基于監測評估的漢口片區排水系統入滲分析方法與實踐

2021-07-17 01:29:58符韻，李敏，鐘興

凈水技術 2021年7期

符韻，李敏，鐘興

(武漢市水務科學研究院，湖北武漢 430014)

2019年4月29日，住房和城鄉建設部、生態環境部、發展改革委下發《關于印發城鎮污水處理提質增效三年行動方案(2019—2021年)的通知》，要求加快補齊城鎮污水收集和處理設施短板，盡快實現污水管網全覆蓋、全收集、全處理。管網提質增效的重點難點也是首要問題即“清污分流”，不僅要將雨天的雨水和污水分流，更要將旱天地下水、河水等外來水在污水管網中與污水分流。針對此類情況，中國工程建設協會發布了《城鎮分流制排水系統雨污混接調查及治理技術規程》的征求意見稿，對分流制混接調查方法進行了詳細的描述，但是缺少對合流制排水體制及分流制污水體系的提質增效入滲入流的調查研究方法。周宏斌等[1]采用晴天污水量法計算得到昆明主城區溝渠收集片區的地下水入滲率約為35%。林家森[2]用嚴密封堵兩端管口及支管管口，水泵連續抽排上游來水，測定該管段內水量增長，對廣州市有代表性的污水管道地下水滲入量進行研究，得到地下水滲入率約為10%～25%。時珍寶等[3]通過夜間最小流量法對上海3個排水區域進行研究，結果顯示地下水入滲率為10%～29%。本文將對比分析目前常用的基于監測評估的城市排水管網滲入量計算方法，結合監測點的實測數據，對漢口片區外來水入滲率進行分析，以期為漢口片區提質增效措施確定提供數據支撐。

1 研究背景

根據市委市政府關于重點推進三河三湖流域規劃編制工作的部署要求，包括“長江大保護”戰略對水環境的要求，武漢市“四水共治”的需求等，響應市委市政府關于重點推進黃孝河、機場河流域規劃編制工作的部署要求，對漢口片區排水系統外來水入滲率進行分析。

漢口片區理論污水量和實際污水量存在很大差異，實際污水量遠大于理論污水量，大量污水來源不明。相關研究中提出，2016年武漢漢口地區理論污水總量為109.1×104m3/d，9月(豐水期)和12月(枯水期)實測污水總量比理論污水總量分別多19.84×104m3/d和4.99×104m3/d。豐水期和枯水期的污水總量差值為14.85×104m3/d，該部分差值主要由地下水入滲和施工排水造成[4]。

大量入流入滲造成污水處理廠長期超負荷運行，并且存在一定的廠前溢流，溢流水對機場河、黃孝河與府河水質有較大的影響，與“長江大保護”的水環境治理方向相違背。還導致污水管網的污染物濃度大幅下降，與目前污水廠提質增效的大目標相違背，增加污水廠的負荷，降低了可生化降解性，對污水廠運行的沖擊較大。

2 漢口排水系統現狀

2.1 區域概況

本研究針對武漢市漢口地區除諶家磯片外，總面積約133.8 km2。漢口地區屬于長江一級階地，地下水位高，地下水極易滲入排水管網，對污水收集處理體系影響明顯(圖1)。

圖1 漢口地區地下水位變化

2.2 排水系統現狀

漢口地區已建污水處理廠3座，分別為三金潭污水處理廠、漢西污水處理廠和黃浦路污水處理廠，污水處理廠規模如表1所示。

表1 漢口污水處理廠規模

污水處理廠和泵站的分布如圖2所示。

圖2 漢口地區污水系統

漢西污水處理廠下轄的研究范圍內污水泵站有常青路泵站、古田二路泵站、常青北路泵站。三金潭污水處理廠下轄的研究范圍內污水泵站有張公堤泵站、鐵路橋泵站、建設渠泵站、石橋泵站、塔子湖泵站、北4泵站。黃浦路污水處理廠下轄民生路泵站和天津路泵站2座合流泵站。

2.3 管線排查情況

漢口片區在2019年進行了隱患排查，檢測管網共78 377段，1 020.64 km，其中檢測正常管道13 680段，長度為306.35 km，長度占檢測管段的30%；檢測存在缺陷的管道(包括結構性缺陷和功能性缺陷)43 073段，長度為714.29 km，長度占檢測管網長度的70%。漢口片區內管道存在缺陷情況比較普遍。

漢口地區存在大量敷設在地下水水位以下的排水管道，由于各類結構性缺陷，導致大量地下水等外來水滲入管道。其中Ⅲ、Ⅳ級缺陷影響最大，各分區的缺陷管段占比如表2所示。

表2 各分區Ⅲ、Ⅳ級結構性缺陷管道占比

3 存在的問題

3.1 污水處理廠污水收集量遠高于污水產生量

2020年1月底，大量人口離漢返鄉過年導致人口減少，2月—4月新冠肺炎疫情,返漢交通管制導致武漢人口數量低于正常水平，城市供水量由1月上旬的90萬t/d降到80萬t/d以下。而疫情期間漢口地區污水處理總量維持在75萬～135萬t，日均值約113萬t(圖3)。污水廠實際處理水量依舊遠高于供水量換算出的排水量。疫情期間所有工地停工，施工降水幾乎為0，說明片區大量的地下水進入污水系統。

圖3 漢口地區新冠肺炎疫情期間供水量、污水量變化

3.2 污水處理廠長期超負荷運行

污水處理廠長期超負荷運行，部分污水需經臨時設施處理，無法實現旱季污水全收集全處理的目標。污水泵站抽排量高于污水處理廠進水處理量，仍存在溢流現象。2019年至今，漢西廠日均負荷率106%，三金潭廠日均負荷率101%，均長期處于超負荷運行狀態(圖4)。

圖4 污水處理廠處理水量

3.3 污水處理廠進水濃度偏低

2019年至今，黃浦路污水廠、漢西污水廠和三金潭污水廠的現狀進水水質情況如圖5所示。年均BOD5含量為46～71 mg/L，不能滿足進水BOD5為100 mg/L的提質增效目標。這主要是由于污水被地下水及施工降水等外來水稀釋，導致污水處理廠進水濃度低，直接影響污水處理廠運行效率，需要加強外來水量的核查工作。其中2020年2月—4月新冠肺炎疫情時消毒導致BOD進一步降低。

圖5 污水處理廠進水BOD5濃度

4 外來水入滲分析

地下水或河水內滲到排水管網會稀釋污水濃度、增加管網和污水廠負荷、影響管網基礎結構、降低系統運行效率、提高管網溢流風險。

由于排水管網連接關系復雜、隱蔽性強、排水事件隨機被動，甚至會發生內滲外滲交替發生的情況，因此，對區域性排水管網系統進行滲漏監測的技術難度較高。

4.1 外來水入滲計算方法

根據相關經驗，城市排水管網滲入量計算方法包括晴天污水量法、夜間最小流量經驗公式法、用水量折算法、水質物料守恒法等方法，各方法優缺點如表3所示。

表3 外來水入滲計算方法

其中，基于實測監測數據的計算方法為夜間最小流量法以及水質物料守恒法，由于漢口片區排水系統整體呈現被動式頂托運行狀態，運行液位較高，采用夜間最小流量法計算時必須滿足充滿度小于0.3的規定，因此，本研究根據實測監測數據采用流量-水質物料守恒法估算基本入滲量。

該方法基于源頭污水與外來水污染負荷量與下游監測點污染負荷守恒的原理[2]，污染負荷量關系可由式(1)計算得出，上下游流量關系由式(2)計算得出，聯立可得入滲外水量,如式(3)。

Q產污量×C污+Q外水量×C外水濃度=Q×C

(1)

Q=Q產污量+Q外水量

(2)

(3)

其中：Q產污量——區域內日均產生污水量，m3/d；

C污——片區典型污水污染物濃度，kg/m3；

Q外水量——旱天日均入滲的外水量，m3/d；

C外水濃度——片區典型外水污染物濃度，kg/m3；

Q——監測點日均流量，m3/d；

C——監測點污染物濃度，kg/m3。

4.2 技術路線

收集漢口黃孝河機場河流域范圍內相關數據資料，分析各個系統排水管網拓撲連接關系，劃定監測單元，制定排水管網監測方案，初步確定監測點位，結合現場調研及現場勘查情況，基于采集的監測數據分析，實現監測方案不斷優化，最終滿足監測服務需求，技術路線如圖6所示。

圖6 技術路線

對收集的監測數據進行分析評估，處理缺失值和異常值，保證監測數據的有效性，進行監測數據統計分析及對比，對分片區排水管網入流入滲情況進行分析診斷，通過監測數據評估入滲率。

4.3 監測方法

在線超聲波流量計采用多普勒超聲波原理測試，多普勒超聲波流量計通過測量介質中的顆粒、氣泡等反射物實現測量，多用于管道排放廢水，監測精度和靈敏度較高，支持排水管網或明渠等場合的滿管、非滿管流量在線長期穩定監測與積水及溢流預警報警。具有逐分鐘持續監測、軟硬件一體、智能互聯、報警信息全方位推送等特性。

超聲波流量計測量工作是使用速度面積法，流量等于流速乘以過水斷面。速度測量使用多普勒超聲波測量原理，液位測量使用壓力或超聲波測量原理，液位可全量程測量，在過載情況下依然提供正確液位值(圖7)。

圖7 在線超聲波流量計工作原理[7]

4.4 監測點布置

根據漢口片區排水系統的拓撲關系，結合分析外來水入滲率的監測目標，以泵站服務區域劃分進行了水量、水質監測布點。由于天津路片、民生路片和黃浦路片均屬于漢口沿江系統，面積較小，目前僅在黃浦路片布設1個監測點。整個漢口片區共布設了44個監測點位，監測點位與點位拓撲關系如圖8所示，各分區監測點個數如表4所示。