上海城市排水干線連通策略

張 欣，周 驊，謝宇銘,余凱華

(1. 上海市政工程設計研究總院〈集團〉有限公司，上海 200092；2. 上海城投水務〈集團〉有限公司，上海 200092)

上海是國內最早建成排水管道的城市，在20世紀70～80年代，市規劃和城建部門結合農用施肥灌溉實施了西干線和南干線；1985年，在世界銀行和國際咨詢專家的支持下，上海市依據《上海市區污水治理戰略方案研究報告》，確立了以主城區及周邊地區集中外排處理和郊區分散處理相結合的污水治理方針，相繼建成了合流污水治理一期工程，污水治理二期、吳閔外排等工程。進入21世紀以后，依據新的人口布局和產業結構，調整了中心城區污水規模與布局，在已建西干線、南干線、合流一期、污水二期等總管工程的基礎上，實施了蘇州河六支流工程、污水三期工程、兩港截流工程、南線東段工程，至此基本形成了上海市中心城的污水集中外排處理格局，在上海市中心城區污水治理和水環境保護中發揮了核心作用。

1 現狀和問題

上海市中心城區污水集中外排體系包括石洞口、竹園和白龍港3大片區，5根污水總管和若干污水干線。石洞口片區建設有西干線，竹園片區建設有合流污水一期總管和污水治理三期總管，白龍港片區已建有污水治理二期中線、南線和南干線，其相互關系如圖1所示。

圖1 上海城市污水干線關系示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Sewage Mains in Shanghai City

由圖1可知，片區間幾無聯系，僅有石洞口片區至竹園片區的單向聯通，而最大的兩個片區，竹園和白龍港之間無任何連通。同樣，對于擁有多條污水干線總管的竹園片區和白龍港片區，各只有一處連通，且可轉輸的量十分有限，片區內的聯系薄弱，因此，存在諸多隱患。

(1)應對突發事故能力弱。污水集中外排總管之間基本獨立，總管與終端污水處理廠一一對應，如遇失電、管道損壞等突發性事故，可能會引發市中心污水冒溢、河道污染、國考斷面不達標等重大事故。根據《上海市污水處理系統及污泥處理處置規劃(2017-2035)》，在中心城區污水處理廠功能調整后，中心城區石洞口、竹園、白龍港三大片區污水均集中外排處置，污水總量約為690萬m3/d，約占全市污水處理總量(1 150萬m3/d)的60%，是上海排水系統的重中之重，維系著城市公共安全[1]。

(2)無法實現停水檢修。污水干線管齡普遍已達10～30年，南干線更是超過40年，已進入或接近設計年限中期。在多種因素綜合作用下，管涵內部逐步出現了頂板混凝土腐蝕剝落、鋼筋銹斷脫落等結構嚴重缺陷，承載力大大削弱，但由于管道互不連通，單管設計的總管無法實現停水檢修，局部管段內淤積嚴重。

(3)接納初期雨水及混接污水的能力較差。為了實現2020年基本消除劣V類水體的目標，“水十條”、《上海市水污染防治行動計劃實施方案》對河道水環境治理提出了指示和要求?！渡虾Ｊ形鬯幚硐到y及污泥處理處置規劃(2017-2035)》提出，全市強排系統初期雨水截流量約為300萬m3，初期雨水截流標準為合流制11 mm，分流制5 mm[1]。但目前石洞口片區管道輸送能力已基本飽和，竹園、白龍港污水片區管道輸送能力尚有富余，污水干線總管輸送量與輸送能力不平衡，外排總管接納初期雨水和混接污水的能力較差，在應對時空分布不均勻的突發災害性氣候時，無法借助相鄰片區設施的能力受納超量污水，造成局部地區積水和溢流。

(4)無法實現統一的運行調度。污水干線相對獨立、互不連通，輸送方式既有重力流，又有壓力流，無法像城市給水管一樣實現水量調配，給運行調度帶來了較大難度。在檢修維護、發生應急事故時，無法借助相鄰污水片區的污水輸送能力，將污水調配后輸送至末端污水處理廠達標處理，客觀上易造成水環境污染。

2 研究方法

為了更好地掌握污水干線總管系統中的潛在運行安全風險，本研究通過數據分析，從現狀系統的輸送能力、潛在的輸送需求以及網絡結構等方面來評估污水干線總管系統。

2.1 輸送能力評估

輸送能力評估利用上海市城市排水有限公司運行歷史記錄中提取的5根污水干線總管上22座干線節點泵站的SCADA數據和對應的雨量記錄數據，分析泵站的輸水量、泵站的開泵數量以及潛在富裕的輸送能力。根據不同的降雨量，對比同一座泵站在旱天、雨天和雨后等不同工況下的輸送量，其中旱天工況下泵站的輸送量已達到設計最大值的可認為是系統的瓶頸點，已無法承擔降雨期間初期雨水輸送的需求。

2.2 需求分析

需求分析包括污水量預測和初期雨水量預測兩個方面。通過計算得到的規劃污水量和初期雨水及混流污水量，與現狀5條污水干線總管的輸送能力相對比，可以得到現狀系統中潛在的瓶頸點。

污水量預測采用綜合指標法，綜合污水量標準按供水量標準的0.9進行折算，折算后為290～315 L/(人·d)。污水片區人口數取自《上海市污水處理系統及污泥處理處置專業規劃(2017-2035)》[1]，計算如(1)。

預測污水量=規劃服務人口×綜合污水量標準+地下水滲入量

(1)

由式(1)可知，上海市中心城三大污水片區石洞口片區規劃日均污水量約為100萬m3/d，竹園片區規劃日均污水量約為220萬m3/d，白龍港片區規劃日均污水量約為370萬m3/d。

初期雨水量采用面積負荷法計算，其中初期雨水截流標準根據《上海市污水處理系統及污泥處理處置專業規劃(2017-2035)》為合流制11 mm、分流制5 mm，計算如式(2)。

V=0.01DFΨ

(2)

其中：V——調蓄量，m3；

D——調蓄量，mm；

F——匯水面積，m2；

Ψ——徑流系數。

由式(2)可知，上海市中心城竹園片區初期雨水量和混流污水量約為110萬m3/d，白龍港片區初期雨水量和混流污水量約為175萬m3/d。

2.3 拓撲分析

拓撲分析先對現有的污水外排干線總管進行矢量化處理，將支管接入點作為節點分類編號，得到污水干線總管的拓撲結構圖，并從系統連通度、可靠度和脆弱度等方面開展分析(圖2)。

圖2 污水干線總管平面拓撲結構Fig.2 Topological Structure of Sewage Mains

系統的連通度通過考察網絡的鄰近中心勢來體現，某節點xi在網絡中的鄰近中心性為節點i到其他節點平均距離的倒數，即節點xi在網絡中的相對可達性，該指標可以反映整體網絡結構的中心化程度，一般樹狀結構的連通程度明顯低于網狀結構[2]。

系統可靠度通過考察網絡中高穩定節點的數量來體現，與某節點xi相連的節點數多，則該節點穩定性越高，穩定節點數量占比越高，則網絡整體也就越穩定[3]。

網絡的脆弱度則通過分析橋在網絡連線中的占比體現，將網絡中兩個節點間的唯一連線定義為橋，橋占比越高，不穩定因素越多，整體網絡越脆弱；橋占比越低，不穩定因素越少，整體網絡越不脆弱[4]。

通過拓撲分析，可以發現現狀集中外排污水干線總管網絡中的薄弱點，進而評估不同優化方案的效果。

3 優化策略

上海市中心城污水集中外排體系現狀問題主要在于外排干線總管之間的枝狀特性所導致的連通度低、脆弱度高、穩定性差?！妒彝饨o水設計規范》中要求原水輸水管采用2根以上，并按照事故用水量分段設置連通管。不同于給水管道的壓力輸送方式，污水管道以重力輸送為主，污水干線總管間的連通管難以實現雙向自流輸送。柏林、北京等城市，為了解決污水處理廠停水檢修等需要，通過設置雙向泵站等措施，實現局部的調水。為了更好地解決現狀污水集中外排體系存在的問題，增加外排干線總管之間的聯系，本研究嘗試在相鄰的污水干線總管間的等壓差點建立連通管段，將污水干線總管由枝狀管網變成局部的環狀管網，增加干線總管間的聯系，實現跨干線總管的雙向水量調配。

上海市的污水外排總管長度大于30 km，屬于帶有收集功能的長距離污水輸送干線，各區段功能有所不同。其中，位于干線提升泵站前段的一般為重力管段設計，主要承擔沿線排水分區污水和截流的初期雨水的收集，將此段定義為污水干線總管的上游；干線提升泵站后至外環線段，主要承擔上游水量的轉輸功能，兼具收集沿線排水分區的污水和截流的初期雨水，將此段定義為污水干線總管的中游；外環線以外至污水處理廠段途經區域不屬于上海市中心城范圍，不再承擔沿線污水和初期雨水收集的功能，僅有轉輸功能，將此段定義為污水干線總管的下游。結合污水干線總管不同區段間功能的不同，在各污水片區干線總管的“上游、中游、下游”設置連通管及排水設施，形成干線總管之間的“兩兩互通”，提升系統之間的連通互補和跨區調度。

(1)“上游”連通：以始端地塊污水的通暢排放為目標，分析排水系統與上游總管所處的位置，在環境敏感和重要地區設置上游連通管，為地塊污水排放提供備用通道，確保重要地區污水排放的安全性和可靠性，實現源頭的分流和上游干線的控流。

(2)“中游”連通：以保障污水干線總管安全運行為目標，分析不同干線各節點的水位、壓差、位置、路由和實施可行性等要素，在污水干線總管的中游設置連通管，實現干線總管的分段停運檢修和維護養護，確保干線總管的安全運行，為不同片區間污水量調度和調配創造條件。

(3)“下游”連通：以末端污水處理廠的穩定運行為目標，在污水干線總管的下游設置廠際連通管，實現跨片區的廠前污水流量調配，降低污水處理廠進廠流量的總變化系數Kz，通過削峰穩流減少污水處理廠的雨天溢流放江，應對污水處理廠內的突發事件，便于超大型污水廠的養護管理。

通過以上連通管，最終實現跨片區的水量調配，滿足初期雨水等的輸送，便于排水干線總管的檢修養護，提高污水系統的安全保障。

4 建模及驗證

4.1 水力模型評估

本研究利用InfoWorks ICM模型構建了5大污水干線聯動的水力模型，并將“上游、中游、下游”連通管方案納入其中，實現對污水輸送干線的運行現狀模擬和不同工況下連通管的實際效用分析(圖3)[5-6]。

圖3 上海城市污水干線總管網絡Fig.3 Network of Urban Sewage Mains in Shanghai

模型驗證表明：上游連通管可作為中心城區內環境敏感和重要地區污水出路的備用通道，同時實現超量初期雨水的跨片區轉輸，減少初期雨水對河道水環境的影響；中游連通管作為污水干線總管分流和疏解的出路，可實現不同污水干線總管間片區內乃至跨片區的污水調配，在不同污水片區不均勻降雨的工況下調蓄超量初期雨水，降低雨天流量對沿線污水處理廠的水質水量沖擊；下游連通管能起到削減污水處理廠雨天溢流放江，降低沿線污水處理廠進廠流量總變化系數等功能?！吧嫌?、中游、下游”連通管形成的干線總管之間“兩兩互通”可實現污水干線總管的日常檢修和事故應急，從而應對污水干線總管的檢修及事故工況，利用連通管實現跨片區的污水輸送，提高污水系統安全保障。

4.2 拓撲分析驗證

圖4 污水干線總管“上游、中游、下游”連通管方案拓撲分析Fig.4 Topological Analysis of "Upstream, Middle and Downstream" Connection Scheme of Sewage Mains

根據優化策略，在圖2中嘗試不同的“上游、中游、下游”連通管方案，評估其系統連通度、可靠度和脆弱度的數值變化，其中得分較高的連線方案如圖4所示。得分最高的連線方案(節點10與節點16)其網絡連通度增加300%，網絡脆弱度(倒數)增加8%，網絡可靠度增加5%，較圖2基本網絡的數值有了大幅提升，網絡結構模型如實反映了“上游、中游、下游”連通管對于原有污水干線總管網絡連通度低、脆弱度高、穩定性差的優化效果。

5 結論

本文提出的干線總管“兩兩互通”策略，在維持現有三大排水片區格局和污水＂就地分散收集、長距離外排輸送和集中處理排江＂模式的基礎上，通過在各污水片區的“上游、中游、下游”增設連通管及排水設施，解決了現有枝狀污水干線總管存在的輸送能力不足、無法停運維護、不能跨片區調度等問題，并借助水力模型軟件模擬和數學拓撲模型進行了驗證。本研究構建的局部環狀管網可大幅改善管網拓樸結構的脆弱度和可靠度，提高了管網系統的連通度和穩定性，充分挖掘了現狀管網的潛能。連通管建成后，可實現污水片區內和跨片區的雙向調配，保障了污水和初期雨水的全收集，提升了排水基礎設施的能級，可滿足城市精細化管理的需要，為一網調度和安全運維奠定基礎，從而實現上海市2035城市總體規劃提出的美好愿景“卓越的全球城市，令人向往的創新之城、人文之城、生態之城，具有世界影響力的社會主義現代化國際大都市”。