限流器在城市雨污分流排水系統(tǒng)中的應用

文｜無錫排水管理處 華錚 朱羿

1.城市雨污分流排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀

隨著近幾年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部部大力推進污水處理工程建設(shè)，城市污水處理廠、管網(wǎng)系統(tǒng)都進行著不斷擴容，在取得污水處理總量提高的成績之下，也出現(xiàn)了廠網(wǎng)負荷率晴雨天差異越來越大的問題。尤其在降雨豐沛、地下水資源豐富的地區(qū)，盡管建設(shè)從規(guī)劃、設(shè)計、施工、驗收都以雨污分流排水體制為主，但運行后的污水管網(wǎng)遇到了同樣現(xiàn)象：管網(wǎng)運行總體水位逐年升高，進廠污水水質(zhì)逐年降低，晴雨天管網(wǎng)水量差距較逐年增大。業(yè)內(nèi)普遍共識為三大原因：（1）收集源頭上，建筑物小區(qū)雨污錯接問題普遍，雨水入流不可忽視；（2）市政排水管網(wǎng)工程質(zhì)量問題造成的管網(wǎng)隱患；（3）在一般的質(zhì)量管控要求下，小區(qū)管網(wǎng)和市政管網(wǎng)都存在因地下水水位高造成入滲總量遠高于規(guī)范設(shè)計規(guī)范的現(xiàn)狀。

根據(jù)蘇州市姑蘇區(qū)的相關(guān)研究，其污水管網(wǎng)中入流入滲的外來水總量占全年管網(wǎng)收集總水量的27%～33%。對于蘇州中心區(qū)（100km2），降雨量每增加10mm，污水管網(wǎng)中將同步增加5.7 萬m3的入流入滲水量。另外，姑蘇區(qū)有排水數(shù)據(jù)研究，住宅小區(qū)污水管總排口在雨天排放量達到晴天的5～20 倍。2018年無錫市的相關(guān)課題研究，無錫太湖新城污水處理廠進水中實際原生污水量僅為60%左右，外水入侵總比例高達40%，進廠COD 平均濃度不足200mg/L。為此，無錫市組織了幾個單項課題研究，其中對源頭小區(qū)排水現(xiàn)狀調(diào)查進行了水質(zhì)水量分析，結(jié)論表明僅小區(qū)管網(wǎng)內(nèi)存在的滲漏現(xiàn)象和雨水匯入污水管網(wǎng)的問題已顯著降低了污水中污染物的濃度。外水入滲量在幾個案例中懸殊很大，不同條件下數(shù)值范圍在10～120 立方米/千米管道/日。由于網(wǎng)狀收集管的總長是市政污水管網(wǎng)的3～5 倍，質(zhì)量情況不如總管建設(shè)要求高，因此對總管水位造成居高不下的因素里，網(wǎng)狀收集管占比為最高。

2.限流器設(shè)計思路

在無錫以往的污水管網(wǎng)建設(shè)中，為了便于用戶接管、盡快推進截污工作，支管布置比較密集，粗略估算主城區(qū)范圍內(nèi)1345公里主管網(wǎng)上大約建設(shè)了5000根支管，現(xiàn)有污水匯入的支管約3000 左右。支管管徑一般為300mm～400mm、對于項目排水接入來說普遍偏大，因此大部分污水支管的充滿度在連續(xù)晴天時偏低。到了江南的雨季，隨著環(huán)境水體水位的持續(xù)上升，外水自排水戶內(nèi)部雨污混接和大量外水入滲污水支管，匯入附近的市政污水管道，最終導致整個污水管網(wǎng)系統(tǒng)流量暴增。

專項研究費時費力，個案之間數(shù)值差異很大，管網(wǎng)本身的缺陷雖可通過視頻檢測可得出質(zhì)量結(jié)論，但不能直接反映小區(qū)管網(wǎng)滲漏量對市政管網(wǎng)的沖擊有多大。是否可以尋找一種快速有效的檢測手段，來甄別小區(qū)項目的整體雨污分流質(zhì)量和外水入滲的整體數(shù)值量化方法。通過對小區(qū)接入市政總管前的支管檢查井的控制，達到既不影響小區(qū)污水排放，同時采集到反映總體質(zhì)量情況的數(shù)據(jù)。

因此我們考慮能否對排水戶污水管進行適當“限流”，在排水戶污水管與市政污水支管的接駁點處安裝一個限流裝置，在不影響晴天污水正常排放的情況下合理設(shè)置該流量限值，限制排水戶污水管在雨天的峰值流量。局部收口徑抬高了上游水位，充分利用排水戶內(nèi)部管道容積，實現(xiàn)雨季延緩上游水流進入下游污水主管的時間，以保障污水主管的峰值運行水位。同時還能觀察排水戶內(nèi)部污水管網(wǎng)在雨天時水位的抬高程度，有助于快速發(fā)現(xiàn)排水戶內(nèi)部管網(wǎng)的質(zhì)量問題嚴重程度，尤其可以在同一條道路污水管道上，同時間同條件的橫向比較各個支管上，接管用戶的管道問題，為管理部門提供簡單有效的技術(shù)手段。

3.智慧限流器設(shè)計

限流器縱向長度500mm，過流孔形狀為盾形，如圖2所示。過流孔左右兩側(cè)設(shè)計為斜面，上下兩面為弧面，弧面上大下小。該結(jié)構(gòu)在限流的同時，盡量做到減小局部水頭損失，保障流水通暢。

圖1 限流器實物圖

限流器前后兩端各配置一個液位傳感器，傳感器1 測得液位h1，傳感器2 測得液位h2，同時還要考慮兩個探頭的落差補償?h。?h 由兩個傳感器探頭安裝位置的垂向落差和其液位精度誤差差值兩部分組成，可進行上下游封堵并保持限流器段滿管且液面靜止時測出。限流器進出水斷面液位的實際落差H 由以下計算確定：

H=h1-h2+?h

根據(jù)圓管均勻流曼寧公式：

其中：

V——流速（m/s）；

n——粗糙系數(shù)；

R——水力半徑（m）；

i——水力坡度；

A——過水斷面面積（m3）；

X——濕周（m）；

Q——流量（m3/s）。

污水管道的上下游斷面液位落差與管內(nèi)流量正相關(guān)，通過限流器液位數(shù)據(jù)，還可推導出其實時水力坡度和流量，同步安裝流量計可進行計算驗證和數(shù)據(jù)復核。

4.智慧限流器應用實例

4.1 實施計劃

研究內(nèi)容：限流器在城市雨污分流排水系統(tǒng)中的應用。

研究對象：無錫主城區(qū)污水管網(wǎng)提質(zhì)增效示范區(qū)。

實驗方案：選取典型排水戶，根據(jù)實際條件布設(shè)污水管網(wǎng)監(jiān)控點，安裝超聲波多普勒流量計、限流器數(shù)據(jù)和雨量計，同步采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行整理、篩選和分析，總結(jié)出有價值的結(jié)論。

實施過程：

（1）2020年2月-2020年4月，對提質(zhì)增效示范區(qū)進行管網(wǎng)梳理和排水戶調(diào)查，初步確定布點方案。

（2）5月，提質(zhì)增效示范區(qū)進行現(xiàn)場調(diào)研，最終確定布點方案。

（3）6-7月，進行智能設(shè)備安裝、數(shù)據(jù)調(diào)試。

（4）7-10月，數(shù)據(jù)采集與分析。

（5）10-11月，數(shù)據(jù)分析整理和研究報告撰寫。

經(jīng)過篩選和現(xiàn)場踏勘，選擇了四個典型排水戶作為監(jiān)控對象：袁家灣 (XL1)、南洋學校 (XL2)、太湖虹橋花園 (XL3)、寶界公園 (XL4)。具體分布詳見圖4：

4.2 數(shù)據(jù)采集

(1)袁家灣

根據(jù)安裝在袁家灣污水總出口處的超聲波多普勒流量計監(jiān)控數(shù)據(jù)，整理出該排水戶三次降雨過程中的污水排放量如表1：

圖3 限流器安裝示意圖

圖4 監(jiān)控點位置圖

表1 袁家灣污水流量

2020年10月2日-10月5日間，限流器液位變化過程如圖5：

圖5 袁家灣限流器液位差與小時降雨量

(2)南洋學校

根據(jù)安裝在南洋學校污水總出口處的超聲波多普勒流量計監(jiān)控數(shù)據(jù)，整理出該排水戶三次降雨過程中的污水排放量如表2：

表2 南洋學校污水流量

2020年10月2日-10月5日間，限流器液位變化過程如圖6：

圖6 南洋學校限流器液位差與小時降雨量

(3)太湖虹橋國際花園

2020年10月2日-10月5日間，限流器液位變化過程如圖7：

圖7 太湖虹橋國際花園限流器液位差與小時降雨量

(4)寶界公園

圖8 寶界公園限流器液位差與小時降雨量

4.3 數(shù)據(jù)分析

（1）南洋學校、袁家灣總出口限流器上下游液位差、管段流速變化與降雨量變化存在極大的相關(guān)性，出現(xiàn)了雨天流量的暴增，流量計的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示外水入侵比例最高已達到1118%和790%。說明這兩個排水戶內(nèi)部管網(wǎng)存在嚴重的雨污混接點、地下水入滲管段。

（2）袁家灣晴天限流器上下游落差極小，是由于管網(wǎng)建設(shè)不規(guī)范，管內(nèi)流速緩慢，應進一步進行管網(wǎng)檢測，排查管網(wǎng)缺陷。

（3）太湖虹橋花園、寶界公園總出口限流器上下游落差、管段流速變化與降雨量基本無相關(guān)性，可判斷這兩個排水戶晴雨天流量變化很小，內(nèi)部管網(wǎng)雨污混接程度很小。

（4）在限流器上游存在外水入侵污水管網(wǎng)的情況時，雨天限流器上下游液位差會增加，外水入侵情況越嚴重雨天上游液位抬高越劇烈。如果降雨持續(xù)，則首先會在排水戶內(nèi)部低洼區(qū)域出現(xiàn)局部污水外溢，但保障了主管峰值流量相對削減。

4.4 流量對比

根據(jù)曼寧公式進行了流量推算，限流器流量與流量計流量對比結(jié)果如圖9（滿管流）：

限流器計算流量與流量計流量偏差數(shù)據(jù)比較如表3：

圖9 限流器流量與流量計流量比較

分析兩個流量的偏差原因：

（1）液位計、流量計設(shè)備本身存在精度誤差。

（2）安裝限流器時會有一個微小的安裝角度，已采取了人工讀數(shù)進行補償，并在計算時對液位落差進行了矯正，仍會存在一定誤差。

（3）曼寧公式的適用條件為圓管恒定均勻流，并對局部水頭損失進行了經(jīng)驗近似處理。老舊管道因粗糙度和雷諾數(shù)變化會引起較大誤差。管井、管道之間的接口處流場復雜，管道缺陷導致斷面流速不均勻，開關(guān)泵站或上游來水不穩(wěn)定，這些情況都不符合曼寧公式的適用條件。

（4）限流器總長僅50 厘米，上下游落差一般在毫米計量等級。對于非滿管流或流速過小的管段，誤差將在測量結(jié)果中占比較大，影響結(jié)果。

5.限流器使用效果

通過實驗發(fā)現(xiàn)智能限流器具備如下作用：

（1）限流器限制排水戶的最大瞬時流量，能夠平緩主干管網(wǎng)液位波動，削減了主管峰值流量，降低主干管網(wǎng)漫溢風險。

（2）在排水戶總出口安裝限流器，對限流器進出口液位落差進行比較，并結(jié)合降雨情況分析，可溯源定位出外水入侵問題較大的排水戶，便于合理安排排查和整改計劃。

（3）依據(jù)曼寧公式推算，可以得出限流器的計算流量，盡管計算結(jié)果存在偏差，但可以得到污水流量的變化曲線形態(tài)和變化規(guī)律，對外水入侵、污水管網(wǎng)缺陷程度進行初步判斷。

（4）對于非滿管流或流速過小的管段，由于測量誤差在測量結(jié)果中的占比太大，不推薦用限流器數(shù)據(jù)來判定污水流量。

6.總結(jié)與展望

（1）努力完善污水管網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整監(jiān)測點布置思路，根據(jù)數(shù)據(jù)變化預判結(jié)合設(shè)備特點，將限流器、流量計、液位計、水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備有機結(jié)合，靈活運用，提高管網(wǎng)監(jiān)控效率，控制監(jiān)控成本，有利于實現(xiàn)整個排水系統(tǒng)的提質(zhì)增效。

（2）對水量水位異常變化的排水戶設(shè)置限流器，必要時輔以流量計進行水量校驗，有助于盡快完成對其內(nèi)部管網(wǎng)問題的檢測和修復。

（3）繼續(xù)完善智能化限流器的設(shè)計，優(yōu)化限流器設(shè)計參數(shù)，在保障測量精度的同時使設(shè)備更便于安裝和拆卸。

表3 限流器流量與流量計流量偏差比較（數(shù)據(jù)）