上海市某片区污水输送干线及其支线地下水渗入情况评估

2021-07-10袁方竹

科技视界 2021年17期

朱弋袁方竹

（上海市城市排水有限公司，上海200070）

0 引言

上海某干线改造工程于2010年年底通过工程竣工验收，目前运行期均已超过10年，部分老旧支线管龄甚至超过20年。由于管道及其附属构筑物变形、破裂、错位、脱节等，排水系统容易发生地下水的渗入，这不仅会增加污水处理厂、泵站运行费用，降低污水处理效率，还会引起前端污水管道冒溢，影响居民正常生活的同时造成城市环境污染[1]。针对排水系统来水组分分析，国内外均有定性和定量的研究。夜间最小流量法是排水管道地下水渗入评估的传统方法，但系统范围较大时存在明显误差；旱天污水法是在旱天时评估一个区域的排水管道地下水渗入量，该方法简单易用，评估费用少[2，3]，李田等[4]曾采用以上两个方法对上海市古北新区排水系统地下水渗入量开展研究；王小婷等[5]采用三角分析法解析特定时间段内的污水管网出口流量，对2014——2017年期间苏州市中心城区污水管网系统开展评估；Baker等[6]通过三维荧光光谱法研究了城市排水污水组分对河道的影响；徐祖信等[7]基于特征因子法和蒙特卡罗理论建立了水质分析定量方法，并对上海市某分流制排水系统进行研究，结果表明，该解析结果误差能够控制在10%以内。

本文结合实际情况，综合运用旱天污水法、三角分析法、三维荧光和特征因子法对上海市某片区污水输送干线及其支线地下水渗入情况开展评估，以期对该片区排水系统调度运行和维护修复提供数据支撑和决策参考。

1 研究对象

研究对象为中心城区某污水输送干线至上游29条支线的第一个接入井。干线服务面积约295 km2，服务人口250～270万人。共有两座污水处理厂，设计污水处理能力均为4.0×105m3/d；该片区涉及三个供水所，供应水量按对应服务面积进行划分。

2 研究方法

2.1 旱天污水法

旱天污水法排除了因管道雨污混接造成的雨水干扰，将旱天污水输送量减去原生污水量便得到旱天地下水渗入量。原生污水量的计算以污水输送干线服务片区为基础，将供水区域按面积划分使其与污水输送干线服务片区完整对应，从而得到该片区供水量。根据（2016年版GB 50014—2006）《室外排水设计规范》的规定，污水量可按当地用水定额的80%～90%采用，对给排水系统完善的地区可按90%计，从而得到原生污水量为供水量的0.9倍。

2.2 三角分析法

三角分析法是以时间为横坐标，流量为纵坐标将一年的污水输送量按升序排列并绘于图中，将得到一条S形曲线（见图1）；图1下方矩形区域代表全年原生污水量，矩形上方区域代表雨水入流量、雨水渗入量和地下水渗入量之和；将一年中旱天所占的比例在横坐标上标识出来，得点A，并从点A到右下角点B画直线，则该直线下方和矩形上方区域即表示地下水渗入量，直线上方区域表示雨水入流量和雨水渗入量之和。

图1 三角分析法计算入流入渗原理示意图

对流量曲线的分割是基于以下几点假设：

（1）每日排放的污水量为定值；

（2）雨天管网出口流量最小日，外来水依然全部为渗入的地下水；

（3）在管网出口流量最大日，入流的雨水挤占了管道中除污水外的全部剩余空间，即该日的外来水全部为雨水入流量和雨水渗入量之和。

2.3 三维荧光法

三维荧光可用于来水定性溯源。三维荧光光谱法可测定水体中溶解性有机物，指示污染物的不同来源，是一种快捷、灵敏、有效的排水系统污染物质来源解析方法。三维荧光光谱表示描述荧光强度同时随激发波长和发射波长变化的关系。作为一种灵敏度高、操作简单、选择性好的光谱指纹指术，三维荧光技术可对多组分复杂体系中荧光光谱重叠的现象进行光谱识别和表征[8-11]。

由于溶解性有机物结构中含有大量具有各种官能团的芳香结构与不饱和脂肪链等荧光基团，可采用三维荧光光谱技术进行研究，可以分辨出溶解性有机物中的腐殖酸，类蛋白等不同荧光组分。此外，三维荧光测定具有对样品无损坏，能够获得丰富的溶解性有机物分子光谱等特点。天然水体中常见的荧光组分分别为陆源腐殖酸组分C1、微生物源腐殖质组分C2、自身源腐殖酸组分C3、色氨酸类组分C4和酪氨酸类组分C5。

2.4 特征因子法

特征因子法可用于来水定量溯源。特征因子法是美国国家环境保护局排水管网混接调查技术体系中的核心技术方法，其主要原理是选择能够表征不同来源的水质特征因子，如生活污水、产业污水、地下水等，选取合适的水质特征因子，建立研究区域的水质特征因子数据库。同时监测排水管网水量和水质，进一步基于输入——输出化学质量平衡法原理，建立排水系统入流与出流的平衡关系，利用蒙特卡罗不确定性分析方法，获取不同来水成分比例的95%置信区间以及均值数据[7-13]。

3 结果与讨论

3.1 旱天地下水渗入量计算结果

将24 h内累计雨量小于2 mm（无法形成径流）视为旱天；大于或等于2 mm的雨量，降雨当天及后两天定义为雨天。2020年共计366天，其中旱天131天。旱天片区供水总量为7 815.83万m3，污水输送总量为7 880.48万m3，按照原生污水量为供水量的0.9倍计算可得，上海市某片区污水输送干线旱天地下水渗入量占管网收集总水量的10.07%。

3.2 全年地下水渗入量计算结果

如图2所示，基于三角分析法得到了2020年全年某片区原水污水量为18 221.85万m3，占污水输送总量81.80%；地下水渗入量902.69万m3，占污水输送总量4.05%；雨水入流入渗总量为3 151.95万m3，占污水输送总量14.15%。由此可以看出，全年与旱天结果相比，地下水渗入比例有所下降，表明2020年片区雨量较为充沛且管网存在雨污混接现象，雨水入流入渗给片区管网运行带来了一定压力，管道水位上升会一定程度上阻碍地下水渗入。

图2 三角分析法结果

3.3 支线地下水渗入定性定量分析

3.3.1 研究片区管线拓扑结构调查

调查和梳理研究片区干线及其支线的规划、设计、施工等相关图档资料，结合GIS资料及现场摸排复核，全面厘清支线管路接入点、接入形式、接入管径、管道材质、管道埋深、相关附属物、周边环境等资料。排查后得到研究片区干线总管共有29条支线接入。

3.3.2 三维荧光定性分析结果

选取了研究范围内9个点位采集的地下水作为该片区地下水本底值、6个居住小区采集的水样作为生活污水本底值、9个工业废水采集的水样作为产业污水本底值进行三维荧光检测。结果表明，地下水共分出两个组分（见图3），分别为激发波长350 nm，发射波长450 nm，指示陆源腐殖酸类C1组分；激发波长325 nm，发射波长375 nm，指示微生物源腐殖酸类C2组分；生活污水共分解出三个组分（见图4），分别为激发波长350 nm、发射波长425 nm，指示陆源腐殖酸类C1组分；激发波长400 nm、发射波长480 nm，指示自生源腐殖酸类C3组分；激发波长275 nm、发射波长340 nm，指示色氨酸类C4组分；工业废水共分出两个组分（图5），分别为激发波长350 nm、发射波长425 nm，指示陆源腐殖酸类C1组分；激发波长290 nm、发射波长340 nm，指示色氨酸类C4组分。

图3 地下水分出陆源腐殖酸类C1和微生物源腐殖酸类C2组分

图4 生活污水分出陆源腐殖酸类C1、自生源腐殖酸类C3组分和色氨酸类C4组分

图5 工业废水分出陆源腐殖酸类C1和色氨酸类C4组分

根据地下水、生活污水和工业废水三维荧光的检测结果，微生物源腐殖酸C2是地下水中的特有物质，生活污水和工业废水均含有色氨酸C4。将水样C2与C4最大荧光强度进行比较，可以得到地下水与生活污水和工业污水的相对比例，由此判断各支线地下水渗入情况。从表1可以看出，支线13、支线19、支线20、支线21、支线23和支线24地下水渗入情况较为严重。

表1 各支线C2与C4最大荧光强度比值

3.3.3 特征因子定量分析结果

研究片区所取地下水的水样中符合典型南方地区Ca-Mg离子型性水文地质地下水特点的硬度指标平均值为384 mg/L，与生活污水硬度指标平均值183 mg/L、工业废水硬度指标平均值187.47 mg/L相比，分别为2.1倍、2.0倍，差异性较为显著，因此硬度指标可作为表征地下水的水质特征因子。

研究片区所取生活污水的NH3-N、TN指标浓度平均值分别为59.2 mg/L、81.3 mg/L，与地下水NH3-N、TN指标的浓度平均值4.37 mg/L、6.65 mg/L、工业废水NH3-N、TN指标平均值17.74 mg/L、24.56 mg/L相比，分别为13.5倍、12.2倍，3.3倍、3.3倍，因此NH3-N、TN指标可作为表征生活污水的水质特征因子。不同水质特征因子本底值选择如表2所示。

表2 特征因子本底值选择

对29条支线接入井的旱天水质进行连续24小时的水质采样，每3小时采样和指标监测，每天共采集8个连续过程水样。基于地下水、生活污水的本底值数据和各支线水样水质监测数据，采用已选取的水质特征因子，利用化学质量平衡方法，对各接入支线来水进行定量解析，解析结果如表3所示。

表3 各支线来水解析结果

从定量解析结果可以看出，研究片区干管接入的支线地下水占比在10%～20%左右，总体情况尚可，局部偏高，其中支线13、支线20、支线21、支线22、支线23、支线24和支线28地下水渗入情况较为严重，占比分别为24.0%、27.3%、29.6%、24.0%、36.0%、29.7%和23.0%。选择了渗入最严重的支线23和支线24进行了CCTV管道检测，检测发现支线23在结构性缺陷方面，存在脱节2级2个，错位2级2个，变形2级1个；在功能性缺陷方面，存在障碍物3级1个，管道堵塞3个。支线24在结构性缺陷方面，存在渗漏3级2个，破裂4级1个，破裂3级1个，变形3级2个；在功能性缺陷方面，存在沉积2级1个。