型,该软件集成了多种水文水力学方法对水量和水质进行分析,其中水文水动力模型可以进行雨水的一维管网模拟,以及二维的地表模拟,并具备模拟结果的动态专题展示功能。模型首先通过各种方法收集管网的各种基础数据,如管网的基础数据、降雨实测数据、地形数据等,经过标准化处理后存储,按模型构建的需求对数据进行分门别类,然后应用软件程序把数据导入模型中形成管网拓扑结构,并进行工程性合理性检查。再应用实测的降雨、水位、等数据对模型进行检验和参数确定,率定模型中的待定参数,校核完毕后即可运行管网,运行结果分析后可应用实践。具体流程如图2所示:


图2 技术流程图


  3.1 数据收集和整理
  排水管网城市重要的基础设施,对排水管网相关数据的收集和整理是排水管网模型构建的基础。数据包括整个排水系统的拓朴结构、属性信息以及雨量数据等这些基础数据的静态信息,主要来源于①市政排水设施档案;②相关规划、设计和施工的文本、图纸和表格;③查阅非工程性维护管状(清障)数据资料(包括CAD 图纸,SHP 格式文件,QV、CCTV 文件等)④现场调查和实测(袁景冬,2010)。
  为了使收集的各类数据得到有序可靠的存储和管理,需要根据AgSWMM中涉及的对象模型(图3)进行梳理。结合《城市排水防涝设施普查数据采集与管理技术导则》等相关规范要,设计并建立排水管网综合数据库(常胜昆,2011)。


图3 排水管网溢流对象模型


  3.2 物联网在线监测
  通过物联网的监测技术我们可以获取监测点的数据,用以对模型进行检验和参数率定。对监测点布置应满足三大原则:一是监测点的控制范围相对独立,无人工设施的干扰,使得监测值能代表该区域的水文水质情况;二是兼顾精细化模型分析与流域整体控制;三要便于监测(赵小根,2013)。根据以上原则,以研究区域为例共设置5个监测点,监测点位置及监测项如表1所示:


  3.3 排水管网模型构建
  排水管网模型构建的主要任务是根据已有排水管网数据中的相关空间数据和属性数据,进行管网节点的汇水区的划分,构成“节点—管线—汇水区”之间的空间网络对应关系,并生成模型模拟所需的相关输入文件,以便进行模型参数的识别与验证(常胜昆,2011)。
  在AgSWMM软件中完成数据批量导入或编辑维护后,应首先利用该软件管线监理功能对数据进行完整性、异常值及拓扑检查,完善不完整的数据,对超出范围或不满足要求的异常值进行甄别处理,对常见拓扑问题(例如管线错接、节点空间位置偏移、管线反向、管线重复、管线逆坡等)和网络的连通性进行核查,并就发现的问题通过现场勘查、人工经验判断等方式进行核实与处理(叶蓓,2011)。
  汇水区划分是整个建模的关键步骤,对最后模型精度有很大的影响。在划分过程中应该避免盲目划分,而需结合DEM和实际排水设施安放情况,手动和自动相结合方法进行划分(张书亮,2007)。一般汇水区划分方法有:①从竣工图背景提取集水区范围;②排水网络走向进行手动分割;③泰森多边形节点汇水区自动生成;④利用DEM数据自动生成;本研究区采用的建模软件AgSWMM提供相应的汇水区划分功能。其思路是采用泰森多边形节点汇水区自动划分,泛化模型汇水区划分及管网基本过程如下:


  完成排水管网拓扑结构的搭建和汇水区划分工作后,为了更准确地模拟排水管网实际情况,还需要设定一些参数和边界条件。这些参数包括土地使用类型、管道粗糙系数、管道沉积物、排水过程线和泵站内部的一些属性数据;还需要设定上下游的边界条件,包括溢流堰、拍门、闸门等的标高、河流水位标高和污水厂集水池水位标高等。图4为东濠涌排水管网分布图。


图4 东濠涌流域排水管网分布图


  最后通过校核和不断的调整参数,使水力水质模型能够正确的反映现实的情况,保证指导现状排水系统运营的管理以及对规划方案的评估的可靠性。率定水力模型时调整人口流基数、流量剖面和管道的曼宁系数三个参数,使用水深和流速两个指标进行验证;率定水质模型时,分别调整五种污染物的剖面,并使用TN、NH3-N、TP、COD、TSS五种污染的浓度进水质模型验证(刘兴坡,2013)。管网模型校核一般分为两个内容,一是模拟结果与实测结果一致,二是调整水力模型达到稳定状态。若模型范围较大,则可以对模型进行分段校验。

 

4 结果分析
  本文以东濠涌流域为例,结合水动力模型和物联网在线监测技术研究了排水管网的合流制溢流污染控制措施,主要得到了研究区溢流污染的规律、控制方案决策流程并对溢流污染控制方案进行效果评价。
  4.1 溢流污染规律分析
  通过搜集以往的水文水质资料,得知东濠涌水质在秋天达到最佳,10月份为四类水质,其他时间均为五类或者劣五类,其中雨季7月份的水质情况最差。东濠涌水质无法稳定达标,主要与东濠涌沿线截污未完全有关,而且冬季水量较少,也是造成水质变差的原因之一(广州水务局)。
  通过模拟东濠涌排水模型得到监测点处雨季和旱季管道内污染物的浓度变化曲线,根据AgSWMM模拟的统计结果分析,发现东濠涌溢流污染严重区域主要分布在东濠涌区域内东风东路和中山二路附近。分别模拟旱季和雨季情况下的管道污染物变化情况,以COD为例,得到监控点4处管道污染物浓度的对比情况,如图5所示:


图5 雨季(a)和旱季(b)情况下监测点4处COD浓度时序图


  可以看到在溢流污染严重区增加调蓄池后,每种污染物浓度明显下降,同时整个流域的溢流点数也有所减少,溢流污染量便会相应减少如图6所示,图中高亮点为溢流管点。


图6 控制方案前(a)后(b)流域的管点溢流情况对比图


  说明结合水动力模型和在线监测设备集成,可对研究区溢流污染控制是有效的。
  4.2 溢流污染控制方案
  对溢流污染重点区域进行改造,主要在合流制管网下游增设调蓄池,进行污水截留,同时在出水口进行设置监测点,以便进行方案改造前后的对比(唐磊,2013)。CSO控制分为雨季和旱季,如图7所示,分别是雨季和旱季CSO控制决策流程图。


图7 CSO控制决策流程


  4.3 控制方案的效果评价
  对溢流污染严重区增加调蓄池,选用增加调蓄池前后的同一监测点处管网中的污染浓度进行对比。以中山二路雨污合流处的监测点为例,其中五种污染物选用TSS和COD两种为例进行对比,结果图如图8所示。


图8 控制方案前后TSS(a)和COD(b)浓度对比图


  可以看到在溢流污染严重区增加调蓄池后,每种污染物浓度明显下降,同时位于监测点位处管道的洪峰流量也减少了,说明结合水动力模型和在线监测设备集成,可对研究区溢流污染进行合理有效的控制。

 

5 讨论
  本文结合奥格智能科技有限公司的水动力模型AgSWMM以及物联网在线监测技术从基础数据收集和整理、在线监测数据获取、排水模型构建、模拟结果分析等流程出发实现了对溢流严重区增加调蓄池对溢流的管道进行初期截留与冲刷,从而减少溢流的污染量。一方面水动力模型可以模拟出溢流污染控制的整个,另一方面使用连续的在线监测数据对模型进行率定和验证则保证了模型的精度以及可靠性,使得溢流污染控制达到定量的效果评估。
  由于本文只是针对城市排水管网溢流污染控制提供一套通用的方法,对于不同的溢流污染控制方案的对比改造没有进行深入讨论。后续工作将围绕不同的控制方案比如调蓄池的规格、源头控制的LID措施等对溢流污染的控制的效果对比展开,设计不同方案进行评估,从而寻求经济、高效、有针对性的最优方案。

  作者:广州奥格智能科技有限公司 谭畅 曹佳佳 黄容 赖泽辉 李天兵

 

声明:智慧市政网(www.shizhengnet.org)登载此文出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其描述,文章内容仅供参考。

人物

何满潮院士:创造性地开发城市地下空间

向地下要空间、要土地、要资源,已经成为21世纪的国际趋势......

钱七虎:地下空间如何助力城市绿色发展?

合理利用地下空间是解决“城市病”的一剂良药。......

陈湘生院士:让大自然“进入”地下

未来“地下城”并不是一个独立存在于地平线以下的“城市倒影......

技术

龙泉智慧水务综合解决方案

智慧水务一体化平台:集成了管网SCADA系统,管网GIS......

网格化管网巡检管理系统

网格化管网巡检管理系统以网格化管理为核心,由管理端和移动......

紫外光固化技术在管道非开挖修复中的应用

紫外光固化法,其原理是利用特殊波长的紫外光的照射,使放置......

产品

S300EHD零延时高清检测机器人

S300EHD零延时高清检测机器人是在成熟稳定的S300......

不锈钢快速锁

不锈钢快速锁是由高品质不锈钢套环和EPDM橡胶圈预制成自......

Peek 2S高清无线潜望镜

Peek2S高清无线潜望镜由防爆摄像主机、高强度伸缩杆、......

智慧市政网

市政行业专业服务平台!

关于我们 | 寻求报道 | 广告合作 | 联系我们

意见反馈:shizhengnet@126.com

官方微信公众平台
© 2016 智慧市政网(www.shizhengnet.org)版权所有  工信部备案:京ICP备16030014号  技术支持