基于监测评估的汉口片区排水系统入渗分析方法与实践

2021-07-17符韵，李敏，钟兴

净水技术 2021年7期

符韵，李敏，钟兴

(武汉市水务科学研究院，湖北武汉 430014)

2019年4月29日，住房和城乡建设部、生态环境部、发展改革委下发《关于印发城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019—2021年)的通知》，要求加快补齐城镇污水收集和处理设施短板，尽快实现污水管网全覆盖、全收集、全处理。管网提质增效的重点难点也是首要问题即“清污分流”，不仅要将雨天的雨水和污水分流，更要将旱天地下水、河水等外来水在污水管网中与污水分流。针对此类情况，中国工程建设协会发布了《城镇分流制排水系统雨污混接调查及治理技术规程》的征求意见稿，对分流制混接调查方法进行了详细的描述，但是缺少对合流制排水体制及分流制污水体系的提质增效入渗入流的调查研究方法。周宏斌等[1]采用晴天污水量法计算得到昆明主城区沟渠收集片区的地下水入渗率约为35%。林家森[2]用严密封堵两端管口及支管管口，水泵连续抽排上游来水，测定该管段内水量增长，对广州市有代表性的污水管道地下水渗入量进行研究，得到地下水渗入率约为10%～25%。时珍宝等[3]通过夜间最小流量法对上海3个排水区域进行研究，结果显示地下水入渗率为10%～29%。本文将对比分析目前常用的基于监测评估的城市排水管网渗入量计算方法，结合监测点的实测数据，对汉口片区外来水入渗率进行分析，以期为汉口片区提质增效措施确定提供数据支撑。

1 研究背景

根据市委市政府关于重点推进三河三湖流域规划编制工作的部署要求，包括“长江大保护”战略对水环境的要求，武汉市“四水共治”的需求等，响应市委市政府关于重点推进黄孝河、机场河流域规划编制工作的部署要求，对汉口片区排水系统外来水入渗率进行分析。

汉口片区理论污水量和实际污水量存在很大差异，实际污水量远大于理论污水量，大量污水来源不明。相关研究中提出，2016年武汉汉口地区理论污水总量为109.1×104m3/d，9月(丰水期)和12月(枯水期)实测污水总量比理论污水总量分别多19.84×104m3/d和4.99×104m3/d。丰水期和枯水期的污水总量差值为14.85×104m3/d，该部分差值主要由地下水入渗和施工排水造成[4]。

大量入流入渗造成污水处理厂长期超负荷运行，并且存在一定的厂前溢流，溢流水对机场河、黄孝河与府河水质有较大的影响，与“长江大保护”的水环境治理方向相违背。还导致污水管网的污染物浓度大幅下降，与目前污水厂提质增效的大目标相违背，增加污水厂的负荷，降低了可生化降解性，对污水厂运行的冲击较大。

2 汉口排水系统现状

2.1 区域概况

本研究针对武汉市汉口地区除谌家矶片外，总面积约133.8 km2。汉口地区属于长江一级阶地，地下水位高，地下水极易渗入排水管网，对污水收集处理体系影响明显(图1)。

图1 汉口地区地下水位变化

2.2 排水系统现状

汉口地区已建污水处理厂3座，分别为三金潭污水处理厂、汉西污水处理厂和黄浦路污水处理厂，污水处理厂规模如表1所示。

表1 汉口污水处理厂规模

污水处理厂和泵站的分布如图2所示。

图2 汉口地区污水系统

汉西污水处理厂下辖的研究范围内污水泵站有常青路泵站、古田二路泵站、常青北路泵站。三金潭污水处理厂下辖的研究范围内污水泵站有张公堤泵站、铁路桥泵站、建设渠泵站、石桥泵站、塔子湖泵站、北4泵站。黄浦路污水处理厂下辖民生路泵站和天津路泵站2座合流泵站。

2.3 管线排查情况

汉口片区在2019年进行了隐患排查，检测管网共78 377段，1 020.64 km，其中检测正常管道13 680段，长度为306.35 km，长度占检测管段的30%；检测存在缺陷的管道(包括结构性缺陷和功能性缺陷)43 073段，长度为714.29 km，长度占检测管网长度的70%。汉口片区内管道存在缺陷情况比较普遍。

汉口地区存在大量敷设在地下水水位以下的排水管道，由于各类结构性缺陷，导致大量地下水等外来水渗入管道。其中Ⅲ、Ⅳ级缺陷影响最大，各分区的缺陷管段占比如表2所示。

表2 各分区Ⅲ、Ⅳ级结构性缺陷管道占比

3 存在的问题

3.1 污水处理厂污水收集量远高于污水产生量

2020年1月底，大量人口离汉返乡过年导致人口减少，2月—4月新冠肺炎疫情,返汉交通管制导致武汉人口数量低于正常水平，城市供水量由1月上旬的90万t/d降到80万t/d以下。而疫情期间汉口地区污水处理总量维持在75万～135万t，日均值约113万t(图3)。污水厂实际处理水量依旧远高于供水量换算出的排水量。疫情期间所有工地停工，施工降水几乎为0，说明片区大量的地下水进入污水系统。

图3 汉口地区新冠肺炎疫情期间供水量、污水量变化

3.2 污水处理厂长期超负荷运行

污水处理厂长期超负荷运行，部分污水需经临时设施处理，无法实现旱季污水全收集全处理的目标。污水泵站抽排量高于污水处理厂进水处理量，仍存在溢流现象。2019年至今，汉西厂日均负荷率106%，三金潭厂日均负荷率101%，均长期处于超负荷运行状态(图4)。

图4 污水处理厂处理水量

3.3 污水处理厂进水浓度偏低

2019年至今，黄浦路污水厂、汉西污水厂和三金潭污水厂的现状进水水质情况如图5所示。年均BOD5含量为46～71 mg/L，不能满足进水BOD5为100 mg/L的提质增效目标。这主要是由于污水被地下水及施工降水等外来水稀释，导致污水处理厂进水浓度低，直接影响污水处理厂运行效率，需要加强外来水量的核查工作。其中2020年2月—4月新冠肺炎疫情时消毒导致BOD进一步降低。

图5 污水处理厂进水BOD5浓度

4 外来水入渗分析

地下水或河水内渗到排水管网会稀释污水浓度、增加管网和污水厂负荷、影响管网基础结构、降低系统运行效率、提高管网溢流风险。

由于排水管网连接关系复杂、隐蔽性强、排水事件随机被动，甚至会发生内渗外渗交替发生的情况，因此，对区域性排水管网系统进行渗漏监测的技术难度较高。

4.1 外来水入渗计算方法

根据相关经验，城市排水管网渗入量计算方法包括晴天污水量法、夜间最小流量经验公式法、用水量折算法、水质物料守恒法等方法，各方法优缺点如表3所示。

表3 外来水入渗计算方法

其中，基于实测监测数据的计算方法为夜间最小流量法以及水质物料守恒法，由于汉口片区排水系统整体呈现被动式顶托运行状态，运行液位较高，采用夜间最小流量法计算时必须满足充满度小于0.3的规定，因此，本研究根据实测监测数据采用流量-水质物料守恒法估算基本入渗量。

该方法基于源头污水与外来水污染负荷量与下游监测点污染负荷守恒的原理[2]，污染负荷量关系可由式(1)计算得出，上下游流量关系由式(2)计算得出，联立可得入渗外水量,如式(3)。

Q产污量×C污+Q外水量×C外水浓度=Q×C

(1)

Q=Q产污量+Q外水量

(2)

(3)

其中：Q产污量——区域内日均产生污水量，m3/d；

C污——片区典型污水污染物浓度，kg/m3；

Q外水量——旱天日均入渗的外水量，m3/d；

C外水浓度——片区典型外水污染物浓度，kg/m3；

Q——监测点日均流量，m3/d；

C——监测点污染物浓度，kg/m3。

4.2 技术路线

收集汉口黄孝河机场河流域范围内相关数据资料，分析各个系统排水管网拓扑连接关系，划定监测单元，制定排水管网监测方案，初步确定监测点位，结合现场调研及现场勘查情况，基于采集的监测数据分析，实现监测方案不断优化，最终满足监测服务需求，技术路线如图6所示。

图6 技术路线

对收集的监测数据进行分析评估，处理缺失值和异常值，保证监测数据的有效性，进行监测数据统计分析及对比，对分片区排水管网入流入渗情况进行分析诊断，通过监测数据评估入渗率。

4.3 监测方法

在线超声波流量计采用多普勒超声波原理测试，多普勒超声波流量计通过测量介质中的颗粒、气泡等反射物实现测量，多用于管道排放废水，监测精度和灵敏度较高，支持排水管网或明渠等场合的满管、非满管流量在线长期稳定监测与积水及溢流预警报警。具有逐分钟持续监测、软硬件一体、智能互联、报警信息全方位推送等特性。

超声波流量计测量工作是使用速度面积法，流量等于流速乘以过水断面。速度测量使用多普勒超声波测量原理，液位测量使用压力或超声波测量原理，液位可全量程测量，在过载情况下依然提供正确液位值(图7)。

图7 在线超声波流量计工作原理[7]

4.4 监测点布置

根据汉口片区排水系统的拓扑关系，结合分析外来水入渗率的监测目标，以泵站服务区域划分进行了水量、水质监测布点。由于天津路片、民生路片和黄浦路片均属于汉口沿江系统，面积较小，目前仅在黄浦路片布设1个监测点。整个汉口片区共布设了44个监测点位，监测点位与点位拓扑关系如图8所示，各分区监测点个数如表4所示。