上海市某片區(qū)污水輸送干線及其支線地下水滲入情況評(píng)估

朱 弋 袁方竹

（上海市城市排水有限公司，上海200070）

0 引言

上海某干線改造工程于2010年年底通過(guò)工程竣工驗(yàn)收，目前運(yùn)行期均已超過(guò)10年，部分老舊支線管齡甚至超過(guò)20年。由于管道及其附屬構(gòu)筑物變形、破裂、錯(cuò)位、脫節(jié)等，排水系統(tǒng)容易發(fā)生地下水的滲入，這不僅會(huì)增加污水處理廠、泵站運(yùn)行費(fèi)用，降低污水處理效率，還會(huì)引起前端污水管道冒溢，影響居民正常生活的同時(shí)造成城市環(huán)境污染[1]。針對(duì)排水系統(tǒng)來(lái)水組分分析，國(guó)內(nèi)外均有定性和定量的研究。夜間最小流量法是排水管道地下水滲入評(píng)估的傳統(tǒng)方法，但系統(tǒng)范圍較大時(shí)存在明顯誤差；旱天污水法是在旱天時(shí)評(píng)估一個(gè)區(qū)域的排水管道地下水滲入量，該方法簡(jiǎn)單易用，評(píng)估費(fèi)用少[2，3]，李田等[4]曾采用以上兩個(gè)方法對(duì)上海市古北新區(qū)排水系統(tǒng)地下水滲入量開(kāi)展研究；王小婷等[5]采用三角分析法解析特定時(shí)間段內(nèi)的污水管網(wǎng)出口流量，對(duì)2014——2017年期間蘇州市中心城區(qū)污水管網(wǎng)系統(tǒng)開(kāi)展評(píng)估；Baker等[6]通過(guò)三維熒光光譜法研究了城市排水污水組分對(duì)河道的影響；徐祖信等[7]基于特征因子法和蒙特卡羅理論建立了水質(zhì)分析定量方法，并對(duì)上海市某分流制排水系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，該解析結(jié)果誤差能夠控制在10%以?xún)?nèi)。

本文結(jié)合實(shí)際情況，綜合運(yùn)用旱天污水法、三角分析法、三維熒光和特征因子法對(duì)上海市某片區(qū)污水輸送干線及其支線地下水滲入情況開(kāi)展評(píng)估，以期對(duì)該片區(qū)排水系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行和維護(hù)修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐和決策參考。

1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為中心城區(qū)某污水輸送干線至上游29條支線的第一個(gè)接入井。干線服務(wù)面積約295 km2，服務(wù)人口250～270萬(wàn)人。共有兩座污水處理廠，設(shè)計(jì)污水處理能力均為4.0×105m3/d；該片區(qū)涉及三個(gè)供水所，供應(yīng)水量按對(duì)應(yīng)服務(wù)面積進(jìn)行劃分。

2 研究方法

2.1 旱天污水法

旱天污水法排除了因管道雨污混接造成的雨水干擾，將旱天污水輸送量減去原生污水量便得到旱天地下水滲入量。原生污水量的計(jì)算以污水輸送干線服務(wù)片區(qū)為基礎(chǔ)，將供水區(qū)域按面積劃分使其與污水輸送干線服務(wù)片區(qū)完整對(duì)應(yīng)，從而得到該片區(qū)供水量。根據(jù)（2016年版GB 50014—2006）《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，污水量可按當(dāng)?shù)赜盟~的80%～90%采用，對(duì)給排水系統(tǒng)完善的地區(qū)可按90%計(jì)，從而得到原生污水量為供水量的0.9倍。

2.2 三角分析法

三角分析法是以時(shí)間為橫坐標(biāo)，流量為縱坐標(biāo)將一年的污水輸送量按升序排列并繪于圖中，將得到一條S形曲線（見(jiàn)圖1）；圖1下方矩形區(qū)域代表全年原生污水量，矩形上方區(qū)域代表雨水入流量、雨水滲入量和地下水滲入量之和；將一年中旱天所占的比例在橫坐標(biāo)上標(biāo)識(shí)出來(lái)，得點(diǎn)A，并從點(diǎn)A到右下角點(diǎn)B畫(huà)直線，則該直線下方和矩形上方區(qū)域即表示地下水滲入量，直線上方區(qū)域表示雨水入流量和雨水滲入量之和。

圖1 三角分析法計(jì)算入流入滲原理示意圖

對(duì)流量曲線的分割是基于以下幾點(diǎn)假設(shè)：

（1）每日排放的污水量為定值；

（2）雨天管網(wǎng)出口流量最小日，外來(lái)水依然全部為滲入的地下水；

（3）在管網(wǎng)出口流量最大日，入流的雨水?dāng)D占了管道中除污水外的全部剩余空間，即該日的外來(lái)水全部為雨水入流量和雨水滲入量之和。

2.3 三維熒光法

三維熒光可用于來(lái)水定性溯源。三維熒光光譜法可測(cè)定水體中溶解性有機(jī)物，指示污染物的不同來(lái)源，是一種快捷、靈敏、有效的排水系統(tǒng)污染物質(zhì)來(lái)源解析方法。三維熒光光譜表示描述熒光強(qiáng)度同時(shí)隨激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)變化的關(guān)系。作為一種靈敏度高、操作簡(jiǎn)單、選擇性好的光譜指紋指術(shù)，三維熒光技術(shù)可對(duì)多組分復(fù)雜體系中熒光光譜重疊的現(xiàn)象進(jìn)行光譜識(shí)別和表征[8-11]。

由于溶解性有機(jī)物結(jié)構(gòu)中含有大量具有各種官能團(tuán)的芳香結(jié)構(gòu)與不飽和脂肪鏈等熒光基團(tuán)，可采用三維熒光光譜技術(shù)進(jìn)行研究，可以分辨出溶解性有機(jī)物中的腐殖酸，類(lèi)蛋白等不同熒光組分。此外，三維熒光測(cè)定具有對(duì)樣品無(wú)損壞，能夠獲得豐富的溶解性有機(jī)物分子光譜等特點(diǎn)。天然水體中常見(jiàn)的熒光組分分別為陸源腐殖酸組分C1、微生物源腐殖質(zhì)組分C2、自身源腐殖酸組分C3、色氨酸類(lèi)組分C4和酪氨酸類(lèi)組分C5。

2.4 特征因子法

特征因子法可用于來(lái)水定量溯源。特征因子法是美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局排水管網(wǎng)混接調(diào)查技術(shù)體系中的核心技術(shù)方法，其主要原理是選擇能夠表征不同來(lái)源的水質(zhì)特征因子，如生活污水、產(chǎn)業(yè)污水、地下水等，選取合適的水質(zhì)特征因子，建立研究區(qū)域的水質(zhì)特征因子數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)監(jiān)測(cè)排水管網(wǎng)水量和水質(zhì)，進(jìn)一步基于輸入——輸出化學(xué)質(zhì)量平衡法原理，建立排水系統(tǒng)入流與出流的平衡關(guān)系，利用蒙特卡羅不確定性分析方法，獲取不同來(lái)水成分比例的95%置信區(qū)間以及均值數(shù)據(jù)[7-13]。

3 結(jié)果與討論

3.1 旱天地下水滲入量計(jì)算結(jié)果

將24 h內(nèi)累計(jì)雨量小于2 mm（無(wú)法形成徑流）視為旱天；大于或等于2 mm的雨量，降雨當(dāng)天及后兩天定義為雨天。2020年共計(jì)366天，其中旱天131天。旱天片區(qū)供水總量為7 815.83萬(wàn)m3，污水輸送總量為7 880.48萬(wàn)m3，按照原生污水量為供水量的0.9倍計(jì)算可得，上海市某片區(qū)污水輸送干線旱天地下水滲入量占管網(wǎng)收集總水量的10.07%。

3.2 全年地下水滲入量計(jì)算結(jié)果

如圖2所示，基于三角分析法得到了2020年全年某片區(qū)原水污水量為18 221.85萬(wàn)m3，占污水輸送總量81.80%；地下水滲入量902.69萬(wàn)m3，占污水輸送總量4.05%；雨水入流入滲總量為3 151.95萬(wàn)m3，占污水輸送總量14.15%。由此可以看出，全年與旱天結(jié)果相比，地下水滲入比例有所下降，表明2020年片區(qū)雨量較為充沛且管網(wǎng)存在雨污混接現(xiàn)象，雨水入流入滲給片區(qū)管網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)了一定壓力，管道水位上升會(huì)一定程度上阻礙地下水滲入。

圖2 三角分析法結(jié)果

3.3 支線地下水滲入定性定量分析

3.3.1 研究片區(qū)管線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)查

調(diào)查和梳理研究片區(qū)干線及其支線的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等相關(guān)圖檔資料，結(jié)合GIS資料及現(xiàn)場(chǎng)摸排復(fù)核，全面厘清支線管路接入點(diǎn)、接入形式、接入管徑、管道材質(zhì)、管道埋深、相關(guān)附屬物、周邊環(huán)境等資料。排查后得到研究片區(qū)干線總管共有29條支線接入。

3.3.2 三維熒光定性分析結(jié)果

選取了研究范圍內(nèi)9個(gè)點(diǎn)位采集的地下水作為該片區(qū)地下水本底值、6個(gè)居住小區(qū)采集的水樣作為生活污水本底值、9個(gè)工業(yè)廢水采集的水樣作為產(chǎn)業(yè)污水本底值進(jìn)行三維熒光檢測(cè)。結(jié)果表明，地下水共分出兩個(gè)組分（見(jiàn)圖3），分別為激發(fā)波長(zhǎng)350 nm，發(fā)射波長(zhǎng)450 nm，指示陸源腐殖酸類(lèi)C1組分；激發(fā)波長(zhǎng)325 nm，發(fā)射波長(zhǎng)375 nm，指示微生物源腐殖酸類(lèi)C2組分；生活污水共分解出三個(gè)組分（見(jiàn)圖4），分別為激發(fā)波長(zhǎng)350 nm、發(fā)射波長(zhǎng)425 nm，指示陸源腐殖酸類(lèi)C1組分；激發(fā)波長(zhǎng)400 nm、發(fā)射波長(zhǎng)480 nm，指示自生源腐殖酸類(lèi)C3組分；激發(fā)波長(zhǎng)275 nm、發(fā)射波長(zhǎng)340 nm，指示色氨酸類(lèi)C4組分；工業(yè)廢水共分出兩個(gè)組分（圖5），分別為激發(fā)波長(zhǎng)350 nm、發(fā)射波長(zhǎng)425 nm，指示陸源腐殖酸類(lèi)C1組分；激發(fā)波長(zhǎng)290 nm、發(fā)射波長(zhǎng)340 nm，指示色氨酸類(lèi)C4組分。

圖3 地下水分出陸源腐殖酸類(lèi)C1和微生物源腐殖酸類(lèi)C2組分

圖4 生活污水分出陸源腐殖酸類(lèi)C1、自生源腐殖酸類(lèi)C3組分和色氨酸類(lèi)C4組分

圖5 工業(yè)廢水分出陸源腐殖酸類(lèi)C1和色氨酸類(lèi)C4組分

根據(jù)地下水、生活污水和工業(yè)廢水三維熒光的檢測(cè)結(jié)果，微生物源腐殖酸C2是地下水中的特有物質(zhì)，生活污水和工業(yè)廢水均含有色氨酸C4。將水樣C2與C4最大熒光強(qiáng)度進(jìn)行比較，可以得到地下水與生活污水和工業(yè)污水的相對(duì)比例，由此判斷各支線地下水滲入情況。從表1可以看出，支線13、支線19、支線20、支線21、支線23和支線24地下水滲入情況較為嚴(yán)重。

表1 各支線C2與C4最大熒光強(qiáng)度比值

3.3.3 特征因子定量分析結(jié)果

研究片區(qū)所取地下水的水樣中符合典型南方地區(qū)Ca-Mg離子型性水文地質(zhì)地下水特點(diǎn)的硬度指標(biāo)平均值為384 mg/L，與生活污水硬度指標(biāo)平均值183 mg/L、工業(yè)廢水硬度指標(biāo)平均值187.47 mg/L相比，分別為2.1倍、2.0倍，差異性較為顯著，因此硬度指標(biāo)可作為表征地下水的水質(zhì)特征因子。

研究片區(qū)所取生活污水的NH3-N、TN指標(biāo)濃度平均值分別為59.2 mg/L、81.3 mg/L，與地下水NH3-N、TN指標(biāo)的濃度平均值4.37 mg/L、6.65 mg/L、工業(yè)廢水NH3-N、TN指標(biāo)平均值17.74 mg/L、24.56 mg/L相比，分別為13.5倍、12.2倍，3.3倍、3.3倍，因此NH3-N、TN指標(biāo)可作為表征生活污水的水質(zhì)特征因子。不同水質(zhì)特征因子本底值選擇如表2所示。

表2 特征因子本底值選擇

對(duì)29條支線接入井的旱天水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)24小時(shí)的水質(zhì)采樣，每3小時(shí)采樣和指標(biāo)監(jiān)測(cè)，每天共采集8個(gè)連續(xù)過(guò)程水樣。基于地下水、生活污水的本底值數(shù)據(jù)和各支線水樣水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用已選取的水質(zhì)特征因子，利用化學(xué)質(zhì)量平衡方法，對(duì)各接入支線來(lái)水進(jìn)行定量解析，解析結(jié)果如表3所示。

表3 各支線來(lái)水解析結(jié)果

從定量解析結(jié)果可以看出，研究片區(qū)干管接入的支線地下水占比在10%～20%左右，總體情況尚可，局部偏高，其中支線13、支線20、支線21、支線22、支線23、支線24和支線28地下水滲入情況較為嚴(yán)重，占比分別 為24.0%、27.3%、29.6%、24.0%、36.0%、29.7%和23.0%。選擇了滲入最嚴(yán)重的支線23和支線24進(jìn)行了CCTV管道檢測(cè)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)支線23在結(jié)構(gòu)性缺陷方面，存在脫節(jié)2級(jí)2個(gè)，錯(cuò)位2級(jí)2個(gè)，變形2級(jí)1個(gè)；在功能性缺陷方面，存在障礙物3級(jí)1個(gè)，管道堵塞3個(gè)。支線24在結(jié)構(gòu)性缺陷方面，存在滲漏3級(jí)2個(gè)，破裂4級(jí)1個(gè)，破裂3級(jí)1個(gè)，變形3級(jí)2個(gè)；在功能性缺陷方面，存在沉積2級(jí)1個(gè)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在與在流量、雨量數(shù)據(jù)較為完善的前提下，可以利用旱天污水法和三角分析法對(duì)管道地下水滲入情況進(jìn)行快速評(píng)估。根據(jù)結(jié)果可以看出計(jì)算得到的該片區(qū)旱天總體地下水滲入比例結(jié)論與（GB 50013—2018）《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》中入滲地下水量可按平均日綜合生活污水和工業(yè)廢水總量的10%～15%相符。

（2）由于該片區(qū)管網(wǎng)存在雨污混接現(xiàn)象，地下水滲入量在一定程度上受進(jìn)入管網(wǎng)的雨水量影響。

（3）在支線流量數(shù)據(jù)不齊全的情況下，采用三維熒光和特征因子對(duì)29條支線的地下水滲入進(jìn)行定性定量分析，通過(guò)兩者的相互印證，準(zhǔn)確判斷出地下水滲入嚴(yán)重的支線管段。

（4）建議根據(jù)實(shí)際情況將上述分析法推廣至其他片區(qū)進(jìn)行管網(wǎng)評(píng)估，為排水管網(wǎng)地下水滲入問(wèn)題的解決提供決策支撐，促進(jìn)排水管網(wǎng)提質(zhì)增效，確保污水廠的平穩(wěn)運(yùn)行。