基于SWMM模型的農(nóng)村污水收集模式對(duì)比分析

王詩(shī)雅，李樹(shù)平，王子瑜，周佳雯，王榮昌

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

0 引言

排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)作為美麗鄉(xiāng)村建設(shè)規(guī)劃中的重要組成部分，過(guò)去幾十年里得到了越來(lái)越多的重視[1-4]。隨著生活水平的提高，農(nóng)村生活用水量與生活污水排放量急劇增加，未及時(shí)處理的農(nóng)村污水是導(dǎo)致農(nóng)村水資源污染的重要原因[5]。農(nóng)村地區(qū)不同程度步入了現(xiàn)代化的進(jìn)程，室內(nèi)排水設(shè)施逐步完善；同時(shí)隨著農(nóng)民環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和對(duì)環(huán)保措施的重視，亟需采用污水統(tǒng)一收集和處理系統(tǒng)，以減少污水隨意排放，優(yōu)化農(nóng)村衛(wèi)生和環(huán)境。如何結(jié)合農(nóng)村現(xiàn)有排水體制特點(diǎn)、地形地貌和污水管網(wǎng)設(shè)計(jì)要求，采用適宜模式科學(xué)地收集和處理農(nóng)村污水是人們研究的重點(diǎn)。例如人口密度小、居住分散的村莊適宜采用溝渠結(jié)合分散處理污水的模式，人口規(guī)模大、居住集中的村莊則適用于管渠結(jié)合排水處理模式[6]。同時(shí)要在兼顧可操作性和實(shí)用性前提下，依據(jù)村莊地形特征進(jìn)行排水管道設(shè)計(jì)[7]。

目前，隨著排水工程復(fù)雜程度的增加，必須利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合當(dāng)代管理方法，科學(xué)有效地保證城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)安全高效的運(yùn)行，以保障人們的日常生活[8-11]。如利用城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型(SWMM模型)對(duì)城市地表徑流和匯流、管道匯流和水質(zhì)的監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)模擬建立高效排水管理系統(tǒng)[12]。

本文主要討論農(nóng)村污水收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，以及管網(wǎng)布局設(shè)計(jì)方式，并結(jié)合算例進(jìn)行說(shuō)明。

1 設(shè)計(jì)計(jì)算理論

1.1 收集模式

農(nóng)村污水收集模式應(yīng)根據(jù)房屋布置形式、地形、地下水狀況等特點(diǎn)因地制宜。例如集中收集模式適用于房屋布局相對(duì)集中、村莊規(guī)模大、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)條件好的村莊。而布局分散、規(guī)模較小、地形復(fù)雜的村莊，污水不宜集中收集處理，建議采用單戶或聯(lián)戶處理排放的分散式處理模式。一些臨近城市、地形平坦、管網(wǎng)建設(shè)難度低的村莊，可將污水集中收集排入臨近城市污水管網(wǎng)，由城市污水處理廠統(tǒng)一處理。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)村莊距離較近時(shí)，可以考慮共同建造污水處理收集系統(tǒng)[13]。

1.2 生活污水定額和污水總變化系數(shù)

生活污水定額是指單位人口的污水平均排放量，它與建筑內(nèi)部的排水設(shè)施水平和排水系統(tǒng)普及程度等相關(guān)。因排水量測(cè)試難度較大，一般根據(jù)用戶定額確定污水定額，其中除去庭院澆灌用水，農(nóng)村污水產(chǎn)量約是用水量的60%～80%[14]。

為確定污水設(shè)計(jì)流量，應(yīng)在計(jì)算平均污水流量的基礎(chǔ)上，乘以總變化系數(shù)Kz。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)平均污水流量小于5L/s時(shí)，Kz=2.3；當(dāng)平均污水流量大于5L/s時(shí)，

1.3 最小設(shè)計(jì)坡度和最大設(shè)計(jì)充滿度

最小管徑可按街坊管道計(jì)，采用200mm，相應(yīng)最小設(shè)計(jì)坡度為0.004（混凝土管）和0.003（塑料管）；當(dāng)采用250mm和300mm直徑的管道時(shí)，相應(yīng)最小設(shè)計(jì)坡度為0.0035和0.003（混凝土管），或0.0025和0.002（塑料管）。

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，重力流污水管道應(yīng)按不滿流計(jì)算，200～300mm直徑管道的最大設(shè)計(jì)充滿度為0.55。

1.4 最小設(shè)計(jì)坡度和最大設(shè)計(jì)充滿度下的參考流量

農(nóng)村污水管渠系統(tǒng)收集的污水流量較少，小管徑塑料管和混凝土管就能滿足要求[16]。為此可根據(jù)最小設(shè)計(jì)坡度和最大設(shè)計(jì)充滿度，形成不同管徑下的參考流量。流量計(jì)算涉及如下公式[17]：

式中Q——設(shè)計(jì)流量，m3/s；

D——管道直徑，m；

h/D——充滿度；

θ——對(duì)應(yīng)充滿度下的圓心角（見(jiàn)圖1）；

I——設(shè)計(jì)水力坡度，均勻流條件下等于管道設(shè)計(jì)坡度；

n——管壁粗糙度系數(shù)，通?；炷凉苋=0.014，塑料管取n=0.010；

v——設(shè)計(jì)流速，m/s。

不同管材、不同管徑在最大設(shè)計(jì)充滿度和最小設(shè)計(jì)坡度條件下，計(jì)算的流速和流量見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，計(jì)算出的流速均大于規(guī)范規(guī)定的0.6 m/s。

圖1 管道過(guò)水?dāng)嗝媸疽鈭D

表1 最大設(shè)計(jì)充滿度和最小設(shè)計(jì)坡度下的參考設(shè)計(jì)流速和流量

1.5 計(jì)算方法

（1）根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)村條件，選擇污水定額n，管段服務(wù)人口數(shù)N，計(jì)算相應(yīng)的平均設(shè)計(jì)污水量和設(shè)計(jì)污水量Q。

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)污水量Q，與表1中相應(yīng)流量比較；若設(shè)計(jì)流量小于參考流量13.79 L/s（或11.28L/s），采用200mm管徑塑料管（或混凝土管）；若設(shè)計(jì)流量處于13.79～22.64 L/s（或11.28～19.13 L/s）之間，采用250mm管徑；若設(shè)計(jì)流量處于22.64～32.93 L/s（或19.13～28.81 L/s）之間，采用300mm管徑。

2 管網(wǎng)布置方案

農(nóng)村居民點(diǎn)房屋一般集中于道路兩側(cè)，具有一至五排房屋不等。雨水一般沿屋前路面直接就近排入河道，新修排水管網(wǎng)通常只用于收集生活污水。與城市相比，村落房屋分布相對(duì)分散，密度較低，需要污水管網(wǎng)收集沿路各戶污水，集中至就近處理設(shè)施或納入城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)收集后統(tǒng)一處理。選取常見(jiàn)的農(nóng)村房屋分布與建設(shè)規(guī)劃，設(shè)計(jì)相應(yīng)的污水收集管網(wǎng)，為農(nóng)村污水收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

通過(guò)衛(wèi)星圖比照，結(jié)合農(nóng)村房屋建設(shè)與路網(wǎng)分布情況，提出三種典型的管網(wǎng)布置方案。農(nóng)村最為常見(jiàn)的是沿路分布的單排房屋，此種房屋布局規(guī)模靈活，受地形限制較小，如圖2中（a）、（b）所示，可以將道路兩側(cè)居民污水接入路面下方污水管渠，形成“一”字型管網(wǎng)布局，此種布局不存在匯接管線，計(jì)算最為簡(jiǎn)單。對(duì)于地形較為平緩的地區(qū)，農(nóng)村路網(wǎng)往往縱橫交錯(cuò)，居民房屋也隨之呈現(xiàn)相應(yīng)分布，如圖2（c）所示，房屋沿支路建設(shè)，最終到達(dá)主路，相應(yīng)產(chǎn)生了L型管網(wǎng)布局。隨著新農(nóng)村建設(shè)的推進(jìn)，村落有更為集中化、連片化發(fā)展的趨勢(shì)，房屋集中修建，外部由農(nóng)田包圍，如圖2中（d）所示，在村落聚居點(diǎn)周圍較為適用“口”字型管網(wǎng)布局。

圖2 典型農(nóng)村房屋分布及管網(wǎng)布局

3 污水管網(wǎng)建模

我國(guó)某東部沿海地區(qū)某農(nóng)村，地勢(shì)平坦，居民人口3 000人，擬鋪設(shè)污水管道將各戶污水收集后集中處理，農(nóng)村居民人均用水量為80 L/（人·d），設(shè)計(jì)中取污水產(chǎn)量占用水的80%，于是居民人均污水量為64 L/（人·d）。試計(jì)算污水管道直徑。由于具有相似的生活規(guī)律，農(nóng)村生活污水日變化系數(shù)較大，排放量早、晚比白天大，夜間排水量小，甚至可能斷流，水量變化明顯。農(nóng)村污水收集系統(tǒng)具有服務(wù)面積大、服務(wù)戶數(shù)少、單個(gè)節(jié)點(diǎn)入流量小等特點(diǎn)，規(guī)劃設(shè)計(jì)較之城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)有一定的差異。針對(duì)該地區(qū)常見(jiàn)的三種典型村落房屋分布，設(shè)計(jì)污水收集系統(tǒng)，計(jì)算污水管徑，并通過(guò)SWMM構(gòu)建污水主干管模型，對(duì)管網(wǎng)水力狀況進(jìn)行模擬。

3.1 污水管徑計(jì)算

根據(jù)公式（4），平均設(shè)計(jì)流量

設(shè)計(jì)流量

參考表1，采用塑料管（或混凝土管），5.11 L/s低于13.79 L/s（或11.28 L/s），因此可選管徑200mm，最小設(shè)計(jì)坡度為0.003（或0.004）。

3.2 “一”字型管網(wǎng)布置

“一”字形管網(wǎng)布置中，污水由節(jié)點(diǎn)N1流向節(jié)點(diǎn)N6，出口為排放口out，平面示意圖見(jiàn)圖3所示。選取管徑為200mm，坡度為0.004，起點(diǎn)埋深為1m，塑料管的曼寧系數(shù)為0.01，管道總長(zhǎng)度為900m，平均每戶人口約5人，600戶居民分布在干管沿線，每個(gè)節(jié)點(diǎn)服務(wù)居民戶數(shù)基本相同，排放口采用自由出流方式。

圖3 “一”字型管網(wǎng)圖

對(duì)主干管運(yùn)行進(jìn)行模擬，日最大流速符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中最小流速的要求，選取日污水排放量最高時(shí)18：00時(shí)刻剖面線圖如下所示。

圖4 “一”字型管段日排水最高時(shí)剖面線圖

3.3 “L”字型管網(wǎng)布置

“L”字型管網(wǎng)布局中，污水分別由N1和Z1流向N5，出口為排放口out。選取管徑為200mm，坡度為0.004，起點(diǎn)N1和Z1埋深均為1m，塑料管的曼寧系數(shù)為0.01，管道總長(zhǎng)度為1000m，平均每戶人口約5人，600戶居民分布在污水主干管沿線，N編號(hào)節(jié)點(diǎn)服務(wù)人數(shù)稍多于Z編號(hào)節(jié)點(diǎn)，排放口采用自由出流方式。

對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，每日最大流速符合不沖流速要求，選取18：00時(shí)刻，管網(wǎng)流速分布圖如圖5所示。

圖5 “L”字型管段日排水最高時(shí)管線流量分布圖

3.4 “口”字型管網(wǎng)布置

“口”字型管網(wǎng)布局中，可以根據(jù)實(shí)際情況確定節(jié)點(diǎn)分布以及管線長(zhǎng)度，如圖6所示，但是無(wú)法直接得到管段中的污水流向，因此需要先行確定流向，才能進(jìn)一步根據(jù)坡度計(jì)算節(jié)點(diǎn)埋深。污水管網(wǎng)中各元素名稱及管段長(zhǎng)度如下所示：

圖6 “口”字型管網(wǎng)位置分布圖

由上述計(jì)算可知，農(nóng)村污水量較小，管線均采用200mm管徑塑料管，因而路徑權(quán)重?zé)o需考慮管徑因素，建設(shè)成本主要與管線長(zhǎng)度有關(guān)。從圖論角度考慮，可以將管網(wǎng)看作帶權(quán)有向圖，圖的頂點(diǎn)為各個(gè)節(jié)點(diǎn)，邊為各個(gè)管段，邊的權(quán)值即為管段長(zhǎng)度，管網(wǎng)流向設(shè)計(jì)問(wèn)題即為求解各點(diǎn)到排放口最小路徑的問(wèn)題。可以采用Dijkstra算法求出排放口到每個(gè)頂點(diǎn)的最短路徑。具體步驟如下：

①寫(xiě)出待求管網(wǎng)的鄰接矩陣；

②構(gòu)造兩個(gè)集合S、U。其中，S是已計(jì)算出最短路徑的頂點(diǎn)集合，U是未計(jì)算出最短路徑的頂點(diǎn)的集合；

③將頂點(diǎn)N-out加入集合S，由于N-out為起點(diǎn)，故在S中記錄其距離為0，更新U中與N-out之間相連點(diǎn)的距離；

④取集合U中距離最小的點(diǎn)N放入集合S，記錄該點(diǎn)到N-out最短路徑，查看與新放入點(diǎn)N直接相連的點(diǎn)，計(jì)算經(jīng)由N到N-out的距離，若小于此前記錄距離，則更新距離值；

⑤循環(huán)步驟④，直至集合U為空。

最終得到各頂點(diǎn)到N-out最短路徑和距離如下表：

表2 各節(jié)點(diǎn)到排放口最短路徑表

根據(jù)最短路徑設(shè)計(jì)管網(wǎng)進(jìn)行模擬，選取18：00時(shí)刻，管網(wǎng)流量分布圖如圖7所示：

圖7 “口”字型管段日排水最高時(shí)管線流量分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

（1）由于農(nóng)村人口較少，人均污水產(chǎn)生量較小，小管徑塑料管或鋼筋混凝土管就能滿足要求。通過(guò)對(duì)污水收集模式、生活污水定額和污水總變化系數(shù)、最小設(shè)計(jì)坡度和最大設(shè)計(jì)充滿度下的參考流量計(jì)算，形成了農(nóng)村污水收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并用案例進(jìn)行了說(shuō)明。

（2）通常小管徑管道需要較大的設(shè)計(jì)坡度要求?？紤]到不同的地形特征，當(dāng)?shù)匦屋^陡時(shí)，可選用較小管徑；在地形平坦時(shí)，可選用較大管徑，以減少管道下游埋深。此外，由于塑料管壁光滑，水流阻力小，也具有減小管道下游埋深的潛力。

（3）通過(guò)研究三種常見(jiàn)的管道布置方式，可以得出“一”字型管網(wǎng)設(shè)計(jì)最為簡(jiǎn)便，“口”字型管網(wǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜，但在服務(wù)人口相同時(shí)其管段負(fù)荷最低。此外，小口徑管道容易堵塞，特別是在管道上游，接入污水量較小，更容易產(chǎn)生淤積，在日常運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)清淤養(yǎng)護(hù)。