管網河道耦合的排水系統運營風險分析及治理措施*

孟瑩瑩 趙天明 周 建 謝 芳

(北控水務(中國)投資有限公司，北京 100102)

黑臭水體整治工作是全國各城市均十分關注的問題，其中管網是黑臭水體整治工作的核心[1]。由于建設時序不同以及區域建設不平衡等原因，我國城市存在較多的混流式管網，造成污水混入雨水系統直排，導致末端水體污染[2-3]，如上海市雨天泵站集中式放江造成的沖擊負荷常導致受納河道階段性黑臭[4]。目前，有關城市雨水管網本身以及管網河道耦合的研究大多關注防洪排澇相關問題，宋雅輝[5]對不同降雨重現期下管網的排水能力進行評估，識別管網系統瓶頸并提出解決方案；李尤等[6]構建了降雨產流、管網匯流、河道匯流與地表漫流的綜合洪澇模型，評估了管網排水、河道行洪、地表積水相關的風險；沈丹[7]從雨水系統的水動力承載能力和水質排出濃度方面分析了雨水排水系統的健康程度。然而，現有文獻對于系統考慮管網與受納水體關系，從減少水體污染的角度評估管網建設和改造的研究鮮有報道。根據康麗娟[8]的研究，上海市漕河涇排水系統雨水管網混接改造工程實施后，市政泵站旱天放江污染負荷平均削減約58%，雨天放江污染負荷平均削減約30%，可見管網改造對受納水體水質改善的效果。

對水環境項目運營而言，最終的績效體現于受納水體的水質改善，因此需要以水質達標為績效目標，系統梳理岸上管網工程的實施效果及治理優先級。為此，本研究采用暴雨洪水管理模型(SWMM)與河流水動力模擬軟件MIKE 11建立了區域雨水管網與河網的耦合模型，以河網水質達標為前提分析區域管網的運營風險，并重點對風險區域管網末端排口制定了針對性的解決措施，以期為其他管網河道類水環境項目的診斷評估提供參考。

1 研究區概況

研究區位于杭州市某區，流域面積為62.9 km2，其中老城區11.3 km2，新城區51.6 km2，流域內河網水系密布，主要河道有48條。研究區內有1座污水處理廠，新城區和老城區的污水分別收集后進入污水處理廠集中處理。研究區管網雨污混接嚴重，旱季污水管網基本為滿管運行，雨季一旦雨水進入混接系統，極易發生污水溢流入河。由于河道水位較高，入河雨水口基本淹沒于水下，排水系統受頂托情況明顯。

2 研究方法

2.1 區域調研與監測

在非降雨日對研究區內不同類型管網(包括小區、支路、主(次)干路管網)及污水處理廠進水進行水質采樣監測，區域上游來水水質及河道水位、水質等采用常規監測數據。其中，老城區設置6個污水管網監測點、3個雨水管網監測點，新城區設置7個污水管網監測點、4個雨水管網監測點，此外本研究設置38個河道水質監測點及1個河道水位監測點，監測點分布情況見圖1，水質分析指標包括COD、氨氮、TN、TP、SS。2019年5月25日有降雨，在降雨產流時測定屋面、道路、綠地等典型下墊面的徑流流量及水質。

圖1 監測點位分布

2.2 管網河道耦合模型建立

通過美國環境保護署SWMM(5.1版)建立研究區管網模型，其包括4 619個節點、258個排口、4 375段管線，節點和管線的基本屬性通過普查資料獲取。結合管網和河道分布，通過泰森多邊形法將流域劃分為4 373個子匯水單元。匯水單元參數包括資料參數和經驗參數，資料參數通過已有資料獲取，經驗參數通過SWMM幫助文檔和文獻報道的經驗值獲取，具體見表1。地表污染物累積沖刷參數根據實測結果擬合確定[9]。采用MIKE 11建立研究區河網模型，河道斷面、上游來水邊界條件、下游河道水位等根據實測確定，研究區域內的匯流邊界條件由SWMM計算結果確定。

表1 模型參數獲取方法

2.3 運營風險分析及工程治理優先級評估

當地管網系統運營內容主要包括防止積水內澇、改造管網混接，因此將影響管網運行的主要風險分為節點積水風險、管線承壓風險、河水倒灌風險及管網混接風險，不同風險等權考慮后得到管網系統的綜合運營風險。在管網綜合運營風險評估的基礎上，按照以下原則篩選重點排口進行針對性的工程治理：(1)年入河排放污染負荷高、占比大的排口；(2)排放污染物對河道水質影響大的排口；(3)河水倒灌、對污水處理廠進水水質影響大的排口。

3 結果與分析

3.1 研究區管網情況初步診斷

研究區管網水質監測結果見表2。以COD濃度評估污水在管網流經過程中的外水入滲情況，老城區及新城區的污水管網中，污水經由小區管網—支路管網—主(次)干路管網的平均COD濃度沒有明顯的降低趨勢，表明污水管網中外水入滲的情況較少。老城區雨水管網中污染物濃度普遍較低，現場未發現明顯水流，表明污水混入雨水系統的情況不明顯。新城區雨水管網中，僅1個監測點污染物濃度偏低，表現出正常雨水水質，其他3個監測點的污染物濃度均較高，表明污水混接進入雨水管網，個別監測點COD高達39 300 mg/L，說明可能有工業廢水混入。總體看來，老城區管網系統相對健康，新城區存在比較明顯的污水混接進入雨水管網系統的情況，導致污水通過雨水管網直排河道。由于管網與河道耦合模型的可變邊界條件為區域雨水管網匯水，因此通過水位監測點的長序列監測數據率定河道模型和雨水管網的污水匯入量。經校正后，將管網與河道耦合模型用于管網相對排水情況的分析。

表2 管網系統水質監測結果

3.2 地表徑流排放規律及累積沖刷參數

在2019年5月25日降雨過程(降雨量13.6 mm)中，屋面徑流污染物排放過程見圖2。可以看出，降雨過程中污染物呈現比較明顯的初期效應，即降雨初期濃度較高，隨著降雨的進行污染物濃度逐漸下降平緩。以污染風險較大的COD、氨氮、TP為例，擬合計算其在3種典型下墊面(屋面、道路、綠地)的累積沖刷參數，結果見表3。

圖2 屋面徑流污染物質量濃度變化

表3 典型下墊面累積沖刷參數

3.3 管網河道耦合模型校正

以污水混接量為變量，通過不同匯水分區污水混接量調整模擬河道水位，結果見圖3。可以看出，模擬河道水位與監測水位變化趨勢總體一致，相對誤差在10%以內。對38個河道水質監測點污染物模擬濃度和實測濃度進行對比，發現污染物模擬濃度基本在實測濃度的范圍內，平均誤差約為64%，河道水位和水質模擬結果表明模型的參數設置基本滿足實際需求。

圖3 模擬與實測水位

3.4 管網混接程度分析

利用模型校正得出各匯水分區的污水混接量，由此評估管網的混接對河道及管網的污染程度，結果見圖4。由圖4(a)可見，管網混接對研究區河道污染影響相對較小，研究區管網系統的優先排查區域(污染程度為中、較高、高的區域)為東北部、中部及東部中心區域，其面積占流域面積的16.0%，其他區域污水混接對河道水質達標不造成影響，但從消除污水直排入河的角度，其他區域也應逐步開展排查工作。由圖4(b)可見，混接對管網本身影響較大，尤其新城區混接管網污染程度明顯較高，主要集中在新城區東部、北部區域，面積占流域面積的45.0%，這些區域應作為優先排查區域，其他區域也需要根據評估結果逐步開展排查工作。

圖4 管網混接污染程度評估

3.5 管網運營風險分析

將節點積水分為有溢流和無溢流兩種情形，將管線承壓分為有承壓和無承壓兩種情形，將河水倒灌區域分為無倒灌風險、排口淹沒1/3、排口淹沒2/3、排口全淹沒等4種情形，采用管網河道耦合模型分別評估節點積水、管線承壓、河水倒灌風險，結果見圖5。根據3個因素風險評估結果，結合混接后管網污染程度評估，將4個因素等權考慮評估管網系統的綜合運營風險，結果見圖6。

由圖5可見，區域存在一定的節點溢流風險，溢流區域以東部、中部為主，管線承壓和河水倒灌的風險較大，在區域內基本均有分布。由圖6可見，研究區低風險、較低風險、中風險、較高風險、高風險區域的面積占比分別為12.0%、20.4%、36.0%、17.4%、14.2%。低風險及較低風險區域在運營過程中需要較少的投入，而較高風險和高風險區域是運營投入的重點區域，也是管網的優先治理區域。由于管網提質增效工作在持續進行中，因此管網風險分析也需要階段性的評估，據此安排排口治理工程項目的開展。

圖5 管網運營單項風險評價

圖6 管網綜合運營風險評價

3.6 排口治理措施

排水系統效能提升工作是一項系統性工程，為了迅速提升河道水質，保障運營達標，各地通常將末端排口改善作為應急措施首先開展。考慮對河道水質的影響、污染排放負荷、河水倒灌程度等因素，在新城區排查篩選131個重點排口，針對旱天不產流、標高低于河道水位的排口僅設拍門等防倒灌措施即可；而對旱天產流、污染較重的排口設置拍門和手電一體閘門，并配套自控設施，日常關閉閘門防止溢流和倒灌，暴雨開啟閘門泄洪；對旱天出流量較大(10 t/d以上)、水質較差(混接污水)且現場具備實施條件的排口，考慮末端截污提升進入現狀管網；對旱天出流污染較輕、水量較少、雨天溢流污染負荷較輕的排口，采取生態強化措施，如通過設置“強化吸附過濾屏障”，雨水進入河道時對污染水進行攔截，填料部分進行吸附過濾，輔以投加固化微生物和曝氣，進一步削減污染物；針對雨天溢流污染較為嚴重，即雨污水對河道水質影響大、年排放污染負荷高的排口，通過溢流污染處理措施進行治理，如通過對溢流污水混凝沉淀，去除大量懸浮物，從而實現削減雨季入河污染量的目的，旱天通過吸泥車將底泥吸至污水處理廠脫泥系統處理。研究區重點排口治理措施分布見圖7，根據測算，重點排口中防倒灌、末端截污提升、溢流污染處理、生態強化措施的工程占比分別為16.8%、15.3%、45.8%、22.1%。

圖7 重點排口治理措施

4 結 論

(1) 研究區老城區管網情況相對健康，新城區存在比較明顯的污水混接進入雨水系統的情況，導致污水通過雨水管網直排河道。通過河道水位和水質監測結果率定管網河道耦合模型，水位相對誤差在10%以內，水質平均誤差為64%，經校正后的模型可用于管網系統分析。

(2) 管網混接對研究區河道污染影響相對較小，對管網本身污染影響較大，尤其新城區混接管網污染程度明顯較高，優先排查區域占流域面積的45.0%，主要集中在新城區。考慮節點積水、管線承壓、河水倒灌及管網混接等因素評估管網系統綜合運營風險，較高和高風險區域面積占比約為31.6%，管網系統運營需要重點投入。

(3) 考慮對河道水質的影響、污染排放負荷、河水倒灌程度等因素，在新城區排查篩選131個重點排口，根據排口特點提出針對性措施，其中防倒灌、末端截污提升、溢流污染處理、生態強化措施的工程占比分別為16.8%、15.3%、45.8%、22.1%。