城市排水系统性能评价研究进展

朱成晓

1 概况

目前,国内在排水系统的设计及改造中采用推理公式法计算管道参数,并根据地形条件、道路状况、施工条件等因素来确定设计与改造的方案,因此,管道设计是否合理、方案选择是否最优存在着较大的主观性和随意性,这就为管道漫溢的发生埋下了隐患。而国外在排水系统的设计,尤其是大型排水系统的设计与改造中,已广泛采用计算机水力模型进行辅助[4],并在计算机水力模型的基础上,建立了排水系统性能评价体系,对未建排水系统进行校核计算,对已建排水系统进行性能诊断,以定量地掌握未建或已建排水系统的水力特性及性能值,并根据系统水力特性及整体性能合理的优化和选择设计、改造方案,以保证设计与改造方案的安全性和合理性。因此,排水系统性能评价体系的建立不但可以定量的评价设计、改造方案的合理性,而且也为排水系统调度控制和维护管理提供了定量的标准。

2 性能评价体系(Performance Assessment System)

性能评价体系作为一种技术分析工具已在材料、交通、企业、建筑等领域广泛应用[5,6],20世纪80年代以来,许多国家在水工业中也引进了性能评价,以期提高水厂和污水处理厂的效率和效益[7]。Coulibaly等也对魁北克的十个水厂建立了基于水厂的运行操作、基础设施、维修保养三大方面为性能指标的评价体系[8]。在国内,性能评价也被用于给水管网。伍悦滨等人将给水管网的水力分析、水质分析及可靠性分析作为三个基本评价体系,并遵循以水力分析为前提、水质分析为补充、可靠性分析为主体的原则,对给水管网系统的性能进行定量的评价[9]。而对城市排水系统进行评价,也需要建立一套完善的性能评价体系,确定绩效指标(Performance Indicator),建立性能函数(Performance Function),得出排水系统定量的性能值。

排水系统的评价过程[10]:确定排水系统主要的性能方面→选定能反映这些性能的参数或系统特征并建立量化方法→选定一个模型或监测方案→确定选择参数的标准和性能曲线→计算管网单元及整个管网的值并绘制性能图表。

2.1 排水系统性能指标选定

排水系统的性能本身很难测定,因此,选用特定的反映排水系统性能的指标来测量排水系统的性能是有效而又简便的方法。性能指标的选定是进行城市排水系统评价的第一步,好的性能指标不但能全面反映排水系统的整体运行情况,而且还有助于职能部门的决策。Kolsky认为性能指标应该满足三点:1)能有效反映排水系统性能;2)便于测量;3)有助于决策[11]。而且,性能指标的确定也不能仅局限于技术方面,它应该能较全面的反映排水系统所涉及的社会、经济、环境等方面。因此,性能指标应该包含以下几个方面[12]:1)水力方面,如水位、流速、溢流量、峰值和持续时间、雨天和晴天最大流量比;2)环境方面,如污染物浓度、溢流污染量、腐败性;3)结构方面,如损坏率、渗漏;4)经济方面,如维护费用、能耗费用等;5)社会方面,如影响街道交通、公众投诉、臭味。

性能指标在城市排水系统设计、管理和操作中起着越来越重要的作用。但是,性能指标只是排水系统性能的间接反映,存在着一定的不确定性,因此,在计算和使用性能指标时要考虑到性能指标的偏差[13]。

2.2 性能函数的建立

排水系统中某根管道的水面性能函数如图1所示[12]。

另一个水力性能指标则是流速,对于分流制生活污水系统来说,过低的流速容易在管道内产生沉积,而过快的流速则会对关闭冲刷,损坏管道的结构,因此,Cardoso根据本国的设计规范,建立了如图2所示的某管道流速性能曲线[10],低于最小流速的情况下,性能值为零;在1.5倍的最小流速和最大流速范围内,性能值最优;而在超过最大流速时,性能值逐渐下降;达到和超过1.2倍的最大流速时,性能最差,性能值降为零。

其中,IDWF为旱天情况下性能指标;Te为旱天的持续时间,24 h;Td为水面超过预定值的历时,h。

式(1)意味着若一天24 h内,水位没有超过预定水位,则IDWF=1,得分最高,假如一天内水位都高于预定值,则IDWF=0,得分最低。

在综合某一个性能指标时,Cardoso采用建立加权平均值的归纳函数的方法,使用kQinL的权重,其中,Qin为管道的过流能力;L为管道长度;k为风险因子,表示对该段管道的积水风险的推断。对于所有的管段k=1,就表示它们有相同的发生积水的风险[10]。而对于将多种性能指标综合归纳时,Geerse等人采用了有序分层的评价方法[14]:引进了性能指数(Performance Index)的概念,将系统的性能评价分成性能指数、目标、性能指标三层,性能指数建立在目标的满足程度上,如式(2)所示:

Geerse在评价鹿特丹市排水系统采用新的中央自动控制较之过去局部自动控制和人工远距控制情况下,排水系统性能改进的情况时,采用了另一种性能指标计算方法[14]。比如在计算要求排水系统水位低于预定最大值这个性能指标时,采用式(1)所示的指标计算方法:

其中,PI为无因次的性能指数;C为系统所加载的条件(旱天或雨天);n为目标数量;O为目标;W0为不同目标的权重。而目标的满足与否则可用赋有权重的系统参数表达,如式(3)所示:

其中,O为目标满足比率;I为性能指标;m为性能指标个数;WI为性能指标权重。

这样,系统的综合性能指数就可以通过性能指标表达出来。

2.3 决策支持系统(Decision Support System)

决策支持系统是一个交互式的计算机基本系统,是在大量实测数据信息基础上,利用数据库、模型库和方法库以及很好的人机交互部件和图形部件,帮助各级决策者实现科学决策的系统[15]。对排水系统的评价最终就是为了对排水系统改造、调度、管理提供决策支持,因此,通过对排水系统和管道的评价,建立一个城市排水系统管理的决策系统,提高排水系统的效率。意大利在城市水资源研究中心等部门的合作框架下,开发了用于城市排水系统管理分析的决策支持系统MOMA FD,目的在于数据可靠性的分析和城市排水系统技术、环境和经济方面的评价[16]。

3 国内发展现状

国内,随着非开挖管道修复工程的推广,相应的管道评价指标逐渐引进和建立,但是由于受排水系统资料不全,历史数据缺乏以及分析工具落后等各方面技术原因,对城市排水系统的评价仅仅局限于以暴雨重现期、设计污水量等设计参数来衡量系统的实际运行状况,缺乏标准的,成套的,规范的评价指标和体系。随着城市品位的提升,传统的评价方法已不能满足要求,因此,亟需从以下几个方面着手,建立适合中国国情和排水系统规范的性能评价体系:1)在排水系统,尤其是大型排水系统的设计与改造中,建议使用水力模型对设计方案以及现状管道系统进行模拟和诊断;2)选定并建立适合中国城市排水系统的性能指标体系,并对排水系统水力状况指标进行细化;3)根据排水系统规范以及对排水系统安全性的要求,因地制宜地制定性能评价函数;4)在国外发展及应用的基础上,建立一个适合于排水系统整体性能评价,又适用于局部水力瓶颈的分析的性能评价体系。

4 结语

随着经济的发展,环保意识的提高,使得对城市排水系统的要求也进一步提高。然而,排水系统作为城市的基础设施往往是一个复杂的系统,其建设与完善跨越了十几年甚至几十年上百年,设计标准不尽统一,排水体制混淆等因素使得排水系统故障频出,因此,城市市政排水中便出现了排水系统的老化与排水要求的提高这对矛盾,而解决这对矛盾就必须建立性能评价体系,科学地,定量地进行排水系统的设计、管理和改造,以提高排水系统的性能,增强排水系统的安全性,节约改造和建设投资费用。

[1] 郭 瑞,禹华谦.强降雨对城市排水系统的影响[J].四川建筑,2005,25(3):10-11.

[2] 徐 翘,邵卫云.浅议生态化的城市排水系统[J].市政技术,2004,22(6):385-387.

[3] 梅晓岚,刘应明.深圳市南山区雨水系统现状分析及改造对策[J].给水排水,2005,31(2):9-11.

[4] Schmitt T G,Thomas M,Ettrich N.Analysis and modeling of flooding in urban drainage systems[J].Journal of Hydrology,2004(299):300-311.

[5] 丁庆军,胡曙光.高强轻集料混凝土分层离析控制技术的研究[J].武汉大学学报(工学版),2002,35(3):59-62.

[6] 徐 罡,王 刚.一种面向过程的企业性能评价体系[J].哈尔滨工业大学学报,2002,34(6):806-809,814.

[7] Merkel W.International report:performance assessment in the water industry[J].Water science and technology:water supply,2002,2(4):151-162.

[8] Coulibaly H D,Rodriguez M J.Development of performance indicators for small Quebec drinking water utilities[J].Journal of Enivronmental Management,2004(73):243-255.

[9] 伍悦滨,袁一星,高金良.给水管网系统性能评价方法[J].中国给水排水,2003,19(4):23-25.

[10] Cardoso M A,Coelho S T,Praca P,etc..Technical performance assessment of urban sewer systems[J].Journal of performance of constructed facilities,2005,19(4):339-346.

[11] Kolsky P,Butler D.Performance indicators for urban storm drainage in developing countries[J].Urban water,2002(4):137-144.

[12] Fenner R A.Approaches to sewer maintenance:a review[J].Urban water,2000(2):336-343.

[13] Bertrand-Krajewski J L,Barraud S,Bardin J P.Uncertainties,performance indicators and decision aid applied to stormwater facilities[J].Urban Water,2002(4):163-179.

[14] Geerse J M U,Lobbrecht A H.Assessing the performance of urban draina ge systems:‘general approach'applied to the city of Rotterdam[J].Urban water,2002(4):198-209.

[15] 薛华成.管理信息系统[M].第3版.北京:清华大学出版社,1996.

[16] Artina S,Becciu G,Maglionico M,etc..Performance indicators for the efficiency analysis of urban drainage systems[J].Water Science and Technology,2005,51(2):109-118.

[17] 周鑫根.城市给排水现代化指标体系探索[J].给水排水,2004,30(10):39-41.