广州市猎德污水处理厂输送干管水力模型的研究

广州市猎德污水处理厂输送干管水力模型的研究

摘要：由于城市环境要求的逐步提高，现阶段对排水系统的运行管理提出了更高的要求。如何实现排水系统安全、经济的运行，是摆在排水行业管理者面前的一道难题。应对这一挑战，排水行业的管理者不断调整优化运行管理方案，以期充分挖掘管网系统的潜力，实现现有资源的最大化利用。

关键词：污水处理；输送干管；水力模型；研究；

引言：随着计算机技术的飞速发展，计算机求解复杂问题的能力得到大幅提高；有限元法、有限体积法等计算方法的发展为实时、动态计算和模拟流体的动力学过程提供了有效的技术基础。

1.研究目标

本研究主要是通过计算机数学建模，建立广州市猎德污水处理厂包括总长13公里的输送干管和相关泵站的计算机水力学模型，并根据模型计算结果分析管网、泵站运行存在的问题，具体的研究目标是：

1.1 选取规划流量、现状运行流量等多种荷载条件进行模拟，分析排水系统的运行能力和制约排水系统能力的薄弱环节和瓶颈点，分析输送干管主要节点的水位水压、水力坡降、水头损失等，；1.2模型分析在不同流量荷载下，各主要输送泵站的运行特点，并提出运行建议；

1.3从整体上对整个猎德污水输送系统运行进行评价，提出优化措施，降低输送系统运行能耗，减少运行成本。

2.建立水力学模型依赖于三方面的内容：

2.1系统结构——即：排水系统的结构、物理尺寸等基础资料，包括管道、泵站、水泵、闸门等排水设施的物理尺寸、工艺参数以及结构形式等等；

2.2 荷载条件——即：排水系统收集和输送的水量；包括：水量的变化趋势以及水量进入系统的位置（入流点）；

2.3边界条件——即：排水系统的排放对象及其位置和水力条件，排放对象可以是江河湖海等自然水体，或者是其他相邻排水系统；建立一个准确可信的模型的基础都源自上述三部分资料的精确性，全面性，以及对资料细致正确的理解和分析。

3.研究方法

3.1 数据的收集、整理和分析

需要收集整理的数据包括管网设计数据、泵站运行数据、水力/水文资料数据。对工程数据的合理性进行分析，排除一些不合理的可能是人为造成的数据类错误。合理性的分析是指利用现存数据推断出缺失的数值。主要数据包括：

3.1.1管网设计数据

污水管线：所在道路路名、路段、上下游窨井图上编号、管道形状、管径或沟渠宽深、地面标高、上下游埋深；

窨井：所在道路路名、路段、窨井图上标号、平面x、y坐标、地面高程、井深、窨井形状、窨井材料；

3.1.2泵站数据

泵站数据包括泵站的工艺数据和泵站运行数据两部分，泵站的工艺数据诸如：进水井深度、集水井容积、水泵型号和特性曲线、进水管管径和管底标高、出水管管径和管底标高等，依据泵站工艺图确定。截留井、闸门等控制构筑物的建模依据设计参数（尺寸、标高等）进行。

3.1.3水力水文资料数据

需要的水文资料类型包括：降雨量、地面径流系数和进入排水管道的地面径流量，出水口潮位表。历史事件（如积水、暴雨后溢流等）。水力特征参数包括：管道平均坡度、粗糙系数、渗透率等。

3.2 数值模型的建立

模型输入的管网工艺参数包括：管段、长度、坡度、粗糙系数、管径；节点地面标高、管底标高；检查井平面尺寸和井底标高；泵站泵机特性曲线；泵站出水口管径、管底标高等。管网的流量计算以污水专业规划为依据，结合实际情况，选取规划旱流平均、旱流高峰、降雨截留量不同工况等不同流量条件。

3.3 模型的模拟分析

模型的模拟分析主要包括以下几个方面的内容：

将对应不同流量条件，对输送干管的的流量水位、系统流速、关键节点水力参数等分别进行分析；

对泵站的不同运行控制策略进行比较分析，提出优化控制策略；对特殊排水历史事件的回放与分析。

技术路线图主要如下：

4.模拟结果和分析

4.1模型条件设置说明

本次模拟通过设定5种流量荷载条件：分别是规划旱流平均流量、规划旱流高峰流量、1倍截流倍数流量、2倍截流倍数流量、实际运行流量（固定、变化荷载），输入系统模型后，得出系统水力坡线图、系统总管流速图、关键节点参数等结果。

4.2结论分析

综合5种条件的模拟结果进行分析，结论如下：

1）在除2倍截流倍数条件下，猎德污水系统输送干管仍能总体运行平稳，未出现溢流情况。但5种流量条件下，都计算出泵站的运行扬程较低，单泵运行流量高于额定流量，处于大流量、低扬程的低效工作状态。

2）干管系统总体流速在0.6-1.5m/s之间，支管系统受主管影响，局部流速低于0.2m/s。

4.3运行优化建议：

1）猎德厂内终点提升泵站作为整个系统中最重要的泵站，因根据旱天和雨天不同的情况分别制定不同的操作策略。旱流模式侧重于降低能耗，可以适当的抬高运行水位；降雨模式侧重于安全，应预先对管道进行预抽空，降低运行水位。

2）旱天时，建议厂内提升泵站的前池水位控制在0.5-1.5m之间，这样既充分利用了管道的有效容积，降低一部分能耗损失，节约运行费用，同时对上游泵站的稳定运行有一定作用。

3）雨天时，可结合天气预报，根据降雨强度的大小，做好泵站运行时的模式切换，逐步地降低管道的运行水位，以充分利用管道的调蓄能力，建议厂内提升泵站的前池水位控制在0-0.6m之间。东濠涌中途泵站的配泵形式单一，单泵容量较大，这造成水泵在运行过程中会出现启闭间隔最短时不到10min的情况，模型模拟了泵站大小泵搭配和增加变频装置两种优化方案，在现有流量荷载条件下，如采用大小泵搭配方案建议选用额定扬程为4m，额定流量为1.8m3/s的小泵；如采用增加变频装置方案，建议选用转速比为0.8甚至更小的变频装置比较适当。

5.结语：社会的迅速发展导致广州猎德污水处理厂的系统设计和现状条件之间存在着差异，整个系统的输送量和污水处理能力不匹配，部分构筑物的设计能力和运行状况存在着差异，通过本次模拟的结果对泵站的运行控制起到了科学的指导作用。在模拟实施过程中，发现猎德污水处理系统厂区和输送泵站的日常运行数据记录缺少必要的统一性和实时性。因此，下一步还需要建立统一的中央控制系统和运行数据库。数据库的内容在现有基础上应增加泵站前后池水位、开停泵时间、泵站输送量的实时监控和降雨量的日常监测，这样有助于全面了解整个系统的运行状况，分析制约排水系统能力的薄弱环节和瓶颈点，为进一步提高整个系统的运行效率打下坚实的基础。由于流量数据的相对匮乏，已经制约了对系统的进一步分析，建议进行相关的污染源调查和在截污系统的重要节点增设流量监测系统，这样有助于真实准确地反映排水系统的现状，为污水厂