黃榮敏，張 浩，成浩科，劉 卡，張愛紅，丁 睿，郭 帥

(1. 長江生態(tài)環(huán)保集團有限公司，湖北 武漢 430062； 2. 合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，我國城市基礎設施尤其是排水系統(tǒng)建設，在質(zhì)和量的方面都有了長足的進步。2020 年我國城市建成區(qū)排水管網(wǎng)長80.3 萬 km，管道密度為11.1 km/km2，城市污水處理廠數(shù)量為2 618 座，城市污水處理率達到97.53%[1]。但隨著國家高質(zhì)量發(fā)展不斷深入，我國排水系統(tǒng)短板依然明顯，在運行效率和質(zhì)量方面都存在較大的優(yōu)化空間[2]。特別是在以長江生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)為主要目標的長江大保護戰(zhàn)略開展過程中，補齊城鎮(zhèn)污水收集和處理設施短板、實施污水處理提質(zhì)增效，不僅是推進城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)高質(zhì)量運行的關鍵任務，更是消滅黑臭水體、提升水環(huán)境質(zhì)量的關鍵步驟[3-4]。

基于《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案》的要求，在圍繞排水片區(qū)實施“一廠一策”的系統(tǒng)化整治過程中，排水管網(wǎng)中雨水、地下水等外來水的入流入滲是降低排水系統(tǒng)輸送和處理效率，造成污水處理廠水質(zhì)稀釋，甚至污水溢流污染的重要因素[5]。因此，準確評估排水系統(tǒng)外來水狀況，是制定具體排水系統(tǒng)整治措施、提升管網(wǎng)系統(tǒng)健康度、實現(xiàn)提質(zhì)增效和水環(huán)境治理目標的關鍵工作[6-7]。針對長江流域某片區(qū)污水處理廠進水水量大、水質(zhì)低的狀況，在實地調(diào)查的基礎上，基于經(jīng)驗值法、現(xiàn)場實測法、水質(zhì)特征因子法和旱雨天對比等方法，評估典型旱、雨天情景下片區(qū)排污系統(tǒng)中地下水和雨水入流入滲量，為后續(xù)提質(zhì)增效工程的目標制定和效果評估提供依據(jù)，并為排水系統(tǒng)的日常運維提供參考。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于長江下游某沿江城市，某污水處理廠的服務面積約90 km2，地勢平坦，屬亞熱帶季風氣候，多年平均降雨量1 227 mm。區(qū)域內(nèi)水資源豐富，地下水位較高，普遍位于地面下1.00~1.25 m。用地類型以工業(yè)用地為主，以及較少的居住用地和待開發(fā)地塊。圖1 為片區(qū)污水系統(tǒng)示意，片區(qū)管網(wǎng)為雨污分流制，雨水管線總長266.14 km，污水管線總長150.75 km，污水干管沿程設有4 座提升泵站，污水最終匯入片區(qū)最北端的污水處理廠，根據(jù)泵站和水廠的相對位置，可將片區(qū)劃分為5 個子匯水區(qū)。

圖1 研究區(qū)域污水排水系統(tǒng)和子匯水區(qū)劃分Fig. 1 Sewer system and sub-catchments of study catchments

污水處理廠一期設計處理能力為6 萬m3/d，設計進水水質(zhì)為化學需氧量（COD）400 mg/L、氨氮30 mg/L、總氮40 mg/L、總磷4 mg/L，出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中的一級A 標準。2018 年前由于片區(qū)內(nèi)管網(wǎng)建設滯后，僅主要收集了子匯水區(qū)⑤內(nèi)的污水，污水處理廠日均進水量不到1 萬m3/d，未能實現(xiàn)片區(qū)內(nèi)污水的全面收集和處理，經(jīng)多年完善后最終形成了當前的排水體系。

2 問題分析

前期經(jīng)過系統(tǒng)性污水納網(wǎng)整治后，片區(qū)污水收集量明顯上升，但水量和水質(zhì)方面仍存在問題，這表明片區(qū)排水系統(tǒng)運行管理的重心應由提升污水納網(wǎng)水平轉(zhuǎn)移至進一步提質(zhì)增效。具體問題體現(xiàn)在：

（1）污水廠進水量過大，管網(wǎng)水位偏高。圖2 為片區(qū)污水處理廠2018 年1 月至2020 年12 月的進水流量，由于片區(qū)內(nèi)新建主干管陸續(xù)投用（如箭頭①~③所示），污水處理廠進水量由2018 年的日均1.29 萬m3/d，提升至2020 年的日均3.77 萬m3/d，超過了2020 年片區(qū)范圍內(nèi)的用水戶3.24 萬m3/d 的日均用水量，這表明水廠進水包含了較大比例的外來水量。調(diào)查發(fā)現(xiàn)片區(qū)污水管網(wǎng)滿水管段合計占比超過污水管線總長的50%，整個片區(qū)污水系統(tǒng)長期處于高水位運行狀態(tài)。這說明片區(qū)管網(wǎng)存在普遍的外來水入侵，造成排水系統(tǒng)運行不暢。

圖2 污水處理廠進水量Fig. 2 Influent flow of the wastewater treatment plant

（2）污水處理廠進水濃度長期偏低。圖3 為片區(qū)污水處理廠2018 年1 月至2020 年12 月的進水水質(zhì)情況，其中進水COD 下降明顯，由2018 年的平均97 mg/L 降至2020 年的平均57 mg/L。結(jié)合水廠進水量同步上升的趨勢，可以看出隨著片區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)的完善，污水收集量提升的同時，也將更多外來水量納入了排水系統(tǒng)。從管道敷設條件看，因片區(qū)污水泵站較少，很多明挖施工和頂管施工的管段埋深較大（主干管為6.5~8.0 m），位于滲透系數(shù)較大的雜填土與素填土層內(nèi)，且處于地下水位線以下，建成管段易受地下水入滲影響而降低污水濃度。

圖3 污水處理廠進水水質(zhì)Fig. 3 Influent water quality of the wastewater treatment plant

為推進片區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)的綜合治理，該市于2019 年開展了污水系統(tǒng)提質(zhì)增效項目，對管網(wǎng)整體外來水入侵狀況進行預診斷與評估將是項目的重要前置任務，可為管網(wǎng)整治修復工作的績效評估提供參考，也可為排水系統(tǒng)日常運維提供指導。

3 片區(qū)外來水入侵狀況評估

排水系統(tǒng)外來水來源一般有地下水、地面雨水徑流、河湖倒灌水、自來水漏損和基坑排水等[5]。由于研究片區(qū)為雨污分流制，且實施過雨污混接整治，因此基本排除河湖倒灌因素。另外，自來水漏損、基坑排水等不是持續(xù)性的外來水源，并且在片區(qū)整治過程中已對現(xiàn)存的基坑排水進行了控制（禁止排放至污水管道），因此地下水入滲和雨天時地面雨水徑流是本片區(qū)排水系統(tǒng)外來水的主要來源。

3.1 旱天地下水入滲量評估

3.1.1 經(jīng)驗值法 經(jīng)驗值法是指為便于排水系統(tǒng)的設計規(guī)劃，相關單位對代表性排水管道的地下水入滲量進行實地測量，然后評估得到管道外來水入滲量估算指標，以供評估時參考。在進行管道實際水量水質(zhì)調(diào)查前，經(jīng)驗值法是了解片區(qū)外來水總體狀況最直接有效的辦法。馮杭華等[7-8]對上海市10 條典型管道和居民小區(qū)管道的外來水入滲量進行了實地測量，確定排水片區(qū)的外來水量可取原生污水總量的10%~20%，或按單位管長50~75 m3/(km·d)計，當管齡長、埋深大且為流沙地質(zhì)時，應采用指標上限?！妒彝馀潘O計標準》（GB 50014—2021）中也根據(jù)國內(nèi)外研究提供了相應的經(jīng)驗指標范圍，如表1 所示。

表1 根據(jù)經(jīng)驗值法確定片區(qū)地下水入滲量Tab. 1 Groundwater infiltration amount of the catchment analyzed by the empirical value

研究片區(qū)2021 年日均用水量為3.6 萬m3/d，污水排放系數(shù)取0.85，由此得到理論原生污水量應為3.06 萬m3/d，再結(jié)合表1 各項經(jīng)驗指標，可得到片區(qū)地下水入滲量范圍。由于片區(qū)為流沙地質(zhì)，大部分管道埋設于地下水位以下，因此評估時按經(jīng)驗值上限計算。其中德國和美國的經(jīng)驗指標都以管網(wǎng)服務單位面積為基準提供參考值，而本次評估區(qū)域內(nèi)存在較多尚未配制排水管道的未開發(fā)區(qū)域，因此其評估結(jié)果的上限較高，不宜采用。根據(jù)上海、《室外排水設計標準》和日本經(jīng)驗值指標的計算結(jié)果在(0.30~1.31) 萬m3/d，較符合本區(qū)域的實際情況。

3.1.2 現(xiàn)場試驗法 為了更好地掌握本研究片區(qū)內(nèi)外來水入流入滲的實際情況，于2020 年11 月22 日和2021 年11 月10 日（均為旱天）對片區(qū)內(nèi)3 條污水管道的地下水入流入滲量進行了現(xiàn)場測驗。排水管道入滲量現(xiàn)場測定方法通常有3 種，即水桶量測法、標尺水位定量法和抽水計量法。本次試驗采用標尺水位定量法。試驗時需要選取長直無支管的管道，先用氣囊封堵上游來水，待排盡管內(nèi)水流后，再封堵管道下游，通過定時讀取封堵管道的液位，換算得到管內(nèi)入滲量。為便于掌握管道實時液位，現(xiàn)場試驗時用在線水位計替代水位標尺。

3 段管道的基本狀況和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)如表2 所示。計算得到3 條管段單位管長的入滲量分別為111.60、86.78 和22.00 m3/(km·d)，其中管段1、2 結(jié)果高于表1 所示的上海典型管段經(jīng)驗指標，管段3 結(jié)果低于此范圍，因此不同管段管材、管齡、缺陷狀況等方面的差異，會導致其地下水滲入量出現(xiàn)差別。根據(jù)試驗前期的管道CCTV（管道閉路電視）檢測記錄可知，3 條管道中只有管段1 出現(xiàn)了一級滲漏缺陷（點漏），另外2 條管道分別存在破裂和錯口的結(jié)構(gòu)性缺陷，但現(xiàn)場試驗時也測得了一定外來水入滲量，這表明破裂、錯口等結(jié)構(gòu)性缺陷極易受到降雨、地下水位升降等因素的影響而演變成為滲漏缺陷，同樣會造成管道外來水入侵。根據(jù)以上實測結(jié)果，結(jié)合片區(qū)污水管網(wǎng)規(guī)模，得到片區(qū)整體地下水入滲量為(0.33~1.68)萬 m3/d，均值1.01 萬m3/d，其下限值位于經(jīng)驗值法的計算結(jié)果范圍內(nèi)，而上限值則更高，這表明該片區(qū)管網(wǎng)的地下水入侵狀況相比經(jīng)驗地區(qū)更為嚴重。由于同一片區(qū)的管道條件通常較為復雜，因此基于典型管段的現(xiàn)場試驗法的評估結(jié)果也具有一定的不確定性，只能反映地下水入滲量的大致狀況。

表2 污水管道入滲量現(xiàn)場測定試驗Tab. 2 Field measurement test of pipeline infiltration amount

3.1.3 水質(zhì)特征因子法 水質(zhì)特征因子法是利用管網(wǎng)污水中賦存的污染物作為示蹤劑（也稱水質(zhì)特征因子）來進行外來水調(diào)查，由于水質(zhì)特征因子在管網(wǎng)中的濃度會隨外來水的進入而產(chǎn)生突變，因此可通過管網(wǎng)中的特定水質(zhì)指標濃度，來對系統(tǒng)外來水進行定量評估[9]。解析原理如下所示，其中式（1）為排水系統(tǒng)水量平衡方程，式（2）為排水系統(tǒng)化學質(zhì)量平衡方程：

式中：QIN、CIN分別為旱天污水處理廠總進水量和水質(zhì)；QSW、CSW分別為片區(qū)原生污水量和水質(zhì)；QGW、CGW為地下水入滲量和水質(zhì)；RGW為地下水入滲比，即地下水入滲量占進廠總水量的比例，反映入滲的嚴重程度。

根據(jù)水質(zhì)特征因子的選取原則，理想的水質(zhì)特征因子在不同的排水系統(tǒng)水量來源中應具有顯著的濃度差異，同時還應能夠在線監(jiān)測。根據(jù)實地調(diào)查，片區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)良好，地下水COD 濃度可以忽略不計（CGW≈0 mg/L），因此COD 指標可以滿足不同水量來源濃度差異顯著的要求，并且各泵站和污水處理廠都安裝了COD 在線監(jiān)測儀，因此采用COD 指標作為特征因子進行地下水入流入滲狀況評估。

為了掌握片區(qū)原生污水的COD 濃度CSW，對片區(qū)內(nèi)379 處用水戶的污水排口全部進行了水質(zhì)采樣檢測，采樣期間為旱天，除去無水流的排口和異常數(shù)據(jù)后，統(tǒng)計得到工業(yè)企業(yè)、公共建筑和居民小區(qū)3 種用水戶排放污水的COD 分布狀況。如圖4 所示，片區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)污廢水排放口最多，COD 濃度普遍較低，其中COD 低于100 mg/L的排口數(shù)量為91 個，占工業(yè)企業(yè)排口總數(shù)的46%，這部分工業(yè)廢水直接進入管網(wǎng)，是造成原生污水濃度偏低的原因之一[10]。居民小區(qū)排口雖然數(shù)量較少，但是其排放COD 濃度高于工業(yè)企業(yè)，主要分布在300~400 mg/L?；谝陨吓趴贑OD 濃度和2020 年各用水戶用水量進行了加權(quán)平均，得到平均COD 濃度作為該片區(qū)原生污水的理論濃度CSW，計算用水量為3.16 萬m3/d，接近2021 年3.6 萬m3/d 片區(qū)日均總用水量，因此計算得到的理論原生污水濃度可代表整個片區(qū)的實際狀況，計算結(jié)果為CSW=158 mg/L?？紤]到片區(qū)范圍較大，污水在管網(wǎng)中的水力停留時間較長，管道微生物降解作用會使COD 沿程衰減[11]，取降解率7.5%計，即CSW=147 mg/L。

圖4 不同用水戶排放污水COD 濃度狀況Fig. 4 COD concentration of sewage discharged by different water users

QIN、CIN取連續(xù)5 個典型旱天污水處理廠的每日進水量和進水COD 均值，時間為2021 年9 月24 日至9 月28 日（5 日進水量較為平穩(wěn)），其天氣狀況和水廠進水水質(zhì)水量如表3 所示。

表3 典型旱天污水廠進水狀況Tab. 3 Influent condition of wastewater treatment plant in typical dry days

根據(jù)式（3）對連續(xù)5 個旱天內(nèi)污水處理廠進水的水量組成進行了評估，結(jié)果如圖5 所示，連續(xù)5 個旱天的片區(qū)排水系統(tǒng)的地下水入滲量范圍為0.77~1.46 萬m3/d，均值為1.1 萬m3/d，地下水入滲比為18%~34%。

圖5 典型旱天地下水量入滲量Fig. 5 Groundwater infiltration amount of sewer system in typical dry days

因經(jīng)驗值法受限于多種環(huán)境因素的影響，易導致不同地區(qū)評估結(jié)果差異性較大，故參考近似區(qū)域上海市的經(jīng)驗值，得到入滲量范圍為（0.75~1.31）萬m3/d，均值1.03 萬m3/d。現(xiàn)場試驗法和COD 示蹤法均基于現(xiàn)場實測，入滲量范圍分別為（0.33~1.68）萬m3/d和（0.77~1.46）萬m3/d，均值分別為1.01 萬m3/d 和1.12 萬m3/d。綜合以上3 種方法的評估結(jié)果，得到片區(qū)地下水入流入滲量范圍為（0.33~1.68）萬m3/d，取其平均值1.01 萬m3/d 作為該片區(qū)的日均地下水入滲量評估值。

3.2 雨天入流入滲量評估

雨水進入污水管道，將占據(jù)排污管道輸送空間，降低污水輸送效率，造成局部區(qū)域污水溢流，也會稀釋水廠進水濃度。通過對比分析污水處理廠晴、雨天進水量的變化，進一步評估片區(qū)雨水入網(wǎng)的占比，評價方法如下：

式中：QRIN為片區(qū)雨天污水處理廠進水量；由于QIN中已經(jīng)包含地下水入滲量，因此QRDII表示降雨導致的雨水入流入滲量；RRDII表示雨天入流入滲量占雨天水廠總進水量的比例。

分別選取2 個典型旱雨天事件，每個事件分為3 個典型旱天（連續(xù)3 天進水量平穩(wěn)）及緊接的3 個連續(xù)雨天，期間天氣和水廠的進水狀況如表4 所示。其中旱天與雨天進水水量和水質(zhì)都有明顯差異，因此可作為用于分析雨水入流入滲的典型降雨事件。

表4 典型旱雨天水廠進水和天氣狀況Tab. 4 Wastewater treatment plant influent and climate conditions of typical dry and wet days

兩次降雨事件期間片區(qū)排水系統(tǒng)雨水入流入滲量分析結(jié)果如圖6 所示。其中降雨事件1 旱天進廠本底水量為3.87 萬m3/d，降雨后的QRDII為（0.71~1.45）萬m3/d，QRDII為16%~27%；事件2 旱天進廠本底水量為4.44 萬m3/d，降雨后的QRDII為（0.97~1.39）萬m3/d，QRDII為18%~24%。兩次分析結(jié)果比較接近，因此綜合得到降雨入流入滲量范圍為（0.71~1.45）萬m3/d，取其均值1.08 萬 m3/d 作為該片區(qū)雨水入流入滲的評估值。

圖6 典型雨天入流入滲量Fig. 6 Inflow and infiltration amount in typical wet days

3.3 片區(qū)日均進廠污水量評估分析

綜上，根據(jù)用水量折算法得到片區(qū)理論原生污水量為3.06 萬m3/d，地下水入滲量為（0.33~1.68）萬m3/d，均值1.01 萬m3/d，每千米管長入滲量為67.0 m3/d，因此旱天日進廠水量評估值為（3.39~4.74）萬m3/d，均值4.07 萬m3/d，地下水入滲比RGW為24%；雨天雨水入流入滲量為（0.71~1.45）萬m3/d，均值1.08 萬m3/d，單位管長為71.6 m3/(km·d)，因此雨天進廠水量評估值應為（4.10~6.19）萬m3/d，均值5.15 萬m3/d，雨水入流入滲比RRDII為21%。

4 結(jié) 語

針對污水處理廠進水過量、水質(zhì)稀釋的現(xiàn)象，基于多種水量水質(zhì)調(diào)查方法，分析評估旱雨天情景下污水處理廠的日均進水量組成，為后續(xù)提質(zhì)增效任務的目標制定、績效評估和日常運維提供了重要參考。

通過經(jīng)驗指標法、現(xiàn)場試驗法、水質(zhì)特征因子法評估的旱天排污系統(tǒng)單位管長地下水平均入滲量為67.0 m3/(km·d)，通過典型旱雨天水量對比分析得到片區(qū)單位管長雨水入流入滲量為71.6 m3/(km·d)，因此旱天日均進水均值應為4.07 萬m3/d，雨天應為5.15 萬m3/d，與2021 年水廠實際進水狀況較為符合。根據(jù)片區(qū)用水戶排污濃度調(diào)查，得到加權(quán)計算的原生污水COD 理論濃度為158 mg/L，這表明片區(qū)內(nèi)用水戶用水效率普遍偏低，是水廠進水濃度較低的重要原因。根據(jù)現(xiàn)場試驗法和水質(zhì)特征因子法評估得到的地下水入滲量和入滲率，均高于經(jīng)驗值法的相關指標，這表明受不同地區(qū)實際狀況的影響，外來水入滲狀況存在差異。