限流器在城市雨污分流排水系統中的應用

文｜無錫排水管理處 華錚 朱羿

1.城市雨污分流排水系統的現狀

隨著近幾年住房和城鄉建設部部大力推進污水處理工程建設，城市污水處理廠、管網系統都進行著不斷擴容，在取得污水處理總量提高的成績之下，也出現了廠網負荷率晴雨天差異越來越大的問題。尤其在降雨豐沛、地下水資源豐富的地區，盡管建設從規劃、設計、施工、驗收都以雨污分流排水體制為主，但運行后的污水管網遇到了同樣現象：管網運行總體水位逐年升高，進廠污水水質逐年降低，晴雨天管網水量差距較逐年增大。業內普遍共識為三大原因：（1）收集源頭上，建筑物小區雨污錯接問題普遍，雨水入流不可忽視；（2）市政排水管網工程質量問題造成的管網隱患；（3）在一般的質量管控要求下，小區管網和市政管網都存在因地下水水位高造成入滲總量遠高于規范設計規范的現狀。

根據蘇州市姑蘇區的相關研究，其污水管網中入流入滲的外來水總量占全年管網收集總水量的27%～33%。對于蘇州中心區（100km2），降雨量每增加10mm，污水管網中將同步增加5.7 萬m3的入流入滲水量。另外，姑蘇區有排水數據研究，住宅小區污水管總排口在雨天排放量達到晴天的5～20 倍。2018年無錫市的相關課題研究，無錫太湖新城污水處理廠進水中實際原生污水量僅為60%左右，外水入侵總比例高達40%，進廠COD 平均濃度不足200mg/L。為此，無錫市組織了幾個單項課題研究，其中對源頭小區排水現狀調查進行了水質水量分析，結論表明僅小區管網內存在的滲漏現象和雨水匯入污水管網的問題已顯著降低了污水中污染物的濃度。外水入滲量在幾個案例中懸殊很大，不同條件下數值范圍在10～120 立方米/千米管道/日。由于網狀收集管的總長是市政污水管網的3～5 倍，質量情況不如總管建設要求高，因此對總管水位造成居高不下的因素里，網狀收集管占比為最高。

2.限流器設計思路

在無錫以往的污水管網建設中，為了便于用戶接管、盡快推進截污工作，支管布置比較密集，粗略估算主城區范圍內1345公里主管網上大約建設了5000根支管，現有污水匯入的支管約3000 左右。支管管徑一般為300mm～400mm、對于項目排水接入來說普遍偏大，因此大部分污水支管的充滿度在連續晴天時偏低。到了江南的雨季，隨著環境水體水位的持續上升，外水自排水戶內部雨污混接和大量外水入滲污水支管，匯入附近的市政污水管道，最終導致整個污水管網系統流量暴增。

專項研究費時費力，個案之間數值差異很大，管網本身的缺陷雖可通過視頻檢測可得出質量結論，但不能直接反映小區管網滲漏量對市政管網的沖擊有多大。是否可以尋找一種快速有效的檢測手段，來甄別小區項目的整體雨污分流質量和外水入滲的整體數值量化方法。通過對小區接入市政總管前的支管檢查井的控制，達到既不影響小區污水排放，同時采集到反映總體質量情況的數據。

因此我們考慮能否對排水戶污水管進行適當“限流”，在排水戶污水管與市政污水支管的接駁點處安裝一個限流裝置，在不影響晴天污水正常排放的情況下合理設置該流量限值，限制排水戶污水管在雨天的峰值流量。局部收口徑抬高了上游水位，充分利用排水戶內部管道容積，實現雨季延緩上游水流進入下游污水主管的時間，以保障污水主管的峰值運行水位。同時還能觀察排水戶內部污水管網在雨天時水位的抬高程度，有助于快速發現排水戶內部管網的質量問題嚴重程度，尤其可以在同一條道路污水管道上，同時間同條件的橫向比較各個支管上，接管用戶的管道問題，為管理部門提供簡單有效的技術手段。

3.智慧限流器設計

限流器縱向長度500mm，過流孔形狀為盾形，如圖2所示。過流孔左右兩側設計為斜面，上下兩面為弧面，弧面上大下小。該結構在限流的同時，盡量做到減小局部水頭損失，保障流水通暢。

圖1 限流器實物圖

限流器前后兩端各配置一個液位傳感器，傳感器1 測得液位h1，傳感器2 測得液位h2，同時還要考慮兩個探頭的落差補償?h。?h 由兩個傳感器探頭安裝位置的垂向落差和其液位精度誤差差值兩部分組成，可進行上下游封堵并保持限流器段滿管且液面靜止時測出。限流器進出水斷面液位的實際落差H 由以下計算確定：

H=h1-h2+?h

根據圓管均勻流曼寧公式：

其中：

V——流速（m/s）；

n——粗糙系數；

R——水力半徑（m）；

i——水力坡度；

A——過水斷面面積（m3）；

X——濕周（m）；

Q——流量（m3/s）。

污水管道的上下游斷面液位落差與管內流量正相關，通過限流器液位數據，還可推導出其實時水力坡度和流量，同步安裝流量計可進行計算驗證和數據復核。

4.智慧限流器應用實例

4.1 實施計劃

研究內容：限流器在城市雨污分流排水系統中的應用。

研究對象：無錫主城區污水管網提質增效示范區。

實驗方案：選取典型排水戶，根據實際條件布設污水管網監控點，安裝超聲波多普勒流量計、限流器數據和雨量計，同步采集數據，對數據進行整理、篩選和分析，總結出有價值的結論。

實施過程：

（1）2020年2月-2020年4月，對提質增效示范區進行管網梳理和排水戶調查，初步確定布點方案。

（2）5月，提質增效示范區進行現場調研，最終確定布點方案。

（3）6-7月，進行智能設備安裝、數據調試。

（4）7-10月，數據采集與分析。

（5）10-11月，數據分析整理和研究報告撰寫。

經過篩選和現場踏勘，選擇了四個典型排水戶作為監控對象：袁家灣 (XL1)、南洋學校 (XL2)、太湖虹橋花園 (XL3)、寶界公園 (XL4)。具體分布詳見圖4：

4.2 數據采集

(1)袁家灣

根據安裝在袁家灣污水總出口處的超聲波多普勒流量計監控數據，整理出該排水戶三次降雨過程中的污水排放量如表1：

圖3 限流器安裝示意圖

圖4 監控點位置圖

表1 袁家灣污水流量

2020年10月2日-10月5日間，限流器液位變化過程如圖5：

圖5 袁家灣限流器液位差與小時降雨量

(2)南洋學校

根據安裝在南洋學校污水總出口處的超聲波多普勒流量計監控數據，整理出該排水戶三次降雨過程中的污水排放量如表2：

表2 南洋學校污水流量

2020年10月2日-10月5日間，限流器液位變化過程如圖6：

圖6 南洋學校限流器液位差與小時降雨量

(3)太湖虹橋國際花園

2020年10月2日-10月5日間，限流器液位變化過程如圖7：

圖7 太湖虹橋國際花園限流器液位差與小時降雨量

(4)寶界公園

圖8 寶界公園限流器液位差與小時降雨量

4.3 數據分析

（1）南洋學校、袁家灣總出口限流器上下游液位差、管段流速變化與降雨量變化存在極大的相關性，出現了雨天流量的暴增，流量計的監測數據顯示外水入侵比例最高已達到1118%和790%。說明這兩個排水戶內部管網存在嚴重的雨污混接點、地下水入滲管段。

（2）袁家灣晴天限流器上下游落差極小，是由于管網建設不規范，管內流速緩慢，應進一步進行管網檢測，排查管網缺陷。

（3）太湖虹橋花園、寶界公園總出口限流器上下游落差、管段流速變化與降雨量基本無相關性，可判斷這兩個排水戶晴雨天流量變化很小，內部管網雨污混接程度很小。

（4）在限流器上游存在外水入侵污水管網的情況時，雨天限流器上下游液位差會增加，外水入侵情況越嚴重雨天上游液位抬高越劇烈。如果降雨持續，則首先會在排水戶內部低洼區域出現局部污水外溢，但保障了主管峰值流量相對削減。

4.4 流量對比

根據曼寧公式進行了流量推算，限流器流量與流量計流量對比結果如圖9（滿管流）：

限流器計算流量與流量計流量偏差數據比較如表3：

圖9 限流器流量與流量計流量比較

分析兩個流量的偏差原因：

（1）液位計、流量計設備本身存在精度誤差。

（2）安裝限流器時會有一個微小的安裝角度，已采取了人工讀數進行補償，并在計算時對液位落差進行了矯正，仍會存在一定誤差。

（3）曼寧公式的適用條件為圓管恒定均勻流，并對局部水頭損失進行了經驗近似處理。老舊管道因粗糙度和雷諾數變化會引起較大誤差。管井、管道之間的接口處流場復雜，管道缺陷導致斷面流速不均勻，開關泵站或上游來水不穩定，這些情況都不符合曼寧公式的適用條件。

（4）限流器總長僅50 厘米，上下游落差一般在毫米計量等級。對于非滿管流或流速過小的管段，誤差將在測量結果中占比較大，影響結果。

5.限流器使用效果

通過實驗發現智能限流器具備如下作用：

（1）限流器限制排水戶的最大瞬時流量，能夠平緩主干管網液位波動，削減了主管峰值流量，降低主干管網漫溢風險。

（2）在排水戶總出口安裝限流器，對限流器進出口液位落差進行比較，并結合降雨情況分析，可溯源定位出外水入侵問題較大的排水戶，便于合理安排排查和整改計劃。

（3）依據曼寧公式推算，可以得出限流器的計算流量，盡管計算結果存在偏差，但可以得到污水流量的變化曲線形態和變化規律，對外水入侵、污水管網缺陷程度進行初步判斷。

（4）對于非滿管流或流速過小的管段，由于測量誤差在測量結果中的占比太大，不推薦用限流器數據來判定污水流量。

6.總結與展望

（1）努力完善污水管網監控網絡，調整監測點布置思路，根據數據變化預判結合設備特點，將限流器、流量計、液位計、水質監測設備有機結合，靈活運用，提高管網監控效率，控制監控成本，有利于實現整個排水系統的提質增效。

（2）對水量水位異常變化的排水戶設置限流器，必要時輔以流量計進行水量校驗，有助于盡快完成對其內部管網問題的檢測和修復。

（3）繼續完善智能化限流器的設計，優化限流器設計參數，在保障測量精度的同時使設備更便于安裝和拆卸。

表3 限流器流量與流量計流量偏差比較（數據）