馬翠香，王榮昌,*，曾 旭，成志軒，楊 揚(yáng)

(1. 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.丹華水利環(huán)境技術(shù)〈上?！涤邢薰?，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(lái)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(duì)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(jì)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(guò)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(shí)使得進(jìn)水污染物濃度降低，會(huì)增加污水處理廠、泵站的運(yùn)行費(fèi)用，降低處理效率[4]。

隨著國(guó)內(nèi)大城市污水處理率的逐漸提高，國(guó)內(nèi)對(duì)管道系統(tǒng)的地下水入滲問(wèn)題目益關(guān)注，特別是平原河網(wǎng)高地下水位地區(qū)。開(kāi)展地下水滲入/流入量等外來(lái)水量及污水管網(wǎng)破損等情況的研究是一項(xiàng)迫切的任務(wù)，目前國(guó)內(nèi)外已對(duì)此做過(guò)較多研究[5-15]，對(duì)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(duì)于提高污水管網(wǎng)的運(yùn)行效率具有重要意義。

本文針對(duì)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(lái)水量開(kāi)展了相關(guān)研究，主要分析了各重要泵站節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(hù)。

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(zhǎng)約為7.6 km，設(shè)計(jì)污水量輸送規(guī)模為12萬(wàn) m3/d。重要泵站節(jié)點(diǎn)中，泵站1在上游，泵站2在中游，泵站3在下游，圓點(diǎn)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(yùn)行數(shù)據(jù)。

(5)工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(duì)區(qū)域更為準(zhǔn)確地進(jìn)行水量平衡分析，同時(shí)，對(duì)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(duì)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(lái)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(jì)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(duì)應(yīng)時(shí)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(shí)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(jì)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(jì)算采用雨天實(shí)際泵站流量，扣除晴天基流量，即為雨水入流的外來(lái)水量，如式(3)。

Q雨水入流=Q流量-Q晴天

(3)

1.4 工況說(shuō)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(wú)降雨情況。節(jié)假日工況以2018年10月3日為例，該日為國(guó)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(diǎn)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(gè)重要泵站節(jié)點(diǎn)全年雨水入流量很低。

表2 全年重要泵站節(jié)點(diǎn)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(diǎn)泵站節(jié)點(diǎn)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(xiàng)水量比例與全年比例較為接近，工業(yè)廢水占比超過(guò)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(diǎn)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(diǎn)泵站節(jié)點(diǎn)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(duì)較高，約占30%。

圖3 重要泵站節(jié)點(diǎn)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(diǎn)泵站節(jié)點(diǎn)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(guò)18%，雨水入流量占比仍非常低，不足1%。

圖4 重點(diǎn)泵站節(jié)點(diǎn)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(diǎn)泵站節(jié)點(diǎn)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(diǎn)泵站節(jié)點(diǎn)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(duì)示范區(qū)管網(wǎng)影響較小，3個(gè)重要泵站節(jié)點(diǎn)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(cè)和模擬計(jì)算對(duì)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(shí)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(duì)于常規(guī)工況下有所減少，可能是因?yàn)榇笥昵闆r下減少為示范區(qū)上游接入點(diǎn)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(méi)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?yàn)楣?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(gè)重要泵站節(jié)點(diǎn)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?yàn)槭痉秴^(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(gè)重要泵站節(jié)點(diǎn)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(gè)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(duì)措施

排水管道地下水滲入量是地下水通過(guò)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(zhǎng)，管道各種因素會(huì)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(fèi)用和工程費(fèi)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(guò)量滲入，通過(guò)污水管網(wǎng)上下游的水量衡算，可以判斷污水管網(wǎng)外來(lái)水入流點(diǎn)的主要管段位置，通過(guò)分布式光纖測(cè)溫技術(shù)可以進(jìn)一步判定外來(lái)水量入流點(diǎn)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(shì)的新的管材、窨井，同時(shí)，改善現(xiàn)有管道系統(tǒng)的維護(hù)管理，經(jīng)過(guò)光纖測(cè)溫判定的外來(lái)水量流入點(diǎn)位置進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)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(shí)現(xiàn)接口柔性化。加強(qiáng)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(hù)狀況的檔案記錄開(kāi)始。外來(lái)水量滲入量大的管段對(duì)管道狀況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查采取一定的工程措施。同時(shí)，對(duì)管齡超過(guò)40年的管道需要逐步落實(shí)滲入量實(shí)測(cè)與管道狀況詳細(xì)調(diào)查。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)不同工況下以及全年的水量平衡分析，可對(duì)污水管網(wǎng)地下水入滲、雨水入流等外來(lái)水量定量評(píng)估；在常規(guī)工況下，重要泵站節(jié)點(diǎn)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(guò)對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)地下水入滲、雨水入流等外來(lái)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(yùn)行；

(3)通過(guò)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(lái)水入流點(diǎn)的主要管段位置，結(jié)合分布式光纖測(cè)溫技術(shù)可以進(jìn)一步準(zhǔn)確判定外來(lái)水量入流點(diǎn)的位置。