排污管网外来水量新形式及其挑战分析

2022-08-14巴依尔明达郭帅

安徽建筑 2022年8期

巴依尔明达，郭帅

（1.安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽合肥 230000；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230000）

0 前言

在一个区域内，按照采用一个管道系统或是两个及以上各自独立的管道系统来排放污水和雨水，可将排水系统分为分流制和合流制[1]。其中在分流制排污管道中，综合生活污水和工业废水（统称为原生污水）是其设计收纳、输送的唯一污水来源，合流制排污管道污水来源除原生污水之外，还包括雨天的雨水径流量。实际上，无论是分流制排污管道还是合流制排水系统，除自身设计排水量之外，还存在一定量的地下水入渗量、雨水入流入渗量等外来水量[2,3]。

外来水量占据了排污管道空间，造成污水管道超负荷运行，是导致分流制污水溢流（SSOs）和合流制污水溢流（CSOs）的重要原因。此外，过量的外来水量还额外增加了泵站、水厂的运营成本[4]，外来水的稀释作用还影响污水处理厂的处理效率[5]。排水管网外来水或入流入渗水量是指进入排污管道的一切非污水成分，过去研究认为外来水主要包括地下水入渗量和雨水入流入渗量[6]，随着最近的研究和在我国污水提质增效项目的开展过程中，还发现融雪水入流入渗[7]、自来水漏损[8]、河湖水倒灌[9]、施工降水[10]等外来水存在形式。河水倒灌等外来水新形式给我国排水系统的运营和维护带来了一系列新的挑战，了解外来水存在的形式有助于制定合适的整治策略来达到污水提质增效的目的。

1 排污管网外来水存在的形式

如图1所示，排污管网外来水存在的形式可归纳为地下水入渗、雨水（融雪水）入流入渗、自来水漏损、河湖水倒灌以及施工降水。

图1 河水倒灌至排污管道

1.1 地下水入渗

排水管道位于地面以下，受地面交通荷载、施工工艺、土壤性质等多种因素，易出现破裂，错口等缺陷。当地下水位高于埋地管道时，地下水便会从管道破损口、管道接头处、破裂的检查井等位置渗入排水管道中。地下水入渗是排水管网外来水最普遍存在的形式，几乎存在于任何排水系统中。据统计，德国34个污水系统的地下水入渗量平均约占污水总量的35%[2]，我国上海市三个小区地下水入渗量占污水总量的比例在10%～29%[11]。

1.2 雨水入流入渗

除地下水入渗量之外，外来水的另一大来源为降雨导致的入流入渗水量，包括入流与入渗两个过程。雨水入流是指降雨形成的径流直接流入排污管道，其中雨水入流的途径有房屋雨落水管，检查井井盖，错误连接到市政污水管道中的雨水管等。而降雨导致的入渗是指雨水经过下渗补给地下水，从而以入渗的形式进入排污管道，入渗途径有管道破损口、管道接头处、破裂的检查井井室等。即使在分流制排水管道中，因降雨导致的雨水入流入渗量也可高达总污水量16%[12]。

1.3 河水倒灌

河水倒灌作为外来水的来源之一在国内外研究中鲜有报道，但随着我国污水提质增效项目的开展，发现我国南方水系发达城市普遍存在河水倒灌进排污管道的现象，是排污管网的主要外来水量来源。部分城市污水系统中的河水倒灌量甚至达到当地污水处理厂总污水量的40%以上[9]，严重影响当地污水系统的正常运行。河水倒灌进排水管道的途径主要有以下三种：

①沿河截污井未设置防倒灌设施或设置不合理，河湖水通过截流管道截流井倒灌进入污水管道；

②过河污水管段或沿河敷设的水下截污管，由于管道破裂导致河湖水体渗入污水管道；

③水下排口与市政排水管网连通，河湖水可直接通过污水直排口或通过雨水排口及雨污混接点进入污水管道。

1.4 融雪水入流入渗

融雪水引起的入流入渗是指雪融化时形成径流流入排污管道或融雪水补给地下水后渗入排污管道。融雪水入流入渗与雨水入流入渗相似，主要通过检查井井盖、错误连接至污水井的雨水管等途径进入污水管道。但两者也有不同，Panasiuk等[7]于2019年的一项研究在融雪期间，发现多个入流入渗点，而在融雪后的降雨事件中，这些位置并没有外来水量进入，这表明融雪水还存在其他进入污水管道的途径。

1.5 自来水漏损

在欧洲国家，漏损的自来水量也是进入排污管道外来水来源之一。据研究报道，2017年挪威所有自来水厂的平均泄漏百分比约为30%，饮用水管道漏损量明显高于欧洲其他国家，由于当地给水管道和污水管道多敷设同一沟槽中，而污水管道埋深大于给水管道，漏损的自来水便可从污水管道破损口进入污水管道，其中挪威约有50%的饮用水量最终以外来水的形式侵入排污管道。尽管我国还未曾有研究报道过自来水漏损水量进入排污管道，但是我国给水管道漏损严重，平均漏损率约为18%，部分地区高达35%[13]，再结合我国排水管道缺陷严重现状，可以推测我国也存在漏损自来水进入排污管道的问题。

1.6 施工降水

在我国城市雨污分流改造等提质增效项目中，还发现一些其他形式的外来水。如：①基坑降水、地下室排水，在开挖基坑时，地下水会不断渗入坑内，部分工地存在直接将渗水抽排至排污管道的现象，以及地库渗水被直接抽排至污水管道；②雨水、河水抽排至污水管，在雨水管道修复过程中，存在直接将雨水管道中原有的雨水抽排至污水管道的问题，以及在黑臭水体整治过程中，直接将河水抽排至污水管道。

2 外来水新形式带来的挑战

2.1 污水系统运维方面

任何污水系统中都存在一定的外来水量，当输送、处理这些外来水的成本高于消除外来水的成本时，可认为外来水过量。外来水量存在的新形式无疑额外增加了外来水量，过量外来水首先影响着污水系统的运营与管理。以河水倒灌为例，河水倒灌与地下水渗漏相比，单个倒灌点导致的外来水量明显大于地下水渗漏量，易造成排水管道满水现象，从而导致SSOs，CSOs溢流的频率及溢流量。同时，污水提升泵站、污水厂排放（或处理）本不应进入污水系统的河湖水，造成运行成本的增加。另外，污水处理厂的设计水量、水质直接关系到处理工艺的选择，过量外来水的侵入增加了污水厂进水水量和稀释了原生污水水质。增加的水量可能会导致各处理单元水量分配出现问题，并缩短了水力停留时间，被河水稀释过的污水可能会影响生化处理过程。这些会导致污水处理厂超负荷运行、处理效果不佳等问题，最终增加了污水厂排放水质超标的风险。

2.2 现有外来水量评估方法方面

自来水漏损、河湖倒灌等新形式的外来水还将给现有对排水管网外来水的评估提出新的挑战。如夜间最小流量法、旱天流量法和三角形法等传统方法通常假设旱天条件下，污水系统中除原生污水以外，还存在一定量的地下水入渗量，雨天则还包括雨水入流水量。当自来水漏损量、河水倒灌水量等成为重要外来水来源时，原先假设不成立，这将造成外来水评估结果与实际情况不符，无法给管道修复设计提供可靠的意见。

基于污染物化学平衡的示踪方法也是假设外来水来源包括地下水和雨水，并选取某种特征水质参数建立化学质量平衡，从而进行各外来水量的求解。忽略河水倒灌量等其他外来水的存在，也将造成评估结果不可靠的问题。

2.3 生态环境方面

过量外来水会导致污水管网溢流频次和溢流水量的增加，污水漫溢至地面，不仅影响了生态环境，而且由于污水中含有大量致病微生物，严重威胁人类健康。此外，河水倒灌还将给生态环境方面造成以下两方面的影响。一方面，河水倒灌至排水管道，可能会导致鱼类等水生生物进入污水系统内，而这些水生生物无法在污水条件下生存，最终死于污水管道中。另一方面，由于市政排水管网与河湖水系相通，枯水期时，可能导致污水外渗至地表自然水体，污染地表水体，造成河湖水黑臭。

2.4 经济投资方面

目前，全国各地都在开展污水提质增效工作，而削减外来水量是提质增效的重要工作内容。消除外来水量涉及到管道排查检测、修复、水量水质监测等多个方面，额外增加了投资成本。如长江环保集团近三年在“长江大保护”项目中，累计总投资规模超过1375亿元，预计“十四五”期间每年还将投资1000～1200亿元。

3 应对措施

3.1 加强排水管道检测修复

过去，“重建设，轻管理”一直是市政排水工程领域存在的问题。在管网排查项目中，发现许多城市排水管道破裂、错口、渗漏等结构性缺陷严重，地下水、雨水便可从管道破损口侵入污水管道。因此，应当建立污水管网排查和周期性检测制度，及时发现污水管道中的外来水入渗点并采取修复措施。针对污水倒虹吸管破裂导致河水倒灌和沿河敷设的污水管道与河道直接相连的问题，可同时监测污水管道液位和河道液位，通过分析倒虹吸管、沿河管道液位与附近河道液位之间的关系，来初步判断是否存在河水倒灌现象，或沿河道方向对污水管道内的污水进行水质检测分析，观察是否存在水质突变点。对于疑似存在河水倒灌的位置，可进行封堵降水，并通过管道CCTV检测进行复核。

3.2 水下排口采取防倒灌措施

在雨水管道系统中，部分排口直接与河道沟渠相连通，未采取防倒灌措施。若河道水位高于排口管底标高，河水便从雨水排口倒灌入雨水管道系统，再由雨污混接点进入污水管道系统。对于此类情形，可以对现有雨水排口进行改造，增加防倒灌措施，或者适当降低河道水位，使河道常水位低于排口埋深。

在污水截流系统中，被截流管道的排口通常设置在河道边，当附近河道水位高于被截流管道排口内底（或截流堰顶）标高时，也会发生河水倒灌至截流井的现象。可采取的措施：①增加截流堰高度，使其高于河道常水位；②在截流井或溢流管出水口设置拍门、鸭嘴阀等具有单向止回功能的附件；③在预算充足的情况下，采用自动启闭的堰门新技术，堰门可根据截流井与河道液位关系调整开启度，在旱天时，堰顶高于河道水位，防止河水倒灌；暴雨时，堰门打开，及时排放洪水。该技术可以同时起到防倒灌和防洪涝双重作用。

3.3 加快雨污分流改造

如1.2～1.4节所述，雨污混接点、截流井、截流管是雨水、融雪水、河水进入污水系统的主要途径。因此，加快雨污分流改造是解决污水管网外来水过量的有效措施。目前，我国城市新建城市排水系统多采用雨污分流制，但是存在雨污分流不彻底的问题，导致我国多数城市排水系统实际上仍为合流制。随着全国各地污水提质增效项目的进行，部分城市已经开展雨污分流改造，应当继续推进，并严格保证分流制改造工程项目的质量，使雨水、污水各行其道，做到彻底的雨污分流。