张经纶
华霖富水利环境技术咨询（上海）有限公司 上海 200135
摘要：
本项目以长沙市红旗渠流域为研究对象，全流域的排水管网皆为合流制系统，需要对研究流域内合流制管网系统的管道能力、内涝风险以及其溢流污染进行分析与评估。在控制好点源水污染的条件下，城区内面源污染的问题，尤其是在合流制地区雨水溢流时尤为重视。那么，本次现状和方案评估时主要利用水力水质数值模拟软件—Infoworks ICM综合流域排水模型数值模拟软件，对其进行建模模拟与分析。
关键词：合流制管道溢流（CSO）排水系统 排水管网能评估 内涝风险评估 排水防涝 水力模型 水质模型 污染治理措施
前言
暴雨条件下，合流制排水系统内的流量超过截污流量时，超过排水系统负荷的雨污混合污水将直接排入受纳水体，被称为合流制管道溢流（Combined Sewer Overflows,简称CSO）。随着社会的快速发展，城市居民对水体生态环境的保护意识不断提高，越来越重视对CSO溢流污染问题的有效控制。
长沙市红旗渠流域地处于长沙市老城区，红旗渠始建于上世纪七十年代至九十年代，红旗渠主渠结构以砖拱涵、盖板涵、麻石浆砌涵为主体，南起雨花亭，经韶山路、梓园路、省图书馆、曙光路、晓园公园、车站路等最终排入湘湖污水厂或者经三角塘泵站排入浏阳河。该区域面积约为1392公顷，包含合流制排水管线约为13.2万米，整个汇水区为合流制排水管道系统区。本次研究需要对研究区域内合流制排水系统的溢流污染开展分析与评估。全过程工作借助Infoworks ICM综合流域排水模型的商用数值模拟软件来完成，本次项目评估内容包含现状排水管网的管道能力与内涝风险评估、现状合流制溢流污染评估和方案后合流制溢流污染评估三部分主要内容。
正文
本项目旨在通过长沙市的排水管网普查数据、下垫面的用地数据，建立红旗渠流域的排水模型，结合点源污染和面源污染的水质数据，建立合流制溢流污染模型，评估现状情况下合流制溢流污染的量和频次。并以此为依据，提出改造方案，进而评估改造方案是否能够达到控制合流制溢流污染的要求，进而缓解合流制管道溢流污染对自然河道水体环境的影响，据此来辅助设计院评估和最终确定截污干线的改造设计与运行方案。
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图1CSO评估技术路线图
（一）CSO合流制溢流污染改造评估的主要内容
本项目围绕合流制溢流污染改造评估而进行的主要分析内容包括：
1）现状管网的管道能力和内涝风险评估
基于长沙市的排水管网普查数据、下垫面的用地数据，建立红旗渠流域的排水模型，基于现状水力模型进行模拟，评估其管道能力和内涝风险。
2）现状合流制溢流污染评估
建立红旗渠流域的排水模型后，同时配合生活污水模型和面源污染模型，建立现状合流制溢流污染模型。基于现状管网，对长沙市红旗渠流域现状合流管网进行模拟分析，针对合流制溢流频次及溢流污染量进行评估。
3）方案后合流制溢流污染评估
为了减轻现状合流制溢流污染对河道水质的影响，方案的截污工程即沿着老渠修建一条直径3000mm的截污干管，并通过8个截污井与老渠相通，用以截留旱季污水和初雨径流。 以此方案建立新的排水模型，分析方案建成后的合流制溢流污染情况。
（二）CSO合流制溢流污染改造评估的建模技术应用方法
随着十九大以来党中央对生态文明建设的持续推进， 社会各界越来越高度重视生态文明与环境保护，从源头上扭转生态文明建设恶化趋势，创造良好的生产生活环境。回顾2012年的“7.21”特大暴雨，社会各界对城市雨洪和城市雨污水溢流污染等问题的关注度持续升温。为了尽早解决这些水环境掣肘的难题，北京和上海等城市均采取数值模型软件进行建模模拟与仿真预测，其中北京市有关部门基于SWMM等模型构建城市内涝分析系统与规划系统，上海浦东新区基于InfoWorks ICM模型构建各区镇的内涝分析系统[1-5]，广东省中山市多个组团区域利用InfoWorks ICM构建城市内涝分析与黑臭水体治理模拟与治理分析系统。因此，采用这些模型系统的模拟建设对内涝模拟、合流制溢流污染改造与雨洪系统的预报预警都有着重要的分析价值与意义。
为了评估红旗渠现状和改造方案后的情况，本次研究工作的技术方法是应用InfoWorks ICM 排水模型软件来进行模拟分析。Infoworks ICM是Innovyze公司开发的综合流域水力模型系统，是目前国际上最为先进的水动力-水质模型之一，综合了城市排水系统、源头设施、河道、河湖、湿地的一二维水动力及水质模拟。
在本次模拟中，主要采用了以下几个软件功能模块：
?地表产汇流水文模拟
?一维、二维管网及河道水动力及水质模拟
?点源污染水质模拟
?地表污染物累积及冲刷模拟（面源污染）
其中，运用固定径流系数法结合 Horton 渗透公式的产流模型及 SWMM 汇流模型来进行产汇流模型的计算。 此外，特别需要说明的是ICM软件中的水动力模拟和水质模拟的相关关系，如下图所示。ICM中水质模型包括一个独立的计算过程，同水力模拟计算是并行的，但一定要建立在水力模型的基础上。下图所示为InfoWorks ICM计算引擎中互相作用的各个对象。图中上部分为水力模型对象（绿色），下面显示的是水质模型对象（橙色），中间为两者之间的共享对象。首先需要运行水动力模型，之后其水力学数据就可被一个或多个水质对象模拟使用。
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图2水动力模拟与水质模拟的关系示意图
则对数值建模工作的开展，主要内容如下：
1）红旗渠流域的现状排水系统的一维水力模型；
?排水管网模型数据的导入与检查和整理；
?集水区的划分与产汇流模型的设置；
?集水区出口处的湖泊、三角塘泵站能力与运行参数及湘湖污水处理厂的处理规模等构筑物的模拟设定。
2）红旗渠流域的现状地表积水的二维排涝模型，用于积水点的分析与率定；
?利用CAD图纸中的历史积水点的位置，提取出项目研究范围内要研究的四个历史积水点
3）红旗渠流域方案前后一维水力模型结合点源与面源污染的水质模型。
(三) 红旗渠流域的现状排涝模型的问题与解决
1.梳理与检查物探管网和地面高程数据
利用普查数据及改造工程竣工图进行梳理时， 由于普查数据资料存在缺失、误测等问题，有些管网没有连接在一起，从而形成不了一整个排水系统，所以管网数据需要在导入ICM后进行进一步的人工梳理管网拓扑关系，包含连接性检查、管道纵断排查和排口处检查等等。 以下罗列出几类主要存在的问题及对其的解决方法：
1）管道断接等连接性问题。解决方式是物探数据中缺失的管道结合周围管网的上下游底高程、末端排口等数据信息及软件中纵断面视图、连接性检查、上下游跟踪和3D视图等辅助工具来应用到梳理管网模型系统中，以保证排水系统的连贯性，使得所有排水管线中的水能流进最终排口处。
2）管道、检查井关键参数缺失。例如管道上下游底高程、地面高程缺失，解决方式是依据经验和软件中相关推断工具来补全参数信息。
3）构筑物对象及相关参数是否缺失或不合理。例如有无泵站、调蓄池、堰顶高程不合理等。解决方式是依据经验来判断是否有某某构筑物，例如中间有底高程值突然增加，说明此处是否应设有泵站；并核对图纸中其他大样图或者附属表格文字的信息等来完善整个排水系统。
4）地面高程数据中对奇点的合理剔除。在含地形高程点信息的图纸中，检查出地面高程实测数据存在一些误测的异常高程点和突变点等。解决方式是根据局部地形数据走势的合理信息来修正或剔除局部高程的异常点。
2.模型率定
1）为了合理地去对溢流频次等进行统计与分析，需要对现状模型进行率定验证。参考《城镇内涝防治系统数学模型应用技术规程》[6]，基于历史记录数据进行参数率定和模型验证时，模拟结果应能反应实际的内涝积水和溢流情况。解决方法是选取较强的两场历史实测降雨事件作为工况进行模拟，验证时对照历史实测积水点的思路，进行对内涝点的位置、积水深度和实际积水范围等来比较，并且至少对两场降雨历时的工况进行模拟和测量数据作对比。选取说明：这两场暴雨的特征分别是一场持续时间短，降雨强度强；另一场持续时间长，降雨强度短；在这不同雨型的暴雨工况下，查看历史积水点处的积水情况，判断是否与历史积水情况匹配，进行模型合理性分析。结果发现两场暴雨的积水情况基本一致并与流域内的四处历史积水点基本吻合，则说明排水模型的水量相关的参数设置基本合理，可以用于下一步合流制溢流污染的分析。可参考结果分析中的积水深度和积水区域的模拟展示。
2）地表径流污染量复核采用单位负荷法的的方法来进一步率定，最终确定出面源污染参数。验证利用红旗渠整个流域进行，从模型的计算结果得到整年有1648634kg COD通过地表径流进入管网排入湘湖污水厂或者排入浏阳河。而通过上述常规方法计算得到有2616374kg COD被降雨冲刷进入径流。由于面源污染参数并没有完全对应的实测地表径流污染浓度和对应的实测降雨数据来精确的率定，发现模型计算结果和传统计算方法得到的数量级一致，可以认为在没有率定数据的情况下，模型使用的面源污染参数是较为合理的。
3.典型年的选取
实测降雨包括短期实测降雨和长期历史降雨。参照《室外排水设计规范》GB50014-2006（2016年版）[7] 中规定长历时降雨过程线主要用于评估区域内涝风险或调蓄池等水量相关的规模运行状况等。长期历史降雨用于评价内涝防治设施的长期运行能力，降雨时间间隔不应大于1小时。为了评估长沙市红旗渠流域合流制溢流污染的频次，需要利用长时间序列的降雨数据，至少一年典型年的5分钟级步长的降雨数据。
对于长沙市红旗渠排水流域片区，溢流污水总水量往往取决于该区域的降雨量。对应参考历年实测降雨资料，从现有的长时间序列降雨数据中选取出能反映具体区域的降雨特征且真实有效的实测年降雨。本次所收录的实测数据中，降雨总量近乎明显高于近20年降雨量的平均值1460毫米，并且发现该地降雨又有逐年增多的趋势，寻找略大于或者接近年平均降雨量的一年，故选取逐5分钟的2016年实测数据，即降雨量较最多的一年作为评估所用的典型年降雨，以保证评估结果的保守性和合理性。
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图3研究区域内近二十年实测总降雨量数据统计图
(四) 红旗渠流域的方案排涝模型的问题与解决
合流制溢流改造方案在现状的基础上，增加了客户设计的截留管方案，以及合流制溢流污染控制调蓄池，具体改造见下所述。
方案较现状有以下改进：
?在红旗渠主渠上游起端增加了新的排水渠道
?沿着主渠由南向北新建了一条管径为3000的截污管，通过8个截流井与干渠相通
?在截留管末端建设3.9万立方米的合流制溢流污染调蓄池
?截留干管最终排入CSY污水泵站，CSY污水泵站可以承受2.8万立方米/天的排水量
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图4该区截留管线改造示意图
模拟结果在结果分析有展示， 从中发现如若想要控制住80%的COD年溢流量的方案目标，则需要能计算出控制住单次最大COD溢流量（年总溢流量的80%），即80%控制率就能达标。
解决方法是将现状溢流共计的58场次的COD总溢流量从小到大排序，如下图所示，经计算得出如控制住单场约27000kg的COD总溢流量，那么红线（即第41场次是2016-06-10降雨下对应的场次溢流量）以下区域的实际溢流量都可以控制住，进而才达到控制住近80%的年溢流量的方案目标。对于红线以上的区域，则约为实际方案模拟时溢流出的量。
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图5研究区域内改造方案中对应溢流量的溢流频次汇总图
这部分的截污方案目标也是基于了工程造价的经济成本和环境最优去设计与考量。若不增加截留管，仅作末端调蓄的方案结果来看，需要控制住这场2016-6-10整个降雨过程产生的径流量和生活污水量，模型经计算得到该现状的场次溢流水量是11.45万立方米，故需要末端调蓄的调蓄池容积约12万立方米。 此外，在模拟控制关键场次前后连贯的降雨连续时段下，分析时还发现了在2016-06-10最不利时刻时上游管线当前仍有很大的过流能力，存在不满管的现象也就是说上游截留管的管道能力充足，这就说明了在方案截污措施中对管线规模可进一步做一些管道尺寸调小的调整来节省投资，使得实际截留管道布设更合理更经济高效，这也体现了在管道工程实施前，借助水利模型对实际工况进行还原模拟与分析的必要性与实用性。下图是研究时针对不同管径对应不同坡度时模型模拟出管道的满流能力结果表，这对于优化管径的建议工作给出了一定的参考依据。
表1 模型计算截留管道满流能力的汇总一览表
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（五）结果分析
1.管道排水能力和内涝风险评估
参照《室外排水设计规范》GB50014-2006（2016年版）[7]中关于设计暴雨过程线的规定，设计降雨可包括不同重现期的降雨过程线。短历时降雨过程线主要用于基于峰值流量的设施计算和评估，分析管道超载和城市内涝等情况。结合模拟结果来看，长沙市该区的城市排水系统情况存在部分设计标准偏低的问题，老城区存在的问题尤其突出。长沙市常用的管网标准仅按一年一遇重现期的降雨量设计。通过设计降雨的模拟结果来看，老城区约19.34%的管网，其管道能力甚至小于1年，按照管道超负荷能力的评估标准来进行管道能力评估的结果总结表展示如下。
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通过内涝模拟得出主要积水成因:1）地面标高低，此研究区域地势呈西南高东北低，北部四处历史积水点也在模拟中得到证实；2）已建管道建设标准偏低；3）雨污水管道存在混接现象；4）收水系统不完善；5）下游泵站容量或者能力不足；6）老渠管道存在淤积，输送能力不足，排水不畅，造成局部合流制排水管道所在区域出现水量冒溢现象；7）存在部分排水管道未按照规划建设到位。
通过上面右侧的模拟结果图中还可以看到，研究区域中段处有明显积水，经分析造成其积水成因是由于排水管道上下游管径错接或者尺寸建设有误等原因，使得排水水量先流经大管径后流入小管径，排水管网能力不足导致了地面严重积水。研究区域北部是低区，其中西北处的两处积水成因是由于此片区的地势低洼，管道浅埋，水流流经低点位的检查井则冒溢水量，造成积水困在洼地无法排出。
2.现状与方案溢流总量及频次评估
模拟一整个典型年降雨的工况下，共计118场次降雨，降雨总量约1760毫米，得出现状溢流频次58场，而方案后溢流频次则控制在24场。
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图8 2016年118场降雨的降雨量分布图
1）现状溢流总量及频次评估
在现状排水模型的基础上， 梳理溢流口及泵站、加入点源和面源污染数据、控制边界条件、配合长历时降雨数据，最终模拟得到红旗渠流域合流制系统的SJT溢流口的溢流水量、溢流的污染物的量（以COD为研究对象）以及溢流频次。
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图9 现状三角塘SJT泵站溢流COD总量柱状图
2）方案溢流总量及频次评估
在现状排水模型的基础上，增加了已设计的截留管方案，即增设2倍截流的截污管道及老渠改线等，以及增设合流制溢流污染控制调蓄池。同样保持溢流口及泵站、加入点源和面源污染数据、控制边界条件、配合的长历时降雨数据都与现状模型一致，最终模拟得到三角塘泵站溢流口的溢流水量、溢流的污染物的量以及溢流频次。
根据以上规划，得到以下三角塘SJT泵站溢流口的统计结果。
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图10方案后SJT泵站溢流COD总量柱状图
3.方案效果评估
根据方案要求，方案实施后，合流制溢流污染较现状约达到80%的控制率（以现状溢流量作为参考值）。最终得出下图所示出方案前后溢流污染水量和污染控制总结表格。
表3针对CSO溢流水量、污染溢流水量的现状与方案结果总结表
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（六）结束语
（1）本次研究对管道能力和城市内涝风险做出评估和分析。
（2）本次合流制溢流污染所用的降雨雨量站监测频次为5min的长期历史降雨数据和污水厂监测的进出水水质数据等，这些对于模拟分析合流制溢流污染的工作起十分重要的数据支撑意义，数据的可靠确保了评估溢流频次和水量水质等结果的合理性。
（3）在建模方面，InfoWorks ICM建模软件在应用操作上方便，在运行计算上稳定和快捷，一二维水动力耦合简便，结果展示界面清晰等更对本次研究提供了大大的技术保障。利用ICM进行模型评估工作，为后续该地区的改造方案落实与施工，具有一定的指导意义和数据依据。
（4）本次评估水质指标以COD为主要研究的水质指标。基于已有数据，本项目的合流制溢流污染评估从溢流水量、溢流频次、溢流各类污染物的量等方面进行了评估，并且成功区分来自面源污染（地表污染累积和冲刷）和点源污染（生活污水）两类来源的同类污染物的量。虽然从上面的分析可以看出生活污水溢流入河的比例占自身总产生量的比例低，但是生活污水中的污染物在入河污染物总量中却占有比面源污染较大的比例。
为了提高模拟精度，对模型的进一步的精细化提出以下建议：
（1）生活污水仅根据当地污水厂进场监测流量及污染物浓度进行了平均值的设定，若加入当地居民用水曲线，则可以进一步提高模型的精度。
（2）结合面源污染方面使用了Infoworks ICM软件中对地表污染累积和冲刷的默认参数与经验参数取值的同时，建议能够进行实地的初雨径流污染的研究，利用研究成果率定地表污染模型，得到符合当地自身特点的更精确的面源污染模型。
（3）虽在本次方案模拟结果上，从经济方面考虑建议缩小上游截留管的尺寸来节约建设投资。但鉴于时间有限，仅对进行了一段包含对应控制单次最大溢流量的降雨历时进行了模拟分析。 之后建议可以多去模拟多场关键降雨事件来印证，更能对截留管改造方案进行更好的验证和进一步优化与完善。
参考文献
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[6] 中国工程建设标准化协会标准. 城镇内涝防治系统数学模型应用技术规程.
[7]《室外排水设计规范》GB50014-2006（2016年版）