基于特征因子的排水管網(wǎng)地下水入滲分析方法

徐祖信， 汪玲玲， 尹海龍, 李懷正

(同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

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基于特征因子的排水管網(wǎng)地下水入滲分析方法

徐祖信， 汪玲玲， 尹海龍, 李懷正

(同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

摘要：采用基于水質(zhì)特征因子的雨污水管網(wǎng)化學(xué)質(zhì)量平衡方程，建立了污水管網(wǎng)和混接污水管網(wǎng)的地下水入滲量定量分析方法，并據(jù)此建立了管道破損程度的評(píng)價(jià)方法.針對(duì)上海市中心城區(qū)的3個(gè)排水系統(tǒng)，采用總氮和硬度分別作為表征生活污水和地下水的水質(zhì)特征指標(biāo)，并采用不確定性分析理論，對(duì)該區(qū)域雨污水管網(wǎng)系統(tǒng)的地下水入滲量進(jìn)行了解析.計(jì)算結(jié)果表明，管道破損不嚴(yán)重，地下水入滲量符合設(shè)計(jì)要求，管網(wǎng)破損程度評(píng)估結(jié)果符合預(yù)期管道狀態(tài)；表明提出的基于水質(zhì)特征因子的地下水入滲量的分析計(jì)算方法可行，可用于管網(wǎng)破損和維護(hù)判斷.與德國和美國標(biāo)準(zhǔn)相比，我國排水管道地下水入滲基準(zhǔn)值較高，表明我國管道施工和養(yǎng)護(hù)技術(shù)有待進(jìn)一步提高.

關(guān)鍵詞：地下水入滲；水質(zhì)特征因子；管道破損；排水系統(tǒng)

在高地下水位地區(qū)，由于管網(wǎng)破損造成的城市地下水入滲不僅會(huì)增加污水處理廠、泵站的運(yùn)行費(fèi)用，降低污水處理廠的處理效率，而且還會(huì)造成合流制管道和雨水管道容量被地下水占據(jù)，降低排澇能力.

管道修復(fù)費(fèi)用較高，根據(jù)管徑和損壞程度的不同，修復(fù)1 m的造價(jià)一般在數(shù)千至萬元[1].由此，需要建立合理的程序?qū)ε潘到y(tǒng)進(jìn)行調(diào)查.夜間最小流量法是最早提出的排水管道地下水入滲評(píng)估方法[2-4]，在國內(nèi)外有較多的應(yīng)用.其基本原理是在凌晨2: 00～4: 00排水系統(tǒng)內(nèi)污水流入量很少，排水系統(tǒng)出口處的流量主要是地下水滲入量，但是當(dāng)系統(tǒng)服務(wù)范圍比較大時(shí)，夜間最小流量的峰谷不明顯，存在明顯的誤差.由此，近年來發(fā)展了基于排水系統(tǒng)水量平衡和化學(xué)質(zhì)量平衡(同位素分析、污染負(fù)荷分析、電導(dǎo)率測(cè)定)的地下水入滲量分析方法[3,5-13].例如， Kracht等[8]采用水中穩(wěn)定同位素法(18O/16O和D/H)，基于生活污水和地下水中的穩(wěn)定同位素的差異，分析污水管道中地下水入滲水量比例；Houhou 等[11]綜合采用水中穩(wěn)定同位素(δ18OH2O、δD)和硫酸鹽同位素(δ18OH2O，δ18OSO4)，對(duì)法國大南錫地區(qū)城市排水系統(tǒng)的水量平衡過程進(jìn)行分析(地下水入滲、調(diào)蓄池暴雨溢流、雨水下滲等)；Karpf和Krebs[12]建立了排水系統(tǒng)外來水量(地下水、倒灌河水)的計(jì)算公式，針對(duì)德國Dresden流域的排水管網(wǎng)，以污水處理廠的進(jìn)水量為約束條件，建立求解方程組分析排水管道的地下水入滲量和破損程度.徐祖信等[13]針對(duì)分流制排水系統(tǒng)地區(qū)的混接雨水管網(wǎng)，建立了雨污水管網(wǎng)旱天水量平衡計(jì)算公式(生活污水、地下水、倒灌河水)，可用于分析雨污水管網(wǎng)的整體地下水入滲量.

基于穩(wěn)定同位素化學(xué)質(zhì)量平衡分析方法，通常只適用于遠(yuǎn)距離供水的研究區(qū)域(認(rèn)為其地質(zhì)同位素成分存在差異)；水量平衡法只適用于完整的自封閉系統(tǒng).本文借鑒美國雨水管網(wǎng)混接調(diào)查技術(shù)指南中提出的水質(zhì)特征因子概念[14-15]，引入表征生活污水和地下水的水質(zhì)特征因子，將水量平衡和化學(xué)質(zhì)量平衡法結(jié)合起來，分析排水管網(wǎng)系統(tǒng)的地下水入滲量.

1研究對(duì)象

研究區(qū)域?yàn)樯虾Ｊ兄行某菂^(qū)3個(gè)相鄰的分流制排水系統(tǒng)(如圖1所示)，以下分別簡(jiǎn)稱為Q系統(tǒng)、X系統(tǒng)和L系統(tǒng)，總服務(wù)面積5.28 km2.該區(qū)域主要為居住區(qū)和商業(yè)區(qū)，雨水系統(tǒng)相互獨(dú)立，通過3個(gè)雨水泵站(Q系統(tǒng)雨水泵站、X系統(tǒng)雨水泵站和L系統(tǒng)雨水泵站)直接排向黃浦江.生活污水收集輸送至DF污水泵站和LH污水泵站(1號(hào))，之后分別經(jīng)由HN污水泵站-LD污水泵站，以及LH污水泵站(2號(hào))-LH污水泵站(3號(hào))兩條污水輸送支線，最終進(jìn)入污水治理二期總管.

圖1　研究區(qū)域示意圖

根據(jù)2012—2013年期間對(duì)該區(qū)域的污水量調(diào)查，該區(qū)域共有污染源401個(gè)，合計(jì)污水產(chǎn)生量約1407萬t·年-1(平均3.85萬t·d-1)，如表1示.

由于該區(qū)域存在雨污混接問題，部分生活污水混接進(jìn)入了雨水管道，為了控制雨水管道的混接旱流污染排放，在3個(gè)排水系統(tǒng)的雨水泵站內(nèi)均安裝了污水截流泵，旱天將混接污水輸送到污水處理廠.此外，由于上述排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為地下式雨水泵站，為了確保雨水泵站的運(yùn)行安全，當(dāng)旱天雨水管網(wǎng)中的水位達(dá)到1.0～1.4 m(Q系統(tǒng)和X系統(tǒng))和1.9 m(L系統(tǒng))時(shí)，必須開啟雨水泵強(qiáng)排，混接污水和入滲地下水直接進(jìn)入河道.該區(qū)域雨水管網(wǎng)旱天運(yùn)行信息見表2.

表1　研究區(qū)域內(nèi)污水產(chǎn)生量

表2　研究區(qū)域雨水管網(wǎng)旱天運(yùn)行信息

2研究方法

2.1水質(zhì)特征因子的選擇

原則上，水質(zhì)特征因子的篩選需滿足以下要求[14-15]：不同混接類型濃度差異顯著；保守物質(zhì)(基本上不發(fā)生物理、化學(xué)及生物反應(yīng))；具有合適的檢出限、靈敏度和較高的可重復(fù)性.本文研究區(qū)域的雨水管網(wǎng)旱流水量來源來自于生活污水和地下水，因此需要確定生活污水和地下水的水質(zhì)特征因子.

生活污水水質(zhì)特征因子.傳統(tǒng)的用來表征生活污水的水質(zhì)特征因子指標(biāo)包括氨氮、總氮等.由于排水管網(wǎng)尤其是雨水管網(wǎng)旱天充滿度較低，管道易處于好氧狀態(tài)，導(dǎo)致管道中NH3-N會(huì)發(fā)生硝化反應(yīng).Shelton等[16]在基于化學(xué)質(zhì)量平衡分析污水管網(wǎng)系統(tǒng)中降雨入滲/入流時(shí)，對(duì)比分析了總氮、總懸浮物(TSS)、咖啡因、大腸埃希氏菌、腸球菌的指示性能，認(rèn)為總氮作為生活污水指示指標(biāo)的性能相對(duì)最優(yōu).此外，在針對(duì)上海市中心城區(qū)某混接排水系統(tǒng)的混接診斷研究中[17]，驗(yàn)證了總氮作為生活污水水質(zhì)特征因子的指示效果，與實(shí)測(cè)值相比，其用作生活污水的水量解析誤差可達(dá)5%以內(nèi).因此，采用總氮作為表征生活污水的水質(zhì)特征因子.

地下水水質(zhì)特征因子.在高地下水位地區(qū)，淺層地下水由于溶解了石灰?guī)r導(dǎo)致其硬度值相對(duì)較高[14].因此，硬度可作為表征地下水的水質(zhì)特征因子指標(biāo).

2.2基于特征因子法的管網(wǎng)入滲水量計(jì)算方法

(1)雨水管網(wǎng)化學(xué)質(zhì)量平衡關(guān)系

3個(gè)排水系統(tǒng)的雨水管網(wǎng)旱天化學(xué)質(zhì)量平衡關(guān)系如下:

(1)

(2)

(3)

式中：Wqg，Wxg和Wlg分別為Q系統(tǒng)，X系統(tǒng)和L系統(tǒng)雨水管網(wǎng)中入滲的地下水量；Wqm，Wxm和Wlm分別為Q系統(tǒng)，X系統(tǒng)和L系統(tǒng)雨水管網(wǎng)末端旱天出流水量；cwi和cgi分別為生活污水和地下水中水質(zhì)特征因子i(總氮和硬度)的濃度；cqmi，cxmi和clmi分別為Q系統(tǒng)，X系統(tǒng)和L系統(tǒng)雨水管網(wǎng)末端水質(zhì)特征因子i(總氮和硬度)的濃度.

由于混接源水質(zhì)特征因子濃度不確定性以及末端排口水質(zhì)特征因子濃度變化的不確定性，采用基于蒙特卡洛法的不確定性計(jì)算方法對(duì)式(1)—式(3)求解.依據(jù)該方法，在解析出每個(gè)系統(tǒng)雨水管網(wǎng)中地下水入滲量的同時(shí)，還可以反驗(yàn)出每個(gè)系統(tǒng)中地下水和生活污水的水質(zhì)特征因子i(總氮和硬度)濃度總體均值.

(2)污水管網(wǎng)化學(xué)質(zhì)量平衡關(guān)系

如圖1示，DF污水泵站僅接納該研究區(qū)域的生活污水(包括Q系統(tǒng)的全部范圍和L系統(tǒng)的部分范圍)，因此可針對(duì)DF污水泵站建立化學(xué)質(zhì)量平衡關(guān)系，判斷污水管網(wǎng)系統(tǒng)的地下水入滲量.

(4)

式中，Wdg和Wd分別為DF污水泵站收集服務(wù)范圍內(nèi)污水管網(wǎng)入滲地下水量和DF污水泵站總進(jìn)水量；cdi為DF污水泵站前池水質(zhì)特征因子i(總氮和硬度)濃度.

在雨水管網(wǎng)旱天化學(xué)質(zhì)量平衡解析的基礎(chǔ)上，由于可以基于蒙特卡洛法反驗(yàn)出研究區(qū)域地下水和生活污水的水質(zhì)特征因子濃度總體均值，因此可對(duì)式(4)進(jìn)一步簡(jiǎn)化.考慮到入滲地下水的總氮濃度相對(duì)于生活污水可以忽略不計(jì)，因此有

(5)

式中，cd,TN和cw,TN分別為DF污水泵站前池的總氮濃度和生活污水的總氮總體濃度.

2.3水質(zhì)特征因子數(shù)據(jù)獲取方法

(1)地下水

在該研究區(qū)域內(nèi)鉆探2口地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)井，采集淺層地下水水樣.其中1口地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)井位于X系統(tǒng)雨水泵站內(nèi)，距離黃浦江較近；另外1口監(jiān)測(cè)井位于研究區(qū)域的中心綠地內(nèi)，距離黃浦江較遠(yuǎn).通過兩口地下水監(jiān)測(cè)井的監(jiān)測(cè)結(jié)果表征研究區(qū)域地下水質(zhì)的空間變化范圍.水質(zhì)采樣點(diǎn)位于監(jiān)測(cè)井水位以下30 cm處(約2.3～2.5 m)，高于雨水管網(wǎng)旱天運(yùn)行水位(表2示)，代表了雨水管網(wǎng)入滲地下水的水質(zhì)濃度.采樣日期為2014年7月20日—7月26日，對(duì)應(yīng)于雨污水管網(wǎng)末端的采樣時(shí)間段.參照《城市地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)規(guī)程》(CJJ76-2012)中關(guān)于采樣頻率的相關(guān)規(guī)定[18]，每天采集1個(gè)水樣能夠滿足要求，共計(jì)采集14個(gè)水樣.

(2)生活污水

生活污水總氮濃度范圍參照2008年開展的上海市39個(gè)居住小區(qū)生活污水濃度調(diào)查結(jié)果[19]；生活污水硬度則依據(jù)作者在上海市徐匯某居住小區(qū)(田林十三村)的生活污水水質(zhì)調(diào)查結(jié)果[20].

(3)雨水管網(wǎng)末端排口

在3個(gè)排水系統(tǒng)雨水管網(wǎng)末端的市政泵站前池分別安裝自動(dòng)采樣器(ISCO 6712)，對(duì)雨水管網(wǎng)旱天出流進(jìn)行自動(dòng)采樣.采樣時(shí)間段為2014年7月20日—7月26日；期間每2 h采樣1次，每個(gè)雨水泵站采集84個(gè)水樣.

(4)污水管網(wǎng)末端排口

在DF污水泵站內(nèi)人工采集污水收集系統(tǒng)末端水樣.采樣時(shí)間段為2014年7月20日—21日.期間每2 h采樣1次，共采集24個(gè)水樣.

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)采集的水樣，每批次采樣結(jié)束后，將水樣及時(shí)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析.每個(gè)水樣監(jiān)測(cè)的水質(zhì)特征因子指標(biāo)包括：總氮和硬度(鈣、鎂離子硬度總和).其中，總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)監(jiān)測(cè)，硬度采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法[21](ICP-AES法；ICP-Agilent 720ES)監(jiān)測(cè).

3結(jié)果與討論

3.1水質(zhì)特征因子監(jiān)測(cè)結(jié)果

生活污水、地下水和研究區(qū)域內(nèi)雨水泵站、污水泵站的水質(zhì)特征因子監(jiān)測(cè)結(jié)果如表3示.

(1)生活污水的水質(zhì)特征指標(biāo)濃度范圍存在較明顯的波動(dòng).生活污水的總氮濃度來自于上海市39個(gè)居住小區(qū)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，由于一些居住小區(qū)雨污水管道混接、錯(cuò)接，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)排放口的生活污水中灰水和黑水的比例不同，總氮濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果波動(dòng)幅度大.因此，表3中生活污水的總氮濃度范圍實(shí)際上代表了介于灰水和黑水之間的總氮濃度值，與采樣點(diǎn)位置和采樣年代無關(guān)，具有普遍適用性.另外，由于本文中雨污水管網(wǎng)末端水質(zhì)的監(jiān)測(cè)時(shí)間為夏季，因此對(duì)應(yīng)的生活污水水質(zhì)濃度范圍及濃度均值為夏季的監(jiān)測(cè)結(jié)果.

表3研究區(qū)域雨水管網(wǎng)旱天入流與出流水質(zhì)濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果

Tab.3Statistics of monitored water quality parameters for the sources and dry-weather outflows

旱天入流/出流統(tǒng)計(jì)參數(shù)總氮/mg·L-1硬度/mg·L-1生活污水地下水Q系統(tǒng)雨水泵站X系統(tǒng)雨水泵站L系統(tǒng)雨水泵站DF污水泵站范圍12.4-89138-241均值±標(biāo)準(zhǔn)差33.3±12.1162±24變異系數(shù)0.480.15范圍1.4-2.7311-433均值±標(biāo)準(zhǔn)差1.9±0.4341±44變異系數(shù)0.200.13均值±標(biāo)準(zhǔn)差19.1±2.9261±28.7變異系數(shù)0.150.10均值±標(biāo)準(zhǔn)差10.3±1.9257±24.1變異系數(shù)0.180.09均值±標(biāo)準(zhǔn)差16.9±1.9268±25.5變異系數(shù)0.110.09均值±標(biāo)準(zhǔn)差25.8±3.2/變異系數(shù)0.12/

(2)總體上旱天污水泵站和雨水泵站監(jiān)測(cè)的總氮濃度較為穩(wěn)定(變差系數(shù)為0.12～0.18).如圖1所示，DF污水泵站收集了Q系統(tǒng)的全部污水和L系統(tǒng)的部分污水.由于該區(qū)域?yàn)槿丝诿芗幼^(qū)和發(fā)達(dá)的商業(yè)區(qū)，污染排放點(diǎn)多，生活污水流到污水泵站存在時(shí)間差，因此生活污水中水質(zhì)特征因子濃度較為穩(wěn)定.同樣，雨水管網(wǎng)中不同生活污水混接點(diǎn)污水流到泵站排放口也存在時(shí)間差，生活污水總氮濃度也相對(duì)穩(wěn)定.這也表明，采用夜間最小流量法難以判斷管網(wǎng)地下水滲入量.

(3)圖2給出了3個(gè)系統(tǒng)雨水管網(wǎng)排口旱天總氮濃度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過程線，可以看出：同一時(shí)刻雨水管網(wǎng)排放口的生活污水總氮濃度存在一定的波動(dòng)幅度，與旱天雨水泵開啟導(dǎo)致的管網(wǎng)水位變化等因素有關(guān).這就進(jìn)一步表明：在計(jì)算雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的地下水入滲量時(shí)，要考慮地下水入滲量的不確定性，以得到合理的解析結(jié)果.

3.2雨污水管網(wǎng)系統(tǒng)地下水入滲量解析結(jié)果

3.2.1雨水管網(wǎng)系統(tǒng)地下水入滲量

a Q系統(tǒng)

b X系統(tǒng)

Fig.2Total nitrogen concentration of the storm network outfalls over the course of one day

基于蒙特卡洛法的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)地下水入滲量計(jì)算流程，如圖3示.其中，雨水管網(wǎng)排放口濃度以正態(tài)分布的形式生成隨機(jī)數(shù)，以反映出流水質(zhì)波動(dòng)和測(cè)量可能導(dǎo)致的誤差；而對(duì)于地下水和生活污水的濃度，則根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)范圍，以均勻分布的形式生成隨機(jī)數(shù)，原因是地下水入滲點(diǎn)通常不足一個(gè)，生活污水的來源則包括居住小區(qū)、商業(yè)(餐飲、辦公)等，以均勻分布的形式更能涵蓋旱天入滲/入流水質(zhì)濃度的實(shí)際濃度區(qū)間(或總體濃度均值).在此基礎(chǔ)上，通過隨機(jī)運(yùn)算求解，在解析出地下水入滲水量比例的同時(shí)，還能夠反驗(yàn)出滿足水量平衡(即水量總和等于1)和化學(xué)質(zhì)量平衡的生活污水和地下水的總體濃度均值.

圖4給出了3個(gè)排水系統(tǒng)雨水管網(wǎng)地下水入滲量解析結(jié)果的頻率直方圖.總體上Q系統(tǒng)、X系統(tǒng)和L系統(tǒng)的雨水管網(wǎng)地下水入滲比例分別為51.2%，63.6%和57.5%，對(duì)應(yīng)總體上日均地下水入滲量約為6 634 m3·d-1，5 988 m3·d-1和8 109 m3·d-1.

圖3　　　　基于蒙特卡洛算法的雨水管網(wǎng)地下水入滲量

Fig.3Flow chart of groundwater infiltration into the storm networks by Monte-Carlo-based simulation

aQ系統(tǒng)bX系統(tǒng)

c L系統(tǒng)

Fig.4Histogram of apportioned groundwater infiltration into the storm network

表4進(jìn)一步給出了基于不確定性算法反驗(yàn)的3個(gè)排水系統(tǒng)雨水管網(wǎng)中生活污水和地下水的總氮和硬度濃度總體均值.對(duì)于生活污水，可以看出：Q系統(tǒng)和L系統(tǒng)的總氮濃度基本一致，接近于居民區(qū)混合生活污水的濃度均值(表3示)；X系統(tǒng)的總氮濃度明顯低于Q系統(tǒng)和L系統(tǒng).其原因解釋如下：如表1示，Q系統(tǒng)和L系統(tǒng)的居民點(diǎn)較多，以居民區(qū)生活污水為主，因此進(jìn)入雨水管網(wǎng)的生活污水很可能以老式居民區(qū)生活污水直接接入雨水管網(wǎng)為主，相應(yīng)反驗(yàn)的生活污水總氮濃度較高；相比而言，X系統(tǒng)為中央商務(wù)區(qū)，其生活污染以餐飲、辦公廢水為主，灰水比例相對(duì)較高，因此混接生活污水的總氮濃度相對(duì)居民區(qū)生活污水要低.這也同時(shí)說明，在分析污水管網(wǎng)中的地下水入滲比例時(shí)，有必要根據(jù)生活污染源的特點(diǎn)，合理確定總氮濃度范圍.

表4基于解析結(jié)果的反演地下水和生活污水總體濃度均值

Tab.4Apportioned general chemistry of groundwater and sanitary sewage in the study site

排水系統(tǒng)名稱旱天入流總氮/mg·L-1硬度/mg·L-1Q系統(tǒng)X系統(tǒng)L系統(tǒng)生活污水37.00176地下水2.04341生活污水24.90145地下水2.01338生活污水36.90172地下水2.03339

3.2.2污水管網(wǎng)系統(tǒng)地下水入滲量

根據(jù)上述分析，研究區(qū)域生活污水的總氮濃度約為24.9～37.0 mg·L-1.在污水收集管網(wǎng)中，其收集污水既包括部分居民區(qū)生活污水，也包括餐飲、辦公等事業(yè)單位生活污水，可取生活污水的總體濃度均值為31.0 mg·L-1.

根據(jù)式(5)，可通過比較生活污水和污水管網(wǎng)系統(tǒng)末端的總氮濃度，確定污水管網(wǎng)系統(tǒng)中地下水的入滲比例.以生活污水和DF污水系統(tǒng)泵站的總氮濃度均值計(jì)算，該污水管網(wǎng)系統(tǒng)中地下水比例為17%，相應(yīng)生活污水的比例為83%.

根據(jù)DF系統(tǒng)污水泵站的運(yùn)行記錄，DF系統(tǒng)污水泵站每天的轉(zhuǎn)輸水量較為穩(wěn)定，平均約18 200 m3·d-1.相應(yīng)，DF污水管網(wǎng)系統(tǒng)中地下水入滲量約3 094 m3·d-1，收集的生活污水量約15 106 m3·d-1.

3.3管道破損狀況分析

對(duì)管道破損狀況的分析，涉及到雨污水管道允許地下水入滲量的基準(zhǔn)數(shù)值.為了定性、定量評(píng)價(jià)管道破損程度，提出采用評(píng)價(jià)方法如下：

(6)

式中:δ表示管道實(shí)際地下水入滲量當(dāng)量值；δ0表示管道允許地下水入滲量當(dāng)量值；ε表示管道破損指數(shù)，提出：ε≤1，表示排水管網(wǎng)基本不破損；1<ε≤2，表示排水管網(wǎng)輕度破損；ε>2，表示排水管網(wǎng)嚴(yán)重破損.

對(duì)于污水管道，可按照平均日綜合生活污水量的15%～20%作為基準(zhǔn)值[1,22]，δ0=15106×20%=3021 m3·d-1.相應(yīng)，ε=3094/3021=1.02.可以認(rèn)為管道處于基本不破損狀態(tài).

對(duì)于雨水管道，參照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014-2006)[22]，可采用單位管長(zhǎng)法或者單位面積法確定入滲量基準(zhǔn)值.其中，在規(guī)范中對(duì)基于單位管長(zhǎng)法的地下水入滲量基準(zhǔn)值既給出了靜態(tài)值，也給出了動(dòng)態(tài)數(shù)值，以考慮地下水水位—管道埋深差值對(duì)地下水入滲量的影響；而基于單位面積法的地下水入滲基準(zhǔn)值由于綜合了區(qū)域不同位置管道的埋深，只給出了靜態(tài)數(shù)值.為簡(jiǎn)便起見，基于單位面積法確定雨水管道中地下水入滲量基準(zhǔn)值(見表5)，并進(jìn)一步給出了基于單位面積法的研究區(qū)域雨水管網(wǎng)破損程度評(píng)價(jià)結(jié)果(見表6).

表5　雨水管道地下水入滲量基準(zhǔn)值

表6　研究區(qū)域雨水管網(wǎng)破損程度評(píng)價(jià)結(jié)果

*：括號(hào)中數(shù)值按照表5中對(duì)應(yīng)數(shù)值取值范圍的平均值計(jì)算，即1410 m3·(km2·d)-1.

由表5和表6可以看出：根據(jù)上海標(biāo)準(zhǔn)，Q系統(tǒng)雨水管網(wǎng)，X系統(tǒng)雨水管網(wǎng)和L系統(tǒng)雨水管網(wǎng)的破損指數(shù)最高為1.02，0.95和1.11，處于基本不破損情形.因?yàn)樵摴芫W(wǎng)位于上海中央商務(wù)區(qū)地區(qū)，上世紀(jì)90年代初高標(biāo)準(zhǔn)建成，管網(wǎng)破損程度評(píng)估結(jié)果符合預(yù)期管道狀態(tài)；同時(shí)表明基于水質(zhì)特征因子的地下水入滲量的分析計(jì)算方法可行，可以用于管網(wǎng)破損和維護(hù)判斷.而以德國和美國標(biāo)準(zhǔn)衡量，總體上管道破損嚴(yán)重，地下水入滲量大大超過設(shè)計(jì)允許值.究其原因，除上海市地下水位可能相對(duì)較高外，管材與接口技術(shù)陳舊以及養(yǎng)護(hù)水平不高也是重要原因.上海屬軟土地基條件，部分區(qū)域?yàn)榱魃承酝寥?，管道剛性接口錯(cuò)位、損壞易于造成沉管事故，導(dǎo)致管道地下水入滲量增加.

4結(jié)語

建立了基于水質(zhì)特征因子的雨污水管網(wǎng)系統(tǒng)化學(xué)質(zhì)量平衡方程，既適用于對(duì)污水管網(wǎng)(或合流制管網(wǎng))的地下水入滲量定量評(píng)估，也適用于混接雨水管網(wǎng)的地下水入滲量評(píng)估.考慮到管道水位波動(dòng)性較大，建議采用蒙特卡洛方法進(jìn)行計(jì)算分析.針對(duì)上海市中心城區(qū)的3個(gè)排水系統(tǒng)，采用總氮和硬度分別作為表征生活污水和地下水的水質(zhì)特征指標(biāo)，對(duì)該區(qū)域雨污水管網(wǎng)系統(tǒng)的地下水入滲量進(jìn)行了解析，計(jì)算結(jié)果表明，以上海標(biāo)準(zhǔn)衡量，管道破損不嚴(yán)重，地下水入滲量符合設(shè)計(jì)要求，與實(shí)際情況吻合.表明基于水質(zhì)特征因子的地下水入滲量的分析計(jì)算方法可行，可以用于管網(wǎng)破損和維護(hù)判斷.與德國和美國標(biāo)準(zhǔn)相比,我國排水管道地下水入滲基準(zhǔn)值較高，說明我國管道施工及養(yǎng)護(hù)技術(shù)有待進(jìn)一步提高.

參考文獻(xiàn):

[1]時(shí)珍寶,李田. 上海市排水管道滲入量調(diào)查與修復(fù)決策[J]. 市政技術(shù), 2004,22(2):65.

SHI Zhenbao, LI Tian. Investigation of drainage system condition and rehabilitation decision in Shanghai [J]. Municipal Engineering Technology, 2004, 22(2):65.

[2]李田,時(shí)珍寶,張善發(fā). 上海市排水小區(qū)地下水入滲量研究[J]. 給水排水, 2004,30(1):29.

LI Tian, SHI Zhenbao, ZHANG Shanfa. Study on groundwater infiltration of Shanghai drainage systems [J]. Water & Wastewater Engineering, 2004,30(1):29.

[3]郭帥,張土喬, ZHU Z David. 地下水滲入排污管道的定量方法[J]. 中國給水排水,2013,29(4): 21.

GUO Shuai, ZHANG Tuqiao, ZHU Z David. Quantitative methods for groundwater infiltration into sewer system [J]. China Water & Wastewater, 2013, 29(4):21.

[4]De Benedittis J, Bertrand-Krajewski JL. Infiltration in sewer systems: comparison of measurement methods [J]. Water Science and Technology, 2005,52(3): 219.

[5]郭帥. 城市排水系統(tǒng)地下水入滲及土壤侵蝕問題研究[D]. 杭州：浙江大學(xué),2012.

GUO Shuai. Study on infiltration and soil erosion in sewer systems [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2012.

[6]劉旭輝, 張金松, INIAL G. 深圳市排水系統(tǒng)地下水滲入量初步研究[J]. 中國給水排水，2013,29(3):77.

LIU Xuhui, ZHANG Jinsong, INIAL G. Groundwater infiltration in Shenzhen drainage system [J]. China Water & Wastewater, 2013, 29(3):77.

[7]Kracht O, Gujer W. Quantification of infiltration into sewers based on time series of pollutant loads [J]. Water Science and Technology, 2005, 52:209.

[8]Kracht O, Gresch M, Gujer W. A stable isotope approach for the quantification of sewer infiltration[J]. Environmental Science & Technology, 2007, 41(16): 5839.

[9]Kracht O, Gresch M, Gujer W. Innovative tracer methods for sewer infiltration monitoring [J]. Urban Water Journal, 2008, 5(3): 173.

[10]Prigiobbe V, Giulianelli M. Quantification of sewer system infiltration using δ18 O hydrograph separation [J]. Water Science and Technology, 2009, 60(3): 727.

[11]Houhou J, Lartiges B S, France-Lanord C,etal. Isotopic tracing of clear water sources in an urban sewer: a combined water and dissolved sulfate stable isotopic approach [J]. Water Research, 2010, 44: 256.

[12]Karpf C, Krebs P. Quantification of groundwater infiltration and surface water inflows in urban sewer networks based on a multiple model approach[J]. Water Research, 2011, 45(10): 3129.

[13]XU Zuxin, YIN Hailong, LI Huaizheng. Quantification of non-stormwater flow entries into storm drains using a water balance approach[J]. Science of the Total Environment, 2014, 487: 381.

[14]US Environmental Protection Agency. Investigation of inappropriate pollutant entries into storm drainage systems: a user’s guide[1993-01-15]. http://www.epa.gov/nrmrl/pubs/600r92238/600r92238.pdf.

[15]Field R, Pitt R, Lalor M,etal. Investigation of dry weather pollutants entries into storm drainage systems[J]. Journal of Environmental Engineering, 1994, 120:1044.

[16]Shelton J M, Kim J, Fang J,etal. Assessing the severity of rainfall-derived infiltration and inflow and sewer deterioration based on the flux stability of sewage markers [J]. Environmental Science & Technology, 2011, 45: 8683.

[17]汪玲玲. 基于化學(xué)質(zhì)量平衡模型和概率分析的雨水管網(wǎng)混接診斷研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2015.

WANG Lingling. Source apportionment of non-storm water entries into storm drains based on chemical mass balance and uncertainty simulation[D]. Shanghai: Tongji University, 2015.

[18]中和人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. CJJ 76-2012城市地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)規(guī)程[S]. 北京: 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 2012.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development, CJJ 76-2012 Specification for dynamic observation of groundwater in urban area [S]. Beijing: Ministry of Housing and Urban-Rural Development, 2012.

[19]朱環(huán),李懷正,葉建鋒,等. 上海市居民生活污水主要污染物產(chǎn)生系數(shù)的研究 [J].中國環(huán)境科學(xué),2010,30(1):37.

ZHU Huan, LI Huaizheng, YE Jianfeng,etal. Coefficients of major pollutants in domestic sewage in Shanghai[J]. China Environmental Science, 2010,30(1): 37.

[20]邱敏燕. 基于糞便指示菌的雨水管網(wǎng)混接生活污水識(shí)別技術(shù)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2014.

QIU Minyan.Study on the Identification of sanitary sewage entries into storm Drains based on fecal indicator bacteria[D]. Shanghai: Tongji University, 2014.

[21]國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M]. 4版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

State Environmental Protection Agency of People’s Republic of China. Methods on monitoring and analysis of water and wastewater [M]. 4th ed. Beijing: China Environmental Science Press, 2002.

[22]中華人民共和國建設(shè)部. GB50014-2006 室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 中華人民共和國建設(shè)部, 2006.

Ministry of Construction of the People’s Republic of China. GB50014-2006 Code for design of wastewater engineering [S]. Beijing: Ministry of Construction of the People’s Republic of China, 2006.

Quantification of Groundwater Infiltration into Urban Drainage Networks Based on Marker Species Approach

XU Zuxin, WANG Lingling, YIN Hailong, LI Huaizheng

(State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract：A methodology was proposed to estimate its quantity and the corresponding pipe defect grade. This method was applied to estimating the groundwater infiltration into three separate sewer and storm systems of the City of Shanghai, China. Here, hardness and total nitrogen were used as markers to indicate groundwater and domestic wastewater into sewer pipes and storm pipes with inappropriate sewage entry. Absolute flows of groundwater were estimated in conjunction with Monte-Carlo entry-exit mass balance simulation. The apportioned groundwater flows fell within the allowable designing requirements, and the assessed pipe defect grades fit the anticipated pipe conditions, proving the proposed method feasible and applicable to pipe maintenance assessment. Information also showed that actual allowable groundwater inflow was larger for the study site in comparison with German and US standards, and hence pipe construction and maintenance technologies in China need improving.

Key words：groundwater infiltration; marker species; pipe defect; drainage system

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TU992；X52

通訊作者：尹海龍(1976— ),男, 副教授,工學(xué)博士,主要研究方向?yàn)槌鞘忻嬖次廴究刂? E-mail: yinhailong@#edu.cn

基金項(xiàng)目：國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2013ZX07304—002, 2014ZX07303—003); 上海市研發(fā)基地建設(shè)項(xiàng)目(13DZ2251700)

收稿日期：2015—06—10

第一作者： 徐祖信(1956— ),女,教授,博士生導(dǎo)師,工學(xué)博士,主要研究方向?yàn)槌鞘忻嬖次廴究刂啤⑺h(huán)境綜合整治方向研究. E-mail: xzx@stcsm.gov.cn