汪天祥，閆 超，陳德業(yè)，肖許沐，謝海旗

（1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610；2.大連理工大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124221）

0 引言

當(dāng)前我國城鎮(zhèn)化率達(dá)到60%，預(yù)計(jì)2030年將達(dá)到70%。城鎮(zhèn)河道水質(zhì)差，污水廠能效低成為我國城鎮(zhèn)水環(huán)境的突出問題[1，2]。隨著“水十條”、最嚴(yán)格水資源管理制度、《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案（2019—2021年）》等文件出臺(tái)，需逐步轉(zhuǎn)變觀念，將水資源量與水環(huán)境容量作為城鎮(zhèn)化發(fā)展的剛性約束條件。城鎮(zhèn)水環(huán)境問題實(shí)際是用排水污染與河道等水體環(huán)境容量相匹配的問題，其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是將源頭用水戶的污水通過污水管網(wǎng)輸送至污水廠、一體化等末端處理系統(tǒng)[3-5]。由于城鎮(zhèn)化發(fā)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，各時(shí)期的環(huán)保意識(shí)、設(shè)計(jì)理念、管理角度也逐步轉(zhuǎn)變優(yōu)化，因此，多數(shù)城鎮(zhèn)的污水管網(wǎng)存在排水體制混亂，雨污管網(wǎng)錯(cuò)混接、破損、淤堵等問題就凸顯出來[6]。污水管網(wǎng)的傳輸功能沒有充分發(fā)揮，使得源頭排水戶的污水沒有進(jìn)入污水管而是通過其他途徑進(jìn)入水體，直接污染河道；河水、地下水、山水等進(jìn)入污水管網(wǎng)擠占污水空間，甚至造成“清水入網(wǎng)，污水入河”的情況，對(duì)于管網(wǎng)系統(tǒng)而言就表現(xiàn)為高水位運(yùn)行。

下面從城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)高水位運(yùn)行帶來的環(huán)境影響、影響管網(wǎng)高水位的因素、診斷方法等方面對(duì)城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)高水位運(yùn)行進(jìn)行研究，為提升污水管網(wǎng)有效輸送能力，基本實(shí)現(xiàn)“污水入網(wǎng)，清水入河”，提升污水處理能效提供參考。

1 污水管網(wǎng)高水位工況分類與環(huán)境影響

1.1 分類

根據(jù)不同的污水管管徑大小，設(shè)計(jì)規(guī)范要求的充滿度通常在0.55～0.75之間，當(dāng)管段充滿度大于設(shè)計(jì)充滿度時(shí)即是高水位運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)重的會(huì)存在滿管、滿井甚至溢流的情況。分析認(rèn)為，造成城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)高水位運(yùn)行的根本原因是管網(wǎng)系統(tǒng)異常或外水進(jìn)入管網(wǎng)。

根據(jù)造成高水位運(yùn)行的不同成因，可將高水位運(yùn)行分為三類。第一類，管網(wǎng)系統(tǒng)的排水體制混亂、錯(cuò)混接、滲漏等問題導(dǎo)致外部的河水、地下水、雨水、其他外水等通過各類排口大量進(jìn)入管網(wǎng)系統(tǒng)，造成污水管網(wǎng)高水位運(yùn)行工況，排擠了原有的污水輸送空間。管網(wǎng)系統(tǒng)的污水傳輸功效未能充分發(fā)揮，造成了“清水入網(wǎng)，污水入河”狀態(tài)，不僅降低了污水廠進(jìn)廠濃度，且未能進(jìn)入管網(wǎng)的污水也通過各種途徑進(jìn)入河道，降低河道水環(huán)境質(zhì)量。第二類，管網(wǎng)系統(tǒng)的淤堵、設(shè)計(jì)管徑偏小、逆坡管、斷頭管等，導(dǎo)致進(jìn)入管網(wǎng)的污水沒有出路或過流能力不夠，從而超過設(shè)計(jì)充滿度，出現(xiàn)高水位工況。第三類，河道取水、施工降水、市政漏水等管理因素導(dǎo)致的管網(wǎng)高水位。

1.2 對(duì)污水廠的影響

第一類與第三類污水管網(wǎng)高水位工況，會(huì)導(dǎo)致低濃度的外水?dāng)D占污水管網(wǎng)空間，不僅直接降低了污水廠污水進(jìn)廠濃度，還使得高水位下游管段高濃度的污水難以進(jìn)入污水管網(wǎng)，降低了污水管網(wǎng)的有效收集率。使得污水廠能效沒有充分發(fā)揮，污水廠納污范圍內(nèi)的污染負(fù)荷沒有得到有效削減，相應(yīng)的河道水環(huán)境質(zhì)量也難以達(dá)到預(yù)期。第二類污水管網(wǎng)高水位工況主要對(duì)局部區(qū)域的排水單元污水收集產(chǎn)生影響，導(dǎo)致局部區(qū)域污水無法輸送至污水廠。調(diào)查顯示，南方某市污水廠管網(wǎng)高水位運(yùn)行下使1月份的負(fù)荷率為96%，污水進(jìn)廠濃度COD為117 mg/L、BOD為64.6 mg/L、氨氮為15.7 mg/L、總磷為1.99 mg/L，遠(yuǎn)小于污水廠進(jìn)廠濃度設(shè)計(jì)值。在負(fù)荷率基本達(dá)標(biāo)的情況下，出現(xiàn)進(jìn)廠濃度大幅度小于設(shè)計(jì)工況，意味著污水廠實(shí)際處理的污水非常少。按照進(jìn)廠濃度進(jìn)行估算，約64%的外水進(jìn)入管網(wǎng)，污水廠處理的污水僅占實(shí)際處理量的36%。因此，污水管網(wǎng)高水位運(yùn)行是制約污水廠能效的重要因素。

1.3 對(duì)河涌環(huán)境的影響

高水位工況不僅會(huì)導(dǎo)致污水廠進(jìn)廠濃度低，本應(yīng)進(jìn)廠的污水也會(huì)通過排污口、拍門、截流井、雨水管、合流管、明渠、暗渠等各種途徑溢流至河道，降低河涌環(huán)境。晴天、雨天時(shí)，第二類、第三類高水位工況，均是由于下游管段高水位或滿段導(dǎo)致上游管段或匯入支管形成頂托，從而外溢至河涌。但對(duì)于第一類高水位工況，不僅會(huì)受到高水位頂托影響，還會(huì)受到外水倒灌攜帶污水進(jìn)入河道的影響。由于管網(wǎng)系統(tǒng)混亂，污水在污水管、雨水管、合流管內(nèi)亂流、混流，并在管網(wǎng)內(nèi)續(xù)存了大量污水。雨天洪水時(shí)，外江或內(nèi)江水位會(huì)高于截流井、拍門、雨水口等管網(wǎng)終端出口，河水從終端出口涌入管網(wǎng)，不僅導(dǎo)致大量河水帶進(jìn)管網(wǎng)，同時(shí)也把管道內(nèi)的污水?dāng)y帶至河道。此外，集水范圍內(nèi)的雨水通過雨水篦、合流管等進(jìn)入管網(wǎng)系統(tǒng)，把雨水帶入污水管網(wǎng)的同時(shí)，在交互作用的影響下也將管道內(nèi)的污水?dāng)y帶至進(jìn)內(nèi)河涌。對(duì)于沿海河口區(qū)域，潮汐作用下的高潮位也能產(chǎn)生類似雨天洪水的影響。調(diào)查顯示，南方某市由于管網(wǎng)系統(tǒng)異常，在已采取排污口截污工程無污水直排的背景下，長期高水位運(yùn)行，晴雨天的氨氮、總磷均為劣V類水質(zhì)。

2 污水管網(wǎng)高水位運(yùn)行的影響因素

2.1 管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部影響因素

2.1.1 排水體制

排水體制有分流制和合流制兩種。分流制建有雨水和污水兩套獨(dú)立管網(wǎng)系統(tǒng)，污水管網(wǎng)收集生活、生產(chǎn)污水，輸送至污水處理廠，經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排放或利用。雨水管道匯集雨水和允許入河的工業(yè)廢水，就近排入水體。分流制優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)廠濃度高、河涌環(huán)境影響?。蝗秉c(diǎn)是無法控制初雨污染，且地下空間利用率低。合流制是將城市污水和雨水混合在同一管網(wǎng)系統(tǒng)，在工程實(shí)踐應(yīng)用中，常采用截流式合流制，即在現(xiàn)有合流制排水系統(tǒng)的排污口處設(shè)置截流井，并建造1條截流干管，在晴天和初雨時(shí)，將所有污水和初期雨水都截流入污水處理廠，經(jīng)處理后排入水體。當(dāng)雨量增加，混合污水的流量超過截流干管的輸水能力后，將有部分混合污水經(jīng)溢流井溢出，直排水體。分流制和合流制都有其適用環(huán)境，本身并不會(huì)突出高水位問題。

實(shí)際上，我國多數(shù)城鎮(zhèn)初期只建有一套合流管，后續(xù)逐步新建一套污水管，在市政路上初步形成雨污兩套管網(wǎng)系統(tǒng)。由于歷史問題存在大量非法排污口，排口整改時(shí)采用截流井或檢查井就近接入合流管、污水管，且部分河道實(shí)際上承擔(dān)“合流管”功能。最終形成了分流制、合流制、截流式合流制共存及管網(wǎng)河道連通的“亂流制”，加上源頭排水單元的雨污分流改造不徹底，使得雨污水在“亂流制”管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)亂流?！皝y流制”排水體制直接改變了原設(shè)計(jì)工況與功能，導(dǎo)致管網(wǎng)的污水或清水輸送性能不明確，是影響晴雨天城鎮(zhèn)污水管高水位運(yùn)行根本所在。

2.1.2 管網(wǎng)錯(cuò)混接

雨水、污水、合流管網(wǎng)系統(tǒng)通過排口、截流井與河道、暗渠異常連通，給雨水、污水亂流提供了條件，河水、地下水、山水、其他排水等外水通過各類管網(wǎng)的末端排口進(jìn)入三大管網(wǎng)系統(tǒng)，使得管網(wǎng)系統(tǒng)功能紊亂。只要有外水進(jìn)入任一個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)，都有可能間接進(jìn)入污水管網(wǎng)系統(tǒng)，令污水管網(wǎng)系統(tǒng)處于非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，造成污水管網(wǎng)高水位運(yùn)行工況。典型錯(cuò)混接情況如表1所示，對(duì)管網(wǎng)錯(cuò)混接需賦予管網(wǎng)明確的雨水、污水或雨污水傳輸功能，然后對(duì)雨污水錯(cuò)混接進(jìn)行診斷與修復(fù)，從而建立相對(duì)獨(dú)立的雨污水系統(tǒng)，保障“清水入河，污水進(jìn)廠”，有效改善第一類高水位工況。

表1 管網(wǎng)錯(cuò)混接類型及其高水位影響

2.1.3 污水管網(wǎng)缺陷

城鎮(zhèn)部分污水管網(wǎng)由于建設(shè)時(shí)間長，存在破損、淤堵、變形等情況。管網(wǎng)破損不僅會(huì)導(dǎo)致污水滲漏，對(duì)于地下水位高的區(qū)域也容易滲入地下水，引發(fā)污水管網(wǎng)高水位工況（第一類）。管網(wǎng)局部淤堵導(dǎo)致管道內(nèi)的污水逐漸蓄積在污水管，或部分由于設(shè)計(jì)、施工、規(guī)劃變更、運(yùn)行等因素，局部存在斷頭管、逆坡管、小管徑管、變形管等因素，會(huì)導(dǎo)致污水無出處或過流能力不足導(dǎo)致污水管網(wǎng)高水位工況（第二類）。

2.2 自然-人工外部影響因素

2.2.1 水文氣象

管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的錯(cuò)混接與缺陷，給外水進(jìn)入污水管網(wǎng)提供了基礎(chǔ)條件。外部的水文氣象條件是第一類污水管網(wǎng)高水位的驅(qū)動(dòng)因素，主要有以下幾個(gè)方面：雨天河道（暗渠）水位上漲，出現(xiàn)截流井、排口管底標(biāo)高低于洪水位情況時(shí)，河道水通過截流井、排口倒灌進(jìn)入污水管網(wǎng)系統(tǒng)，直接抬高污水管網(wǎng)水位；雨天時(shí)，地表徑流、天面水通過雨水管、合流管進(jìn)入污水系統(tǒng)，亂流至污水管，形成管網(wǎng)高水位；山水進(jìn)入雨水管后亂流至污水管，提升污水管網(wǎng)水位；沿海地區(qū)在潮汐作用下，高潮位時(shí)，河道水通過截流井、排口倒灌進(jìn)入污水管網(wǎng)系統(tǒng)，直接抬高污水管網(wǎng)水位；部分地下水位高區(qū)域，地下水滲漏管網(wǎng)也能抬高管網(wǎng)水位，對(duì)于管網(wǎng)破損管段，滲入量更大，從而抬高污水管網(wǎng)水位。

2.2.2 管網(wǎng)管理

管網(wǎng)管理也是造成第三類污水管網(wǎng)高水位的因素之一。在污水管網(wǎng)系統(tǒng)不完善時(shí)，源頭排水戶的污水無法通過管網(wǎng)輸送至污水廠，部分污水廠尤其是BOT模式運(yùn)營的污水廠為保障污水處理負(fù)荷，存在河道總口取水的情況，從而成為部分管段高水位的影響因素。此外，施工降水、市政漏水、違規(guī)餐飲污水通過雨水篦進(jìn)入管網(wǎng)等，在管網(wǎng)合流制、亂流制的背景下，也會(huì)造成部分管網(wǎng)高水位狀態(tài)。

3 污水管網(wǎng)高水位運(yùn)行IHW診斷

3.1 方法

污水管網(wǎng)高水位工況由外水進(jìn)入和管網(wǎng)系統(tǒng)自身兩大因素造成。污水管網(wǎng)是連接排水單元與污水廠污水傳輸系統(tǒng)，通過接戶管、次支管、主干管分層級(jí)、分片區(qū)地傳輸至污水廠及截流口等終端出口。根據(jù)管網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)，本文提出IHW（逆序水力水質(zhì)）診斷方法，如圖1所示，圖中H0～H4為各檢查井水位，C0～C4為各檢查井水質(zhì)，D0～D4為各檢查井流向。

圖1 污水管網(wǎng)高水位IHW診斷方法

I：逆序，從管網(wǎng)系統(tǒng)終端（污水提升泵站、截流井等）往上溯排查診斷管網(wǎng)內(nèi)部與外部問題。為加快診斷，可采用1/2法進(jìn)行排查，即從管網(wǎng)終點(diǎn)到1/2點(diǎn)位，1/2點(diǎn)位到起點(diǎn)進(jìn)行排查，若其中一段無問題則可減少工作量。

H：水力，檢測檢查井水位與流向，判斷污水管段是否具備污水輸送能力。若水位、流向基本正常，表示該管段基本具備污水輸送能力；若上游管段水位低于下游管段水位或流向異常，表示該管段有外水進(jìn)入或淤堵、泵站前池倒灌，需結(jié)合泵站前池水位或CCTV與QV排查管段異常。

W：水質(zhì)，檢測檢測井水質(zhì)，視實(shí)際情況選擇pH、COD、BOD、氨氮、總磷、氯離子、電導(dǎo)率、氧化還原電位等水質(zhì)指標(biāo)，若檢測水質(zhì)大致等同于污水廠設(shè)計(jì)進(jìn)水濃度或區(qū)域綜合污水濃度，結(jié)合水力檢測，則可研判無外水進(jìn)入管網(wǎng)；若水質(zhì)低于設(shè)計(jì)進(jìn)水濃度或區(qū)域綜合污水濃度，結(jié)合水力檢測，則基本研判有河水、山水、地下水等清水進(jìn)入管網(wǎng)。若水質(zhì)高于設(shè)計(jì)進(jìn)水濃度或區(qū)域綜合污水濃度，結(jié)合水力檢測，則研判有超標(biāo)工業(yè)廢水進(jìn)入管網(wǎng)。

實(shí)際操作診斷如圖1所示，檢測下游檢查井相連的上游檢測井，從H0到H1，H2，H3，H4（各檢查井水位），根據(jù)水力、水質(zhì)檢測信息判斷哪個(gè)方向的管段出現(xiàn)異常，必要時(shí)結(jié)合QV與CCTV檢測找出管網(wǎng)異常點(diǎn)，并形成問題清單，為后續(xù)“一管一策”提供基礎(chǔ)。

3.2 步驟

污水管網(wǎng)高水位運(yùn)行根本上是各級(jí)、各片區(qū)傳輸過程中出現(xiàn)的問題，最終都反映到終端節(jié)點(diǎn)。在進(jìn)行排查時(shí)，建議按照系統(tǒng)到局部、從外因到內(nèi)因、從下游到上游的排查方式，首先以污水廠進(jìn)水前池為整個(gè)污水管網(wǎng)系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)，分析整個(gè)終端主干管網(wǎng)的水位狀態(tài)，若處于高水位，排查收水口是否過量收水，若收水口正常，可采取短暫關(guān)閉收水口，觀察終端主干管網(wǎng)水位是否下降，若下降，則收水口過量取水是因素之一，還需配合水質(zhì)監(jiān)測進(jìn)行分析；若無下降，則表明為其他綜合因素，需進(jìn)一步排查。然后以主要次支干管或者提升泵站為終端節(jié)點(diǎn)，分析次支干管高水位運(yùn)行因素。最后根據(jù)洪水位、潮水位、排扣規(guī)模等以截留井、排扣為終端節(jié)點(diǎn)，摸查局部片區(qū)高水位問題。通過系統(tǒng)、片區(qū)逐步核查，形成問題清單，制定“一管一策”方案。

3.3 修復(fù)思路

城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)高水位的根本問題是管網(wǎng)系統(tǒng)與管理紊亂形成的“亂流制”，導(dǎo)致“清水進(jìn)網(wǎng)，污水入河”，因此，污水管網(wǎng)高水位的修復(fù)總體思路是通過排查管網(wǎng)系統(tǒng)問題，打通雨水、污水兩套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“污水進(jìn)網(wǎng)，清水入河”，根據(jù)不同管網(wǎng)系統(tǒng)問題采取不同對(duì)策進(jìn)行修復(fù)。