排污管網外來水量新形式及其挑戰分析

巴依爾明達，郭帥

（1.安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230000）

0 前言

在一個區域內，按照采用一個管道系統或是兩個及以上各自獨立的管道系統來排放污水和雨水，可將排水系統分為分流制和合流制[1]。其中在分流制排污管道中，綜合生活污水和工業廢水（統稱為原生污水）是其設計收納、輸送的唯一污水來源，合流制排污管道污水來源除原生污水之外，還包括雨天的雨水徑流量。實際上，無論是分流制排污管道還是合流制排水系統，除自身設計排水量之外，還存在一定量的地下水入滲量、雨水入流入滲量等外來水量[2,3]。

外來水量占據了排污管道空間，造成污水管道超負荷運行，是導致分流制污水溢流（SSOs）和合流制污水溢流（CSOs）的重要原因。此外，過量的外來水量還額外增加了泵站、水廠的運營成本[4]，外來水的稀釋作用還影響污水處理廠的處理效率[5]。排水管網外來水或入流入滲水量是指進入排污管道的一切非污水成分，過去研究認為外來水主要包括地下水入滲量和雨水入流入滲量[6]，隨著最近的研究和在我國污水提質增效項目的開展過程中，還發現融雪水入流入滲[7]、自來水漏損[8]、河湖水倒灌[9]、施工降水[10]等外來水存在形式。河水倒灌等外來水新形式給我國排水系統的運營和維護帶來了一系列新的挑戰，了解外來水存在的形式有助于制定合適的整治策略來達到污水提質增效的目的。

1 排污管網外來水存在的形式

如圖1所示，排污管網外來水存在的形式可歸納為地下水入滲、雨水（融雪水）入流入滲、自來水漏損、河湖水倒灌以及施工降水。

圖1 河水倒灌至排污管道

1.1 地下水入滲

排水管道位于地面以下，受地面交通荷載、施工工藝、土壤性質等多種因素，易出現破裂，錯口等缺陷。當地下水位高于埋地管道時，地下水便會從管道破損口、管道接頭處、破裂的檢查井等位置滲入排水管道中。地下水入滲是排水管網外來水最普遍存在的形式，幾乎存在于任何排水系統中。據統計，德國34個污水系統的地下水入滲量平均約占污水總量的35%[2]，我國上海市三個小區地下水入滲量占污水總量的比例在10%～29%[11]。

1.2 雨水入流入滲

除地下水入滲量之外，外來水的另一大來源為降雨導致的入流入滲水量，包括入流與入滲兩個過程。雨水入流是指降雨形成的徑流直接流入排污管道，其中雨水入流的途徑有房屋雨落水管，檢查井井蓋，錯誤連接到市政污水管道中的雨水管等。而降雨導致的入滲是指雨水經過下滲補給地下水，從而以入滲的形式進入排污管道，入滲途徑有管道破損口、管道接頭處、破裂的檢查井井室等。即使在分流制排水管道中，因降雨導致的雨水入流入滲量也可高達總污水量16%[12]。

1.3 河水倒灌

河水倒灌作為外來水的來源之一在國內外研究中鮮有報道，但隨著我國污水提質增效項目的開展，發現我國南方水系發達城市普遍存在河水倒灌進排污管道的現象，是排污管網的主要外來水量來源。部分城市污水系統中的河水倒灌量甚至達到當地污水處理廠總污水量的40%以上[9]，嚴重影響當地污水系統的正常運行。河水倒灌進排水管道的途徑主要有以下三種：

①沿河截污井未設置防倒灌設施或設置不合理，河湖水通過截流管道截流井倒灌進入污水管道；

②過河污水管段或沿河敷設的水下截污管，由于管道破裂導致河湖水體滲入污水管道；

③水下排口與市政排水管網連通，河湖水可直接通過污水直排口或通過雨水排口及雨污混接點進入污水管道。

1.4 融雪水入流入滲

融雪水引起的入流入滲是指雪融化時形成徑流流入排污管道或融雪水補給地下水后滲入排污管道。融雪水入流入滲與雨水入流入滲相似，主要通過檢查井井蓋、錯誤連接至污水井的雨水管等途徑進入污水管道。但兩者也有不同，Panasiuk等[7]于2019年的一項研究在融雪期間，發現多個入流入滲點，而在融雪后的降雨事件中，這些位置并沒有外來水量進入，這表明融雪水還存在其他進入污水管道的途徑。

1.5 自來水漏損

在歐洲國家，漏損的自來水量也是進入排污管道外來水來源之一。據研究報道，2017年挪威所有自來水廠的平均泄漏百分比約為30%，飲用水管道漏損量明顯高于歐洲其他國家，由于當地給水管道和污水管道多敷設同一溝槽中，而污水管道埋深大于給水管道，漏損的自來水便可從污水管道破損口進入污水管道，其中挪威約有50%的飲用水量最終以外來水的形式侵入排污管道。盡管我國還未曾有研究報道過自來水漏損水量進入排污管道，但是我國給水管道漏損嚴重，平均漏損率約為18%，部分地區高達35%[13]，再結合我國排水管道缺陷嚴重現狀，可以推測我國也存在漏損自來水進入排污管道的問題。

1.6 施工降水

在我國城市雨污分流改造等提質增效項目中，還發現一些其他形式的外來水。如：①基坑降水、地下室排水，在開挖基坑時，地下水會不斷滲入坑內，部分工地存在直接將滲水抽排至排污管道的現象，以及地庫滲水被直接抽排至污水管道；②雨水、河水抽排至污水管，在雨水管道修復過程中，存在直接將雨水管道中原有的雨水抽排至污水管道的問題，以及在黑臭水體整治過程中，直接將河水抽排至污水管道。

2 外來水新形式帶來的挑戰

2.1 污水系統運維方面

任何污水系統中都存在一定的外來水量，當輸送、處理這些外來水的成本高于消除外來水的成本時，可認為外來水過量。外來水量存在的新形式無疑額外增加了外來水量，過量外來水首先影響著污水系統的運營與管理。以河水倒灌為例，河水倒灌與地下水滲漏相比，單個倒灌點導致的外來水量明顯大于地下水滲漏量，易造成排水管道滿水現象，從而導致SSOs，CSOs溢流的頻率及溢流量。同時，污水提升泵站、污水廠排放（或處理）本不應進入污水系統的河湖水，造成運行成本的增加。另外，污水處理廠的設計水量、水質直接關系到處理工藝的選擇，過量外來水的侵入增加了污水廠進水水量和稀釋了原生污水水質。增加的水量可能會導致各處理單元水量分配出現問題，并縮短了水力停留時間，被河水稀釋過的污水可能會影響生化處理過程。這些會導致污水處理廠超負荷運行、處理效果不佳等問題，最終增加了污水廠排放水質超標的風險。

2.2 現有外來水量評估方法方面

自來水漏損、河湖倒灌等新形式的外來水還將給現有對排水管網外來水的評估提出新的挑戰。如夜間最小流量法、旱天流量法和三角形法等傳統方法通常假設旱天條件下，污水系統中除原生污水以外，還存在一定量的地下水入滲量，雨天則還包括雨水入流水量。當自來水漏損量、河水倒灌水量等成為重要外來水來源時，原先假設不成立，這將造成外來水評估結果與實際情況不符，無法給管道修復設計提供可靠的意見。

基于污染物化學平衡的示蹤方法也是假設外來水來源包括地下水和雨水，并選取某種特征水質參數建立化學質量平衡，從而進行各外來水量的求解。忽略河水倒灌量等其他外來水的存在，也將造成評估結果不可靠的問題。

2.3 生態環境方面

過量外來水會導致污水管網溢流頻次和溢流水量的增加，污水漫溢至地面，不僅影響了生態環境，而且由于污水中含有大量致病微生物，嚴重威脅人類健康。此外，河水倒灌還將給生態環境方面造成以下兩方面的影響。一方面，河水倒灌至排水管道，可能會導致魚類等水生生物進入污水系統內，而這些水生生物無法在污水條件下生存，最終死于污水管道中。另一方面，由于市政排水管網與河湖水系相通，枯水期時，可能導致污水外滲至地表自然水體，污染地表水體，造成河湖水黑臭。

2.4 經濟投資方面

目前，全國各地都在開展污水提質增效工作，而削減外來水量是提質增效的重要工作內容。消除外來水量涉及到管道排查檢測、修復、水量水質監測等多個方面，額外增加了投資成本。如長江環保集團近三年在“長江大保護”項目中，累計總投資規模超過1375億元，預計“十四五”期間每年還將投資1000～1200億元。

3 應對措施

3.1 加強排水管道檢測修復

過去，“重建設，輕管理”一直是市政排水工程領域存在的問題。在管網排查項目中，發現許多城市排水管道破裂、錯口、滲漏等結構性缺陷嚴重，地下水、雨水便可從管道破損口侵入污水管道。因此，應當建立污水管網排查和周期性檢測制度，及時發現污水管道中的外來水入滲點并采取修復措施。針對污水倒虹吸管破裂導致河水倒灌和沿河敷設的污水管道與河道直接相連的問題，可同時監測污水管道液位和河道液位，通過分析倒虹吸管、沿河管道液位與附近河道液位之間的關系，來初步判斷是否存在河水倒灌現象，或沿河道方向對污水管道內的污水進行水質檢測分析，觀察是否存在水質突變點。對于疑似存在河水倒灌的位置，可進行封堵降水，并通過管道CCTV檢測進行復核。

3.2 水下排口采取防倒灌措施

在雨水管道系統中，部分排口直接與河道溝渠相連通，未采取防倒灌措施。若河道水位高于排口管底標高，河水便從雨水排口倒灌入雨水管道系統，再由雨污混接點進入污水管道系統。對于此類情形，可以對現有雨水排口進行改造，增加防倒灌措施，或者適當降低河道水位，使河道常水位低于排口埋深。

在污水截流系統中，被截流管道的排口通常設置在河道邊，當附近河道水位高于被截流管道排口內底（或截流堰頂）標高時，也會發生河水倒灌至截流井的現象。可采取的措施：①增加截流堰高度，使其高于河道常水位；②在截流井或溢流管出水口設置拍門、鴨嘴閥等具有單向止回功能的附件；③在預算充足的情況下，采用自動啟閉的堰門新技術，堰門可根據截流井與河道液位關系調整開啟度，在旱天時，堰頂高于河道水位，防止河水倒灌；暴雨時，堰門打開，及時排放洪水。該技術可以同時起到防倒灌和防洪澇雙重作用。

3.3 加快雨污分流改造

如1.2～1.4節所述，雨污混接點、截流井、截流管是雨水、融雪水、河水進入污水系統的主要途徑。因此，加快雨污分流改造是解決污水管網外來水過量的有效措施。目前，我國城市新建城市排水系統多采用雨污分流制，但是存在雨污分流不徹底的問題，導致我國多數城市排水系統實際上仍為合流制。隨著全國各地污水提質增效項目的進行，部分城市已經開展雨污分流改造，應當繼續推進，并嚴格保證分流制改造工程項目的質量，使雨水、污水各行其道，做到徹底的雨污分流。

4 結論

歸納了外來水存在的幾種形式，討論了河水倒灌等新的外來水形式給污水系統運維、現有外來水評估方法、生態環境、經濟投資四個方面帶來的新的挑戰，并提出加強排水管道修復、采取防倒灌措施和加快雨污分流改造等應對措施。