基于水力模型的管網破損率與污水廠進水BOD5濃度之間的關系

陳 城，李 智，王 昊，唐 穎，宋利祥

(1.北京工業大學城市建設學部，北京 100124；2.北京城市學院城市建設學部，北京 100083；3.珠江水利科學研究院，廣東廣州 510611)

城市排水系統是處理和排放城市污水的工程設施系統，是現代化城市的“生命線”之一。城市排水系統通常由排水管道和污水處理廠組成。目前，我國的排水體制主要有4種：合流制、截留式合流制、分流制、混合制[1]。我國大部分城市的老城區目前還是采用雨污合流的排水體制，雨污不分、錯接亂排嚴重且存在檢查井滲漏、管網破損等諸多問題，進而導致雨水、地下水、河水等外水直接或間接進入管網，這些混入的外水稱為入滲流量。相關研究表明，有排水管道因病害導致部分地區地下水入滲量達到平均污水量的30%～40%，大量的地下水混入污水管網，使得進入污水處理廠的污水大量增加，進入污水處理廠的BOD5濃度偏低，致使污水處理效率降低。

國內外對排水系統中入滲水量的問題進行了大量定性或定量的研究。如為證明排水系統中雨水、地下水入滲量，薛梅等[2]對日本某些未確定的污水量進行定量分析表明，污水中雨水的入滲與降雨密切相關；Lee[3]提出通過識別水流資料來識別入滲水流的來源，以此制定合理的調查方法；邵林廣[4]指出多數南方城市因地下水位偏高，導致污水處理廠實際運行水質遠小于設計值，且其中有20%～25%的水來自地下水、湖泊水和河塘水；De等[5]指出可以通過氧同位素測量法得出排水系統入滲量的日變化規律；盛政等[6]利用監測技術獲取監測數據，分析水量變化規律，表明入滲導致管道中水量超過設計水量是導致污水管道溢流的主要原因；翁晟琳等[1]采用水量平衡法中的三角法，分析污水處理廠的日進水量頻率和城鎮污水管網中雨水混入比例，確定雨水混入比例一般為25%～30%。

為解決排水管道地下水滲入的問題，需要對排水管道進行檢測與修復。現階段，市政排水管道檢測的常見方法主要有管道外檢測技術和管道內窺檢測技術兩種。其中，管道內窺技術主要是閉路電視(簡稱“CCTV”)檢測與評價技術，即將CCTV系統安裝在自走車上，操作人員遠程控制自走車的行走，對管道內部狀況進行攝像記錄，操作人員根據攝像頭拍攝的圖像記錄檢測到的管道故障，分析管道損壞的類型、大小及位置，進行管道狀況的判讀，確定下一步的管道修復措施。但CCTV法的缺陷是對管道狀況的判讀依賴于技術人員的經驗和技能，不能準確地從檢測結果中推算出入滲外水水量以及管道狀況對污水廠處理效率的影響程度，且推測結果具有較大誤差。

楊漢元等[7]詳細闡述了CCTV檢測技術的工作原理與工作流程，并討論了對得到的檢測影像進行判讀的依據與方法；鄭瑞東[8]借鑒國外檢測評價標準與原理，制定了符合上海市排水管道現狀的管道評價標準，為上海市排水管道的修復工作提供經濟技術分析的可靠依據與相關的選擇方案；張珺[9]通過對CCTV檢測結果分析、評價歸納出了缺陷類型，建立了管道狀況評估模型，為管道的養護和經濟分析提供可靠依據；方門福等[10]總結了排水管道內窺檢測技術的方法與操作流程，并制定了管道健康狀況的評價原理與評價指標、管道缺陷類型的等級和評價標準，提出了管網維護的等級指標及建議。顏文濤等[11]在對當前污水管道的潛在損害和環境影響進行分析的基礎上，創建用于城市污水管道預報的健康評估模型，并為確定管道檢查的順序提供依據。目前，國內外研究集中于為污水管網健康狀況選取指標，評價管道健康等級，但由此得出的結論是單方面且不準確的，因此，對評價指標、評價等級等標準仍需要進一步的調查與研究。

本文選取昭通市中心城區作為研究區域，以水力模型(SWMM)為基礎，結合土石壩中浸潤線和棱體排水原理，構建昭通市污水管網模型，將管網的破壞程度和污水處理廠的進水量、水質濃度對應，計算污水管網在不同破壞程度下污水處理廠的進水水量以及對污水廠進水濃度的影響，為制定合理的修復方案提供數據支撐。

1 研究區域概況及方法

1.1 研究區域概況

選取典型內陸城市——昭通市的中心城區進行研究。昭通市中心城區地勢北高南低，總體排水方向為自北向南排放。雨水基本以龍泉路、北正街、西陡街、學莊路為界，東片排入禿尾河水系，西片排入利濟河水系。研究區內人口數為35.5萬，流域面積為290 km2，排污體制為雨污合流制，本區域最大的問題是管道破損與混亂的排水體制。隨著社會經濟的發展，常住人口不斷增加，用水量增加，污水處理廠設計進水量與實際進水量存在較大差異，進水量嚴重超過設計負荷，且稀釋了原生污水濃度，導致進水口處污水BOD5濃度偏低，污水處理效能下降，單位BOD5消減能耗大大提高。因此，確定排水管網破壞程度與污水廠進水量、進水濃度的關系，對指導非開挖修復技術的實施尤為重要。

1.2 數據來源

研究所使用的管道數據來自當地設計部門提供的昭通市中心城區排水管網現狀圖、污水管網總體布置圖、建模所需的管渠斷面尺寸、上下游內底標高以及檢查井井底高程和井深等。本研究采用的污水量數據來自昭通市第一污水處理廠提供的運行參數月報表。

1.3 浸潤線方法

圖1 土石壩滲流分析示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Seepage Analysis of Earth-Rock Dam

在無降雨的情況下，污水處理廠的進水量主要來自原生污水量、地下水和河水入滲量兩個方面。昭通市中心城區的污水管道沿河道平行修建，且距離河道近，在汛期時研究區降雨量大，河道水位暴漲，此時河道水位高于污水管道，由于滲流作用，導致河水滲入污水管道，管道中外來水體的入滲量主要以河水入滲量為主。因此，通過分段的形式將河道對管網的滲流量假定為土石壩中棱體排水的入滲流量，土石壩向棱體排水中的滲流為無壓滲流，有浸潤面，可視為穩定層流，滿足達西定律，可簡化為平面問題。如圖1所示，將河段滲流分成若干段(即分段法)，應用達西定律和杜平假定(假定任一鉛直過水斷面內各點的滲透坡降相等)，建立各段的運動方程，根據水流連續性求解流速、流量和浸潤線等。各節點河水入滲量如式(1)～式(3)。

其中：ΔL——虛擬等效矩形的寬度，為簡化計算，將上游壩體三角形用虛擬等效的矩形代替，m；

m1——河堤坡度比；

L——河道與管段的水平距離，m；

H1——河道水位，m；

H2——地下水水位，m；

h0——拋物線焦點在鉛直方向與拋物線的截距，m；

k——土壤滲透系數，m/s；

q——河水入滲的單寬流量，m2/s。

該節點處的河水入滲量為q與管段長度之積。

2 污水管網水力模型構建

判斷污水廠進水是否超負荷以及進水的BOD5濃度，需要計算污水管網的常規排水量、排水過程、水質濃度，以及外水侵入管網后的總排水量、水質濃度，這些工作比較復雜、繁瑣且計算結果誤差較大。近年來，水力模型在管道排水過程模擬中已經普遍應用并取得較好效果。因此，可采用水力模型來計算管網排水量、排水過程及水質濃度(本文采用SWMM)。

2.1 匯水區劃分

為了計算各個節點的入流量，將所研究區域按照地勢、坡度等因素劃分為1 318個匯水區。

2.2 節點入流量計算

污水管網模型的節點流量過程線一般采用節點平均流量和無因次流量變化模式系數值的乘積[12]表示，如式(4)。

Q(s,t)=Qs×m(s,t)

(4)

其中：Q(s,t)——s節點t時段的節點流量，m3/s；

Qs——s節點一段時間內的平均流量，m3/s；

m(s,t)——s節點t時段無因次排水模式系數值。

通過查閱昭通市用水定額表和總規劃平面圖，得到中心城區人均綜合用水定額為300 L/(人·d)，人口密度為1 224人/km2。根據節點的服務面積即匯水區面積，可求出不同節點的平均流量Qs，無因次排水模式系數值m(s,t)由昭通市有關部門提供，由此求得s節點t時段的入流量Q(s,t)。

2.3 污水BOD5濃度計算

采用S-P模型估算BOD5在管道中的降解，如式(5)。

式中：C——計算斷面BOD5質量濃度，mg/L；

C0——BOD5初始質量濃度，mg/L；

K——BOD5降解系數，d-1；

x——輸送距離，m；

v——污水輸送平均流速，m/s。

綜合考慮管道現狀和地區等因素，BOD5降解系數K取0.3 d-1，管道中污水輸送平均流速v取0.2 m/s。

2.4 模型構建

研究區域內污水管網主要沿河道平行鋪設，根據區域實際資料，將包含管網拓撲信息的CAD作為原始數據，借助ArcGIS的數據處理功能進行處理，然后再將處理好的數據文件轉換為SWMM模型所適用的文件后導入SWMM中，其中包括管段1 318根、檢查井1 318個、管段末端出水口1個，建立的SWMM模型如圖2所示。

圖2 SWMM污水管網模型示意圖Fig.2 Schematic Diagram of SWMM Sewage Pipelines Network Model

2.5 模擬結果

根據所建模型進行模擬計算，得到該區域污水處理廠的總進水量為8.64萬t/d，BOD5質量濃度為169.6 mg/L，污水處理廠總進水量與BOD5濃度變化如圖3所示。

圖3 污水處理廠總進水量與BOD5濃度隨時間變化Fig.3 Variation of Total Inflow and BOD5 Concentration of WWTP with Time

2.6 結果分析

根據模型求得該地區污水入流量為8.64萬t/d，平均BOD5質量濃度為169.6 mg/L，2018年該地區日均自來水量為12.3萬t/d，原生污水量計算如式(6)。

Q=D×i×n

(6)

其中：Q——研究區域內的原生污水量，m3/d；

D——研究區域內的自來水用量，m3/d；

i——產污系數，取0.85；

n——污水收集率，取0.95。

計算得出該地區日原生污水量為9.93萬t/d，與模型得出的污水入流量相差1.29萬t/d，誤差率為12.99%。通過對小區進行24 h采樣測試(每2 h采樣1次)，小區24 h采集的污水BOD5平均質量濃度為188.30 mg/L，考慮到污水在管網中的降解約為16%左右，即污水處理廠進水口處BOD5質量濃度實際值為158.17 mg/L，與模擬值相差11.43 mg/L，誤差率為7.23%。模擬完成后得到的模擬值與理論值相差較小，表明污水管網模型的參數設置較為合理。

3 實例分析

3.1 管網破損率與污水廠進水關系分析

按管道長度間隔對破損率進行設置，設置管網破損率為0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，對選中的不同節點的入流量額外加上河水入滲量后進行模擬。

3.2 不同破損率下水量與水質分析

基于水力模型分析昭通市第一污水廠進水口處進水量及進水BOD5濃度，得到污水處理廠在不同管網破損率情況下的日均進水量和進水BOD5濃度，如圖4所示。昭通市排水有限公司對污水管網進行檢修發現，昭通市中心城區的污水管網破損率約為47%，依據管網破損率與污水處理廠進水量、進水BOD5濃度的關系可知，對應的污水處理廠日均進水量約為13.1萬m3，平均進水BOD5質量濃度約為111.20 mg/L。而查閱昭通市第一污水處理廠的運行參數月報表可知，污水處理廠實際的日均進水量為14.2萬m3，平均進水BOD5質量濃度為108.60 mg/L，表明加入漏損計算方法后，模型模擬得到的結果與實際統計相差較小，誤差在合理范圍之內。由圖4可知，隨著管網破損率上升，污水處理廠的日均進水量呈現明顯的上升趨勢，但進水BOD5濃度卻呈現下降趨勢。這是由于河水入滲稀釋了原生污水的BOD5濃度，導致進入污水處理廠的污水濃度降低，造成污水處理廠運行效率降低，處理效果不好。

圖4 不同管網破損率下污水廠進水量、進水BOD5Fig.4 Influent Water Flow and BOD5 of WWTP under Different Damage Rates

3.3 建議

根據昭通市規劃局資料可知，昭通市第一污水處理廠處理污水規模為10萬m3/d，進水BOD5質量濃度標準為150.00 mg/L。依據本文研究，當管道破損率為47%時，對應的污水處理廠日均進水量約為13.1萬m3，平均進水BOD5質量濃度約為111.20 mg/L。即管網破損率為47%時，污水處理廠日均進水量是設計標準的1.31倍，進水BOD5濃度相比設計標準下降約25.9%。在昭通市展開新一輪的管網修復工作中，要求進水BOD5濃度達到設計標準，則對應的管網破損率約為10%。因此，需要立即對污水管道采取養護或修復措施，使其破損率從47%降至10%。由此可知，如需污水處理廠進水BOD5濃度達到設計標準，需要消除37%左右的管網破損率。但昭通市管網修復經費不足以支撐管網進行大規模的修復工作，針對此情況，決定采取逐年修復的方案，按3年時間開展修復工作，每年需要提升約12.90 mg/L的污水處理廠進水BOD5質量濃度，使污水處理廠的進水BOD5質量濃度從111.20 mg/L逐年上升至150.00 mg/L。按照管網破損率與污水處理廠進水BOD5濃度關系可知，12.90 mg/L的進水BOD5質量濃度的提升對應約12.4%的管網破損率的修復工作量，以每年降低12.4%左右的管網破損率為目標，即第一年、第二年和第三年管網破損率分別為34.6%、22.2%和9.8%，相應的污水廠進水質量濃度分別為125.20、134.70 mg/L和150.30 mg/L。同理，如果在已知污水處理廠的進水量和進水BOD5濃度情況下，也可依據圖4查得該區域污水管網的破損率，以此安排相應的修復工作與計劃。

4 結論

(1)本文提出運用SWMM建立水力模型，計算在不同管網破損率下污水處理廠的進水量和進水BOD5濃度。

(2)在管網檢測與修復過程中，技術人員通過CCTV等方法進行探查得到管網破損率，卻無法將管網破損率和污水處理廠進水BOD5濃度對應起來，而本模型可得到管網破損率與污水處理廠進水BOD5濃度關系圖。

(3)通過管網破損率與污水處理廠進水BOD5濃度關系圖，依據污水處理廠進水BOD5濃度標準，查得需要消除的管網破損率的大小。根據當地管網維護經費，合理制定管網修復技術與計劃，讓污水處理廠的進水BOD5濃度達標，以達到污水管網提質增效的目的。