上海城市排水干线连通策略

张 欣，周 骅，谢宇铭,余凯华

(1. 上海市政工程设计研究总院〈集团〉有限公司，上海 200092；2. 上海城投水务〈集团〉有限公司，上海 200092)

上海是国内最早建成排水管道的城市，在20世纪70～80年代，市规划和城建部门结合农用施肥灌溉实施了西干线和南干线；1985年，在世界银行和国际咨询专家的支持下，上海市依据《上海市区污水治理战略方案研究报告》，确立了以主城区及周边地区集中外排处理和郊区分散处理相结合的污水治理方针，相继建成了合流污水治理一期工程，污水治理二期、吴闵外排等工程。进入21世纪以后，依据新的人口布局和产业结构，调整了中心城区污水规模与布局，在已建西干线、南干线、合流一期、污水二期等总管工程的基础上，实施了苏州河六支流工程、污水三期工程、两港截流工程、南线东段工程，至此基本形成了上海市中心城的污水集中外排处理格局，在上海市中心城区污水治理和水环境保护中发挥了核心作用。

1 现状和问题

上海市中心城区污水集中外排体系包括石洞口、竹园和白龙港3大片区，5根污水总管和若干污水干线。石洞口片区建设有西干线，竹园片区建设有合流污水一期总管和污水治理三期总管，白龙港片区已建有污水治理二期中线、南线和南干线，其相互关系如图1所示。

图1 上海城市污水干线关系示意图Fig.1 Schematic Diagram of Sewage Mains in Shanghai City

由图1可知，片区间几无联系，仅有石洞口片区至竹园片区的单向联通，而最大的两个片区，竹园和白龙港之间无任何连通。同样，对于拥有多条污水干线总管的竹园片区和白龙港片区，各只有一处连通，且可转输的量十分有限，片区内的联系薄弱，因此，存在诸多隐患。

(1)应对突发事故能力弱。污水集中外排总管之间基本独立，总管与终端污水处理厂一一对应，如遇失电、管道损坏等突发性事故，可能会引发市中心污水冒溢、河道污染、国考断面不达标等重大事故。根据《上海市污水处理系统及污泥处理处置规划(2017-2035)》，在中心城区污水处理厂功能调整后，中心城区石洞口、竹园、白龙港三大片区污水均集中外排处置，污水总量约为690万m3/d，约占全市污水处理总量(1 150万m3/d)的60%，是上海排水系统的重中之重，维系着城市公共安全[1]。

(2)无法实现停水检修。污水干线管龄普遍已达10～30年，南干线更是超过40年，已进入或接近设计年限中期。在多种因素综合作用下，管涵内部逐步出现了顶板混凝土腐蚀剥落、钢筋锈断脱落等结构严重缺陷，承载力大大削弱，但由于管道互不连通，单管设计的总管无法实现停水检修，局部管段内淤积严重。

(3)接纳初期雨水及混接污水的能力较差。为了实现2020年基本消除劣V类水体的目标，“水十条”、《上海市水污染防治行动计划实施方案》对河道水环境治理提出了指示和要求。《上海市污水处理系统及污泥处理处置规划(2017-2035)》提出，全市强排系统初期雨水截流量约为300万m3，初期雨水截流标准为合流制11 mm，分流制5 mm[1]。但目前石洞口片区管道输送能力已基本饱和，竹园、白龙港污水片区管道输送能力尚有富余，污水干线总管输送量与输送能力不平衡，外排总管接纳初期雨水和混接污水的能力较差，在应对时空分布不均匀的突发灾害性气候时，无法借助相邻片区设施的能力受纳超量污水，造成局部地区积水和溢流。

(4)无法实现统一的运行调度。污水干线相对独立、互不连通，输送方式既有重力流，又有压力流，无法像城市给水管一样实现水量调配，给运行调度带来了较大难度。在检修维护、发生应急事故时，无法借助相邻污水片区的污水输送能力，将污水调配后输送至末端污水处理厂达标处理，客观上易造成水环境污染。

2 研究方法

为了更好地掌握污水干线总管系统中的潜在运行安全风险，本研究通过数据分析，从现状系统的输送能力、潜在的输送需求以及网络结构等方面来评估污水干线总管系统。

2.1 输送能力评估

输送能力评估利用上海市城市排水有限公司运行历史记录中提取的5根污水干线总管上22座干线节点泵站的SCADA数据和对应的雨量记录数据，分析泵站的输水量、泵站的开泵数量以及潜在富裕的输送能力。根据不同的降雨量，对比同一座泵站在旱天、雨天和雨后等不同工况下的输送量，其中旱天工况下泵站的输送量已达到设计最大值的可认为是系统的瓶颈点，已无法承担降雨期间初期雨水输送的需求。

2.2 需求分析

需求分析包括污水量预测和初期雨水量预测两个方面。通过计算得到的规划污水量和初期雨水及混流污水量，与现状5条污水干线总管的输送能力相对比，可以得到现状系统中潜在的瓶颈点。

污水量预测采用综合指标法，综合污水量标准按供水量标准的0.9进行折算，折算后为290～315 L/(人·d)。污水片区人口数取自《上海市污水处理系统及污泥处理处置专业规划(2017-2035)》[1]，计算如(1)。

预测污水量=规划服务人口×综合污水量标准+地下水渗入量

(1)

由式(1)可知，上海市中心城三大污水片区石洞口片区规划日均污水量约为100万m3/d，竹园片区规划日均污水量约为220万m3/d，白龙港片区规划日均污水量约为370万m3/d。

初期雨水量采用面积负荷法计算，其中初期雨水截流标准根据《上海市污水处理系统及污泥处理处置专业规划(2017-2035)》为合流制11 mm、分流制5 mm，计算如式(2)。

V=0.01DFΨ

(2)

其中：V——调蓄量，m3；

D——调蓄量，mm；

F——汇水面积，m2；

Ψ——径流系数。

由式(2)可知，上海市中心城竹园片区初期雨水量和混流污水量约为110万m3/d，白龙港片区初期雨水量和混流污水量约为175万m3/d。

2.3 拓扑分析

拓扑分析先对现有的污水外排干线总管进行矢量化处理，将支管接入点作为节点分类编号，得到污水干线总管的拓扑结构图，并从系统连通度、可靠度和脆弱度等方面开展分析(图2)。

图2 污水干线总管平面拓扑结构Fig.2 Topological Structure of Sewage Mains

系统的连通度通过考察网络的邻近中心势来体现，某节点xi在网络中的邻近中心性为节点i到其他节点平均距离的倒数，即节点xi在网络中的相对可达性，该指标可以反映整体网络结构的中心化程度，一般树状结构的连通程度明显低于网状结构[2]。

系统可靠度通过考察网络中高稳定节点的数量来体现，与某节点xi相连的节点数多，则该节点稳定性越高，稳定节点数量占比越高，则网络整体也就越稳定[3]。

网络的脆弱度则通过分析桥在网络连线中的占比体现，将网络中两个节点间的唯一连线定义为桥，桥占比越高，不稳定因素越多，整体网络越脆弱；桥占比越低，不稳定因素越少，整体网络越不脆弱[4]。

通过拓扑分析，可以发现现状集中外排污水干线总管网络中的薄弱点，进而评估不同优化方案的效果。

3 优化策略

上海市中心城污水集中外排体系现状问题主要在于外排干线总管之间的枝状特性所导致的连通度低、脆弱度高、稳定性差。《室外给水设计规范》中要求原水输水管采用2根以上，并按照事故用水量分段设置连通管。不同于给水管道的压力输送方式，污水管道以重力输送为主，污水干线总管间的连通管难以实现双向自流输送。柏林、北京等城市，为了解决污水处理厂停水检修等需要，通过设置双向泵站等措施，实现局部的调水。为了更好地解决现状污水集中外排体系存在的问题，增加外排干线总管之间的联系，本研究尝试在相邻的污水干线总管间的等压差点建立连通管段，将污水干线总管由枝状管网变成局部的环状管网，增加干线总管间的联系，实现跨干线总管的双向水量调配。

上海市的污水外排总管长度大于30 km，属于带有收集功能的长距离污水输送干线，各区段功能有所不同。其中，位于干线提升泵站前段的一般为重力管段设计，主要承担沿线排水分区污水和截流的初期雨水的收集，将此段定义为污水干线总管的上游；干线提升泵站后至外环线段，主要承担上游水量的转输功能，兼具收集沿线排水分区的污水和截流的初期雨水，将此段定义为污水干线总管的中游；外环线以外至污水处理厂段途经区域不属于上海市中心城范围，不再承担沿线污水和初期雨水收集的功能，仅有转输功能，将此段定义为污水干线总管的下游。结合污水干线总管不同区段间功能的不同，在各污水片区干线总管的“上游、中游、下游”设置连通管及排水设施，形成干线总管之间的“两两互通”，提升系统之间的连通互补和跨区调度。

(1)“上游”连通：以始端地块污水的通畅排放为目标，分析排水系统与上游总管所处的位置，在环境敏感和重要地区设置上游连通管，为地块污水排放提供备用通道，确保重要地区污水排放的安全性和可靠性，实现源头的分流和上游干线的控流。

(2)“中游”连通：以保障污水干线总管安全运行为目标，分析不同干线各节点的水位、压差、位置、路由和实施可行性等要素，在污水干线总管的中游设置连通管，实现干线总管的分段停运检修和维护养护，确保干线总管的安全运行，为不同片区间污水量调度和调配创造条件。

(3)“下游”连通：以末端污水处理厂的稳定运行为目标，在污水干线总管的下游设置厂际连通管，实现跨片区的厂前污水流量调配，降低污水处理厂进厂流量的总变化系数Kz，通过削峰稳流减少污水处理厂的雨天溢流放江，应对污水处理厂内的突发事件，便于超大型污水厂的养护管理。

通过以上连通管，最终实现跨片区的水量调配，满足初期雨水等的输送，便于排水干线总管的检修养护，提高污水系统的安全保障。

4 建模及验证

4.1 水力模型评估

本研究利用InfoWorks ICM模型构建了5大污水干线联动的水力模型，并将“上游、中游、下游”连通管方案纳入其中，实现对污水输送干线的运行现状模拟和不同工况下连通管的实际效用分析(图3)[5-6]。

图3 上海城市污水干线总管网络Fig.3 Network of Urban Sewage Mains in Shanghai

模型验证表明：上游连通管可作为中心城区内环境敏感和重要地区污水出路的备用通道，同时实现超量初期雨水的跨片区转输，减少初期雨水对河道水环境的影响；中游连通管作为污水干线总管分流和疏解的出路，可实现不同污水干线总管间片区内乃至跨片区的污水调配，在不同污水片区不均匀降雨的工况下调蓄超量初期雨水，降低雨天流量对沿线污水处理厂的水质水量冲击；下游连通管能起到削减污水处理厂雨天溢流放江，降低沿线污水处理厂进厂流量总变化系数等功能。“上游、中游、下游”连通管形成的干线总管之间“两两互通”可实现污水干线总管的日常检修和事故应急，从而应对污水干线总管的检修及事故工况，利用连通管实现跨片区的污水输送，提高污水系统安全保障。

4.2 拓扑分析验证

图4 污水干线总管“上游、中游、下游”连通管方案拓扑分析Fig.4 Topological Analysis of "Upstream, Middle and Downstream" Connection Scheme of Sewage Mains

根据优化策略，在图2中尝试不同的“上游、中游、下游”连通管方案，评估其系统连通度、可靠度和脆弱度的数值变化，其中得分较高的连线方案如图4所示。得分最高的连线方案(节点10与节点16)其网络连通度增加300%，网络脆弱度(倒数)增加8%，网络可靠度增加5%，较图2基本网络的数值有了大幅提升，网络结构模型如实反映了“上游、中游、下游”连通管对于原有污水干线总管网络连通度低、脆弱度高、稳定性差的优化效果。

5 结论

本文提出的干线总管“两两互通”策略，在维持现有三大排水片区格局和污水＂就地分散收集、长距离外排输送和集中处理排江＂模式的基础上，通过在各污水片区的“上游、中游、下游”增设连通管及排水设施，解决了现有枝状污水干线总管存在的输送能力不足、无法停运维护、不能跨片区调度等问题，并借助水力模型软件模拟和数学拓扑模型进行了验证。本研究构建的局部环状管网可大幅改善管网拓朴结构的脆弱度和可靠度，提高了管网系统的连通度和稳定性，充分挖掘了现状管网的潜能。连通管建成后，可实现污水片区内和跨片区的双向调配，保障了污水和初期雨水的全收集，提升了排水基础设施的能级，可满足城市精细化管理的需要，为一网调度和安全运维奠定基础，从而实现上海市2035城市总体规划提出的美好愿景“卓越的全球城市，令人向往的创新之城、人文之城、生态之城，具有世界影响力的社会主义现代化国际大都市”。