基于SWMM模型的农村污水收集模式对比分析

王诗雅，李树平，王子瑜，周佳雯，王荣昌

(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)

0 引言

排水管网设计作为美丽乡村建设规划中的重要组成部分，过去几十年里得到了越来越多的重视[1-4]。随着生活水平的提高，农村生活用水量与生活污水排放量急剧增加，未及时处理的农村污水是导致农村水资源污染的重要原因[5]。农村地区不同程度步入了现代化的进程，室内排水设施逐步完善；同时随着农民环保意识的增强和对环保措施的重视，亟需采用污水统一收集和处理系统，以减少污水随意排放，优化农村卫生和环境。如何结合农村现有排水体制特点、地形地貌和污水管网设计要求，采用适宜模式科学地收集和处理农村污水是人们研究的重点。例如人口密度小、居住分散的村庄适宜采用沟渠结合分散处理污水的模式，人口规模大、居住集中的村庄则适用于管渠结合排水处理模式[6]。同时要在兼顾可操作性和实用性前提下，依据村庄地形特征进行排水管道设计[7]。

目前，随着排水工程复杂程度的增加，必须利用现代计算机技术结合当代管理方法，科学有效地保证城市排水管网系统安全高效的运行，以保障人们的日常生活[8-11]。如利用城市排水管网系统模型(SWMM模型)对城市地表径流和汇流、管道汇流和水质的监测动态模拟建立高效排水管理系统[12]。

本文主要讨论农村污水收集系统的设计计算方法，以及管网布局设计方式，并结合算例进行说明。

1 设计计算理论

1.1 收集模式

农村污水收集模式应根据房屋布置形式、地形、地下水状况等特点因地制宜。例如集中收集模式适用于房屋布局相对集中、村庄规模大、经济基础条件好的村庄。而布局分散、规模较小、地形复杂的村庄，污水不宜集中收集处理，建议采用单户或联户处理排放的分散式处理模式。一些临近城市、地形平坦、管网建设难度低的村庄，可将污水集中收集排入临近城市污水管网，由城市污水处理厂统一处理。当两个或多个村庄距离较近时，可以考虑共同建造污水处理收集系统[13]。

1.2 生活污水定额和污水总变化系数

生活污水定额是指单位人口的污水平均排放量，它与建筑内部的排水设施水平和排水系统普及程度等相关。因排水量测试难度较大，一般根据用户定额确定污水定额，其中除去庭院浇灌用水，农村污水产量约是用水量的60%～80%[14]。

为确定污水设计流量，应在计算平均污水流量的基础上，乘以总变化系数Kz。根据《室外排水设计规范》，当平均污水流量小于5L/s时，Kz=2.3；当平均污水流量大于5L/s时，

1.3 最小设计坡度和最大设计充满度

最小管径可按街坊管道计，采用200mm，相应最小设计坡度为0.004（混凝土管）和0.003（塑料管）；当采用250mm和300mm直径的管道时，相应最小设计坡度为0.0035和0.003（混凝土管），或0.0025和0.002（塑料管）。

根据《室外排水设计规范》，重力流污水管道应按不满流计算，200～300mm直径管道的最大设计充满度为0.55。

1.4 最小设计坡度和最大设计充满度下的参考流量

农村污水管渠系统收集的污水流量较少，小管径塑料管和混凝土管就能满足要求[16]。为此可根据最小设计坡度和最大设计充满度，形成不同管径下的参考流量。流量计算涉及如下公式[17]：

式中Q——设计流量，m3/s；

D——管道直径，m；

h/D——充满度；

θ——对应充满度下的圆心角（见图1）；

I——设计水力坡度，均匀流条件下等于管道设计坡度；

n——管壁粗糙度系数，通常混凝土管取n=0.014，塑料管取n=0.010；

v——设计流速，m/s。

不同管材、不同管径在最大设计充满度和最小设计坡度条件下，计算的流速和流量见表1。由表1可见，计算出的流速均大于规范规定的0.6 m/s。

图1 管道过水断面示意图

表1 最大设计充满度和最小设计坡度下的参考设计流速和流量

1.5 计算方法

（1）根据当地农村条件，选择污水定额n，管段服务人口数N，计算相应的平均设计污水量和设计污水量Q。

（2）根据设计污水量Q，与表1中相应流量比较；若设计流量小于参考流量13.79 L/s（或11.28L/s），采用200mm管径塑料管（或混凝土管）；若设计流量处于13.79～22.64 L/s（或11.28～19.13 L/s）之间，采用250mm管径；若设计流量处于22.64～32.93 L/s（或19.13～28.81 L/s）之间，采用300mm管径。

2 管网布置方案

农村居民点房屋一般集中于道路两侧，具有一至五排房屋不等。雨水一般沿屋前路面直接就近排入河道，新修排水管网通常只用于收集生活污水。与城市相比，村落房屋分布相对分散，密度较低，需要污水管网收集沿路各户污水，集中至就近处理设施或纳入城镇污水管网收集后统一处理。选取常见的农村房屋分布与建设规划，设计相应的污水收集管网，为农村污水收集系统设计提供参考。

通过卫星图比照，结合农村房屋建设与路网分布情况，提出三种典型的管网布置方案。农村最为常见的是沿路分布的单排房屋，此种房屋布局规模灵活，受地形限制较小，如图2中（a）、（b）所示，可以将道路两侧居民污水接入路面下方污水管渠，形成“一”字型管网布局，此种布局不存在汇接管线，计算最为简单。对于地形较为平缓的地区，农村路网往往纵横交错，居民房屋也随之呈现相应分布，如图2（c）所示，房屋沿支路建设，最终到达主路，相应产生了L型管网布局。随着新农村建设的推进，村落有更为集中化、连片化发展的趋势，房屋集中修建，外部由农田包围，如图2中（d）所示，在村落聚居点周围较为适用“口”字型管网布局。

图2 典型农村房屋分布及管网布局

3 污水管网建模

我国某东部沿海地区某农村，地势平坦，居民人口3 000人，拟铺设污水管道将各户污水收集后集中处理，农村居民人均用水量为80 L/（人·d），设计中取污水产量占用水的80%，于是居民人均污水量为64 L/（人·d）。试计算污水管道直径。由于具有相似的生活规律，农村生活污水日变化系数较大，排放量早、晚比白天大，夜间排水量小，甚至可能断流，水量变化明显。农村污水收集系统具有服务面积大、服务户数少、单个节点入流量小等特点，规划设计较之城镇排水系统有一定的差异。针对该地区常见的三种典型村落房屋分布，设计污水收集系统，计算污水管径，并通过SWMM构建污水主干管模型，对管网水力状况进行模拟。

3.1 污水管径计算

根据公式（4），平均设计流量

设计流量

参考表1，采用塑料管（或混凝土管），5.11 L/s低于13.79 L/s（或11.28 L/s），因此可选管径200mm，最小设计坡度为0.003（或0.004）。

3.2 “一”字型管网布置

“一”字形管网布置中，污水由节点N1流向节点N6，出口为排放口out，平面示意图见图3所示。选取管径为200mm，坡度为0.004，起点埋深为1m，塑料管的曼宁系数为0.01，管道总长度为900m，平均每户人口约5人，600户居民分布在干管沿线，每个节点服务居民户数基本相同，排放口采用自由出流方式。

图3 “一”字型管网图

对主干管运行进行模拟，日最大流速符合设计标准中最小流速的要求，选取日污水排放量最高时18：00时刻剖面线图如下所示。

图4 “一”字型管段日排水最高时剖面线图

3.3 “L”字型管网布置

“L”字型管网布局中，污水分别由N1和Z1流向N5，出口为排放口out。选取管径为200mm，坡度为0.004，起点N1和Z1埋深均为1m，塑料管的曼宁系数为0.01，管道总长度为1000m，平均每户人口约5人，600户居民分布在污水主干管沿线，N编号节点服务人数稍多于Z编号节点，排放口采用自由出流方式。

对其运行状态进行模拟，每日最大流速符合不冲流速要求，选取18：00时刻，管网流速分布图如图5所示。

图5 “L”字型管段日排水最高时管线流量分布图

3.4 “口”字型管网布置

“口”字型管网布局中，可以根据实际情况确定节点分布以及管线长度，如图6所示，但是无法直接得到管段中的污水流向，因此需要先行确定流向，才能进一步根据坡度计算节点埋深。污水管网中各元素名称及管段长度如下所示：

图6 “口”字型管网位置分布图

由上述计算可知，农村污水量较小，管线均采用200mm管径塑料管，因而路径权重无需考虑管径因素，建设成本主要与管线长度有关。从图论角度考虑，可以将管网看作带权有向图，图的顶点为各个节点，边为各个管段，边的权值即为管段长度，管网流向设计问题即为求解各点到排放口最小路径的问题。可以采用Dijkstra算法求出排放口到每个顶点的最短路径。具体步骤如下：

①写出待求管网的邻接矩阵；

②构造两个集合S、U。其中，S是已计算出最短路径的顶点集合，U是未计算出最短路径的顶点的集合；

③将顶点N-out加入集合S，由于N-out为起点，故在S中记录其距离为0，更新U中与N-out之间相连点的距离；

④取集合U中距离最小的点N放入集合S，记录该点到N-out最短路径，查看与新放入点N直接相连的点，计算经由N到N-out的距离，若小于此前记录距离，则更新距离值；

⑤循环步骤④，直至集合U为空。

最终得到各顶点到N-out最短路径和距离如下表：

表2 各节点到排放口最短路径表

根据最短路径设计管网进行模拟，选取18：00时刻，管网流量分布图如图7所示：

图7 “口”字型管段日排水最高时管线流量分布图

4 结语

（1）由于农村人口较少，人均污水产生量较小，小管径塑料管或钢筋混凝土管就能满足要求。通过对污水收集模式、生活污水定额和污水总变化系数、最小设计坡度和最大设计充满度下的参考流量计算，形成了农村污水收集系统设计计算方法，并用案例进行了说明。

（2）通常小管径管道需要较大的设计坡度要求。考虑到不同的地形特征，当地形较陡时，可选用较小管径；在地形平坦时，可选用较大管径，以减少管道下游埋深。此外，由于塑料管壁光滑，水流阻力小，也具有减小管道下游埋深的潜力。

（3）通过研究三种常见的管道布置方式，可以得出“一”字型管网设计最为简便，“口”字型管网设计过程较为复杂，但在服务人口相同时其管段负荷最低。此外，小口径管道容易堵塞，特别是在管道上游，接入污水量较小，更容易产生淤积，在日常运行中应加强清淤养护。