限流器在城市雨污分流排水系统中的应用

文｜无锡排水管理处 华铮 朱羿

1.城市雨污分流排水系统的现状

随着近几年住房和城乡建设部部大力推进污水处理工程建设，城市污水处理厂、管网系统都进行着不断扩容，在取得污水处理总量提高的成绩之下，也出现了厂网负荷率晴雨天差异越来越大的问题。尤其在降雨丰沛、地下水资源丰富的地区，尽管建设从规划、设计、施工、验收都以雨污分流排水体制为主，但运行后的污水管网遇到了同样现象：管网运行总体水位逐年升高，进厂污水水质逐年降低，晴雨天管网水量差距较逐年增大。业内普遍共识为三大原因：（1）收集源头上，建筑物小区雨污错接问题普遍，雨水入流不可忽视；（2）市政排水管网工程质量问题造成的管网隐患；（3）在一般的质量管控要求下，小区管网和市政管网都存在因地下水水位高造成入渗总量远高于规范设计规范的现状。

根据苏州市姑苏区的相关研究，其污水管网中入流入渗的外来水总量占全年管网收集总水量的27%～33%。对于苏州中心区（100km²），降雨量每增加10mm，污水管网中将同步增加5.7 万m³的入流入渗水量。另外，姑苏区有排水数据研究，住宅小区污水管总排口在雨天排放量达到晴天的5～20 倍。2018年无锡市的相关课题研究，无锡太湖新城污水处理厂进水中实际原生污水量仅为60%左右，外水入侵总比例高达40%，进厂COD 平均浓度不足200mg/L。为此，无锡市组织了几个单项课题研究，其中对源头小区排水现状调查进行了水质水量分析，结论表明仅小区管网内存在的渗漏现象和雨水汇入污水管网的问题已显著降低了污水中污染物的浓度。外水入渗量在几个案例中悬殊很大，不同条件下数值范围在10～120 立方米/千米管道/日。由于网状收集管的总长是市政污水管网的3～5 倍，质量情况不如总管建设要求高，因此对总管水位造成居高不下的因素里，网状收集管占比为最高。

2.限流器设计思路

在无锡以往的污水管网建设中，为了便于用户接管、尽快推进截污工作，支管布置比较密集，粗略估算主城区范围内1345公里主管网上大约建设了5000根支管，现有污水汇入的支管约3000 左右。支管管径一般为300mm～400mm、对于项目排水接入来说普遍偏大，因此大部分污水支管的充满度在连续晴天时偏低。到了江南的雨季，随着环境水体水位的持续上升，外水自排水户内部雨污混接和大量外水入渗污水支管，汇入附近的市政污水管道，最终导致整个污水管网系统流量暴增。

专项研究费时费力，个案之间数值差异很大，管网本身的缺陷虽可通过视频检测可得出质量结论，但不能直接反映小区管网渗漏量对市政管网的冲击有多大。是否可以寻找一种快速有效的检测手段，来甄别小区项目的整体雨污分流质量和外水入渗的整体数值量化方法。通过对小区接入市政总管前的支管检查井的控制，达到既不影响小区污水排放，同时采集到反映总体质量情况的数据。

因此我们考虑能否对排水户污水管进行适当“限流”，在排水户污水管与市政污水支管的接驳点处安装一个限流装置，在不影响晴天污水正常排放的情况下合理设置该流量限值，限制排水户污水管在雨天的峰值流量。局部收口径抬高了上游水位，充分利用排水户内部管道容积，实现雨季延缓上游水流进入下游污水主管的时间，以保障污水主管的峰值运行水位。同时还能观察排水户内部污水管网在雨天时水位的抬高程度，有助于快速发现排水户内部管网的质量问题严重程度，尤其可以在同一条道路污水管道上，同时间同条件的横向比较各个支管上，接管用户的管道问题，为管理部门提供简单有效的技术手段。

3.智慧限流器设计

限流器纵向长度500mm，过流孔形状为盾形，如图2所示。过流孔左右两侧设计为斜面，上下两面为弧面，弧面上大下小。该结构在限流的同时，尽量做到减小局部水头损失，保障流水通畅。

图1 限流器实物图

限流器前后两端各配置一个液位传感器，传感器1 测得液位h1，传感器2 测得液位h2，同时还要考虑两个探头的落差补偿∆h。∆h 由两个传感器探头安装位置的垂向落差和其液位精度误差差值两部分组成，可进行上下游封堵并保持限流器段满管且液面静止时测出。限流器进出水断面液位的实际落差H 由以下计算确定：

H=h1-h2+∆h

根据圆管均匀流曼宁公式：

其中：

V——流速（m/s）；

n——粗糙系数；

R——水力半径（m）；

i——水力坡度；

A——过水断面面积（m3）；

X——湿周（m）；

Q——流量（m3/s）。

污水管道的上下游断面液位落差与管内流量正相关，通过限流器液位数据，还可推导出其实时水力坡度和流量，同步安装流量计可进行计算验证和数据复核。

4.智慧限流器应用实例

4.1 实施计划

研究内容：限流器在城市雨污分流排水系统中的应用。

研究对象：无锡主城区污水管网提质增效示范区。

实验方案：选取典型排水户，根据实际条件布设污水管网监控点，安装超声波多普勒流量计、限流器数据和雨量计，同步采集数据，对数据进行整理、筛选和分析，总结出有价值的结论。

实施过程：

（1）2020年2月-2020年4月，对提质增效示范区进行管网梳理和排水户调查，初步确定布点方案。

（2）5月，提质增效示范区进行现场调研，最终确定布点方案。

（3）6-7月，进行智能设备安装、数据调试。

（4）7-10月，数据采集与分析。

（5）10-11月，数据分析整理和研究报告撰写。

经过筛选和现场踏勘，选择了四个典型排水户作为监控对象：袁家湾 (XL1)、南洋学校 (XL2)、太湖虹桥花园 (XL3)、宝界公园 (XL4)。具体分布详见图4：

4.2 数据采集

(1)袁家湾

根据安装在袁家湾污水总出口处的超声波多普勒流量计监控数据，整理出该排水户三次降雨过程中的污水排放量如表1：

图3 限流器安装示意图

图4 监控点位置图

表1 袁家湾污水流量

2020年10月2日-10月5日间，限流器液位变化过程如图5：

图5 袁家湾限流器液位差与小时降雨量

(2)南洋学校

根据安装在南洋学校污水总出口处的超声波多普勒流量计监控数据，整理出该排水户三次降雨过程中的污水排放量如表2：

表2 南洋学校污水流量

2020年10月2日-10月5日间，限流器液位变化过程如图6：

图6 南洋学校限流器液位差与小时降雨量

(3)太湖虹桥国际花园

2020年10月2日-10月5日间，限流器液位变化过程如图7：

图7 太湖虹桥国际花园限流器液位差与小时降雨量

(4)宝界公园

图8 宝界公园限流器液位差与小时降雨量

4.3 数据分析

（1）南洋学校、袁家湾总出口限流器上下游液位差、管段流速变化与降雨量变化存在极大的相关性，出现了雨天流量的暴增，流量计的监测数据显示外水入侵比例最高已达到1118%和790%。说明这两个排水户内部管网存在严重的雨污混接点、地下水入渗管段。

（2）袁家湾晴天限流器上下游落差极小，是由于管网建设不规范，管内流速缓慢，应进一步进行管网检测，排查管网缺陷。

（3）太湖虹桥花园、宝界公园总出口限流器上下游落差、管段流速变化与降雨量基本无相关性，可判断这两个排水户晴雨天流量变化很小，内部管网雨污混接程度很小。

（4）在限流器上游存在外水入侵污水管网的情况时，雨天限流器上下游液位差会增加，外水入侵情况越严重雨天上游液位抬高越剧烈。如果降雨持续，则首先会在排水户内部低洼区域出现局部污水外溢，但保障了主管峰值流量相对削减。

4.4 流量对比

根据曼宁公式进行了流量推算，限流器流量与流量计流量对比结果如图9（满管流）：

限流器计算流量与流量计流量偏差数据比较如表3：

图9 限流器流量与流量计流量比较

分析两个流量的偏差原因：

（1）液位计、流量计设备本身存在精度误差。

（2）安装限流器时会有一个微小的安装角度，已采取了人工读数进行补偿，并在计算时对液位落差进行了矫正，仍会存在一定误差。

（3）曼宁公式的适用条件为圆管恒定均匀流，并对局部水头损失进行了经验近似处理。老旧管道因粗糙度和雷诺数变化会引起较大误差。管井、管道之间的接口处流场复杂，管道缺陷导致断面流速不均匀，开关泵站或上游来水不稳定，这些情况都不符合曼宁公式的适用条件。

（4）限流器总长仅50 厘米，上下游落差一般在毫米计量等级。对于非满管流或流速过小的管段，误差将在测量结果中占比较大，影响结果。

5.限流器使用效果

通过实验发现智能限流器具备如下作用：

（1）限流器限制排水户的最大瞬时流量，能够平缓主干管网液位波动，削减了主管峰值流量，降低主干管网漫溢风险。

（2）在排水户总出口安装限流器，对限流器进出口液位落差进行比较，并结合降雨情况分析，可溯源定位出外水入侵问题较大的排水户，便于合理安排排查和整改计划。

（3）依据曼宁公式推算，可以得出限流器的计算流量，尽管计算结果存在偏差，但可以得到污水流量的变化曲线形态和变化规律，对外水入侵、污水管网缺陷程度进行初步判断。

（4）对于非满管流或流速过小的管段，由于测量误差在测量结果中的占比太大，不推荐用限流器数据来判定污水流量。

6.总结与展望

（1）努力完善污水管网监控网络，调整监测点布置思路，根据数据变化预判结合设备特点，将限流器、流量计、液位计、水质监测设备有机结合，灵活运用，提高管网监控效率，控制监控成本，有利于实现整个排水系统的提质增效。

（2）对水量水位异常变化的排水户设置限流器，必要时辅以流量计进行水量校验，有助于尽快完成对其内部管网问题的检测和修复。

（3）继续完善智能化限流器的设计，优化限流器设计参数，在保障测量精度的同时使设备更便于安装和拆卸。

表3 限流器流量与流量计流量偏差比较（数据）