InfoWorks ICM模型在截污工程中的评估应用——以九江市老鹳塘污水系统为例.pdf

第5期（总第230期）2023 年 10 月CHINA MUNICIPAL ENGINEERINGN o.5 (S e r i a l N o.2 3 0)O c t.2 0 2 374I n f o Wo r k s I C M模型在截污工程中的评估应用以九江市老鹳塘污水系统为例蒋 明，吕 药 灵，周 传 庭 上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司，上海 200125摘要：基于雨水出流污染的复杂性、随机性，为更好指导污染雨水的原位净化研究，以九江市老鹳塘污水系统为工程实例，开展雨水出流污染数学模型模拟研究。利用 InfoWorks ICM 模型，分析沿湖截流调蓄与原位净化处理设施工程改造对雨水出流污染的削减效果。研究模拟结果表明，待工程顺利完工实施后，年入湖溢流水量和年径流污染 CODCr入湖污染负荷均预计有显著的削减效果：排口年溢流频率减低 80%，溢流水量削减率为 78.5%，径流污染 CODCr年负荷削减率为 87.6%。关键词：数学模型；InfoWorks ICM；雨水径流污染；城市水体污染；管道模型中图分类号：TU992 文献标识码：A 文章编号：1004-4655（2023）05-0074-06收稿日期：2022-12-08第一作者简介：蒋明（1979），男，高级工程师，博士，主要从事水环境综合整治，污水处理提质增效，海绵城市等管理工作。DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2023.05.0171 工程背景九江市老鹳塘污水系统服务总面积 13.68 km2。其中，陆域范围为 12.29 km2，两湖水域为 1.39 km2。按工程项目计划，陆域面积根据服务范围分为老鹳塘污水处理厂的直接服务范围（2.13 km2）和两湖截污管道服务范围（1.06 km2）2 大片。此外，两湖截污管道服务范围根据汇流排口分为 5 小片，即14 号排口和两湖截污管分散排口。具体位置与分区划分见图 1，各分区面积见表 1。老鹳塘污水厂2.13 km24 号排口2.15 km21 号排口2.04 km22 号排口3.39 km23 号排口1.52 km2两湖水面1.39 km2两湖截污管1.06 km2长江N图 1 九江市老鹳塘污水系统分区位置图（工程计划）表 1 九江市老鹳塘污水系统分区面积表（工程计划）类型服务范围编号各分片汇流排口分区面积/km2陆域两湖截流管道服务范围11 号排口2.0422 号排口3.3933 号排口1.5244 号排口2.155两湖截污管分散排口1.06老鹳塘污水处理厂直接服务范围6老鹳塘污水处理厂2.13水域水面7两湖水域1.39合计13.68现状两湖区域共有 12 处溢流口，溢流污染严重，排口分布和截污管管径见图 2。图例溢流口两湖泵站北侧截污管南侧截污管DN600-DN1200 截污管DN1000-DN1350 截污管11 号12 号10 号9 号8 号7 号5 号4 号2 号1 号3 号6 号甘棠湖南门湖南湖公园N图 2 现状两湖溢流口位置示意图现状两湖北侧截污管尺寸为 DN600 DN1200，南侧截污管尺寸 DN1000DN1350，交汇后接入两湖泵站，经提升，接至老鹳塘污水处理厂。为实现752023 年第 5 期蒋明，吕药灵，周传庭：InfoWorks ICM 模型在截污工程中的评估应用以九江市老鹳塘污水系统为例两湖溢流污染削减，工程中拟采用“截流+调蓄+就地处理”的工艺路线，具体工程措施如下。1）环两湖沿线新建南北两路截污干管（涵）：北侧截污干管尺寸为 1 800 mm1 800 mm；南侧截污干管尺寸为 1 800 mm1 800 mm4 000 mm 3 000 mm。南北两路管道于南湖公园北侧交汇后接入两湖泵站和调蓄池。新建的环湖截污管仅设置 4处溢流口和 1 处入江排口。2）在南湖公园北侧水体附近，新建 1 座调蓄池和就地处理装置，调蓄池规模为 9.0 万 m3，就地处理装置规模为 3.0 万 m3/d，处理工艺采用“纯膜MBBR+混凝沉淀+雨水湿地”。旱天时，污水由南北两路截污干管截流并于南湖公园北侧交汇，经两湖泵站提升至老鹳塘污水处理厂进行处理，处理达标后排放至长江。小雨天时，超过污水处理厂处理能力的水量收集至新建调蓄池存储，雨后，排入就地处理装置，超出的水量同时转输至两湖泵站，经提升后进入老鹤塘污水处理厂处理。大暴雨时，超过污水处理厂和调蓄池处理能力的部分水量经入江排口和沿湖 4 处溢流口分别溢流至长江和两湖水体，具体位置见图 3。图例溢流口两湖泵站及调蓄池北侧截污管南侧截污管1.8 m1.8 m 截污干管1 号排口甘棠湖南门湖1.8 m1.8 m4 m3 m截污干管2 号排口3 号排口4 号排口入江排口南湖公园N图 3 两湖截流、调蓄系统方案示意图2 模型概化与边界条件2.1 工程改造前模型概化模型概化需要将 GIS 的数据导入软件，从中建立节点与管网的空间拓扑网络结构，并对大范围的管网数据概化。为有效降低模型构建难度，排除对模型运行结果影响微弱的小管径管道，仅就排水系统内的检查井、主管和支管等数据进行建模操作1。本次研究目标区域位于九江市老城区，研究范围内管线密集复杂，实际模型概化针对雨水口和雨水口连接管、雨水小支管和污水小支管完成。最终，整个研究区域内的现状管网概化为 585 个子集水区，532 个管段，532 个节点，环两湖共有 12 处溢流口，概化结果见图 4。图例：节点管渠泵图 4 两湖流域现状管网模型概化图2.2 工程改造后模型概化利用 InfoWorks ICM 软件搭建两湖截流、调蓄系统模型，工程改造后管网概化为 600 个子集水区，540 个管段，540 个节点。沿两湖共设有 4 个溢流口，在南湖公园北侧附近设调蓄池与就地处理装置，见图 5。图例：节点管渠泵水闸图 5 两湖截流、调蓄系统工程模型概化图2.3 模型率定在九江市典型年降雨条件和生活污水边界条件下，以 CODCr为研究对象，模型计算得到两湖沿线排口 CODCr年入湖面源污染负荷为 946.1 t/a。根据九江市入湖污染实际统计数据，两湖年入湖面源污染中 CODCr污染负荷为 1 248.8 t/a，模拟结果与实际结果误差达到-24%。按照城市排水系统模拟的通常准则，模拟结果误差的可接受范围762023 年第 5 期为-25%+15%2-3，因此，接受此次模拟结果并用于后续研究。3 径流污染削减效果分析3.1 工程实施前污染负荷模拟工程实施之前，环两湖沿线有 12 处溢流口，溢流口径流污染 CODCr入湖污染负荷模拟结果见图6。1 号溢流口是 12 处溢流口中污染贡献最大的，年溢流总量 217.7 万 m3，CODCr污染负荷 413.2 t/a，单次溢流事件中最大溢流量为 15.2 万 m3，CODCr污染负荷 38.2 t。6.04.02.00.0-2.03.02.01.00.0-1.0质量流量 CODSF1(kg/s)MFcodsf1质量流量 CODSF1(kg/s)MFcodsf12008/1/1 2008/4/1 2008/7/1 2008/10/1 2009/1/12008/1/1 2008/4/1 2008/7/1 2008/10/1 2009/1/1a）1 号溢流口 b）2 号溢流口质量流量 CODSF1(kg/s)MFcodsf1质量流量 CODSF1(kg/s)MFcodsf16.04.02.00.0-2.02008/1/1 2008/4/1 2008/7/1 2008/10/1 2009/1/10.600.400.200.00-0.202008/1/1 2008/4/1 2008/7/1 2008/10/1 2009/1/1c）3 号溢流口 d）4 号溢流口质量流量 CODSF1(kg/s)MFcodsf11.501.000.500.00-0.502008/1/1 2008/4/1 2008/7/1 2008/10/1 2009/1/1质量流量 CODSF1(kg/s)MFcodsf10.300.200.100.00-0.102008/1/1 2008/4/1 2008/7/1 2008/10/1 2009/1/1e）5 号溢流口 f）6 号溢流口蒋明，吕药灵，周传庭：InfoWorks ICM 模型在截污工程中的评估应用以九江市老鹳塘污水系统为例772023 年第 5 期质量流量 CODSF1(kg/s)MFcodsf1质量流量 CODSF1(kg/s)MFcodsf10.600.400.200.00-0.202008/1/1 2008/4/1 2008/7/1 2008/10/1 2009/1/10.080.060.040.020.00-0.022008/1/1 2008/4/1 2008/7/1 2008/10/1 2009/1/1g）7 号溢流口 h）8 号溢流口质量流量 CODSF1(kg/s)MFcodsf12.001.501.000.500.00-0.502008/1/1 2008/4/1 2008/7/1 2008/10/1 2009/1/1质量流量 CODSF1(kg/s)MFcodsf11.501.000.500.00-0.502008/1/1 2008/4/1 2008/7/1 2008/10/1 2009/1/1i）9 号溢流口 j）10 号溢流口质量流量 CODSF1(kg/s)MFcodsf10.060.040.020.00-0.022008/1/1 2008/4/1 2008/7/1 2008/10/1 2009/1/1质量流量 CODSF1(kg/s)MFcodsf10.300.200.100.00-0.102008/1/1 2008/4/1 2008/7/1 2008/10/1 2009/1/1k）11 号溢流口 l）12 号溢流口图 6 工程实施前两湖 CODCr年入湖污染量模拟结果蒋明，吕药灵，周传庭：InfoWorks ICM 模型在截污工程中的评估应用以九江市老鹳塘污水系统为例782023 年第 5 期工程实施前环两湖排口年溢流量与 CODCr总负荷汇总情况见表 3，年溢流总量为 552.9 万 m3，排口年溢流次数最高为 101 次，CODCr年污染负荷946.1 t/a。表 3 工程实施前环两湖排口年溢流量及 CODCr入湖年负荷模拟结果排口名称汇水面积/km2流量/(104m3)CODCr/(ta-1)1 号溢流口2.04217.7413.22 号溢流口2.9670.9103.03 号溢流口2.0220.222.24 号溢流口2.15191.3335.55 号溢流口0.1229.044.86 号溢流口0.606.23.67 号溢流口0.055.06.78 号溢流口0.042.42.79 号溢流口0.087.811.910 号溢流口0.010.40.511 号溢流口0.030.70.812 号溢流口0.061.31.2总计10.16552.9946.13.2 工程实施后提效模拟分析工程实施后，两湖径流污染 CODCr年入湖污染负荷的模拟结果见图 8。两湖溢流污染得到大幅削减，能实现合流制片区降雨量在 31 mm 以内且降雨强度在 24 mm/h 以内不溢流，分流制片区降雨量在 11 mm 以内且降雨强度在 18.5 mm/h 以内不发生溢流。其中，2 号溢流口全年仅发生 4 次溢流。单次溢流事件中最大溢流量为 9.26 万 m3，CODCr污染负荷为 25.6 t。质量流量 CODSF1(kg/s)MFcodsf10.800.600.400.200.0-0.202008/1/1 2008/4/1 2008/7/1 2008/10/1 2009/1/1质量流量 CODSF1(kg/s)MFcodsf12008/1/1 2008/4/1 2008/7/1 2008/10/1 2009/1/10.060.040.020.00-0.02a）1 号溢流口 b）2 号溢流口 质量流量 CODSF1(kg/s)MFcodsf10.1500.1000.0500.000-0.0502008/1/1 2008/4/1 2008/7/1 2008/10/1 2009/1/1质量流量 CODSF1(kg/s)MFcodsf12008/1/1 2008/4/1 2008/7/1 2008/10/1 2009/1/10.060.040.020.00-0.02c）3 号溢流口 d）4 号溢流口图 8 工程实施后环两湖 CODCr年入湖污染模拟结果蒋明，吕药灵，周传庭：InfoWorks ICM 模型在截污工程中的评估应用以九江市老鹳塘污水系统为例792023 年第 5 期工程实施后，两湖沿线 4 处溢流口年溢流量和CODCr年污染负荷模拟情况见表 4。14 号排口入湖年溢流总量为 118.6 万 m3。另设置一处就地处理装置排口，此排口作为两湖清洁补水水源，年补水量为 278 万 m3。5 处排口年溢流次数最高为 20 次，年 CODCr污染负荷 117.7 t/a。表 4 工程实施后两湖截污管各排口 CODCr年溢流总量模拟结果一览表排口名称流量/(104m3)CODCr/(ta-1)1 号排口37.819.22 号排口56.00.33 号排口16.90.34 号排口7.914.5就地处理装置排口278.083.4总量397.0117.7综上，对比两湖现状管网系统与环湖截流、调蓄系统工程改造方案实施以后的模拟结果数据可知，年入湖溢流水量和年径流污染 CODCr入湖污染负荷预计取得削减效果显著。排口年溢流频率降低80%，溢流水量削减率为 78.5%；径流污染 CODCr年负荷削减率为 87.6%，见表 5。表 5 工程实施前、后雨水溢流污染效果对比项目溢流口/排口数排口最高溢流次数年入湖流量/(104m3)年入湖CODCr/(ta-1)CODCr削减率/%溢流量削减率/%实施前12101552.9946.1实施后520119.0117.787.678.5蒋明，吕药灵，周传庭：InfoWorks ICM 模型在截污工程中的评估应用以九江市老鹳塘污水系统为例4 结语削减地表径流污染，治理城市黑臭水体已成为我国环境治理的核心内容，为有效治理城市面源污染，解决城市黑臭水体问题，完善城市初期雨水收集设施是有效的措施4。研究结合九江市老鹳塘污水系统改造工程，运用 InfoWorks ICM 模型评估工程实施后污染物的削减效果。模拟结果表明，环湖截流和调蓄系统工程改造方案对削减年入湖溢流水量和年径流污染 CODCr入湖污染负荷效果显著，可为其他类似工程项目提供参考。参考文献：1 张杰.武汉市江夏区海绵城市建设规划指标可达性分析研究 D.武汉:湖北工业大学,2020.2 汉京超.城市雨水径流污染特征及排水系统模拟优化研究 D.上海:复旦大学,2013.3 汉京超.城市排水管网模型模拟结果准确性的便捷校验方法 J.给水排水,2018(11):123-127.4 中共中央国务院关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见 J.中华人民共和国国务院公报,2018(19):7-16.11）总 磷。底泥修复后：A 点位去除率为75.30%，B 点位去除率为 79.55%，C 点位去除率为 89.31%。生态系统稳定后：A 点位去除率为92.54%，B 点位去除率为 79.45%，C 点位去除率为 93.54%。通过数据比较，各点位中的总磷含量均有明显下降。总磷去除效果见图 12。图 12 总磷去除效果6 结语在处理前，重金属总镉、总铬、总铜、总锌存在超过污染风险筛选值的现象。经过底改处理及生态构建后，通过以上图形对比分析，各重金属含量均有明显下降，除总镉以外，其他重金属元素指标均已达标。其中底泥修复（约 2 个月）可以迅速降低底泥中重金属含量，利于重构良好的水生态环境。种植沉水植物后，对于控制内源污染源的是释放，改善底泥污染物指标方面有积极影响。可见，沉水植物种植后对改善水体生态、促进湖泊向健康化发展有着重要的作用。采用“底泥改良+生态修复”的处理工艺可行、无臭无害、成型快、景观精致度高，既满足工期要求，又达到节约成本、提高施工效率、技术方便实用的效果。可见该工艺可有效控制底泥污染、改善试验区湖水水质，解决中心城区景观湖环保处理内源污染治理的难题，为Y湖景观水体生态修复、水质提升工程奠定坚实基础。（上接第 73 页）124ABSTRACTSEvaluation Application of the InfoWorks ICMModel in the Sewage Interception Projects:Taking the Laoguantang Sewage System in Jiujiang as an ExampleJIANG Ming,LV Yao-ling,ZHOU Chuan-ting(Shanghai Urban Construction Design&Research Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China)Abstract:Based on the complexity&randomness of rainwater outflow pollution,in order to better guide the research on in-situ purification of polluted rainwater,a mathematical model simulation study of rainwater outflow pollution is conducted using the Laoguantang sewage system in Jiujiang as an engineering example.Using the InfoWorks ICM model,the reduction effect of interception&storage along the lake and the renovation of in-situ purification treatment facilities on rainwater outflow pollution is analyzed.The simulation results show that after the successful completion of the project,the annual inflow of overflow water into the lake and the annual CODCr load of runoff pollution into the lake are expected to have significant reduction effects:the annual overflow frequency of the discharge outlet is decreased by 80%,the reduction rate of overflow water is 78.5%,and the annual reduction rate of runoff pollution CODCr load is 87.6%.Key words:mathematical model;InfoWorks ICM;rainwater runoff pollution;urban water pollution;pipeline modelPROJECT CONSTRUCTION&TECHNOLOGY RESEARCHAnalysis of Stability Factors of Oblique-Split Arch BridgeLI Jian-qiang1,FANG Cong2,WANG Peng-li3(1.Shanghai Municipal Engineering Design Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200092,China;2.China Construction Fifth Engineering Bureau Co.,Ltd.,Changsha 410011,China;3.Zhejiang Baoye Construction Group Co.,Ltd.,Shaoxing 312028,China)Abstract:Due to the dissimilation of the arch ribs,the stress distribution of the skewed arch bridge is complex and the spatial effect is obvious.Taking a oblique-split arch bridge in Doumen District,Zhuhai as the engineering background,multiple spatial finite element