馬翠香，王榮昌,*，曾 旭，成志軒，楊 揚

(1. 同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,長江水環(huán)境教育部重點實驗室，上海 200092；2.丹華水利環(huán)境技術(shù)〈上海〉有限公司，上海 200235)

市政污水管網(wǎng)系統(tǒng)包括污水主管道、泵站、檢查井和用于收集來自住宅區(qū)、工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)的其他支管及附屬設(shè)施，并最終輸送污水到污水處理廠，是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一[1]。由于污水管網(wǎng)的重要性，對于發(fā)生滲漏的管段進(jìn)行診斷并確定滲漏量尤為重要。目前，已建的污水管網(wǎng)系統(tǒng)的地下水入滲量通常遠(yuǎn)大于污水管設(shè)計中污水管道的地下水滲透系數(shù)10%～15%[2]，尤其在降雨豐沛、地下水位較高的平原河網(wǎng)地區(qū)，地下水滲透量達(dá)到20%～30%，甚至更高[3]。這使得污水管網(wǎng)系統(tǒng)不能發(fā)揮正常功能，過度稀釋的污水最終進(jìn)入污水處理廠，加大污水處理負(fù)荷，同時使得進(jìn)水污染物濃度降低，會增加污水處理廠、泵站的運行費用，降低處理效率[4]。

隨著國內(nèi)大城市污水處理率的逐漸提高，國內(nèi)對管道系統(tǒng)的地下水入滲問題目益關(guān)注，特別是平原河網(wǎng)高地下水位地區(qū)。開展地下水滲入/流入量等外來水量及污水管網(wǎng)破損等情況的研究是一項迫切的任務(wù)，目前國內(nèi)外已對此做過較多研究[5-15]，對污水管網(wǎng)發(fā)生滲漏的管段進(jìn)行診斷并確定入滲和入流水量，對于提高污水管網(wǎng)的運行效率具有重要意義。

本文針對平原河網(wǎng)地區(qū)某示范區(qū)的工業(yè)廢水和生活污水管網(wǎng)的主要泵站的外來水量開展了相關(guān)研究，主要分析了各重要泵站節(jié)點的全年水量平衡，并考察了常規(guī)工況、節(jié)假日工況、小雨工況及大雨工況等4種工況下的水量平衡，建立該市污水外排系統(tǒng)的旱天及雨天進(jìn)水水量平衡關(guān)系，從而進(jìn)一步分析旱季及雨季污水管網(wǎng)節(jié)點水量平衡關(guān)系和水量沿程變化規(guī)律，有助于判斷污水管網(wǎng)破損程度及城市管網(wǎng)維護。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

平原河網(wǎng)地區(qū)某市某示范區(qū)的污水管網(wǎng)平面如圖1所示，示范區(qū)面積約為186 km2，排水管線長約為7.6 km，設(shè)計污水量輸送規(guī)模為12萬 m3/d。重要泵站節(jié)點中，泵站1在上游，泵站2在中游，泵站3在下游，圓點為某示范區(qū)內(nèi)18家工業(yè)企業(yè)所處位置。

圖1 某示范區(qū)管網(wǎng)和重要泵站位置平面圖Fig.1 Schematic Diagram of the Location of Pipe Network and Important Pumping Station in the Demonstration Area

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)概述

(1)降雨數(shù)據(jù)

根據(jù)提供的資料，收集位于某示范區(qū)內(nèi)的某雨量站2018年的逐日降雨數(shù)據(jù)。

(2)河道水位數(shù)據(jù)

收集某示范區(qū)西北角某水文站2018年的逐日河道水位數(shù)據(jù)。

(3)污水管網(wǎng)數(shù)據(jù)

示范區(qū)內(nèi)的排污管線主要由1條由北至南的壓力管及兩側(cè)收集工業(yè)廢水的支管構(gòu)成。壓力管覆土深度約為1 m，管徑為DN600，直至泵站1。泵站1與泵站3之間的主干管為重力管，管徑由DN1000逐步增大到DN1800。

(4)泵站數(shù)據(jù)

主要收集圖1中3處泵站2018年的泵站運行數(shù)據(jù)。

(5)工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及資料收集，收集到某示范區(qū)內(nèi)18家工業(yè)企業(yè)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。18家企業(yè)主要以印染紡織企業(yè)為主(12家)，食品加工(3家)，造紙、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)、金屬工具制造各1家。

(6)其他邊界數(shù)據(jù)

為了對區(qū)域更為準(zhǔn)確地進(jìn)行水量平衡分析，同時，對示范區(qū)上游的生活污水、主干線上兩處主要的流量匯入，以及泵站1與泵站2之間的流量關(guān)系進(jìn)行界定與匡算。

1.3 研究方法

以2018年作為研究基準(zhǔn)年，以上述收集到的各類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對各重要泵站的工業(yè)廢水、生活污水、雨水及地下水進(jìn)行匡算并分析。外來水量衡算分析的步驟：確定水量關(guān)系；確定地下水入滲與河道水位的關(guān)系；估算晴天生活污水量；分析確定雨水入流與降雨量的關(guān)系；全年水量平衡分析。

地下水入滲水量計算首先采用晴天流量數(shù)據(jù)，排除降雨影響；定義0∶00～6∶00的最小流量為夜間最小流量，進(jìn)一步篩選晴天夜間最小流量，排除生活污水影響；最后扣除對應(yīng)時間段內(nèi)所有工業(yè)企業(yè)的排放量，記為地下水入滲的小時水量，乘以24得到每日地下水入滲量，如式(1)。

Q地下水入滲=Q晴天夜間最小流量-Q晴天夜間工業(yè)

(1)

生活污水水量計算采用晴天流量數(shù)據(jù)，排除降雨影響；扣除當(dāng)日所有工業(yè)企業(yè)排放量，排除工業(yè)企業(yè)水量；并扣除管段內(nèi)當(dāng)日地下水入滲量，即為當(dāng)日管段生活污水量，如式(2)。

Q生活污水=Q流量-Q工業(yè)-Q地下水

(2)

雨水入流水量計算采用雨天實際泵站流量，扣除晴天基流量，即為雨水入流的外來水量，如式(3)。

Q雨水入流=Q流量-Q晴天

(3)

1.4 工況說明

4種典型工況概況如表1所示。其中，2018年全年降雨天數(shù)為123 d，總降雨量為1 359.4 mm。常規(guī)工況以2018年10月29為例，該日前期干旱天數(shù)為7 d，當(dāng)日河道水位為2.94 m，無降雨情況。節(jié)假日工況以2018年10月3日為例，該日為國慶假期期間，且為晴天，河道水位為3.08 m。小雨工況以2018年12月25為例，該日為小雨，當(dāng)日降雨量為3 mm，河道水位為3.19 m。大雨工況以2018年8月16日為例,分析大雨工況下各水量平衡，該日為大雨，當(dāng)日降雨量為49 mm，河道水位為3.26 m。

表1 4種典型工況的概況Tab.1 Description of Four Typical Working Conditions

2 結(jié)果和討論

2.1 全年水量平衡

根據(jù)2018年重要泵站節(jié)點全年水量平衡分析結(jié)果，如表2所示。泵站1的2018年全年的總水量約為13 205 t，其中，工業(yè)廢水占比最高，約為76.4%，其次是地下水約占17%，生活污水及雨水占比較小。泵站2的2018年全年的總水量約為21 861 t，其中，工業(yè)廢水占比約為74.12%，地下水和生活污水較為接近各占16%和8.5%。泵站3全年總水量約為35 063 t，由于東方路和周安路生活污水匯入主干管，工業(yè)廢水占比進(jìn)一步下降占比不足60%，生活污水則上升至18%，地下水占23%。3個重要泵站節(jié)點全年雨水入流量很低。

表2 全年重要泵站節(jié)點水量衡算 (單位：t)Tab.2 Annual Water Balance at Important Pumping Station Node (Unit: t)

2.2 典型工況水量平衡

2.2.1 常規(guī)工況水量平衡

根據(jù)常規(guī)工況下水量平衡分析結(jié)果，重點泵站節(jié)點常規(guī)工況水量關(guān)系如圖2所示，泵站1總水量為43.8 t，主要以工業(yè)廢水為主，占比接近九成，地下水和生活污水占比較小，分別占9%和2%。泵站2總水量為65.5 t，各項水量比例與全年比例較為接近，工業(yè)廢水占比超過74%，地下水和生活污水各為12%和13%。泵站3泵站總水量為97.9 t，伴隨周安路及東方路泵站生活污水水量接入，工業(yè)廢水占比進(jìn)一步降低，約占62%，地下水和生活污水則分別升至約19%。

圖2 重要泵站節(jié)點常規(guī)工況水量關(guān)系圖Fig.2 Diagram of Water Flow at Key Pumping Station Nodes under Normal Working Conditions

2.2.2 節(jié)假日工況水量平衡

根據(jù)節(jié)假日工況下水量平衡分析結(jié)果，重點泵站節(jié)點節(jié)假日工況水量關(guān)系如圖3所示，泵站1總水量銳減至20.0 t，工業(yè)廢水、生活污水和地下水比例關(guān)系約為2∶1∶1。泵站2總水量為31.8 t，工業(yè)廢水占比接近41%，地下水和生活污水各為27%和32%。泵站3總水量為68.0 t，生活污水占比最高，約占42%，地下水占比相對較高，約占30%。

圖3 重要泵站節(jié)點節(jié)假日工況水量關(guān)系圖Fig.3 Diagram of Working Water Flow at Important Pumping Stations During Holidays

2.2.3 小雨工況水量分析

根據(jù)小雨工況下水量平衡分析結(jié)果，重點泵站節(jié)點小雨工況水量關(guān)系如圖4所示，泵站1總水量為43.9 t，由于雨量較小(3 mm)，雨水入流量占比為0.57%，工業(yè)廢水占比較高為90.28%，生活污水為0.35%，地下水占比為8.8%。泵站2總水量為60.0 t，工業(yè)廢水占比較高，約占82.7%，生活污水及地下水占比分別為4.6%和12.1%，雨水入流量占比較小，不到1%。泵站3總水量為103.9 t，該段地下水及生活污水占比有較大幅度提高，均超過18%，雨水入流量占比仍非常低，不足1%。

圖4 重點泵站節(jié)點小雨工況水量關(guān)系圖Fig.4 Diagram of Water Flow in Light Rain Condition at Key Pumping Stations

圖5 重點泵站節(jié)點大雨工況水量關(guān)系圖Fig.5 Diagram of Water Flow in Heavy Rain Condition at Key Pumping Stations

2.2.4 大雨工況水量分析

根據(jù)大雨工況下水量平衡分析結(jié)果，重點泵站節(jié)點大雨工況水量關(guān)系如圖5所示，泵站1總水量為34.8 t，大雨工況下雨量較大(49 mm)，雨水占比較高，接近10%。地下水比例較為穩(wěn)定，仍約為8%，工業(yè)廢水占比有一定比例下降。泵站2總水量為63 t，地下水占比約為11%，而雨水占比接近12%。泵站3的工業(yè)廢水占比為60.1%，雨水占比約為10%，地下水約為20%。

2.3 比較分析

2.3.1 不同工況比較

根據(jù)水量平衡分析結(jié)果，小雨工況下降雨量為3 mm，雨量較小，小雨工況對示范區(qū)管網(wǎng)影響較小，3個重要泵站節(jié)點水量平衡與常規(guī)工況下基本一致。大雨工況下，雨量較大(49 mm)，雨水占比較高，接近10%，地下水比例較為穩(wěn)定，仍約為8%，工業(yè)廢水占比有一定比例下降。此結(jié)論與董魯燕等[16]利用在線監(jiān)測和模擬計算對污水管道的雨水入流和入滲分析結(jié)論一致，降雨發(fā)生時系統(tǒng)污水量明顯增加，系統(tǒng)存在直接入流或快速入滲現(xiàn)象。大雨工況下水量總量相對于常規(guī)工況下有所減少，可能是因為大雨情況下減少為示范區(qū)上游接入點管道溢流而進(jìn)行泵站調(diào)度提前預(yù)排。

常規(guī)工況和節(jié)假日工況下，分別選擇晴天，污水管網(wǎng)沒有雨水滲入。節(jié)假日工況下總水量急劇減少，約為常規(guī)工況下的一半，可能是因為節(jié)假日工業(yè)企業(yè)停工或減產(chǎn)導(dǎo)致工業(yè)廢水急劇減少，管網(wǎng)輸送流量小于常規(guī)工況，且流速較小充滿度較低。常規(guī)工況下，污水管網(wǎng)水量以工業(yè)廢水為主，約占60%～80%；而節(jié)假日工況下工業(yè)廢水占比急劇下降，約占40%～60%，地下水和生活污水比例急劇上升，地下水占比可高達(dá)30%。

2.3.2 沿程變化分析

3個重要泵站節(jié)點沿程工業(yè)廢水占比不斷減少。工業(yè)廢水占比在泵站1比例很高，工業(yè)企業(yè)正常生產(chǎn)情況下，約為80%～90%，主要是因為示范區(qū)為工業(yè)企業(yè)示范區(qū)，泵站1前的污水管網(wǎng)收集的污水主要為工業(yè)廢水。由于兩處支管生活污水的混入，泵站3的工業(yè)廢水占比進(jìn)一步下降，不足60%。

根據(jù)水量平衡分析，沿程3個重要泵站節(jié)點的生活污水比例逐漸升高。在工業(yè)企業(yè)正常生產(chǎn)的情況下，泵站1的生活污水占比非常小，低于2%。隨著泵站3前有兩處生活污水支管混入污水管網(wǎng)，泵站3的生活污水比例進(jìn)一步上升。

根據(jù)水量平衡分析結(jié)果，沿程3個重要泵站地下水占比有所上升，可能是由于超齡服役、管道材質(zhì)等導(dǎo)致泵站2到泵站3之間地下水滲入較為嚴(yán)重。

2.4 工程應(yīng)對措施

排水管道地下水滲入量是地下水通過管道和檢查井等附屬構(gòu)筑物的不嚴(yán)密處滲入排水管道的水量。南方地下水位常年較高，排水管道由于超齡服役、管道材質(zhì)差、施工工藝落后等，導(dǎo)致地下水滲入較為嚴(yán)重。隨著管道使用壽命的延長，管道各種因素會導(dǎo)致管道損耗而使得管道的地下水滲入量增加，污水處理廠處理的污水量增加，造成工程的投資費用和工程費用都有很大的提高。因此，應(yīng)盡可能降低管道的地下水滲入量。

控制排水系統(tǒng)地下水的過量滲入，通過污水管網(wǎng)上下游的水量衡算，可以判斷污水管網(wǎng)外來水入流點的主要管段位置，通過分布式光纖測溫技術(shù)可以進(jìn)一步判定外來水量入流點的位置。地下水滲入大的主要管段從采用符合技術(shù)發(fā)展趨勢的新的管材、窨井，同時，改善現(xiàn)有管道系統(tǒng)的維護管理，經(jīng)過光纖測溫判定的外來水量流入點位置進(jìn)行檢測，對損壞嚴(yán)重的管道進(jìn)行修復(fù)。新的管材、窨井必須限期實現(xiàn)接口柔性化。加強管道系統(tǒng)的管理要從注重基礎(chǔ)資料收集、完善管道使用、養(yǎng)護狀況的檔案記錄開始。外來水量滲入量大的管段對管道狀況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查采取一定的工程措施。同時，對管齡超過40年的管道需要逐步落實滲入量實測與管道狀況詳細(xì)調(diào)查。

3 結(jié)論

(1)通過不同工況下以及全年的水量平衡分析，可對污水管網(wǎng)地下水入滲、雨水入流等外來水量定量評估；在常規(guī)工況下，重要泵站節(jié)點以工業(yè)廢水為主，約占60%～80%；地下水為10%～20%；節(jié)假日工況下，工業(yè)廢水占比急劇下降，約占40%～60%，地下水占比可高達(dá)30%；大雨情況下，由于存在雨水直接入流或者快速入滲現(xiàn)象，導(dǎo)致雨水占比明顯高于小雨工況，雨水占比為10%；

(2)通過對關(guān)鍵節(jié)點地下水入滲、雨水入流等外來水量的占比分析，指導(dǎo)本區(qū)域排水污水管網(wǎng)聯(lián)調(diào)聯(lián)控，從而保障下游污水處理廠的穩(wěn)定運行；

(3)通過污水管網(wǎng)上下游的水量衡算，可以輔助判斷污水管網(wǎng)外來水入流點的主要管段位置，結(jié)合分布式光纖測溫技術(shù)可以進(jìn)一步準(zhǔn)確判定外來水量入流點的位置。