基于水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)進(jìn)行分區(qū)分析的城市排水管網(wǎng)入流入滲問(wèn)題

黃 林，胡茂鋒，吳志炎，楊婷婷，馮澤建

(1.中建三局綠色產(chǎn)業(yè)投資有限公司，湖北武漢 430056；2.北京清環(huán)智慧水務(wù)科技有限公司，北京 100086)

近年來(lái)，城市污水管網(wǎng)的降雨入流及旱天入滲問(wèn)題日益突出，造成污水處理廠處理水量增加，而水質(zhì)濃度卻逐步降低[1]。住建部、生態(tài)環(huán)境部從2015年起出臺(tái)了“水十條”、黑臭水體整治等相關(guān)政策。2019年三部委聯(lián)合發(fā)布了《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案(2019—2021年)》，湖南省相關(guān)部門(mén)也發(fā)布《湖南省縣以上城市污水治理提質(zhì)增效三年行動(dòng)工作方案》，要求進(jìn)水BOD5含量<100 mg/L的城市污水處理廠整治[2]。既要保證消除黑臭，又要達(dá)到污水提質(zhì)增效相關(guān)要求，城市排水管網(wǎng)的整治顯得尤為重要。某市以污水處理廠為起點(diǎn)，通過(guò)對(duì)管網(wǎng)及系統(tǒng)間的拓?fù)溥B接關(guān)系分析，結(jié)合在線流量監(jiān)測(cè)和人工水質(zhì)采樣化驗(yàn)手段[3]，收集獲取真實(shí)、有效的過(guò)程數(shù)據(jù)，摸清排水排放規(guī)律系統(tǒng)。同時(shí)，進(jìn)一步對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行全面分區(qū)摸排，結(jié)合QV等探測(cè)技術(shù)，鎖定各問(wèn)題點(diǎn)并精確找到，最終形成分析診斷報(bào)告，提出科學(xué)、可行的改造初步設(shè)計(jì)方案，為提升污水廠進(jìn)水BOD5濃度提供真實(shí)、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中，排水管網(wǎng)流量在線監(jiān)測(cè)，有利于實(shí)時(shí)掌握管網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀，這是整個(gè)項(xiàng)目順利執(zhí)行的基礎(chǔ)工作[4]。

目前，常用的入流入滲分析方法為夜間最小流量法，根據(jù)夜間出現(xiàn)最小流量衡算管網(wǎng)的入流水量。而這種單純依靠流量數(shù)據(jù)的計(jì)算方法往往會(huì)因夜間的不規(guī)律排水而產(chǎn)生較大誤差，尤其對(duì)下游污水24 h流量變化不大的主干管網(wǎng)，適用性更差。本文基于水質(zhì)水量數(shù)據(jù)，以源頭小區(qū)出戶(hù)水質(zhì)及區(qū)域地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)為本底數(shù)據(jù)，進(jìn)行各管段的物料守恒計(jì)算，并以專(zhuān)題圖形式呈現(xiàn)，為提質(zhì)增效的工程開(kāi)展提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)域概況

XT市污水處理廠的納污范圍共有4條主要水系(TXQ水系、WXQ水系、HTQ水系、SQQ水系)與12條渠道。豐富的水系導(dǎo)致地下水位較高，對(duì)管道的入滲影響較大[5]。區(qū)域內(nèi)管道主要排水體制為分流制，局部存在雨、污水合流管道。該市2018年管網(wǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，城區(qū)共有主排水管網(wǎng)683 km，其中，雨水管道、污水管道、合流管道分別為363、230、90 km。本研究區(qū)域位于經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)(JH片區(qū))。

2 研究區(qū)域監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)對(duì)污水處理廠的納污范圍中排水管網(wǎng)、泵站和污水處理廠等排水設(shè)施的拓?fù)潢P(guān)系梳理，篩選系統(tǒng)內(nèi)主要污水管，從下游污水處理廠逐步向上游梳理管道連接關(guān)系，劃分排水分區(qū)16個(gè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位除覆蓋排水分區(qū)末端節(jié)點(diǎn)外，另安裝2臺(tái)設(shè)備進(jìn)行2個(gè)源頭小區(qū)監(jiān)測(cè)，總計(jì)18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，安裝共分3個(gè)批次。為同步獲取區(qū)域降雨數(shù)據(jù)，在區(qū)域內(nèi)安裝雨量計(jì)1臺(tái)。人工水質(zhì)檢測(cè)點(diǎn)位共計(jì)布設(shè)59處，除已覆蓋已布設(shè)的流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位外，另在源頭小區(qū)內(nèi)部及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化布點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)圖

3 區(qū)域本底數(shù)據(jù)分析

3.1 降雨數(shù)據(jù)分析

降雨量作為背景監(jiān)測(cè)，可供流量監(jiān)測(cè)提供參考。該市降雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于天氣網(wǎng)與自安裝的雨量計(jì)，自安裝雨量計(jì)采用翻斗式雨量計(jì)，從設(shè)備安裝完成之日(3月10日)起監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，并上傳至監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)可視化，雨量分析選擇監(jiān)測(cè)期為1月24日—4月30日。統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)期內(nèi)降雨量≥2 mm的情況，降雨日為33 d，總降雨量為528.8 mm，最大日降雨量為51.2 mm。日降雨量統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 日降雨量統(tǒng)計(jì)

按降雨等級(jí)(小雨、中雨、大雨)劃分，日降雨量<10 mm為15 d；10～25 mm為11 d；25～50 mm為6 d；>50 mm為1 d。因此，監(jiān)測(cè)期內(nèi)降雨多為中小雨天氣，大雨天氣較少。降雨等級(jí)劃分如圖2所示。

圖2 降雨等級(jí)分布圖

分流制區(qū)域降雨入流分析主要針對(duì)雨天，節(jié)點(diǎn)旱天日流量變化分析及片區(qū)旱天入滲分析需特定旱天時(shí)段，常規(guī)旱天指大于等于不受降雨影響的連續(xù)7個(gè)非降雨日。

結(jié)合XT市當(dāng)?shù)貧夂驐l件，監(jiān)測(cè)期內(nèi)非降雨日與降雨日交叉發(fā)生，不存在常規(guī)旱天時(shí)段。因此，從時(shí)間的連續(xù)性劃分，選擇非降雨日為研究對(duì)象，主要為4個(gè)階段，分別為1月26日—2月1日、2月16日—2月28日、3月15日—3月21日、4月5日—4月9日。

3.2 污水廠數(shù)據(jù)分析

3.2.1 水量分析

統(tǒng)計(jì)污水廠處理量，在2月1日—4月10日，污水廠每日污水處理量為5.04萬(wàn)～14.56萬(wàn)m3，最小值和最大值相對(duì)平均值偏離-34.07%和90.49%，統(tǒng)計(jì)期平均值為7.64萬(wàn)m3。為分析區(qū)域水量變化的差異性，篩選有效降雨日(日累計(jì)雨量≥2 mm)數(shù)據(jù)，將區(qū)域每日污水處理量分別對(duì)降雨量做相關(guān)性分析[6]，如圖3所示。

圖3 處理污水量與降雨量的相關(guān)性分析

隨著降雨量的增大，JH片區(qū)水量呈逐漸增大的趨勢(shì)，整體相關(guān)性較弱。經(jīng)核實(shí)得知，污水處理廠每日處理污水量有限，降雨時(shí)，進(jìn)廠的污水總量超過(guò)污水廠每日處理污水總量的極限，多余的污水便會(huì)從超越管排入湘江，導(dǎo)致污水廠進(jìn)廠流量與降雨相關(guān)性較弱。

3.2.2 水質(zhì)分析

監(jiān)測(cè)設(shè)備同期的污水廠進(jìn)水水質(zhì)數(shù)據(jù)顯示：污水處理廠總進(jìn)水CODCr、BOD5含量均較低，進(jìn)水CODCr、BOD5峰值僅為88.0、42.26 mg/L，與提標(biāo)改造中進(jìn)水BOD5含量為100 mg/L的目標(biāo)差距較大。圖4為CODCr與BOD5線性擬合關(guān)系，擬合結(jié)果表明兩者存在正相關(guān)性關(guān)系，擬合公式為y=1.662 4x+18.024，相關(guān)性系數(shù)R為0.87，且相關(guān)性結(jié)果可靠(顯著性P為1.1×10-9)[7]，考慮到BOD5檢測(cè)過(guò)程較長(zhǎng)，可用CODCr含量表征污水水質(zhì)的變化情況。

圖4 CODCr與BOD5相關(guān)性分析

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 旱天入滲分析

4.1.1 典型濃度選擇

為保證典型污染物濃度準(zhǔn)確，監(jiān)測(cè)過(guò)程中選擇4個(gè)源頭小區(qū)，采用間隔為1 h的取樣方式，分別對(duì)樓座出戶(hù)檢查井、進(jìn)化糞池前檢查井、出化糞池后檢查井及小區(qū)接入市政管道處進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)[8]。檢測(cè)小區(qū)為BBG、HRSSY、XZY與ZZY，除HRSSY外，其他3個(gè)小區(qū)入住率均在90%以上。點(diǎn)位布設(shè)如圖5所示。

圖5 典型小區(qū)人工采樣點(diǎn)位圖

源頭檢測(cè)中，HRSSY小區(qū)整體CODCr濃度較低，現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)為小區(qū)入住率低，受地下水影響較為嚴(yán)重，其出水濃度不能夠代表典型小區(qū)的生活污水濃度，因此，生活污水濃度選擇檢測(cè)其他小區(qū)樓座間的CODCr，均值為425 mg/L。XZY小區(qū)受地下水影響較嚴(yán)重，夜間檢測(cè)CODCr含量，顯示2:00—5:00持續(xù)較低，均值為13.5 mg/L，因此，選擇地下水入侵含量為13.5 mg/L。

4.1.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)物料守恒進(jìn)行入流入滲分析計(jì)算[9]，總?cè)霛B水量為4.3萬(wàn)m3/d，占污水廠總進(jìn)水量的58.58%，對(duì)管道進(jìn)行修復(fù)，將入滲地下水?dāng)D出后，水廠水質(zhì)將大幅提高。統(tǒng)計(jì)各片區(qū)入滲量計(jì)算結(jié)果，其中，入滲量較大的是TZ大道與XF路交叉口管道。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)單位面積單位降雨量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所在的排水分區(qū)，對(duì)入流入滲等級(jí)作圖。在我國(guó)，地下水入滲量的正常值應(yīng)是平均日綜合生活污水和工業(yè)廢水總量的10%～15%[10]，因此，以入滲率在15%為標(biāo)準(zhǔn)，入滲率>15%時(shí)需對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)和修復(fù)。為更好地指導(dǎo)污水廠的提質(zhì)增效，縮小管道工程施工的范圍，對(duì)各排水分區(qū)入滲率劃分為5個(gè)入滲等級(jí)。研究區(qū)域入流入滲等級(jí)如圖6所示。

圖6 研究區(qū)域旱天降雨入流入滲圖

4.2 雨天混流分析

降雨和流量數(shù)據(jù)是分析分流制污水管網(wǎng)系統(tǒng)的入流入滲量的基礎(chǔ)。ZX城區(qū)為合流制排水體系，因此，僅對(duì)JH片區(qū)進(jìn)行降雨入流入滲分析。通過(guò)旱天流量數(shù)據(jù)識(shí)別典型旱天流量變化規(guī)律；通過(guò)降雨數(shù)據(jù)識(shí)別典型的降雨事件。

旱天監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)滿(mǎn)足，降雨發(fā)生后的48 h(不受上場(chǎng)次降雨影響)的連續(xù)7個(gè)旱天數(shù)據(jù)；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量應(yīng)保證數(shù)據(jù)條數(shù)獲取率在80%及以上，數(shù)據(jù)無(wú)大幅度突增、突降現(xiàn)象，并以7 d流量均值作為降雨入流入滲量計(jì)算的基準(zhǔn)流量。JH分流制片區(qū)內(nèi)共劃分排水分區(qū)16個(gè)，典型旱天時(shí)間選擇為3月15日—3月21日，1號(hào)點(diǎn)位旱天流量曲線變化如圖7所示。

圖7 1號(hào)點(diǎn)位旱天流量變化

根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分鐘級(jí)流量數(shù)據(jù)，將每日相同時(shí)刻點(diǎn)位流量進(jìn)行平均值處理，即得到該點(diǎn)位旱天特征曲線，通過(guò)降雨期間內(nèi)監(jiān)測(cè)到的流量數(shù)據(jù)減去已識(shí)別的旱天流量，即得到降雨導(dǎo)致的入流入滲量，1號(hào)點(diǎn)位降雨入流入滲曲線如圖8所示。

圖8 1號(hào)點(diǎn)位降雨入流入滲曲線

在各場(chǎng)次降雨下，以降雨量為橫坐標(biāo)，降雨入流入滲為因變量，進(jìn)行降雨量與降雨入流入滲的線性擬合。以1號(hào)點(diǎn)為例，曲線如圖9所示，擬合曲線為y=293.15x-266.57，相關(guān)系數(shù)R2為0.855。曲線含義為在降雨量大于0.91 mm時(shí)，即發(fā)生降雨的入流，之后每增加1 mm降雨，雨水入流量增加293.15 m3。

圖9 1號(hào)點(diǎn)位降雨入流入滲擬合曲線

對(duì)分流制區(qū)域的所有點(diǎn)位進(jìn)行入流入滲的相同計(jì)算，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)每單位面積降雨導(dǎo)致的入流入滲量結(jié)果如表3所示。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)單位面積單位降雨量的入流入滲統(tǒng)計(jì)

結(jié)果顯示，各點(diǎn)位對(duì)降雨均有不同程度入流現(xiàn)象，為指導(dǎo)工程建設(shè)，體現(xiàn)區(qū)域管網(wǎng)的不同入流程度，對(duì)不同入流量進(jìn)行等級(jí)劃分，并定位入流嚴(yán)重管段，初步劃分為5個(gè)等級(jí)，具體如圖10所示。

圖10 降雨入流入滲等級(jí)劃分圖

5 結(jié)論

本文以監(jiān)測(cè)期降雨作為研究區(qū)域背景數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)污水廠的本底數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)降雨的發(fā)生帶來(lái)了污水廠進(jìn)水的大幅度增加，從而表明區(qū)域存在一定的降雨混流現(xiàn)象。而旱天的進(jìn)水濃度分析，一方面驗(yàn)證了該區(qū)域地下水入滲的嚴(yán)重性，另一方面以CODCr數(shù)值進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)大大縮短了項(xiàng)目周期。同時(shí)，結(jié)合18臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備的布點(diǎn)方案，輔以人工水質(zhì)檢測(cè)，得出以下結(jié)論。

(1)通過(guò)本底數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)期內(nèi)降雨日較多，降雨日為33 d，總降雨量為528.8 mm，日最大降雨量為51.2 mm；污水廠每日處理污水總量波動(dòng)性較大，污水廠水量隨降雨的發(fā)生而增多，分析水質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，BOD5與CODCr有明顯正相關(guān)關(guān)系。

(2)研究區(qū)域采用18個(gè)水量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位及59個(gè)水質(zhì)檢測(cè)點(diǎn)位，人工水質(zhì)檢測(cè)確定該區(qū)域典型小區(qū)質(zhì)量濃度為425 mg/L，地下水入侵質(zhì)量濃度值為13.5 mg/L。

(3)旱天入流分析計(jì)算總?cè)霛B水量為4.3萬(wàn)m3/d，占污水廠總進(jìn)水量的58.58%，將入滲地下水?dāng)D出后，水廠水質(zhì)將大幅提高。其中，入滲量較大的是TZ大道與XFL交叉口管道。

(4)通過(guò)降雨的入流入滲數(shù)據(jù)分析，分流制片區(qū)單位面積單位降雨量的入流入滲下，將增加入流雨水量為288.84 m3，混流較為嚴(yán)重的為T(mén)Z大道的XF路到HK高速附近。

總之，污水管網(wǎng)入流入滲是一個(gè)持久且隱蔽的過(guò)程。通過(guò)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可準(zhǔn)確性把握管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量特征值，進(jìn)而精確計(jì)算旱天特征流量。除旱天入流入滲帶來(lái)污水廠進(jìn)水濃度的降低外，降雨的入流入滲也是提質(zhì)增效工作中亟待解決的一大難題。旱天入流色塊圖與雨天混流色塊圖的分級(jí)展示，使得污水管網(wǎng)病害情況更加直觀性表露，為管理者的決策分析提供了較大便利。