限流器在城市雨污分流排水系統(tǒng)中的應(yīng)用

文｜無(wú)錫排水管理處 華錚 朱羿

1.城市雨污分流排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀

隨著近幾年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部部大力推進(jìn)污水處理工程建設(shè)，城市污水處理廠、管網(wǎng)系統(tǒng)都進(jìn)行著不斷擴(kuò)容，在取得污水處理總量提高的成績(jī)之下，也出現(xiàn)了廠網(wǎng)負(fù)荷率晴雨天差異越來(lái)越大的問(wèn)題。尤其在降雨豐沛、地下水資源豐富的地區(qū)，盡管建設(shè)從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收都以雨污分流排水體制為主，但運(yùn)行后的污水管網(wǎng)遇到了同樣現(xiàn)象：管網(wǎng)運(yùn)行總體水位逐年升高，進(jìn)廠污水水質(zhì)逐年降低，晴雨天管網(wǎng)水量差距較逐年增大。業(yè)內(nèi)普遍共識(shí)為三大原因：（1）收集源頭上，建筑物小區(qū)雨污錯(cuò)接問(wèn)題普遍，雨水入流不可忽視；（2）市政排水管網(wǎng)工程質(zhì)量問(wèn)題造成的管網(wǎng)隱患；（3）在一般的質(zhì)量管控要求下，小區(qū)管網(wǎng)和市政管網(wǎng)都存在因地下水水位高造成入滲總量遠(yuǎn)高于規(guī)范設(shè)計(jì)規(guī)范的現(xiàn)狀。

根據(jù)蘇州市姑蘇區(qū)的相關(guān)研究，其污水管網(wǎng)中入流入滲的外來(lái)水總量占全年管網(wǎng)收集總水量的27%～33%。對(duì)于蘇州中心區(qū)（100km2），降雨量每增加10mm，污水管網(wǎng)中將同步增加5.7 萬(wàn)m3的入流入滲水量。另外，姑蘇區(qū)有排水?dāng)?shù)據(jù)研究，住宅小區(qū)污水管總排口在雨天排放量達(dá)到晴天的5～20 倍。2018年無(wú)錫市的相關(guān)課題研究，無(wú)錫太湖新城污水處理廠進(jìn)水中實(shí)際原生污水量?jī)H為60%左右，外水入侵總比例高達(dá)40%，進(jìn)廠COD 平均濃度不足200mg/L。為此，無(wú)錫市組織了幾個(gè)單項(xiàng)課題研究，其中對(duì)源頭小區(qū)排水現(xiàn)狀調(diào)查進(jìn)行了水質(zhì)水量分析，結(jié)論表明僅小區(qū)管網(wǎng)內(nèi)存在的滲漏現(xiàn)象和雨水匯入污水管網(wǎng)的問(wèn)題已顯著降低了污水中污染物的濃度。外水入滲量在幾個(gè)案例中懸殊很大，不同條件下數(shù)值范圍在10～120 立方米/千米管道/日。由于網(wǎng)狀收集管的總長(zhǎng)是市政污水管網(wǎng)的3～5 倍，質(zhì)量情況不如總管建設(shè)要求高，因此對(duì)總管水位造成居高不下的因素里，網(wǎng)狀收集管占比為最高。

2.限流器設(shè)計(jì)思路

在無(wú)錫以往的污水管網(wǎng)建設(shè)中，為了便于用戶接管、盡快推進(jìn)截污工作，支管布置比較密集，粗略估算主城區(qū)范圍內(nèi)1345公里主管網(wǎng)上大約建設(shè)了5000根支管，現(xiàn)有污水匯入的支管約3000 左右。支管管徑一般為300mm～400mm、對(duì)于項(xiàng)目排水接入來(lái)說(shuō)普遍偏大，因此大部分污水支管的充滿度在連續(xù)晴天時(shí)偏低。到了江南的雨季，隨著環(huán)境水體水位的持續(xù)上升，外水自排水戶內(nèi)部雨污混接和大量外水入滲污水支管，匯入附近的市政污水管道，最終導(dǎo)致整個(gè)污水管網(wǎng)系統(tǒng)流量暴增。

專項(xiàng)研究費(fèi)時(shí)費(fèi)力，個(gè)案之間數(shù)值差異很大，管網(wǎng)本身的缺陷雖可通過(guò)視頻檢測(cè)可得出質(zhì)量結(jié)論，但不能直接反映小區(qū)管網(wǎng)滲漏量對(duì)市政管網(wǎng)的沖擊有多大。是否可以尋找一種快速有效的檢測(cè)手段，來(lái)甄別小區(qū)項(xiàng)目的整體雨污分流質(zhì)量和外水入滲的整體數(shù)值量化方法。通過(guò)對(duì)小區(qū)接入市政總管前的支管檢查井的控制，達(dá)到既不影響小區(qū)污水排放，同時(shí)采集到反映總體質(zhì)量情況的數(shù)據(jù)。

因此我們考慮能否對(duì)排水戶污水管進(jìn)行適當(dāng)“限流”，在排水戶污水管與市政污水支管的接駁點(diǎn)處安裝一個(gè)限流裝置，在不影響晴天污水正常排放的情況下合理設(shè)置該流量限值，限制排水戶污水管在雨天的峰值流量。局部收口徑抬高了上游水位，充分利用排水戶內(nèi)部管道容積，實(shí)現(xiàn)雨季延緩上游水流進(jìn)入下游污水主管的時(shí)間，以保障污水主管的峰值運(yùn)行水位。同時(shí)還能觀察排水戶內(nèi)部污水管網(wǎng)在雨天時(shí)水位的抬高程度，有助于快速發(fā)現(xiàn)排水戶內(nèi)部管網(wǎng)的質(zhì)量問(wèn)題嚴(yán)重程度，尤其可以在同一條道路污水管道上，同時(shí)間同條件的橫向比較各個(gè)支管上，接管用戶的管道問(wèn)題，為管理部門提供簡(jiǎn)單有效的技術(shù)手段。

3.智慧限流器設(shè)計(jì)

限流器縱向長(zhǎng)度500mm，過(guò)流孔形狀為盾形，如圖2所示。過(guò)流孔左右兩側(cè)設(shè)計(jì)為斜面，上下兩面為弧面，弧面上大下小。該結(jié)構(gòu)在限流的同時(shí)，盡量做到減小局部水頭損失，保障流水通暢。

圖1 限流器實(shí)物圖

限流器前后兩端各配置一個(gè)液位傳感器，傳感器1 測(cè)得液位h1，傳感器2 測(cè)得液位h2，同時(shí)還要考慮兩個(gè)探頭的落差補(bǔ)償?h。?h 由兩個(gè)傳感器探頭安裝位置的垂向落差和其液位精度誤差差值兩部分組成，可進(jìn)行上下游封堵并保持限流器段滿管且液面靜止時(shí)測(cè)出。限流器進(jìn)出水?dāng)嗝嬉何坏膶?shí)際落差H 由以下計(jì)算確定：

H=h1-h2+?h

根據(jù)圓管均勻流曼寧公式：

其中：

V——流速（m/s）；

n——粗糙系數(shù)；

R——水力半徑（m）；

i——水力坡度；

A——過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m3）；

X——濕周（m）；

Q——流量（m3/s）。

污水管道的上下游斷面液位落差與管內(nèi)流量正相關(guān)，通過(guò)限流器液位數(shù)據(jù)，還可推導(dǎo)出其實(shí)時(shí)水力坡度和流量，同步安裝流量計(jì)可進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證和數(shù)據(jù)復(fù)核。

4.智慧限流器應(yīng)用實(shí)例

4.1 實(shí)施計(jì)劃

研究?jī)?nèi)容：限流器在城市雨污分流排水系統(tǒng)中的應(yīng)用。

研究對(duì)象：無(wú)錫主城區(qū)污水管網(wǎng)提質(zhì)增效示范區(qū)。

實(shí)驗(yàn)方案：選取典型排水戶，根據(jù)實(shí)際條件布設(shè)污水管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)，安裝超聲波多普勒流量計(jì)、限流器數(shù)據(jù)和雨量計(jì)，同步采集數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、篩選和分析，總結(jié)出有價(jià)值的結(jié)論。

實(shí)施過(guò)程：

（1）2020年2月-2020年4月，對(duì)提質(zhì)增效示范區(qū)進(jìn)行管網(wǎng)梳理和排水戶調(diào)查，初步確定布點(diǎn)方案。

（2）5月，提質(zhì)增效示范區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，最終確定布點(diǎn)方案。

（3）6-7月，進(jìn)行智能設(shè)備安裝、數(shù)據(jù)調(diào)試。

（4）7-10月，數(shù)據(jù)采集與分析。

（5）10-11月，數(shù)據(jù)分析整理和研究報(bào)告撰寫(xiě)。

經(jīng)過(guò)篩選和現(xiàn)場(chǎng)踏勘，選擇了四個(gè)典型排水戶作為監(jiān)控對(duì)象：袁家灣 (XL1)、南洋學(xué)校 (XL2)、太湖虹橋花園 (XL3)、寶界公園 (XL4)。具體分布詳見(jiàn)圖4：

4.2 數(shù)據(jù)采集

(1)袁家灣

根據(jù)安裝在袁家灣污水總出口處的超聲波多普勒流量計(jì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，整理出該排水戶三次降雨過(guò)程中的污水排放量如表1：

圖3 限流器安裝示意圖

圖4 監(jiān)控點(diǎn)位置圖

表1 袁家灣污水流量

2020年10月2日-10月5日間，限流器液位變化過(guò)程如圖5：

圖5 袁家灣限流器液位差與小時(shí)降雨量

(2)南洋學(xué)校

根據(jù)安裝在南洋學(xué)校污水總出口處的超聲波多普勒流量計(jì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，整理出該排水戶三次降雨過(guò)程中的污水排放量如表2：

表2 南洋學(xué)校污水流量

2020年10月2日-10月5日間，限流器液位變化過(guò)程如圖6：

圖6 南洋學(xué)校限流器液位差與小時(shí)降雨量

(3)太湖虹橋國(guó)際花園

2020年10月2日-10月5日間，限流器液位變化過(guò)程如圖7：

圖7 太湖虹橋國(guó)際花園限流器液位差與小時(shí)降雨量

(4)寶界公園

圖8 寶界公園限流器液位差與小時(shí)降雨量

4.3 數(shù)據(jù)分析

（1）南洋學(xué)校、袁家灣總出口限流器上下游液位差、管段流速變化與降雨量變化存在極大的相關(guān)性，出現(xiàn)了雨天流量的暴增，流量計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示外水入侵比例最高已達(dá)到1118%和790%。說(shuō)明這兩個(gè)排水戶內(nèi)部管網(wǎng)存在嚴(yán)重的雨污混接點(diǎn)、地下水入滲管段。

（2）袁家灣晴天限流器上下游落差極小，是由于管網(wǎng)建設(shè)不規(guī)范，管內(nèi)流速緩慢，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行管網(wǎng)檢測(cè)，排查管網(wǎng)缺陷。

（3）太湖虹橋花園、寶界公園總出口限流器上下游落差、管段流速變化與降雨量基本無(wú)相關(guān)性，可判斷這兩個(gè)排水戶晴雨天流量變化很小，內(nèi)部管網(wǎng)雨污混接程度很小。

（4）在限流器上游存在外水入侵污水管網(wǎng)的情況時(shí)，雨天限流器上下游液位差會(huì)增加，外水入侵情況越嚴(yán)重雨天上游液位抬高越劇烈。如果降雨持續(xù)，則首先會(huì)在排水戶內(nèi)部低洼區(qū)域出現(xiàn)局部污水外溢，但保障了主管峰值流量相對(duì)削減。

4.4 流量對(duì)比

根據(jù)曼寧公式進(jìn)行了流量推算，限流器流量與流量計(jì)流量對(duì)比結(jié)果如圖9（滿管流）：

限流器計(jì)算流量與流量計(jì)流量偏差數(shù)據(jù)比較如表3：

圖9 限流器流量與流量計(jì)流量比較

分析兩個(gè)流量的偏差原因：

（1）液位計(jì)、流量計(jì)設(shè)備本身存在精度誤差。

（2）安裝限流器時(shí)會(huì)有一個(gè)微小的安裝角度，已采取了人工讀數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，并在計(jì)算時(shí)對(duì)液位落差進(jìn)行了矯正，仍會(huì)存在一定誤差。

（3）曼寧公式的適用條件為圓管恒定均勻流，并對(duì)局部水頭損失進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)近似處理。老舊管道因粗糙度和雷諾數(shù)變化會(huì)引起較大誤差。管井、管道之間的接口處流場(chǎng)復(fù)雜，管道缺陷導(dǎo)致斷面流速不均勻，開(kāi)關(guān)泵站或上游來(lái)水不穩(wěn)定，這些情況都不符合曼寧公式的適用條件。

（4）限流器總長(zhǎng)僅50 厘米，上下游落差一般在毫米計(jì)量等級(jí)。對(duì)于非滿管流或流速過(guò)小的管段，誤差將在測(cè)量結(jié)果中占比較大，影響結(jié)果。

5.限流器使用效果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)智能限流器具備如下作用：

（1）限流器限制排水戶的最大瞬時(shí)流量，能夠平緩主干管網(wǎng)液位波動(dòng)，削減了主管峰值流量，降低主干管網(wǎng)漫溢風(fēng)險(xiǎn)。

（2）在排水戶總出口安裝限流器，對(duì)限流器進(jìn)出口液位落差進(jìn)行比較，并結(jié)合降雨情況分析，可溯源定位出外水入侵問(wèn)題較大的排水戶，便于合理安排排查和整改計(jì)劃。

（3）依據(jù)曼寧公式推算，可以得出限流器的計(jì)算流量，盡管計(jì)算結(jié)果存在偏差，但可以得到污水流量的變化曲線形態(tài)和變化規(guī)律，對(duì)外水入侵、污水管網(wǎng)缺陷程度進(jìn)行初步判斷。

（4）對(duì)于非滿管流或流速過(guò)小的管段，由于測(cè)量誤差在測(cè)量結(jié)果中的占比太大，不推薦用限流器數(shù)據(jù)來(lái)判定污水流量。

6.總結(jié)與展望

（1）努力完善污水管網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置思路，根據(jù)數(shù)據(jù)變化預(yù)判結(jié)合設(shè)備特點(diǎn)，將限流器、流量計(jì)、液位計(jì)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備有機(jī)結(jié)合，靈活運(yùn)用，提高管網(wǎng)監(jiān)控效率，控制監(jiān)控成本，有利于實(shí)現(xiàn)整個(gè)排水系統(tǒng)的提質(zhì)增效。

（2）對(duì)水量水位異常變化的排水戶設(shè)置限流器，必要時(shí)輔以流量計(jì)進(jìn)行水量校驗(yàn)，有助于盡快完成對(duì)其內(nèi)部管網(wǎng)問(wèn)題的檢測(cè)和修復(fù)。

（3）繼續(xù)完善智能化限流器的設(shè)計(jì)，優(yōu)化限流器設(shè)計(jì)參數(shù)，在保障測(cè)量精度的同時(shí)使設(shè)備更便于安裝和拆卸。

表3 限流器流量與流量計(jì)流量偏差比較（數(shù)據(jù)）