基于水量水质监测进行分区分析的城市排水管网入流入渗问题

黄 林，胡茂锋，吴志炎，杨婷婷，冯泽建

(1.中建三局绿色产业投资有限公司，湖北武汉 430056；2.北京清环智慧水务科技有限公司，北京 100086)

近年来，城市污水管网的降雨入流及旱天入渗问题日益突出，造成污水处理厂处理水量增加，而水质浓度却逐步降低[1]。住建部、生态环境部从2015年起出台了“水十条”、黑臭水体整治等相关政策。2019年三部委联合发布了《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019—2021年)》，湖南省相关部门也发布《湖南省县以上城市污水治理提质增效三年行动工作方案》，要求进水BOD5含量<100 mg/L的城市污水处理厂整治[2]。既要保证消除黑臭，又要达到污水提质增效相关要求，城市排水管网的整治显得尤为重要。某市以污水处理厂为起点，通过对管网及系统间的拓扑连接关系分析，结合在线流量监测和人工水质采样化验手段[3]，收集获取真实、有效的过程数据，摸清排水排放规律系统。同时，进一步对管网进行全面分区摸排，结合QV等探测技术，锁定各问题点并精确找到，最终形成分析诊断报告，提出科学、可行的改造初步设计方案，为提升污水厂进水BOD5浓度提供真实、可靠的基础数据。其中，排水管网流量在线监测，有利于实时掌握管网运行现状，这是整个项目顺利执行的基础工作[4]。

目前，常用的入流入渗分析方法为夜间最小流量法，根据夜间出现最小流量衡算管网的入流水量。而这种单纯依靠流量数据的计算方法往往会因夜间的不规律排水而产生较大误差，尤其对下游污水24 h流量变化不大的主干管网，适用性更差。本文基于水质水量数据，以源头小区出户水质及区域地下水水质数据为本底数据，进行各管段的物料守恒计算，并以专题图形式呈现，为提质增效的工程开展提供数据支持。

1 研究区域概况

XT市污水处理厂的纳污范围共有4条主要水系(TXQ水系、WXQ水系、HTQ水系、SQQ水系)与12条渠道。丰富的水系导致地下水位较高，对管道的入渗影响较大[5]。区域内管道主要排水体制为分流制，局部存在雨、污水合流管道。该市2018年管网调查数据显示，城区共有主排水管网683 km，其中，雨水管道、污水管道、合流管道分别为363、230、90 km。本研究区域位于经济技术开发区(JH片区)。

2 研究区域监测方案

根据对污水处理厂的纳污范围中排水管网、泵站和污水处理厂等排水设施的拓扑关系梳理，筛选系统内主要污水管，从下游污水处理厂逐步向上游梳理管道连接关系，划分排水分区16个。监测点位除覆盖排水分区末端节点外，另安装2台设备进行2个源头小区监测，总计18个监测点位，安装共分3个批次。为同步获取区域降雨数据，在区域内安装雨量计1台。人工水质检测点位共计布设59处，除已覆盖已布设的流量监测点位外，另在源头小区内部及关键节点进行精细化布点，如图1所示。

图1 监测点位布设图

3 区域本底数据分析

3.1 降雨数据分析

降雨量作为背景监测，可供流量监测提供参考。该市降雨监测数据来源于天气网与自安装的雨量计，自安装雨量计采用翻斗式雨量计，从设备安装完成之日(3月10日)起监测点开始数据采集，并上传至监测平台实现可视化，雨量分析选择监测期为1月24日—4月30日。统计监测期内降雨量≥2 mm的情况，降雨日为33 d，总降雨量为528.8 mm，最大日降雨量为51.2 mm。日降雨量统计如表1所示。

表1 日降雨量统计

按降雨等级(小雨、中雨、大雨)划分，日降雨量<10 mm为15 d；10～25 mm为11 d；25～50 mm为6 d；>50 mm为1 d。因此，监测期内降雨多为中小雨天气，大雨天气较少。降雨等级划分如图2所示。

图2 降雨等级分布图

分流制区域降雨入流分析主要针对雨天，节点旱天日流量变化分析及片区旱天入渗分析需特定旱天时段，常规旱天指大于等于不受降雨影响的连续7个非降雨日。

结合XT市当地气候条件，监测期内非降雨日与降雨日交叉发生，不存在常规旱天时段。因此，从时间的连续性划分，选择非降雨日为研究对象，主要为4个阶段，分别为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 污水厂数据分析

3.2.1 水量分析

统计污水厂处理量，在2月1日—4月10日，污水厂每日污水处理量为5.04万～14.56万m3，最小值和最大值相对平均值偏离-34.07%和90.49%，统计期平均值为7.64万m3。为分析区域水量变化的差异性，筛选有效降雨日(日累计雨量≥2 mm)数据，将区域每日污水处理量分别对降雨量做相关性分析[6]，如图3所示。

图3 处理污水量与降雨量的相关性分析

随着降雨量的增大，JH片区水量呈逐渐增大的趋势，整体相关性较弱。经核实得知，污水处理厂每日处理污水量有限，降雨时，进厂的污水总量超过污水厂每日处理污水总量的极限，多余的污水便会从超越管排入湘江，导致污水厂进厂流量与降雨相关性较弱。

3.2.2 水质分析

监测设备同期的污水厂进水水质数据显示：污水处理厂总进水CODCr、BOD5含量均较低，进水CODCr、BOD5峰值仅为88.0、42.26 mg/L，与提标改造中进水BOD5含量为100 mg/L的目标差距较大。图4为CODCr与BOD5线性拟合关系，拟合结果表明两者存在正相关性关系，拟合公式为y=1.662 4x+18.024，相关性系数R为0.87，且相关性结果可靠(显著性P为1.1×10-9)[7]，考虑到BOD5检测过程较长，可用CODCr含量表征污水水质的变化情况。

图4 CODCr与BOD5相关性分析

4 监测数据分析

4.1 旱天入渗分析

4.1.1 典型浓度选择

为保证典型污染物浓度准确，监测过程中选择4个源头小区，采用间隔为1 h的取样方式，分别对楼座出户检查井、进化粪池前检查井、出化粪池后检查井及小区接入市政管道处进行水质检测[8]。检测小区为BBG、HRSSY、XZY与ZZY，除HRSSY外，其他3个小区入住率均在90%以上。点位布设如图5所示。

图5 典型小区人工采样点位图

源头检测中，HRSSY小区整体CODCr浓度较低，现场核实为小区入住率低，受地下水影响较为严重，其出水浓度不能够代表典型小区的生活污水浓度，因此，生活污水浓度选择检测其他小区楼座间的CODCr，均值为425 mg/L。XZY小区受地下水影响较严重，夜间检测CODCr含量，显示2:00—5:00持续较低，均值为13.5 mg/L，因此，选择地下水入侵含量为13.5 mg/L。

4.1.2 监测数据分析

根据物料守恒进行入流入渗分析计算[9]，总入渗水量为4.3万m3/d，占污水厂总进水量的58.58%，对管道进行修复，将入渗地下水挤出后，水厂水质将大幅提高。统计各片区入渗量计算结果，其中，入渗量较大的是TZ大道与XF路交叉口管道。各监测点位统计如表2所示。

表2 监测点单位面积单位降雨量统计

根据监测点位所在的排水分区，对入流入渗等级作图。在我国，地下水入渗量的正常值应是平均日综合生活污水和工业废水总量的10%～15%[10]，因此，以入渗率在15%为标准，入渗率>15%时需对管网进行相应的检测和修复。为更好地指导污水厂的提质增效，缩小管道工程施工的范围，对各排水分区入渗率划分为5个入渗等级。研究区域入流入渗等级如图6所示。

图6 研究区域旱天降雨入流入渗图

4.2 雨天混流分析

降雨和流量数据是分析分流制污水管网系统的入流入渗量的基础。ZX城区为合流制排水体系，因此，仅对JH片区进行降雨入流入渗分析。通过旱天流量数据识别典型旱天流量变化规律；通过降雨数据识别典型的降雨事件。

旱天监测数据应满足，降雨发生后的48 h(不受上场次降雨影响)的连续7个旱天数据；监测数据质量应保证数据条数获取率在80%及以上，数据无大幅度突增、突降现象，并以7 d流量均值作为降雨入流入渗量计算的基准流量。JH分流制片区内共划分排水分区16个，典型旱天时间选择为3月15日—3月21日，1号点位旱天流量曲线变化如图7所示。

图7 1号点位旱天流量变化

根据监测点位分钟级流量数据，将每日相同时刻点位流量进行平均值处理，即得到该点位旱天特征曲线，通过降雨期间内监测到的流量数据减去已识别的旱天流量，即得到降雨导致的入流入渗量，1号点位降雨入流入渗曲线如图8所示。

图8 1号点位降雨入流入渗曲线

在各场次降雨下，以降雨量为横坐标，降雨入流入渗为因变量，进行降雨量与降雨入流入渗的线性拟合。以1号点为例，曲线如图9所示，拟合曲线为y=293.15x-266.57，相关系数R2为0.855。曲线含义为在降雨量大于0.91 mm时，即发生降雨的入流，之后每增加1 mm降雨，雨水入流量增加293.15 m3。

图9 1号点位降雨入流入渗拟合曲线

对分流制区域的所有点位进行入流入渗的相同计算，各监测点每单位面积降雨导致的入流入渗量结果如表3所示。

表3 监测点单位面积单位降雨量的入流入渗统计

结果显示，各点位对降雨均有不同程度入流现象，为指导工程建设，体现区域管网的不同入流程度，对不同入流量进行等级划分，并定位入流严重管段，初步划分为5个等级，具体如图10所示。

图10 降雨入流入渗等级划分图

5 结论

本文以监测期降雨作为研究区域背景数据，通过对污水厂的本底数据进行分析，发现降雨的发生带来了污水厂进水的大幅度增加，从而表明区域存在一定的降雨混流现象。而旱天的进水浓度分析，一方面验证了该区域地下水入渗的严重性，另一方面以CODCr数值进水水质指标检测大大缩短了项目周期。同时，结合18台监测设备的布点方案，辅以人工水质检测，得出以下结论。

(1)通过本底数据分析发现，监测期内降雨日较多，降雨日为33 d，总降雨量为528.8 mm，日最大降雨量为51.2 mm；污水厂每日处理污水总量波动性较大，污水厂水量随降雨的发生而增多，分析水质数据发现，BOD5与CODCr有明显正相关关系。

(2)研究区域采用18个水量监测点位及59个水质检测点位，人工水质检测确定该区域典型小区质量浓度为425 mg/L，地下水入侵质量浓度值为13.5 mg/L。

(3)旱天入流分析计算总入渗水量为4.3万m3/d，占污水厂总进水量的58.58%，将入渗地下水挤出后，水厂水质将大幅提高。其中，入渗量较大的是TZ大道与XFL交叉口管道。

(4)通过降雨的入流入渗数据分析，分流制片区单位面积单位降雨量的入流入渗下，将增加入流雨水量为288.84 m3，混流较为严重的为TZ大道的XF路到HK高速附近。

总之，污水管网入流入渗是一个持久且隐蔽的过程。通过在线监测设备的24 h实时监测可准确性把握管网节点流量特征值，进而精确计算旱天特征流量。除旱天入流入渗带来污水厂进水浓度的降低外，降雨的入流入渗也是提质增效工作中亟待解决的一大难题。旱天入流色块图与雨天混流色块图的分级展示，使得污水管网病害情况更加直观性表露，为管理者的决策分析提供了较大便利。