基于水量水質監測進行分區分析的城市排水管網入流入滲問題

黃 林，胡茂鋒，吳志炎，楊婷婷，馮澤建

(1.中建三局綠色產業投資有限公司，湖北武漢 430056；2.北京清環智慧水務科技有限公司，北京 100086)

近年來，城市污水管網的降雨入流及旱天入滲問題日益突出，造成污水處理廠處理水量增加，而水質濃度卻逐步降低[1]。住建部、生態環境部從2015年起出臺了“水十條”、黑臭水體整治等相關政策。2019年三部委聯合發布了《城鎮污水處理提質增效三年行動方案(2019—2021年)》，湖南省相關部門也發布《湖南省縣以上城市污水治理提質增效三年行動工作方案》，要求進水BOD5含量<100 mg/L的城市污水處理廠整治[2]。既要保證消除黑臭，又要達到污水提質增效相關要求，城市排水管網的整治顯得尤為重要。某市以污水處理廠為起點，通過對管網及系統間的拓撲連接關系分析，結合在線流量監測和人工水質采樣化驗手段[3]，收集獲取真實、有效的過程數據，摸清排水排放規律系統。同時，進一步對管網進行全面分區摸排，結合QV等探測技術，鎖定各問題點并精確找到，最終形成分析診斷報告，提出科學、可行的改造初步設計方案，為提升污水廠進水BOD5濃度提供真實、可靠的基礎數據。其中，排水管網流量在線監測，有利于實時掌握管網運行現狀，這是整個項目順利執行的基礎工作[4]。

目前，常用的入流入滲分析方法為夜間最小流量法，根據夜間出現最小流量衡算管網的入流水量。而這種單純依靠流量數據的計算方法往往會因夜間的不規律排水而產生較大誤差，尤其對下游污水24 h流量變化不大的主干管網，適用性更差。本文基于水質水量數據，以源頭小區出戶水質及區域地下水水質數據為本底數據，進行各管段的物料守恒計算，并以專題圖形式呈現，為提質增效的工程開展提供數據支持。

1 研究區域概況

XT市污水處理廠的納污范圍共有4條主要水系(TXQ水系、WXQ水系、HTQ水系、SQQ水系)與12條渠道。豐富的水系導致地下水位較高，對管道的入滲影響較大[5]。區域內管道主要排水體制為分流制，局部存在雨、污水合流管道。該市2018年管網調查數據顯示，城區共有主排水管網683 km，其中，雨水管道、污水管道、合流管道分別為363、230、90 km。本研究區域位于經濟技術開發區(JH片區)。

2 研究區域監測方案

根據對污水處理廠的納污范圍中排水管網、泵站和污水處理廠等排水設施的拓撲關系梳理，篩選系統內主要污水管，從下游污水處理廠逐步向上游梳理管道連接關系，劃分排水分區16個。監測點位除覆蓋排水分區末端節點外，另安裝2臺設備進行2個源頭小區監測，總計18個監測點位，安裝共分3個批次。為同步獲取區域降雨數據，在區域內安裝雨量計1臺。人工水質檢測點位共計布設59處，除已覆蓋已布設的流量監測點位外，另在源頭小區內部及關鍵節點進行精細化布點，如圖1所示。

圖1 監測點位布設圖

3 區域本底數據分析

3.1 降雨數據分析

降雨量作為背景監測，可供流量監測提供參考。該市降雨監測數據來源于天氣網與自安裝的雨量計，自安裝雨量計采用翻斗式雨量計，從設備安裝完成之日(3月10日)起監測點開始數據采集，并上傳至監測平臺實現可視化，雨量分析選擇監測期為1月24日—4月30日。統計監測期內降雨量≥2 mm的情況，降雨日為33 d，總降雨量為528.8 mm，最大日降雨量為51.2 mm。日降雨量統計如表1所示。

表1 日降雨量統計

按降雨等級(小雨、中雨、大雨)劃分，日降雨量<10 mm為15 d；10～25 mm為11 d；25～50 mm為6 d；>50 mm為1 d。因此，監測期內降雨多為中小雨天氣，大雨天氣較少。降雨等級劃分如圖2所示。

圖2 降雨等級分布圖

分流制區域降雨入流分析主要針對雨天，節點旱天日流量變化分析及片區旱天入滲分析需特定旱天時段，常規旱天指大于等于不受降雨影響的連續7個非降雨日。

結合XT市當地氣候條件，監測期內非降雨日與降雨日交叉發生，不存在常規旱天時段。因此，從時間的連續性劃分，選擇非降雨日為研究對象，主要為4個階段，分別為1月26日—2月1日、2月16日—2月28日、3月15日—3月21日、4月5日—4月9日。

3.2 污水廠數據分析

3.2.1 水量分析

統計污水廠處理量，在2月1日—4月10日，污水廠每日污水處理量為5.04萬～14.56萬m3，最小值和最大值相對平均值偏離-34.07%和90.49%，統計期平均值為7.64萬m3。為分析區域水量變化的差異性，篩選有效降雨日(日累計雨量≥2 mm)數據，將區域每日污水處理量分別對降雨量做相關性分析[6]，如圖3所示。

圖3 處理污水量與降雨量的相關性分析

隨著降雨量的增大，JH片區水量呈逐漸增大的趨勢，整體相關性較弱。經核實得知，污水處理廠每日處理污水量有限，降雨時，進廠的污水總量超過污水廠每日處理污水總量的極限，多余的污水便會從超越管排入湘江，導致污水廠進廠流量與降雨相關性較弱。

3.2.2 水質分析

監測設備同期的污水廠進水水質數據顯示：污水處理廠總進水CODCr、BOD5含量均較低，進水CODCr、BOD5峰值僅為88.0、42.26 mg/L，與提標改造中進水BOD5含量為100 mg/L的目標差距較大。圖4為CODCr與BOD5線性擬合關系，擬合結果表明兩者存在正相關性關系，擬合公式為y=1.662 4x+18.024，相關性系數R為0.87，且相關性結果可靠(顯著性P為1.1×10-9)[7]，考慮到BOD5檢測過程較長，可用CODCr含量表征污水水質的變化情況。

圖4 CODCr與BOD5相關性分析

4 監測數據分析

4.1 旱天入滲分析

4.1.1 典型濃度選擇

為保證典型污染物濃度準確，監測過程中選擇4個源頭小區，采用間隔為1 h的取樣方式，分別對樓座出戶檢查井、進化糞池前檢查井、出化糞池后檢查井及小區接入市政管道處進行水質檢測[8]。檢測小區為BBG、HRSSY、XZY與ZZY，除HRSSY外，其他3個小區入住率均在90%以上。點位布設如圖5所示。

圖5 典型小區人工采樣點位圖

源頭檢測中，HRSSY小區整體CODCr濃度較低，現場核實為小區入住率低，受地下水影響較為嚴重，其出水濃度不能夠代表典型小區的生活污水濃度，因此，生活污水濃度選擇檢測其他小區樓座間的CODCr，均值為425 mg/L。XZY小區受地下水影響較嚴重，夜間檢測CODCr含量，顯示2:00—5:00持續較低，均值為13.5 mg/L，因此，選擇地下水入侵含量為13.5 mg/L。

4.1.2 監測數據分析

根據物料守恒進行入流入滲分析計算[9]，總入滲水量為4.3萬m3/d，占污水廠總進水量的58.58%，對管道進行修復，將入滲地下水擠出后，水廠水質將大幅提高。統計各片區入滲量計算結果，其中，入滲量較大的是TZ大道與XF路交叉口管道。各監測點位統計如表2所示。

表2 監測點單位面積單位降雨量統計

根據監測點位所在的排水分區，對入流入滲等級作圖。在我國，地下水入滲量的正常值應是平均日綜合生活污水和工業廢水總量的10%～15%[10]，因此，以入滲率在15%為標準，入滲率>15%時需對管網進行相應的檢測和修復。為更好地指導污水廠的提質增效，縮小管道工程施工的范圍，對各排水分區入滲率劃分為5個入滲等級。研究區域入流入滲等級如圖6所示。

圖6 研究區域旱天降雨入流入滲圖

4.2 雨天混流分析

降雨和流量數據是分析分流制污水管網系統的入流入滲量的基礎。ZX城區為合流制排水體系，因此，僅對JH片區進行降雨入流入滲分析。通過旱天流量數據識別典型旱天流量變化規律；通過降雨數據識別典型的降雨事件。

旱天監測數據應滿足，降雨發生后的48 h(不受上場次降雨影響)的連續7個旱天數據；監測數據質量應保證數據條數獲取率在80%及以上，數據無大幅度突增、突降現象，并以7 d流量均值作為降雨入流入滲量計算的基準流量。JH分流制片區內共劃分排水分區16個，典型旱天時間選擇為3月15日—3月21日，1號點位旱天流量曲線變化如圖7所示。

圖7 1號點位旱天流量變化

根據監測點位分鐘級流量數據，將每日相同時刻點位流量進行平均值處理，即得到該點位旱天特征曲線，通過降雨期間內監測到的流量數據減去已識別的旱天流量，即得到降雨導致的入流入滲量，1號點位降雨入流入滲曲線如圖8所示。

圖8 1號點位降雨入流入滲曲線

在各場次降雨下，以降雨量為橫坐標，降雨入流入滲為因變量，進行降雨量與降雨入流入滲的線性擬合。以1號點為例，曲線如圖9所示，擬合曲線為y=293.15x-266.57，相關系數R2為0.855。曲線含義為在降雨量大于0.91 mm時，即發生降雨的入流，之后每增加1 mm降雨，雨水入流量增加293.15 m3。

圖9 1號點位降雨入流入滲擬合曲線

對分流制區域的所有點位進行入流入滲的相同計算，各監測點每單位面積降雨導致的入流入滲量結果如表3所示。

表3 監測點單位面積單位降雨量的入流入滲統計

結果顯示，各點位對降雨均有不同程度入流現象，為指導工程建設，體現區域管網的不同入流程度，對不同入流量進行等級劃分，并定位入流嚴重管段，初步劃分為5個等級，具體如圖10所示。

圖10 降雨入流入滲等級劃分圖

5 結論

本文以監測期降雨作為研究區域背景數據，通過對污水廠的本底數據進行分析，發現降雨的發生帶來了污水廠進水的大幅度增加，從而表明區域存在一定的降雨混流現象。而旱天的進水濃度分析，一方面驗證了該區域地下水入滲的嚴重性，另一方面以CODCr數值進水水質指標檢測大大縮短了項目周期。同時，結合18臺監測設備的布點方案，輔以人工水質檢測，得出以下結論。

(1)通過本底數據分析發現，監測期內降雨日較多，降雨日為33 d，總降雨量為528.8 mm，日最大降雨量為51.2 mm；污水廠每日處理污水總量波動性較大，污水廠水量隨降雨的發生而增多，分析水質數據發現，BOD5與CODCr有明顯正相關關系。

(2)研究區域采用18個水量監測點位及59個水質檢測點位，人工水質檢測確定該區域典型小區質量濃度為425 mg/L，地下水入侵質量濃度值為13.5 mg/L。

(3)旱天入流分析計算總入滲水量為4.3萬m3/d，占污水廠總進水量的58.58%，將入滲地下水擠出后，水廠水質將大幅提高。其中，入滲量較大的是TZ大道與XFL交叉口管道。

(4)通過降雨的入流入滲數據分析，分流制片區單位面積單位降雨量的入流入滲下，將增加入流雨水量為288.84 m3，混流較為嚴重的為TZ大道的XF路到HK高速附近。

總之，污水管網入流入滲是一個持久且隱蔽的過程。通過在線監測設備的24 h實時監測可準確性把握管網節點流量特征值，進而精確計算旱天特征流量。除旱天入流入滲帶來污水廠進水濃度的降低外，降雨的入流入滲也是提質增效工作中亟待解決的一大難題。旱天入流色塊圖與雨天混流色塊圖的分級展示，使得污水管網病害情況更加直觀性表露，為管理者的決策分析提供了較大便利。