基于SWMM模型的農(nóng)村污水收集模式對比分析

王詩雅，李樹平，王子瑜，周佳雯，王榮昌

(同濟大學環(huán)境科學與工程學院 長江水環(huán)境教育部重點實驗室，上海 200092)

0 引言

排水管網(wǎng)設計作為美麗鄉(xiāng)村建設規(guī)劃中的重要組成部分，過去幾十年里得到了越來越多的重視[1-4]。隨著生活水平的提高，農(nóng)村生活用水量與生活污水排放量急劇增加，未及時處理的農(nóng)村污水是導致農(nóng)村水資源污染的重要原因[5]。農(nóng)村地區(qū)不同程度步入了現(xiàn)代化的進程，室內(nèi)排水設施逐步完善；同時隨著農(nóng)民環(huán)保意識的增強和對環(huán)保措施的重視，亟需采用污水統(tǒng)一收集和處理系統(tǒng)，以減少污水隨意排放，優(yōu)化農(nóng)村衛(wèi)生和環(huán)境。如何結合農(nóng)村現(xiàn)有排水體制特點、地形地貌和污水管網(wǎng)設計要求，采用適宜模式科學地收集和處理農(nóng)村污水是人們研究的重點。例如人口密度小、居住分散的村莊適宜采用溝渠結合分散處理污水的模式，人口規(guī)模大、居住集中的村莊則適用于管渠結合排水處理模式[6]。同時要在兼顧可操作性和實用性前提下，依據(jù)村莊地形特征進行排水管道設計[7]。

目前，隨著排水工程復雜程度的增加，必須利用現(xiàn)代計算機技術結合當代管理方法，科學有效地保證城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)安全高效的運行，以保障人們的日常生活[8-11]。如利用城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型(SWMM模型)對城市地表徑流和匯流、管道匯流和水質(zhì)的監(jiān)測動態(tài)模擬建立高效排水管理系統(tǒng)[12]。

本文主要討論農(nóng)村污水收集系統(tǒng)的設計計算方法，以及管網(wǎng)布局設計方式，并結合算例進行說明。

1 設計計算理論

1.1 收集模式

農(nóng)村污水收集模式應根據(jù)房屋布置形式、地形、地下水狀況等特點因地制宜。例如集中收集模式適用于房屋布局相對集中、村莊規(guī)模大、經(jīng)濟基礎條件好的村莊。而布局分散、規(guī)模較小、地形復雜的村莊，污水不宜集中收集處理，建議采用單戶或聯(lián)戶處理排放的分散式處理模式。一些臨近城市、地形平坦、管網(wǎng)建設難度低的村莊，可將污水集中收集排入臨近城市污水管網(wǎng)，由城市污水處理廠統(tǒng)一處理。當兩個或多個村莊距離較近時，可以考慮共同建造污水處理收集系統(tǒng)[13]。

1.2 生活污水定額和污水總變化系數(shù)

生活污水定額是指單位人口的污水平均排放量，它與建筑內(nèi)部的排水設施水平和排水系統(tǒng)普及程度等相關。因排水量測試難度較大，一般根據(jù)用戶定額確定污水定額，其中除去庭院澆灌用水，農(nóng)村污水產(chǎn)量約是用水量的60%～80%[14]。

為確定污水設計流量，應在計算平均污水流量的基礎上，乘以總變化系數(shù)Kz。根據(jù)《室外排水設計規(guī)范》，當平均污水流量小于5L/s時，Kz=2.3；當平均污水流量大于5L/s時，

1.3 最小設計坡度和最大設計充滿度

最小管徑可按街坊管道計，采用200mm，相應最小設計坡度為0.004（混凝土管）和0.003（塑料管）；當采用250mm和300mm直徑的管道時，相應最小設計坡度為0.0035和0.003（混凝土管），或0.0025和0.002（塑料管）。

根據(jù)《室外排水設計規(guī)范》，重力流污水管道應按不滿流計算，200～300mm直徑管道的最大設計充滿度為0.55。

1.4 最小設計坡度和最大設計充滿度下的參考流量

農(nóng)村污水管渠系統(tǒng)收集的污水流量較少，小管徑塑料管和混凝土管就能滿足要求[16]。為此可根據(jù)最小設計坡度和最大設計充滿度，形成不同管徑下的參考流量。流量計算涉及如下公式[17]：

式中Q——設計流量，m3/s；

D——管道直徑，m；

h/D——充滿度；

θ——對應充滿度下的圓心角（見圖1）；

I——設計水力坡度，均勻流條件下等于管道設計坡度；

n——管壁粗糙度系數(shù)，通常混凝土管取n=0.014，塑料管取n=0.010；

v——設計流速，m/s。

不同管材、不同管徑在最大設計充滿度和最小設計坡度條件下，計算的流速和流量見表1。由表1可見，計算出的流速均大于規(guī)范規(guī)定的0.6 m/s。

圖1 管道過水斷面示意圖

表1 最大設計充滿度和最小設計坡度下的參考設計流速和流量

1.5 計算方法

（1）根據(jù)當?shù)剞r(nóng)村條件，選擇污水定額n，管段服務人口數(shù)N，計算相應的平均設計污水量和設計污水量Q。

（2）根據(jù)設計污水量Q，與表1中相應流量比較；若設計流量小于參考流量13.79 L/s（或11.28L/s），采用200mm管徑塑料管（或混凝土管）；若設計流量處于13.79～22.64 L/s（或11.28～19.13 L/s）之間，采用250mm管徑；若設計流量處于22.64～32.93 L/s（或19.13～28.81 L/s）之間，采用300mm管徑。

2 管網(wǎng)布置方案

農(nóng)村居民點房屋一般集中于道路兩側(cè)，具有一至五排房屋不等。雨水一般沿屋前路面直接就近排入河道，新修排水管網(wǎng)通常只用于收集生活污水。與城市相比，村落房屋分布相對分散，密度較低，需要污水管網(wǎng)收集沿路各戶污水，集中至就近處理設施或納入城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)收集后統(tǒng)一處理。選取常見的農(nóng)村房屋分布與建設規(guī)劃，設計相應的污水收集管網(wǎng)，為農(nóng)村污水收集系統(tǒng)設計提供參考。

通過衛(wèi)星圖比照，結合農(nóng)村房屋建設與路網(wǎng)分布情況，提出三種典型的管網(wǎng)布置方案。農(nóng)村最為常見的是沿路分布的單排房屋，此種房屋布局規(guī)模靈活，受地形限制較小，如圖2中（a）、（b）所示，可以將道路兩側(cè)居民污水接入路面下方污水管渠，形成“一”字型管網(wǎng)布局，此種布局不存在匯接管線，計算最為簡單。對于地形較為平緩的地區(qū)，農(nóng)村路網(wǎng)往往縱橫交錯，居民房屋也隨之呈現(xiàn)相應分布，如圖2（c）所示，房屋沿支路建設，最終到達主路，相應產(chǎn)生了L型管網(wǎng)布局。隨著新農(nóng)村建設的推進，村落有更為集中化、連片化發(fā)展的趨勢，房屋集中修建，外部由農(nóng)田包圍，如圖2中（d）所示，在村落聚居點周圍較為適用“口”字型管網(wǎng)布局。

圖2 典型農(nóng)村房屋分布及管網(wǎng)布局

3 污水管網(wǎng)建模

我國某東部沿海地區(qū)某農(nóng)村，地勢平坦，居民人口3 000人，擬鋪設污水管道將各戶污水收集后集中處理，農(nóng)村居民人均用水量為80 L/（人·d），設計中取污水產(chǎn)量占用水的80%，于是居民人均污水量為64 L/（人·d）。試計算污水管道直徑。由于具有相似的生活規(guī)律，農(nóng)村生活污水日變化系數(shù)較大，排放量早、晚比白天大，夜間排水量小，甚至可能斷流，水量變化明顯。農(nóng)村污水收集系統(tǒng)具有服務面積大、服務戶數(shù)少、單個節(jié)點入流量小等特點，規(guī)劃設計較之城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)有一定的差異。針對該地區(qū)常見的三種典型村落房屋分布，設計污水收集系統(tǒng)，計算污水管徑，并通過SWMM構建污水主干管模型，對管網(wǎng)水力狀況進行模擬。

3.1 污水管徑計算

根據(jù)公式（4），平均設計流量

設計流量

參考表1，采用塑料管（或混凝土管），5.11 L/s低于13.79 L/s（或11.28 L/s），因此可選管徑200mm，最小設計坡度為0.003（或0.004）。

3.2 “一”字型管網(wǎng)布置

“一”字形管網(wǎng)布置中，污水由節(jié)點N1流向節(jié)點N6，出口為排放口out，平面示意圖見圖3所示。選取管徑為200mm，坡度為0.004，起點埋深為1m，塑料管的曼寧系數(shù)為0.01，管道總長度為900m，平均每戶人口約5人，600戶居民分布在干管沿線，每個節(jié)點服務居民戶數(shù)基本相同，排放口采用自由出流方式。

圖3 “一”字型管網(wǎng)圖

對主干管運行進行模擬，日最大流速符合設計標準中最小流速的要求，選取日污水排放量最高時18：00時刻剖面線圖如下所示。

圖4 “一”字型管段日排水最高時剖面線圖

3.3 “L”字型管網(wǎng)布置

“L”字型管網(wǎng)布局中，污水分別由N1和Z1流向N5，出口為排放口out。選取管徑為200mm，坡度為0.004，起點N1和Z1埋深均為1m，塑料管的曼寧系數(shù)為0.01，管道總長度為1000m，平均每戶人口約5人，600戶居民分布在污水主干管沿線，N編號節(jié)點服務人數(shù)稍多于Z編號節(jié)點，排放口采用自由出流方式。

對其運行狀態(tài)進行模擬，每日最大流速符合不沖流速要求，選取18：00時刻，管網(wǎng)流速分布圖如圖5所示。

圖5 “L”字型管段日排水最高時管線流量分布圖

3.4 “口”字型管網(wǎng)布置

“口”字型管網(wǎng)布局中，可以根據(jù)實際情況確定節(jié)點分布以及管線長度，如圖6所示，但是無法直接得到管段中的污水流向，因此需要先行確定流向，才能進一步根據(jù)坡度計算節(jié)點埋深。污水管網(wǎng)中各元素名稱及管段長度如下所示：

圖6 “口”字型管網(wǎng)位置分布圖

由上述計算可知，農(nóng)村污水量較小，管線均采用200mm管徑塑料管，因而路徑權重無需考慮管徑因素，建設成本主要與管線長度有關。從圖論角度考慮，可以將管網(wǎng)看作帶權有向圖，圖的頂點為各個節(jié)點，邊為各個管段，邊的權值即為管段長度，管網(wǎng)流向設計問題即為求解各點到排放口最小路徑的問題?？梢圆捎肈ijkstra算法求出排放口到每個頂點的最短路徑。具體步驟如下：

①寫出待求管網(wǎng)的鄰接矩陣；

②構造兩個集合S、U。其中，S是已計算出最短路徑的頂點集合，U是未計算出最短路徑的頂點的集合；

③將頂點N-out加入集合S，由于N-out為起點，故在S中記錄其距離為0，更新U中與N-out之間相連點的距離；

④取集合U中距離最小的點N放入集合S，記錄該點到N-out最短路徑，查看與新放入點N直接相連的點，計算經(jīng)由N到N-out的距離，若小于此前記錄距離，則更新距離值；

⑤循環(huán)步驟④，直至集合U為空。

最終得到各頂點到N-out最短路徑和距離如下表：

表2 各節(jié)點到排放口最短路徑表

根據(jù)最短路徑設計管網(wǎng)進行模擬，選取18：00時刻，管網(wǎng)流量分布圖如圖7所示：

圖7 “口”字型管段日排水最高時管線流量分布圖

4 結語

（1）由于農(nóng)村人口較少，人均污水產(chǎn)生量較小，小管徑塑料管或鋼筋混凝土管就能滿足要求。通過對污水收集模式、生活污水定額和污水總變化系數(shù)、最小設計坡度和最大設計充滿度下的參考流量計算，形成了農(nóng)村污水收集系統(tǒng)設計計算方法，并用案例進行了說明。

（2）通常小管徑管道需要較大的設計坡度要求?？紤]到不同的地形特征，當?shù)匦屋^陡時，可選用較小管徑；在地形平坦時，可選用較大管徑，以減少管道下游埋深。此外，由于塑料管壁光滑，水流阻力小，也具有減小管道下游埋深的潛力。

（3）通過研究三種常見的管道布置方式，可以得出“一”字型管網(wǎng)設計最為簡便，“口”字型管網(wǎng)設計過程較為復雜，但在服務人口相同時其管段負荷最低。此外，小口徑管道容易堵塞，特別是在管道上游，接入污水量較小，更容易產(chǎn)生淤積，在日常運行中應加強清淤養(yǎng)護。