武漢市漢口片區排水體系運行效能評估

符 韻,陳翠珍,李 敏,蔣佳鑫,韓 鵬

(1.武漢市水務科學研究院,湖北武漢 430014;2.中國地質大學〈武漢〉環境學院,湖北武漢 430014)

城鎮排水管網系統對社會穩定發展、生態健康循環和生活環境保障大有裨益,完善程度和運行狀況是城市發展水平的標志。漢口片區多年來持續進行排水管網及排水設施建設,排水管網及排水設施已覆蓋建成區,雨污水收集系統主體框架基本建立。盡管如此,受各方面因素影響,排水管網和設施的運行效能有待提升,從而導致片區內兩個重要水體黃孝河、機場河水質雖然得到一定程度改善,但形勢仍然嚴峻。為對深圳市管網建設的數量、質量及效果進行考核,梁毅等[1]構建了深圳市污水管網建設績效考核評價體系,考核指標包括污水管網建設任務完成情況、污水管網建設質量、污水管網建設管理水平、污水管網建設存在問題的整改情況和污水管網建設效果。建娜等[2]則從環境、經濟、技術性能和社會效益4個方面建立城鎮排水系統量化指標體系,為城鎮排水系統的設計、管理以及政策決策提供數據支持。為了評價城市排水系統內澇與溢流控制性能,陳豐[3]總結了常見的排水管網評價指標,主要包括管道水深、管道坡降比、管道流速、內澇水量、內澇深度、溢流頻率、溢流水量等。由于研究者們所關注的問題和層面不同,現有的排水系統相關的指標體系不能直接應用于武漢市典型排水體系運行效能評估,急需建立一套排水管網系統運行效能綜合評估指標體系,用于評估漢口片區排水體系運行效能,并與實際運行效能進行對比來驗證評估指標體系的合理性,最終以評估結果為依據提出合理的改造建議。

1 概述

1.1 評估范圍

本次評估范圍以漢西污水系統、三金潭污水系統和黃浦路污水系統為基礎,重點關注漢口片區,也就是除去漢西污水系統中位于機場河西側的東西湖區部分,確定總評估范圍約為133.8 km2(圖1)。

圖1 評估范圍及排水系統分布Fig.1 Evaluation Area and Distribution of Drainage System

1.2 排水體制

目前黃孝河、機場河系統合流區和分流區并存,上游存在39%的合流制排水區域。由于漢口人口密度大、管網改造難度大,且合流區中有大量的歷史風貌街區,受場地條件及相關保護條例的限制,進行雨污分流改造較為困難。除古田片、常碼頭片、漢西片、二七濱江片等舊城改造區域,剩余28%的老城區規劃保留合流制排水體制(圖1)。

1.3 評估設施

評估范圍內主要評估設施涵蓋3個污水處理廠、11個污水泵站、1 020 km經檢測的排水管網等(圖2)。

圖2 主要評估設施分布Fig.2 Distribution of Major Evaluation Facilities

2 評估指標、標準及方法

評估指標的選取需反映出排水體系運行情況的現狀及問題,并同時為決策者提供有效依據[3]。基于該選取原則,本次評估的指標主要包含排水設施質量類、系統連接問題類、旱季設施運行效能類、雨季設施運行效能類及重要水體五大類。排水管網質量包含結構性缺陷和功能性缺陷2個指標,系統連接問題包含污水管網覆蓋度、混錯接問題和市政管網連接關系問題3個指標,旱季設施運行效能包含污水處理廠負荷率、污水廠進水濃度偏差(BOD5)、轉輸泵站進水水質偏差(CODCr)、轉輸泵站負荷率、污水流速、污水管網充滿度和外來水占比7個指標,雨季設施運行效能包含合流制溢流污染(CSO)評估、分流制溢流污染(SSO)評估和混錯接導致雨水混接入污水量3個指標,重要水體采用受納水體水質達標情況評價。

要建立一個較為完善、準確的評價標準需要在長期的研究與實踐過程中,將理論研究與工程實踐相結合,逐步制定出科學、合理的評價標準[4]。為更加直觀地評價漢口片區排水體系運行的具體情況,本次將16個評價指標定量化,主要根據住房和城鄉建設部、生態環境部、發展改革委印發的《城鎮污水處理提質增效三年行動方案(2019—2021年)》,結合資料收集、專家工程經驗及設施運行經驗制定各項指標的分值、權重、達標值及評分算法。

采用的評價方法主要有勘察數據分析法、資料收集分析法、監測數據分析法、模型評估分析法。勘察數據分析法采用的是2019年管網普查及檢測數據來評估相關指標,資料收集分析法采用的是收集到的污水廠水質水量日運行數據、污水泵站水量日運行數據、規劃分流區混流社區占比、受納水體水質等數據來評估相關指標,監測數據分析法采用的是監測的污水泵站進水水質數據、外來水入滲等數據來評估相關指標,模型評估分析法采用的是Infoworks模型模擬評估相關指標[5-6]。

各評價指標、達標值、評價方法及評分算法如表1所示。

表1 評估指標Tab.1 Evaluation Indices

按照表1制定的評分算法對16個評價指標逐項進行計算,若最終評估得分高于等于85分,則運行效能高;評估得分高于等于60分,低于85分,則運行效能達標,可采取相應措施進一步提升運行效能;評估得分低于60分,則運行效能不達標,需盡快采取相應措施提升運行效能。

3 評估結果

3.1 排水設施質量

排水設施質量評估受勘察情況影響較大,根據2019年勘察資料分析,很多大管及主干管由于水位較高,未大面積覆蓋檢測,本次勘察檢測管網長度占普查管網的59.78%,檢測管網以d≤500 mm的小管徑為主,61.9%的污水管d≤500 mm,52.06%的雨水管d≤500 mm,44.2%的合流管d≤500 mm,因此,對于缺陷分析有一定的影響。

(1)結構性缺陷

檢測管段總長度為1 020.64 km,應盡快修復的結構性缺陷管道(RI>4)總長度為18.97 km,占檢測管網總長的1.86%,滿足小于20%的標準,達標得5分。

(2)功能性缺陷

應盡快修復的功能性缺陷管道(MI>4)總長度為132.1 km,占檢測管網總長的12.94%(圖3),滿足小于20%的標準,達標得5分。

圖3 排水管網(a)結構性缺陷分布和(b)功能性缺陷分布Fig.3 Distribution of Drainage Network (a) Structural Defects and (b)Functional Defects

3.2 系統連接問題

(1)污水管網覆蓋度

漢口地區大部分區域均為建成區,已配套建成較為完善的污水管網。評估范圍總面積為133.8 km2,污水管總長為866.48 km(圖4),片區內污水管網覆蓋度為6.47 km/km2,滿足不低于5 km/km2的標準,達標,得分5分。

圖4 污水管網分布Fig.4 Distribution of Wastewater Networks

(2)混錯接問題

評估范圍內的規劃分流區中共有754處排水管網混錯接問題(圖5),不滿足混錯接個數為0的標準,不達標,得分0分。主要是設計、施工錯誤、管理不到位等原因導致。

漢口片區已有部分片區實施了社區雨污分流改造,評估范圍內共有1 542個小區,其中規劃分流區范圍內總計830個小區,涵蓋面積為66.29 km2,其中分流制小區為301個,面積為20 km2,占比30.16%;合流制小區為241個,面積為16.78 km2,占比25.31%;待查小區為288個,面積為29.52 km2,占比44.53%(圖5)。在查清的小區中,規劃分流區混流社區占比45.6%,滿足占比小于50%的標準,達標,得分1分。

(3)市政管網連接關系問題

評估范圍內錯位748個,問題密度為5.59個/km2;逆坡為429個,問題密度為3.21個/km2;大管接小管225個,問題密度為1.68個/km2(圖6)。錯位和逆坡不滿足小于3個/km2的標準,不達標,得分各1分,大管接小管滿足小于3個/km2的標準,達標,得分2分,總得分4分。錯位和逆坡主要是因為地基不均勻沉降。

圖6 市政管網連接問題分布Fig.6 Distribution of Connection Problems of Municipal Pipeline Networks

3.3 旱季排水設施運行效能

(1)污水處理廠負荷率

漢西污水廠及三金潭污水廠2019年及2020年均不滿足負荷率80%～100%的標準(表2),不達標得分0分,主要原因是漢西和三金潭廠處理能力不足。黃浦路污水廠2019年達標,2020年不達標,得分1分。2020年不達標主要是因為黃浦路污水廠處于堤防保護線以外的漢口江灘內,汛期停產。

表2 漢口地區污水處理廠負荷率統計Tab.2 Statistics of Load Rates of WWTPs in Hankou Area

疫情期間黃浦路污水廠水量不足的原因主要是天津路泵站設備維修,黃浦路污水系統內的污水進入三金潭廠進行處理。

(2)污水廠進水濃度偏差(BOD5)

2020年3個污水廠均不滿足污水處理廠進水濃度偏差在-20%～20%的標準(表3),不達標,得分0分,主要原因是污水被地下水及施工降水稀釋,同時管道混流及泵站高水位運行兩個因素使管網內流速顯著降低,污染物大量沉積,導致污水處理廠進水濃度低。2019年漢西污水廠達標,得分1分。

表3 漢口地區污水處理廠進水BOD5濃度統計Tab.3 Statistics of Influent BOD5 Concentrations of WWTPs in Hankou Area

疫情期間污水廠的進水濃度存在一定程度的降低。造成的原因有可能是疫情期間餐飲停業、公共活動減少等多方因素。疫情結束后三金潭及黃浦路廠進水BOD5濃度均恢復至去年同期水平,但漢西廠遠低于2019年同期水平。

(3)污水泵站負荷率

5個泵站(鐵路橋、塔子湖、石橋、建設渠和張公堤泵站)滿足污水泵站負荷率在80%～100%的標準(表4),達標,總得分5分。常青北路污水泵站超負荷運行,主要原因是該泵站與其他片區有串接點,大量外部污水進入該系統。其余泵站負荷率很低,主要原因是設計規模偏大,并且實際服務范圍與設計時有差異。

表4 漢口地區污水泵站負荷率統計Tab.4 Statistics of Load Rates of Wastewater Pumping Stations in Hankou Area

疫情期間各泵站的負荷率均有所下降,主要原因是疫情期間漢口地區的污水量整體減少。疫情結束后各污水泵站的流量相比疫情期間均有所上升,但常青路泵站由于汛期機場河開閘排澇后液位降低導致流量降低,未恢復到2019年同期水平。

(4)污水泵站進水濃度偏差(CODCr)

基于漢口小區實測污水水質數據,得出漢口片區典型污水質量濃度約為220 mg/L。僅常青路泵站、民生路泵站和天津路泵站滿足污水泵站進水濃度負荷在-20%～20%的標準(表5),達標,總得分3分。其余各污水泵站進水濃度偏差均不達標,但不同泵站進水水質有差異。主要原因是污水被地下水及施工降水稀釋,污水泵站進水濃度低。

表5 漢口地區污水泵站進水CODCr濃度統計Tab.5 Statistics of Influent CODCr Concentrations of Wastewater Pumping Stations in Hankou Area

(5)管網流速

對監測數據進行統計分析,晴天污水管與合流管的流速較緩,流速小于0.2 m/s的管道長度占56.9%,流速0.2～0.4 m/s占比21.6%,流速0.4～0.6 m/s占比11%,大于0.6 m/s占比10.6%,不滿足流速大于0.6 m/s占比80%以上的標準,不達標,得分0.69分。主要是因為漢口地區地勢平坦,區內管網坡度較小、流速低。

(6)管網充滿度

漢口地區新普查管合計1 512 km,其中滿管管段約為225 km,占全部管網的14.86%,不滿足滿管占比小于5%的標準(圖7),不達標,得分4.48分。主要是因為2017年之前漢口片區污水收集不徹底,黃孝河、機場河旱季溢流情況嚴重,但污水處理廠處理能力尚有富余,在黃孝河與機場河明渠起端建3座鋼壩閘以增加污水收集率,充分利用污水處理廠處理能力而導致上游管網水位高。

圖8 溢流點位分布Fig.8 Distribution of Overflow Points

(7)外來水占比

根據實測監測數據采用流量-水質物料守恒法估算基本入滲量,評估范圍整體外來水入滲率約為42.1%[12],不滿足占比小于20%的標準,不達標,得分3.62分。主要原因是管道老化或狀況惡化引起的入流入滲過大及施工降水的排入。

3.4 雨季排水設施運行效能

(1)CSO

漢口片區CSO主要發生在黃孝河、機場河起端、建設渠起端和幸福二路明渠起端4個位置(圖8),采用模型分別模擬代表年下的溢流次數。黃孝河機場河水環境綜合治理二期PPP項目正在建設黃孝河CSO、機場河CSO、常青公園CSO調蓄池及黃孝河CSO、機場河CSO強化處理設施。項目建成后黃孝河CSO在代表年1和代表年2的溢流次數分別為7次和8次,機場河東渠CSO在代表年1和代表年2的溢流次數分別為8次和10次,滿足全年溢流次數低于10次的標準,達標,得分5分。建設渠匯水區規劃為分流區,在完成雨污分流改造之前,片區內合流制溢流污染問題突出。建設渠起端在代表年下的溢流次數約為30次,幸福二路明渠起端在代表年下的溢流次數約為35次,不滿足全年溢流次數低于10次的標準,不達標,總得分0分。

(2)SSO

漢口片區分流制溢流污染主要發生在黃孝河沿線的11個主要排口,其中有閘控排口6個,分別為排口4、6、7、8、9和10(圖9)。

圖9 有閘控排口分布圖及對應的集水范圍Fig.9 Distribution of Gate-Controlled Outlets and Corresponding Range of Water Collection

閘控水位下的雨水管網具有一定的調蓄容積,但低于5.28 mm的標準(表6),不達標,得分5.29分。僅靠管網調蓄是無法解決分流制初雨溢流污染的,需新建初雨收集及處理設施。

表6 閘控排口現狀可控制降雨量Tab.6 Controllable Rainfall of Gate Control Outlets

(3)混錯接導致雨水混接入污水量

三金潭、漢西及黃浦路污水系統均存在雨水混接入污水系統。在降雨情形下,混入的雨水以及潛存的地下水會增加污水系統的負荷。研究范圍內市政雨水接入市政污水[C(雨接污)]123處、小區雨水接入市政污水[N(雨接污)]2處。

各污水廠及泵站該指標評估結果如表7所示,均滿足30 mm以內流量增幅小于30%的標準,達標,得分10分。說明片區混錯接導致雨水混接入污水的情況并不嚴重。

表7 各污水廠及泵站混錯接導致雨水混接入污水量匯總 (30 mm以內降雨)Tab.7 Summary of Rain Water Mixed into Wastewater Systems Caused by Mixed Misconnection (Rainfall within 30 mm)

3.5 重要水體

區域重要水體為黃孝河、機場河,黃孝河、機場河近期2021年的目標為V類,根據2020年7月數據監測,目前仍為劣V類,受納水體水質未達標,得分0分。

4 改進措施

結構性缺陷與功能性缺陷評估結果達標,主要原因是很多老舊大管及主干管水位較高,未大面積覆蓋檢測,對于隱患分析有一定的影響。后續管網水位降低后建議對本次未檢測的管網進行補測,并根據補測結果更新排水設施質量評估結果。

市政管網混錯接指標不達標,需對混錯接問題及時整改。在查清的小區中,規劃分流區混流社區占比指標達標,后續應繼續排查44.53%待查小區的混流占比,如超標,則需對小區進行分流改造。市政管網連接關系問題中錯位和逆坡指標不達標,可結合缺陷修復對錯位和逆坡管道進行改造。

漢西污水廠和三金潭污水廠負荷率高,需進行擴容來減輕兩座污水廠的處理壓力。黃浦路污水處理廠處于堤防保護線以外的漢口江灘內,汛期運行安全難以保證,三金潭污水處理廠擴建時需預留黃浦路污水處理廠連通規模。3座污水處理廠及泵站進水濃度偏差指標不達標,需圍繞服務片區管網制定“一廠一策”系統化整治方案,提升污水廠和泵站進水濃度。

管網運行存在較大的問題,污水流速、污水管網充滿度和外來水占比指標均不達標。大部分的污水管網運行流速較低,存在較大的淤積風險,建議優化黃孝河、機場河流域合流區截流方式,新建擴建污水收集干管來提高管網流速。管網充滿度高、入滲率高的問題,建議采取缺陷修復、施工降水管控等方式來緩解。

建設渠片區規劃為分流區,但在完成雨污分流改造之前,片區內合流制溢流污染問題突出,建議采用低位箱涵截留合流制溢流污水,調蓄后就地處理的措施進行控制。黃孝河片區分流制初雨污染溢流發生對應的凈降雨量指標不達標,建議采用源頭進行海綿設施建設+中途徑流削減+末端截污、調蓄、處理的措施進行控制。

5 結論

本次構建了漢口片區運行效能綜合評估指標體系,從排水設施質量類、系統連接問題類、旱季設施運行效能類、雨季設施運行效能類及重要水體五方面選取了漢口片區16個定量化評價指標,并根據資料收集、專家工程經驗及設施運行經驗制定了評估算法,直觀地評價漢口片區排水體系運行的具體情況,以期為武漢市其他片區甚至國內其他城市同類型項目提供參考。按照制定的評分算法對16個評價指標逐項進行計算,最終漢口片區排水體系運行效能評估總得分59.08分,運行效能低。評估結論與漢口片區多年來持續進行排水管網及排水設施建設,但運行效能低而導致污水處理廠污水收集量遠高于污水產生量、管網長期高水位運行、河道水質難以穩定、污水處理廠水量大、濃度低的實際運行情況相符,需盡快結合上述改進措施對排水系統進行效能提升。后續將持續優化評價標準、指標權重,動態更新漢口片區排水體系運行效能的評價結果。