基于監(jiān)測(cè)評(píng)估的漢口片區(qū)排水系統(tǒng)入滲分析方法與實(shí)踐

符 韻，李 敏，鐘 興

(武漢市水務(wù)科學(xué)研究院，湖北武漢 430014)

2019年4月29日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部、發(fā)展改革委下發(fā)《關(guān)于印發(fā)城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案(2019—2021年)的通知》，要求加快補(bǔ)齊城鎮(zhèn)污水收集和處理設(shè)施短板，盡快實(shí)現(xiàn)污水管網(wǎng)全覆蓋、全收集、全處理。管網(wǎng)提質(zhì)增效的重點(diǎn)難點(diǎn)也是首要問(wèn)題即“清污分流”，不僅要將雨天的雨水和污水分流，更要將旱天地下水、河水等外來(lái)水在污水管網(wǎng)中與污水分流。針對(duì)此類情況，中國(guó)工程建設(shè)協(xié)會(huì)發(fā)布了《城鎮(zhèn)分流制排水系統(tǒng)雨污混接調(diào)查及治理技術(shù)規(guī)程》的征求意見(jiàn)稿，對(duì)分流制混接調(diào)查方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但是缺少對(duì)合流制排水體制及分流制污水體系的提質(zhì)增效入滲入流的調(diào)查研究方法。周宏斌等[1]采用晴天污水量法計(jì)算得到昆明主城區(qū)溝渠收集片區(qū)的地下水入滲率約為35%。林家森[2]用嚴(yán)密封堵兩端管口及支管管口，水泵連續(xù)抽排上游來(lái)水，測(cè)定該管段內(nèi)水量增長(zhǎng)，對(duì)廣州市有代表性的污水管道地下水滲入量進(jìn)行研究，得到地下水滲入率約為10%～25%。時(shí)珍寶等[3]通過(guò)夜間最小流量法對(duì)上海3個(gè)排水區(qū)域進(jìn)行研究，結(jié)果顯示地下水入滲率為10%～29%。本文將對(duì)比分析目前常用的基于監(jiān)測(cè)評(píng)估的城市排水管網(wǎng)滲入量計(jì)算方法，結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)漢口片區(qū)外來(lái)水入滲率進(jìn)行分析，以期為漢口片區(qū)提質(zhì)增效措施確定提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究背景

根據(jù)市委市政府關(guān)于重點(diǎn)推進(jìn)三河三湖流域規(guī)劃編制工作的部署要求，包括“長(zhǎng)江大保護(hù)”戰(zhàn)略對(duì)水環(huán)境的要求，武漢市“四水共治”的需求等，響應(yīng)市委市政府關(guān)于重點(diǎn)推進(jìn)黃孝河、機(jī)場(chǎng)河流域規(guī)劃編制工作的部署要求，對(duì)漢口片區(qū)排水系統(tǒng)外來(lái)水入滲率進(jìn)行分析。

漢口片區(qū)理論污水量和實(shí)際污水量存在很大差異，實(shí)際污水量遠(yuǎn)大于理論污水量，大量污水來(lái)源不明。相關(guān)研究中提出，2016年武漢漢口地區(qū)理論污水總量為109.1×104m3/d，9月(豐水期)和12月(枯水期)實(shí)測(cè)污水總量比理論污水總量分別多19.84×104m3/d和4.99×104m3/d。豐水期和枯水期的污水總量差值為14.85×104m3/d，該部分差值主要由地下水入滲和施工排水造成[4]。

大量入流入滲造成污水處理廠長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，并且存在一定的廠前溢流，溢流水對(duì)機(jī)場(chǎng)河、黃孝河與府河水質(zhì)有較大的影響，與“長(zhǎng)江大保護(hù)”的水環(huán)境治理方向相違背。還導(dǎo)致污水管網(wǎng)的污染物濃度大幅下降，與目前污水廠提質(zhì)增效的大目標(biāo)相違背，增加污水廠的負(fù)荷，降低了可生化降解性，對(duì)污水廠運(yùn)行的沖擊較大。

2 漢口排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 區(qū)域概況

本研究針對(duì)武漢市漢口地區(qū)除諶家磯片外，總面積約133.8 km2。漢口地區(qū)屬于長(zhǎng)江一級(jí)階地，地下水位高，地下水極易滲入排水管網(wǎng)，對(duì)污水收集處理體系影響明顯(圖1)。

圖1 漢口地區(qū)地下水位變化

2.2 排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

漢口地區(qū)已建污水處理廠3座，分別為三金潭污水處理廠、漢西污水處理廠和黃浦路污水處理廠，污水處理廠規(guī)模如表1所示。

表1 漢口污水處理廠規(guī)模

污水處理廠和泵站的分布如圖2所示。

圖2 漢口地區(qū)污水系統(tǒng)

漢西污水處理廠下轄的研究范圍內(nèi)污水泵站有常青路泵站、古田二路泵站、常青北路泵站。三金潭污水處理廠下轄的研究范圍內(nèi)污水泵站有張公堤泵站、鐵路橋泵站、建設(shè)渠泵站、石橋泵站、塔子湖泵站、北4泵站。黃浦路污水處理廠下轄民生路泵站和天津路泵站2座合流泵站。

2.3 管線排查情況

漢口片區(qū)在2019年進(jìn)行了隱患排查，檢測(cè)管網(wǎng)共78 377段，1 020.64 km，其中檢測(cè)正常管道13 680段，長(zhǎng)度為306.35 km，長(zhǎng)度占檢測(cè)管段的30%；檢測(cè)存在缺陷的管道(包括結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷)43 073段，長(zhǎng)度為714.29 km，長(zhǎng)度占檢測(cè)管網(wǎng)長(zhǎng)度的70%。漢口片區(qū)內(nèi)管道存在缺陷情況比較普遍。

漢口地區(qū)存在大量敷設(shè)在地下水水位以下的排水管道，由于各類結(jié)構(gòu)性缺陷，導(dǎo)致大量地下水等外來(lái)水滲入管道。其中Ⅲ、Ⅳ級(jí)缺陷影響最大，各分區(qū)的缺陷管段占比如表2所示。

表2 各分區(qū)Ⅲ、Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)性缺陷管道占比

3 存在的問(wèn)題

3.1 污水處理廠污水收集量遠(yuǎn)高于污水產(chǎn)生量

2020年1月底，大量人口離漢返鄉(xiāng)過(guò)年導(dǎo)致人口減少，2月—4月新冠肺炎疫情,返漢交通管制導(dǎo)致武漢人口數(shù)量低于正常水平，城市供水量由1月上旬的90萬(wàn)t/d降到80萬(wàn)t/d以下。而疫情期間漢口地區(qū)污水處理總量維持在75萬(wàn)～135萬(wàn)t，日均值約113萬(wàn)t(圖3)。污水廠實(shí)際處理水量依舊遠(yuǎn)高于供水量換算出的排水量。疫情期間所有工地停工，施工降水幾乎為0，說(shuō)明片區(qū)大量的地下水進(jìn)入污水系統(tǒng)。

圖3 漢口地區(qū)新冠肺炎疫情期間供水量、污水量變化

3.2 污水處理廠長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行

污水處理廠長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，部分污水需經(jīng)臨時(shí)設(shè)施處理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)旱季污水全收集全處理的目標(biāo)。污水泵站抽排量高于污水處理廠進(jìn)水處理量，仍存在溢流現(xiàn)象。2019年至今，漢西廠日均負(fù)荷率106%，三金潭廠日均負(fù)荷率101%，均長(zhǎng)期處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)(圖4)。

圖4 污水處理廠處理水量

3.3 污水處理廠進(jìn)水濃度偏低

2019年至今，黃浦路污水廠、漢西污水廠和三金潭污水廠的現(xiàn)狀進(jìn)水水質(zhì)情況如圖5所示。年均BOD5含量為46～71 mg/L，不能滿足進(jìn)水BOD5為100 mg/L的提質(zhì)增效目標(biāo)。這主要是由于污水被地下水及施工降水等外來(lái)水稀釋，導(dǎo)致污水處理廠進(jìn)水濃度低，直接影響污水處理廠運(yùn)行效率，需要加強(qiáng)外來(lái)水量的核查工作。其中2020年2月—4月新冠肺炎疫情時(shí)消毒導(dǎo)致BOD進(jìn)一步降低。

圖5 污水處理廠進(jìn)水BOD5濃度

4 外來(lái)水入滲分析

地下水或河水內(nèi)滲到排水管網(wǎng)會(huì)稀釋污水濃度、增加管網(wǎng)和污水廠負(fù)荷、影響管網(wǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、降低系統(tǒng)運(yùn)行效率、提高管網(wǎng)溢流風(fēng)險(xiǎn)。

由于排水管網(wǎng)連接關(guān)系復(fù)雜、隱蔽性強(qiáng)、排水事件隨機(jī)被動(dòng)，甚至?xí)l(fā)生內(nèi)滲外滲交替發(fā)生的情況，因此，對(duì)區(qū)域性排水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行滲漏監(jiān)測(cè)的技術(shù)難度較高。

4.1 外來(lái)水入滲計(jì)算方法

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，城市排水管網(wǎng)滲入量計(jì)算方法包括晴天污水量法、夜間最小流量經(jīng)驗(yàn)公式法、用水量折算法、水質(zhì)物料守恒法等方法，各方法優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。

表3 外來(lái)水入滲計(jì)算方法

其中，基于實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算方法為夜間最小流量法以及水質(zhì)物料守恒法，由于漢口片區(qū)排水系統(tǒng)整體呈現(xiàn)被動(dòng)式頂托運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行液位較高，采用夜間最小流量法計(jì)算時(shí)必須滿足充滿度小于0.3的規(guī)定，因此，本研究根據(jù)實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用流量-水質(zhì)物料守恒法估算基本入滲量。

該方法基于源頭污水與外來(lái)水污染負(fù)荷量與下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染負(fù)荷守恒的原理[2]，污染負(fù)荷量關(guān)系可由式(1)計(jì)算得出，上下游流量關(guān)系由式(2)計(jì)算得出，聯(lián)立可得入滲外水量,如式(3)。

Q產(chǎn)污量×C污+Q外水量×C外水濃度=Q×C

(1)

Q=Q產(chǎn)污量+Q外水量

(2)

(3)

其中：Q產(chǎn)污量——區(qū)域內(nèi)日均產(chǎn)生污水量，m3/d；

C污——片區(qū)典型污水污染物濃度，kg/m3；

Q外水量——旱天日均入滲的外水量，m3/d；

C外水濃度——片區(qū)典型外水污染物濃度，kg/m3；

Q——監(jiān)測(cè)點(diǎn)日均流量，m3/d；

C——監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物濃度，kg/m3。

4.2 技術(shù)路線

收集漢口黃孝河機(jī)場(chǎng)河流域范圍內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)資料，分析各個(gè)系統(tǒng)排水管網(wǎng)拓?fù)溥B接關(guān)系，劃定監(jiān)測(cè)單元，制定排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)方案，初步確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，基于采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)方案不斷優(yōu)化，最終滿足監(jiān)測(cè)服務(wù)需求，技術(shù)路線如圖6所示。

圖6 技術(shù)路線

對(duì)收集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估，處理缺失值和異常值，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性，進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及對(duì)比，對(duì)分片區(qū)排水管網(wǎng)入流入滲情況進(jìn)行分析診斷，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估入滲率。

4.3 監(jiān)測(cè)方法

在線超聲波流量計(jì)采用多普勒超聲波原理測(cè)試，多普勒超聲波流量計(jì)通過(guò)測(cè)量介質(zhì)中的顆粒、氣泡等反射物實(shí)現(xiàn)測(cè)量，多用于管道排放廢水，監(jiān)測(cè)精度和靈敏度較高，支持排水管網(wǎng)或明渠等場(chǎng)合的滿管、非滿管流量在線長(zhǎng)期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)與積水及溢流預(yù)警報(bào)警。具有逐分鐘持續(xù)監(jiān)測(cè)、軟硬件一體、智能互聯(lián)、報(bào)警信息全方位推送等特性。

超聲波流量計(jì)測(cè)量工作是使用速度面積法，流量等于流速乘以過(guò)水?dāng)嗝妗Ｋ俣葴y(cè)量使用多普勒超聲波測(cè)量原理，液位測(cè)量使用壓力或超聲波測(cè)量原理，液位可全量程測(cè)量，在過(guò)載情況下依然提供正確液位值(圖7)。

圖7 在線超聲波流量計(jì)工作原理[7]

4.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)漢口片區(qū)排水系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系，結(jié)合分析外來(lái)水入滲率的監(jiān)測(cè)目標(biāo)，以泵站服務(wù)區(qū)域劃分進(jìn)行了水量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)。由于天津路片、民生路片和黃浦路片均屬于漢口沿江系統(tǒng)，面積較小，目前僅在黃浦路片布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。整個(gè)漢口片區(qū)共布設(shè)了44個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位與點(diǎn)位拓?fù)潢P(guān)系如圖8所示，各分區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)如表4所示。

表4 各分區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

流量監(jiān)測(cè)采取安裝在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的方式進(jìn)行，對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行為期一個(gè)月的流量監(jiān)測(cè)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)采取在線懸浮物儀結(jié)合人工采樣化驗(yàn)的方式進(jìn)行。對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行3個(gè)旱天的水質(zhì)采樣化驗(yàn)，采樣分早、中、晚這3個(gè)時(shí)段進(jìn)行，化驗(yàn)指標(biāo)為COD。

4.5 監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果，有10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)日均CODCr不足80 mg/L，占監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù)的22.7%；30個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)日均CODCr在80～200 mg/L，占監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù)的68.2%；僅有4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)日均CODCr大于200 mg/L，占監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù)的9.1%，監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度分布如圖9所示，水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)結(jié)果如表5所示。

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)CODCr濃度分布

表5 水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.6 外來(lái)水入滲核算

基于實(shí)測(cè)流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)，漢口地區(qū)純污水排放濃度約為200 mg/L，外來(lái)水濃度以漢口地區(qū)地下水濃度1.7 mg/L為基準(zhǔn)，通過(guò)聯(lián)立方程計(jì)算出各監(jiān)測(cè)片區(qū)外來(lái)水比例如圖10和表6所示。

表6 外來(lái)水比例匯總

圖10 漢口外來(lái)水入滲率分布

根據(jù)各片區(qū)的面積對(duì)漢口片整體入滲率采用加權(quán)平均法核算，漢口黃孝河機(jī)場(chǎng)河排水系統(tǒng)整體外來(lái)水入滲率約為42.1%。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)片區(qū)水質(zhì)、水量的監(jiān)測(cè)，采用流量-水質(zhì)物料守恒法估算各監(jiān)測(cè)片區(qū)入滲率，漢口黃孝河機(jī)場(chǎng)河排水系統(tǒng)整體外來(lái)水入滲率約為42.1%。

(2)民生路片及天津路片目前沒(méi)有布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，均采用的黃浦路監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，后續(xù)將補(bǔ)充監(jiān)測(cè)點(diǎn)，完善民生路及天津路片的外來(lái)水入滲率分析結(jié)果。

(3)建議結(jié)合這次疫情排查，關(guān)注匯水區(qū)域內(nèi)的實(shí)際人口量產(chǎn)生的污水量，以便及時(shí)與污水處理廠水量濃度予以比對(duì)，輔助于判斷外水水量。

(4)外來(lái)水占比與結(jié)構(gòu)性缺陷占比存在正相關(guān)，外來(lái)水占比高的區(qū)域需盡快開(kāi)展清污分流工作，減少污水體系內(nèi)外來(lái)水占比，從而解決污水系統(tǒng)容積被擠占，進(jìn)水濃度低等問(wèn)題。