外来水量诊断法在污水管网预诊断中的应用

冯杭华，陈海涛，施 翔，郭 帅

(1. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014； 2. 合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

近年来随着我国城镇化率的提高，排水设施建设数量逐年增加[1-2]，但也存在着一些问题。各地尤其是南方地区的污水系统，普遍存在排污管网系统高水位运行和进厂污染物浓度偏低的问题[3-5]。为此，《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019—2021年）》（简称《方案》）提出要推进生活污水收集处理设施改造和建设，建立污水管网排查和周期性检测制度。为响应《方案》，实现污水管网全覆盖、全收集、全处理目标，以“长江大保护”为代表的污水提质增效项目指出，在全面开展排查修复工作之前，应聚焦关键问题，进行管网预诊断。目前，管道诊断主要通过人工排查和管道检测机器人等传统物探方法来进行[6-7]，技术较为落后。近年来，陆续发展了基于水量、水质分析的诊断思路，如基于水量平衡假设的各类流量调查法[8]，以及联合运用污染物质量守恒原理的水质特征因子调查法[9-11]，都为建立排水管网预诊断流程提供了思路。

污水系统收集及处理效率低的问题都与地下水、雨水、河湖水等外来水侵入排污管网有关，排污管网外来水量的主要危害在于：增加污水厂及泵站运行负荷；占据管道空间，增加污水外溢风险；稀释污水浓度，降低污水厂处理效果[12-15]。由于外来水侵入反映了排水管道破裂、渗漏等缺陷问题和雨污混接问题，所以根据外来水评估结果，能够体现排污管道的质量现状。因此，本文提出了基于外来水量分析的排污管网预诊断技术，详细阐述了外来水量预诊断的内容及技术路线，并通过在“长江大保护”实践中的应用，丰富了排水管网预诊断的内涵。

1 预诊断的目的及意义

管网外来水量预诊断的主要目的是进行现状污水系统诊断评价与问题识别，划定管网重点问题区域，进而有针对性地开展排查工作。具体包括：（1）了解项目范围内管网的运行情况。包括污水厂和泵站地理位置、设计规模、现状日进水量、进水水质情况等。（2）初步判断片区混接、错接程度。通过雨天及旱天的流量比对，初步判定区域内雨污混接程度，聚焦雨污混接严重区域。（3）定量、半定量分析外来水入网的类型、占比。通过上下游节点水质水量对比、穿河管段污染物浓度调查等手段对排水系统存在的问题进行初步分析诊断，判定外来水主要类型，估算区域内外来水渗入的基础流量。（4）聚焦外来水侵入严重区域。具体分析污水系统各个子汇水区外来水，初步划分外来水严重区域，以便有针对地开展排查修复工作。

在排水管网普查成果的基础上开展排污管网系统的预诊断工作，有利于详细了解排水系统的整体现状及问题所在，明确管网排查及整治工作的重点。预诊断成果可为设计人员提供清晰的管网拓扑关系，结合高水位和外来水入网分析结果，可为系统性设计和制定应对措施提供参考。通过水质水量监测及数据分析，梳理区域内管网系统存在的问题，并可为管网修复工程及提质增效工程的效果评估提供水质水量本底值。

2 外来水量诊断基本方法

根据排水体制和旱、雨天的不同，不同排水管网中水量组成略有差异（见表1）。外来水量诊断内容主要是确定研究区域内外来水的主要存在形式、含量和对污水系统的影响。

表1 排污管网中的水量组成Tab. 1 Water composition in sewage network

针对排污管网外来水问题提出的评估方法[16]大致可归纳为4类：①基于流量的方法；②基于污染物化学质量平衡的方法；③物理方法；④数学模型法。表2列举了一些常用的外来水量诊断方法，不同方法所需条件、评估精度及适用范围都有所不同，应根据每种方法的特点和评估区域内具体情况选择合适的方法。如三角形法适合用于污水厂服务的整个汇水区范围；而夜间最小流量法适用于较小汇水区域；分布式温度传感器（DTS）等物理技术适用于判断具体管段是否存在入流入渗点，不适用于外来水量预诊断过程。

表2 外来水量诊断方法Tab. 2 Diagnosis methods of extraneous water

2.1 资料收集与划分子汇水区

排水管网外来水诊断需建立在正确的管网拓扑关系基础之上，因此诊断前应对现有管网资料进行梳理，包括管道的平面位置、高程、埋深、流向、管材、管径等信息，部分城市缺乏完善的排水管道拓扑关系图，还需进行管网排查与补测；此外，还需收集研究区域污水厂、泵站运行数据，区域内用水量数据、工业企业废水排放数据，管道非法排放数据，地下水位与河道水位标高。

由于污水系统规模庞大，进行外来水诊断时应遵循先整体再局部的原则。即先以污水厂服务范围作为大片区评估整个污水系统外来水量侵入情况，再根据管网拓扑关系，按泵站、主干管、干管逐步划分子汇水区域进行诊断，通过不断缩小子汇水区范围，确定外来水侵入严重区域，以便后续有针对性地开展排查、修复工作。

2.2 水质流量监测

排水管网外来水诊断水质流量监测的对象包括：①原生污水流量、水质；②污水管网节点水质、流量；③河湖水、地下水等外来水源水质。划分好各子汇水区域后，若各区域末端节点缺失流量、水质运行数据，需在该区域内选取控制性节点进行流量水质监测。流量监测应优先采用连续在线监测，水质则根据采用的外来水诊断方法选择合适的监测频率和分析指标。监测活动应分别在旱天和雨天开展，以便分别评估旱、雨天外来水入流入渗情况。

2.3 外来水量评估技术路线及方法

以污水厂服务范围的整个污水系统为例，从污水厂进水浓度出发，若进水化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)等污染物浓度远低于设计标准，且经调查该区域无工业企业管道偷排现象，则初步判定该区域内存在严重的外来水侵入问题，应从区域整体和子汇水区两个范围尺度上对外来水入流入渗状况进行定量分析。系统整体的外水占比可通过用水量折算法来初步评估，计算方法如式（1）所示。

式中：R为整个研究区域排水系统外来水量占污水处理厂日进水量之比，也称为外来水入流入渗率（%），是反映管网系统外水入侵严重程度的指标；Qi为研究区域内各用水户日用水量（m³/(cap·d)）；αi为产污系数；β为污水收集率；Qj为研究区域内各污水处理厂日进水量（m³/d）。

根据R值大小可将评价等级分为一般（R<15%）、较为严重（15%≤R<35%）、严重（35%≤R<55%）和非常严重（R≥55%）4个等级。在掌握了区域总体外来水状况后，可基于排水系统水质特征因子化学质量和水量平衡关系，推导各子汇水区旱天管网外来水入流入渗率R旱天（%），并进行分级评估，计算如下：

式中：QDWF为旱流条件下管道中污水总流量（m³/h）；QFS为原生污水量（m³/h）；QEW为包括地下水、地表水在内的外来水入流入渗量（m³/h）；CDWF、CFS、CEW分别为旱流条件下总污水、原生污水及外来水的某种水质特征因子浓度（mg/L）。

若污水厂进水污染物浓度正常，则进行常规管养维护。分析片区内旱天是否存在严重的入流入渗问题，若旱天污水厂进水污染物浓度正常，说明旱天污水系统受外来水影响较小，则需关注雨天入流入渗问题。雨水入流入渗量主要根据关键断面流量监测结果，通过同时段旱、雨天流量数据的对比，诊断各个子汇水区域内雨水入网的占比R雨天，评估方法如式（5）所示。

式中：QRWF为雨天时污水流量（m3/h）。

最后，若片区旱天外来水侵入严重，则优先考虑该地区是否存在河水倒灌点，倒灌点排查可从过河倒虹管以及沿河截污管查起，之后考虑污水厂的低浓度问题是否由地下水入渗造成。

3 案例分析

南方某城市位于长江三角洲经济区西翼，处于长江与淮河之间。研究区域为该市城北片区污水系统，服务面积约为51.3 km2，污水管线长约395 km。片区内基本为雨污分流制排水系统，共有城北污水厂1座，污水提升泵站6座，城市排水系统较为完善，但雨污混接、管道高水位运行、河湖水倒灌、污水直排等问题尚未得到彻底根治，管道错接、混接、管井渗漏等问题仍较为普遍。为进一步推进该市水系治理，改善水生态环境，该市正开展城区水环境（厂网河一体化）综合治理项目，为科学指导治理工作，开展了排污管网外来水预诊断工作。

3.1 基于水量平衡的整体评估

首先，利用水量平衡原理对城北污水系统外来水量进行整体评估。由于2019年北调一体化泵站建成后，城北区部分污水输往经济开发区（简称“经开区”）污水处理厂进行处理，因此将城北、经开两个区域的用水量及污水处理厂进水数据合计进行整体评估。城北区居民及事业单位合计392家，日均用水量合计58 721.22 m³；工业单位有44家，日均用水量合计43 832.75 m³。经开区用水单位共有27家，日均用水量为2 428.38 m³/d，因此两个片区总体日均用水量为104 982.35 m³；按照一般设计标准，产污系数取为85%，收集率取为90%，则两个片区日均污水产生量为80 311.50 m³。2019年城北污水处理厂日均污水进水量为80 333 m³，经开区污水处理厂日均污水进水量为1 500 m³，合计污水处理厂日均总进水量为95 333.33 m³。因此，经开区及城北区日均外来水量R=16%，根据评价标准，该区域排水管网总体外来水入流入渗较为严重。

3.2 基于化学质量平衡的旱天外来水评估

根据上述内容，排污管网旱天外来水量主要是地下水入渗量和河湖水倒灌量。为确定各种水源水质特征因子浓度，对该市城北片区典型居民小区生活污水、工业生产排放废水和外来水进行了水质检测分析（见表3），其中地下水氨氮浓度均值为0.4 mg/L，可忽略不计，为保证不同污水来源特征因子浓度的显著差异性，并考虑工程实际条件，因此选取氨氮作为本次评估的水质特征因子。还根据管网拓扑关系将整个污水系统分为16个子汇水区，并布置了16个水质监测点（见图1）。其中监测点1~15控制范围主要以居民区为主，因此其原生污水的氨氮浓度CFS按该地区典型居民小区生活污水的平均浓度，取35 mg/L。16号监测点所控制的分区存在较多的工业企业，因此按照工业废水量∶居民生活污水量=2∶3的比例进行加权计算，该分区原生污水氨氮浓度为24.18 mg/L，地下水的氨氮浓度CW取0.4 mg/L。表4和图1为旱天外来水分区评估结果，在划分的16个子汇水区中，12、13、14和16号这4个分区旱天外来水入渗量比例小于15%，管道整体状况较好；1、2、7、8和15号汇水区外来水入渗比例均介于15%~35%，处于较为严重状态；3、4、5、6、9、10号6个分区，入渗率介于35%~55%，外来水入渗严重；片区北部的11号区域旱天外来水占比达到78.4%，外来水入渗非常严重。

表4 排水管网旱天水质监测及外来水量分区评估结果Tab. 4 Water quality monitoring of drainage network in dry days and assessment results of extraneous water of sub-catchments

图1 旱天外来水量分区评估结果Fig. 1 Assessment results of extraneous water of sub-catchments in dry days

表3 污水来源水质特征因子浓度Tab. 3 Marker species concentration of wastewater sources

从旱天外来水诊断结果可见，片区西部和南部入流入渗率较低，外来水侵入严重区域主要位于片区东部及北部。因此，管道检测排查时应重点关注片区内入流入渗严重的区域，可通过CCTV等检测仪器查出具体外来水入侵点。

3.3 基于流量监测的雨水入流评估

对于雨水入流诊断部分，由于部分区管道水位较高等原因，不具备流量监测和预诊断分析条件，根据管网拓扑关系，本次诊断将整个污水系统分为9个子汇水区，不涉及片区北部部分管网（图2）。对上述9个子汇水区域管网末端分别进行连续3个旱天（72 h）和1个雨天（24 h）的流量监测，采用DX-LSX-2便携式多普勒超声波流量计进行管道流量的测量，时间分辨率为5 min/次。

雨水入网诊断结果如表5和图2所示，片区内雨水入网一般严重的有1号和9号区域，雨水入流占比分比为13.6%和4.7%；3、4和8号子分区雨水入网较为严重，入网比分别为33.4%、31.5%和21.6%；雨水入网严重区域有2、6和7号区域，入网比分别为35.7%、53.3%和52.1%；5号区块雨水入流率达到59.5%，雨水入网程度非常严重。

表5 雨天外来水量监测及分区评估结果Tab. 5 Monitoring and assessment results of extraneous water of sub-catchments in rainy days

图2 雨天外来水量分区评估结果Fig. 2 Assessment results of extraneous water of sub-catchments in rainy days

雨水入网诊断分析结果表明，城北片区污水管网雨水入流情况比较严重，一半以上子汇水区雨水入流率达到30%以上，说明该污水系统可能存在严重的雨污混接现象。因此，进行排查时，对雨水入网比例严重区域，应重点排查其区域内雨污混接点。

4 结 语

针对排污管网预诊断工作，本文提出了基于外来水量分析的诊断方法，介绍了外来水量预诊断的目的、意义、诊断内容及技术路线，并将其用于南方某城市提质增效项目的预诊断工作中。基于外来水量分析的诊断结果表明：该城市城北污水系统整体外来水占比约为16%，但局部汇水区域旱天外来水量占比达到50%以上；该系统雨天条件下雨水入流现象严重，约一半以上汇水区域雨水入流量达到30%以上。这反映出该系统可能存在严重的雨污混接、错接问题。通过对排水管网的外来水量预诊断，聚焦管网问题严重区域，对指导管网排查、修复工作具有一定意义。