平原河網地區污水管網外來水量衡算分析

馬翠香，王榮昌,*，曾 旭，成志軒，楊 揚

(1. 同濟大學環境科學與工程學院,長江水環境教育部重點實驗室，上海 200092；2.丹華水利環境技術〈上海〉有限公司，上海 200235)

市政污水管網系統包括污水主管道、泵站、檢查井和用于收集來自住宅區、工業區、商業區的其他支管及附屬設施，并最終輸送污水到污水處理廠，是城市重要的基礎設施之一[1]。由于污水管網的重要性，對于發生滲漏的管段進行診斷并確定滲漏量尤為重要。目前，已建的污水管網系統的地下水入滲量通常遠大于污水管設計中污水管道的地下水滲透系數10%～15%[2]，尤其在降雨豐沛、地下水位較高的平原河網地區，地下水滲透量達到20%～30%，甚至更高[3]。這使得污水管網系統不能發揮正常功能，過度稀釋的污水最終進入污水處理廠，加大污水處理負荷，同時使得進水污染物濃度降低，會增加污水處理廠、泵站的運行費用，降低處理效率[4]。

隨著國內大城市污水處理率的逐漸提高，國內對管道系統的地下水入滲問題目益關注，特別是平原河網高地下水位地區。開展地下水滲入/流入量等外來水量及污水管網破損等情況的研究是一項迫切的任務，目前國內外已對此做過較多研究[5-15]，對污水管網發生滲漏的管段進行診斷并確定入滲和入流水量，對于提高污水管網的運行效率具有重要意義。

本文針對平原河網地區某示范區的工業廢水和生活污水管網的主要泵站的外來水量開展了相關研究，主要分析了各重要泵站節點的全年水量平衡，并考察了常規工況、節假日工況、小雨工況及大雨工況等4種工況下的水量平衡，建立該市污水外排系統的旱天及雨天進水水量平衡關系，從而進一步分析旱季及雨季污水管網節點水量平衡關系和水量沿程變化規律，有助于判斷污水管網破損程度及城市管網維護。

1 研究方法

1.1 研究區域

平原河網地區某市某示范區的污水管網平面如圖1所示，示范區面積約為186 km2，排水管線長約為7.6 km，設計污水量輸送規模為12萬 m3/d。重要泵站節點中，泵站1在上游，泵站2在中游，泵站3在下游，圓點為某示范區內18家工業企業所處位置。

圖1 某示范區管網和重要泵站位置平面圖Fig.1 Schematic Diagram of the Location of Pipe Network and Important Pumping Station in the Demonstration Area

1.2 基礎數據概述

(1)降雨數據

根據提供的資料，收集位于某示范區內的某雨量站2018年的逐日降雨數據。

(2)河道水位數據

收集某示范區西北角某水文站2018年的逐日河道水位數據。

(3)污水管網數據

示范區內的排污管線主要由1條由北至南的壓力管及兩側收集工業廢水的支管構成。壓力管覆土深度約為1 m，管徑為DN600，直至泵站1。泵站1與泵站3之間的主干管為重力管，管徑由DN1000逐步增大到DN1800。

(4)泵站數據

主要收集圖1中3處泵站2018年的泵站運行數據。

(5)工業企業數據

根據現場調查及資料收集，收集到某示范區內18家工業企業的在線監測數據。18家企業主要以印染紡織企業為主(12家)，食品加工(3家)，造紙、熱力生產和供應、金屬工具制造各1家。

(6)其他邊界數據

為了對區域更為準確地進行水量平衡分析，同時，對示范區上游的生活污水、主干線上兩處主要的流量匯入，以及泵站1與泵站2之間的流量關系進行界定與匡算。

1.3 研究方法

以2018年作為研究基準年，以上述收集到的各類數據為基礎，對各重要泵站的工業廢水、生活污水、雨水及地下水進行匡算并分析。外來水量衡算分析的步驟：確定水量關系；確定地下水入滲與河道水位的關系；估算晴天生活污水量；分析確定雨水入流與降雨量的關系；全年水量平衡分析。

地下水入滲水量計算首先采用晴天流量數據，排除降雨影響；定義0∶00～6∶00的最小流量為夜間最小流量，進一步篩選晴天夜間最小流量，排除生活污水影響；最后扣除對應時間段內所有工業企業的排放量，記為地下水入滲的小時水量，乘以24得到每日地下水入滲量，如式(1)。

Q地下水入滲=Q晴天夜間最小流量-Q晴天夜間工業

(1)

生活污水水量計算采用晴天流量數據，排除降雨影響；扣除當日所有工業企業排放量，排除工業企業水量；并扣除管段內當日地下水入滲量，即為當日管段生活污水量，如式(2)。

Q生活污水=Q流量-Q工業-Q地下水

(2)

雨水入流水量計算采用雨天實際泵站流量，扣除晴天基流量，即為雨水入流的外來水量，如式(3)。

Q雨水入流=Q流量-Q晴天

(3)

1.4 工況說明

4種典型工況概況如表1所示。其中，2018年全年降雨天數為123 d，總降雨量為1 359.4 mm。常規工況以2018年10月29為例，該日前期干旱天數為7 d，當日河道水位為2.94 m，無降雨情況。節假日工況以2018年10月3日為例，該日為國慶假期期間，且為晴天，河道水位為3.08 m。小雨工況以2018年12月25為例，該日為小雨，當日降雨量為3 mm，河道水位為3.19 m。大雨工況以2018年8月16日為例,分析大雨工況下各水量平衡，該日為大雨，當日降雨量為49 mm，河道水位為3.26 m。

表1 4種典型工況的概況Tab.1 Description of Four Typical Working Conditions

2 結果和討論

2.1 全年水量平衡

根據2018年重要泵站節點全年水量平衡分析結果，如表2所示。泵站1的2018年全年的總水量約為13 205 t，其中，工業廢水占比最高，約為76.4%，其次是地下水約占17%，生活污水及雨水占比較小。泵站2的2018年全年的總水量約為21 861 t，其中，工業廢水占比約為74.12%，地下水和生活污水較為接近各占16%和8.5%。泵站3全年總水量約為35 063 t，由于東方路和周安路生活污水匯入主干管，工業廢水占比進一步下降占比不足60%，生活污水則上升至18%，地下水占23%。3個重要泵站節點全年雨水入流量很低。

表2 全年重要泵站節點水量衡算 (單位：t)Tab.2 Annual Water Balance at Important Pumping Station Node (Unit: t)

2.2 典型工況水量平衡

2.2.1 常規工況水量平衡

根據常規工況下水量平衡分析結果，重點泵站節點常規工況水量關系如圖2所示，泵站1總水量為43.8 t，主要以工業廢水為主，占比接近九成，地下水和生活污水占比較小，分別占9%和2%。泵站2總水量為65.5 t，各項水量比例與全年比例較為接近，工業廢水占比超過74%，地下水和生活污水各為12%和13%。泵站3泵站總水量為97.9 t，伴隨周安路及東方路泵站生活污水水量接入，工業廢水占比進一步降低，約占62%，地下水和生活污水則分別升至約19%。

圖2 重要泵站節點常規工況水量關系圖Fig.2 Diagram of Water Flow at Key Pumping Station Nodes under Normal Working Conditions

2.2.2 節假日工況水量平衡

根據節假日工況下水量平衡分析結果，重點泵站節點節假日工況水量關系如圖3所示，泵站1總水量銳減至20.0 t，工業廢水、生活污水和地下水比例關系約為2∶1∶1。泵站2總水量為31.8 t，工業廢水占比接近41%，地下水和生活污水各為27%和32%。泵站3總水量為68.0 t，生活污水占比最高，約占42%，地下水占比相對較高，約占30%。

圖3 重要泵站節點節假日工況水量關系圖Fig.3 Diagram of Working Water Flow at Important Pumping Stations During Holidays

2.2.3 小雨工況水量分析

根據小雨工況下水量平衡分析結果，重點泵站節點小雨工況水量關系如圖4所示，泵站1總水量為43.9 t，由于雨量較小(3 mm)，雨水入流量占比為0.57%，工業廢水占比較高為90.28%，生活污水為0.35%，地下水占比為8.8%。泵站2總水量為60.0 t，工業廢水占比較高，約占82.7%，生活污水及地下水占比分別為4.6%和12.1%，雨水入流量占比較小，不到1%。泵站3總水量為103.9 t，該段地下水及生活污水占比有較大幅度提高，均超過18%，雨水入流量占比仍非常低，不足1%。

圖4 重點泵站節點小雨工況水量關系圖Fig.4 Diagram of Water Flow in Light Rain Condition at Key Pumping Stations

圖5 重點泵站節點大雨工況水量關系圖Fig.5 Diagram of Water Flow in Heavy Rain Condition at Key Pumping Stations

2.2.4 大雨工況水量分析

根據大雨工況下水量平衡分析結果，重點泵站節點大雨工況水量關系如圖5所示，泵站1總水量為34.8 t，大雨工況下雨量較大(49 mm)，雨水占比較高，接近10%。地下水比例較為穩定，仍約為8%，工業廢水占比有一定比例下降。泵站2總水量為63 t，地下水占比約為11%，而雨水占比接近12%。泵站3的工業廢水占比為60.1%，雨水占比約為10%，地下水約為20%。

2.3 比較分析

2.3.1 不同工況比較

根據水量平衡分析結果，小雨工況下降雨量為3 mm，雨量較小，小雨工況對示范區管網影響較小，3個重要泵站節點水量平衡與常規工況下基本一致。大雨工況下，雨量較大(49 mm)，雨水占比較高，接近10%，地下水比例較為穩定，仍約為8%，工業廢水占比有一定比例下降。此結論與董魯燕等[16]利用在線監測和模擬計算對污水管道的雨水入流和入滲分析結論一致，降雨發生時系統污水量明顯增加，系統存在直接入流或快速入滲現象。大雨工況下水量總量相對于常規工況下有所減少，可能是因為大雨情況下減少為示范區上游接入點管道溢流而進行泵站調度提前預排。

常規工況和節假日工況下，分別選擇晴天，污水管網沒有雨水滲入。節假日工況下總水量急劇減少，約為常規工況下的一半，可能是因為節假日工業企業停工或減產導致工業廢水急劇減少，管網輸送流量小于常規工況，且流速較小充滿度較低。常規工況下，污水管網水量以工業廢水為主，約占60%～80%；而節假日工況下工業廢水占比急劇下降，約占40%～60%，地下水和生活污水比例急劇上升，地下水占比可高達30%。

2.3.2 沿程變化分析

3個重要泵站節點沿程工業廢水占比不斷減少。工業廢水占比在泵站1比例很高，工業企業正常生產情況下，約為80%～90%，主要是因為示范區為工業企業示范區，泵站1前的污水管網收集的污水主要為工業廢水。由于兩處支管生活污水的混入，泵站3的工業廢水占比進一步下降，不足60%。

根據水量平衡分析，沿程3個重要泵站節點的生活污水比例逐漸升高。在工業企業正常生產的情況下，泵站1的生活污水占比非常小，低于2%。隨著泵站3前有兩處生活污水支管混入污水管網，泵站3的生活污水比例進一步上升。

根據水量平衡分析結果，沿程3個重要泵站地下水占比有所上升，可能是由于超齡服役、管道材質等導致泵站2到泵站3之間地下水滲入較為嚴重。

2.4 工程應對措施

排水管道地下水滲入量是地下水通過管道和檢查井等附屬構筑物的不嚴密處滲入排水管道的水量。南方地下水位常年較高，排水管道由于超齡服役、管道材質差、施工工藝落后等，導致地下水滲入較為嚴重。隨著管道使用壽命的延長，管道各種因素會導致管道損耗而使得管道的地下水滲入量增加，污水處理廠處理的污水量增加，造成工程的投資費用和工程費用都有很大的提高。因此，應盡可能降低管道的地下水滲入量。

控制排水系統地下水的過量滲入，通過污水管網上下游的水量衡算，可以判斷污水管網外來水入流點的主要管段位置，通過分布式光纖測溫技術可以進一步判定外來水量入流點的位置。地下水滲入大的主要管段從采用符合技術發展趨勢的新的管材、窨井，同時，改善現有管道系統的維護管理，經過光纖測溫判定的外來水量流入點位置進行檢測，對損壞嚴重的管道進行修復。新的管材、窨井必須限期實現接口柔性化。加強管道系統的管理要從注重基礎資料收集、完善管道使用、養護狀況的檔案記錄開始。外來水量滲入量大的管段對管道狀況進行詳細調查采取一定的工程措施。同時，對管齡超過40年的管道需要逐步落實滲入量實測與管道狀況詳細調查。

3 結論

(1)通過不同工況下以及全年的水量平衡分析，可對污水管網地下水入滲、雨水入流等外來水量定量評估；在常規工況下，重要泵站節點以工業廢水為主，約占60%～80%；地下水為10%～20%；節假日工況下，工業廢水占比急劇下降，約占40%～60%，地下水占比可高達30%；大雨情況下，由于存在雨水直接入流或者快速入滲現象，導致雨水占比明顯高于小雨工況，雨水占比為10%；

(2)通過對關鍵節點地下水入滲、雨水入流等外來水量的占比分析，指導本區域排水污水管網聯調聯控，從而保障下游污水處理廠的穩定運行；

(3)通過污水管網上下游的水量衡算，可以輔助判斷污水管網外來水入流點的主要管段位置，結合分布式光纖測溫技術可以進一步準確判定外來水量入流點的位置。