平原河网地区污水管网外来水量衡算分析

马翠香，王荣昌,*，曾 旭，成志轩，杨 扬

(1. 同济大学环境科学与工程学院,长江水环境教育部重点实验室，上海 200092；2.丹华水利环境技术〈上海〉有限公司，上海 200235)

市政污水管网系统包括污水主管道、泵站、检查井和用于收集来自住宅区、工业区、商业区的其他支管及附属设施，并最终输送污水到污水处理厂，是城市重要的基础设施之一[1]。由于污水管网的重要性，对于发生渗漏的管段进行诊断并确定渗漏量尤为重要。目前，已建的污水管网系统的地下水入渗量通常远大于污水管设计中污水管道的地下水渗透系数10%～15%[2]，尤其在降雨丰沛、地下水位较高的平原河网地区，地下水渗透量达到20%～30%，甚至更高[3]。这使得污水管网系统不能发挥正常功能，过度稀释的污水最终进入污水处理厂，加大污水处理负荷，同时使得进水污染物浓度降低，会增加污水处理厂、泵站的运行费用，降低处理效率[4]。

随着国内大城市污水处理率的逐渐提高，国内对管道系统的地下水入渗问题目益关注，特别是平原河网高地下水位地区。开展地下水渗入/流入量等外来水量及污水管网破损等情况的研究是一项迫切的任务，目前国内外已对此做过较多研究[5-15]，对污水管网发生渗漏的管段进行诊断并确定入渗和入流水量，对于提高污水管网的运行效率具有重要意义。

本文针对平原河网地区某示范区的工业废水和生活污水管网的主要泵站的外来水量开展了相关研究，主要分析了各重要泵站节点的全年水量平衡，并考察了常规工况、节假日工况、小雨工况及大雨工况等4种工况下的水量平衡，建立该市污水外排系统的旱天及雨天进水水量平衡关系，从而进一步分析旱季及雨季污水管网节点水量平衡关系和水量沿程变化规律，有助于判断污水管网破损程度及城市管网维护。

1 研究方法

1.1 研究区域

平原河网地区某市某示范区的污水管网平面如图1所示，示范区面积约为186 km2，排水管线长约为7.6 km，设计污水量输送规模为12万 m3/d。重要泵站节点中，泵站1在上游，泵站2在中游，泵站3在下游，圆点为某示范区内18家工业企业所处位置。

图1 某示范区管网和重要泵站位置平面图Fig.1 Schematic Diagram of the Location of Pipe Network and Important Pumping Station in the Demonstration Area

1.2 基础数据概述

(1)降雨数据

根据提供的资料，收集位于某示范区内的某雨量站2018年的逐日降雨数据。

(2)河道水位数据

收集某示范区西北角某水文站2018年的逐日河道水位数据。

(3)污水管网数据

示范区内的排污管线主要由1条由北至南的压力管及两侧收集工业废水的支管构成。压力管覆土深度约为1 m，管径为DN600，直至泵站1。泵站1与泵站3之间的主干管为重力管，管径由DN1000逐步增大到DN1800。

(4)泵站数据

主要收集图1中3处泵站2018年的泵站运行数据。

(5)工业企业数据

根据现场调查及资料收集，收集到某示范区内18家工业企业的在线监测数据。18家企业主要以印染纺织企业为主(12家)，食品加工(3家)，造纸、热力生产和供应、金属工具制造各1家。

(6)其他边界数据

为了对区域更为准确地进行水量平衡分析，同时，对示范区上游的生活污水、主干线上两处主要的流量汇入，以及泵站1与泵站2之间的流量关系进行界定与匡算。

1.3 研究方法

以2018年作为研究基准年，以上述收集到的各类数据为基础，对各重要泵站的工业废水、生活污水、雨水及地下水进行匡算并分析。外来水量衡算分析的步骤：确定水量关系；确定地下水入渗与河道水位的关系；估算晴天生活污水量；分析确定雨水入流与降雨量的关系；全年水量平衡分析。

地下水入渗水量计算首先采用晴天流量数据，排除降雨影响；定义0∶00～6∶00的最小流量为夜间最小流量，进一步筛选晴天夜间最小流量，排除生活污水影响；最后扣除对应时间段内所有工业企业的排放量，记为地下水入渗的小时水量，乘以24得到每日地下水入渗量，如式(1)。

Q地下水入渗=Q晴天夜间最小流量-Q晴天夜间工业

(1)

生活污水水量计算采用晴天流量数据，排除降雨影响；扣除当日所有工业企业排放量，排除工业企业水量；并扣除管段内当日地下水入渗量，即为当日管段生活污水量，如式(2)。

Q生活污水=Q流量-Q工业-Q地下水

(2)

雨水入流水量计算采用雨天实际泵站流量，扣除晴天基流量，即为雨水入流的外来水量，如式(3)。

Q雨水入流=Q流量-Q晴天

(3)

1.4 工况说明

4种典型工况概况如表1所示。其中，2018年全年降雨天数为123 d，总降雨量为1 359.4 mm。常规工况以2018年10月29为例，该日前期干旱天数为7 d，当日河道水位为2.94 m，无降雨情况。节假日工况以2018年10月3日为例，该日为国庆假期期间，且为晴天，河道水位为3.08 m。小雨工况以2018年12月25为例，该日为小雨，当日降雨量为3 mm，河道水位为3.19 m。大雨工况以2018年8月16日为例,分析大雨工况下各水量平衡，该日为大雨，当日降雨量为49 mm，河道水位为3.26 m。

表1 4种典型工况的概况Tab.1 Description of Four Typical Working Conditions

2 结果和讨论

2.1 全年水量平衡

根据2018年重要泵站节点全年水量平衡分析结果，如表2所示。泵站1的2018年全年的总水量约为13 205 t，其中，工业废水占比最高，约为76.4%，其次是地下水约占17%，生活污水及雨水占比较小。泵站2的2018年全年的总水量约为21 861 t，其中，工业废水占比约为74.12%，地下水和生活污水较为接近各占16%和8.5%。泵站3全年总水量约为35 063 t，由于东方路和周安路生活污水汇入主干管，工业废水占比进一步下降占比不足60%，生活污水则上升至18%，地下水占23%。3个重要泵站节点全年雨水入流量很低。

表2 全年重要泵站节点水量衡算 (单位：t)Tab.2 Annual Water Balance at Important Pumping Station Node (Unit: t)

2.2 典型工况水量平衡

2.2.1 常规工况水量平衡

根据常规工况下水量平衡分析结果，重点泵站节点常规工况水量关系如图2所示，泵站1总水量为43.8 t，主要以工业废水为主，占比接近九成，地下水和生活污水占比较小，分别占9%和2%。泵站2总水量为65.5 t，各项水量比例与全年比例较为接近，工业废水占比超过74%，地下水和生活污水各为12%和13%。泵站3泵站总水量为97.9 t，伴随周安路及东方路泵站生活污水水量接入，工业废水占比进一步降低，约占62%，地下水和生活污水则分别升至约19%。

图2 重要泵站节点常规工况水量关系图Fig.2 Diagram of Water Flow at Key Pumping Station Nodes under Normal Working Conditions

2.2.2 节假日工况水量平衡

根据节假日工况下水量平衡分析结果，重点泵站节点节假日工况水量关系如图3所示，泵站1总水量锐减至20.0 t，工业废水、生活污水和地下水比例关系约为2∶1∶1。泵站2总水量为31.8 t，工业废水占比接近41%，地下水和生活污水各为27%和32%。泵站3总水量为68.0 t，生活污水占比最高，约占42%，地下水占比相对较高，约占30%。

图3 重要泵站节点节假日工况水量关系图Fig.3 Diagram of Working Water Flow at Important Pumping Stations During Holidays

2.2.3 小雨工况水量分析

根据小雨工况下水量平衡分析结果，重点泵站节点小雨工况水量关系如图4所示，泵站1总水量为43.9 t，由于雨量较小(3 mm)，雨水入流量占比为0.57%，工业废水占比较高为90.28%，生活污水为0.35%，地下水占比为8.8%。泵站2总水量为60.0 t，工业废水占比较高，约占82.7%，生活污水及地下水占比分别为4.6%和12.1%，雨水入流量占比较小，不到1%。泵站3总水量为103.9 t，该段地下水及生活污水占比有较大幅度提高，均超过18%，雨水入流量占比仍非常低，不足1%。

图4 重点泵站节点小雨工况水量关系图Fig.4 Diagram of Water Flow in Light Rain Condition at Key Pumping Stations

图5 重点泵站节点大雨工况水量关系图Fig.5 Diagram of Water Flow in Heavy Rain Condition at Key Pumping Stations

2.2.4 大雨工况水量分析

根据大雨工况下水量平衡分析结果，重点泵站节点大雨工况水量关系如图5所示，泵站1总水量为34.8 t，大雨工况下雨量较大(49 mm)，雨水占比较高，接近10%。地下水比例较为稳定，仍约为8%，工业废水占比有一定比例下降。泵站2总水量为63 t，地下水占比约为11%，而雨水占比接近12%。泵站3的工业废水占比为60.1%，雨水占比约为10%，地下水约为20%。

2.3 比较分析

2.3.1 不同工况比较

根据水量平衡分析结果，小雨工况下降雨量为3 mm，雨量较小，小雨工况对示范区管网影响较小，3个重要泵站节点水量平衡与常规工况下基本一致。大雨工况下，雨量较大(49 mm)，雨水占比较高，接近10%，地下水比例较为稳定，仍约为8%，工业废水占比有一定比例下降。此结论与董鲁燕等[16]利用在线监测和模拟计算对污水管道的雨水入流和入渗分析结论一致，降雨发生时系统污水量明显增加，系统存在直接入流或快速入渗现象。大雨工况下水量总量相对于常规工况下有所减少，可能是因为大雨情况下减少为示范区上游接入点管道溢流而进行泵站调度提前预排。

常规工况和节假日工况下，分别选择晴天，污水管网没有雨水渗入。节假日工况下总水量急剧减少，约为常规工况下的一半，可能是因为节假日工业企业停工或减产导致工业废水急剧减少，管网输送流量小于常规工况，且流速较小充满度较低。常规工况下，污水管网水量以工业废水为主，约占60%～80%；而节假日工况下工业废水占比急剧下降，约占40%～60%，地下水和生活污水比例急剧上升，地下水占比可高达30%。

2.3.2 沿程变化分析

3个重要泵站节点沿程工业废水占比不断减少。工业废水占比在泵站1比例很高，工业企业正常生产情况下，约为80%～90%，主要是因为示范区为工业企业示范区，泵站1前的污水管网收集的污水主要为工业废水。由于两处支管生活污水的混入，泵站3的工业废水占比进一步下降，不足60%。

根据水量平衡分析，沿程3个重要泵站节点的生活污水比例逐渐升高。在工业企业正常生产的情况下，泵站1的生活污水占比非常小，低于2%。随着泵站3前有两处生活污水支管混入污水管网，泵站3的生活污水比例进一步上升。

根据水量平衡分析结果，沿程3个重要泵站地下水占比有所上升，可能是由于超龄服役、管道材质等导致泵站2到泵站3之间地下水渗入较为严重。

2.4 工程应对措施

排水管道地下水渗入量是地下水通过管道和检查井等附属构筑物的不严密处渗入排水管道的水量。南方地下水位常年较高，排水管道由于超龄服役、管道材质差、施工工艺落后等，导致地下水渗入较为严重。随着管道使用寿命的延长，管道各种因素会导致管道损耗而使得管道的地下水渗入量增加，污水处理厂处理的污水量增加，造成工程的投资费用和工程费用都有很大的提高。因此，应尽可能降低管道的地下水渗入量。

控制排水系统地下水的过量渗入，通过污水管网上下游的水量衡算，可以判断污水管网外来水入流点的主要管段位置，通过分布式光纤测温技术可以进一步判定外来水量入流点的位置。地下水渗入大的主要管段从采用符合技术发展趋势的新的管材、窨井，同时，改善现有管道系统的维护管理，经过光纤测温判定的外来水量流入点位置进行检测，对损坏严重的管道进行修复。新的管材、窨井必须限期实现接口柔性化。加强管道系统的管理要从注重基础资料收集、完善管道使用、养护状况的档案记录开始。外来水量渗入量大的管段对管道状况进行详细调查采取一定的工程措施。同时，对管龄超过40年的管道需要逐步落实渗入量实测与管道状况详细调查。

3 结论

(1)通过不同工况下以及全年的水量平衡分析，可对污水管网地下水入渗、雨水入流等外来水量定量评估；在常规工况下，重要泵站节点以工业废水为主，约占60%～80%；地下水为10%～20%；节假日工况下，工业废水占比急剧下降，约占40%～60%，地下水占比可高达30%；大雨情况下，由于存在雨水直接入流或者快速入渗现象，导致雨水占比明显高于小雨工况，雨水占比为10%；

(2)通过对关键节点地下水入渗、雨水入流等外来水量的占比分析，指导本区域排水污水管网联调联控，从而保障下游污水处理厂的稳定运行；

(3)通过污水管网上下游的水量衡算，可以辅助判断污水管网外来水入流点的主要管段位置，结合分布式光纤测温技术可以进一步准确判定外来水量入流点的位置。