湖濱城市供排水平衡分析及對(duì)策—以昆明市為例

周宏斌，何 佳，張 英，徐曉梅，鄧偉明，陳春瑜

（1.昆明市環(huán)境科學(xué)研究院，云南昆明650032；2.云南高科環(huán)境保護(hù)科技有限公司，云南昆明650032）

湖濱城市供排水平衡分析及對(duì)策—以昆明市為例

周宏斌1，何 佳1，張 英2，徐曉梅1，鄧偉明2，陳春瑜2

（1.昆明市環(huán)境科學(xué)研究院，云南昆明650032；2.云南高科環(huán)境保護(hù)科技有限公司，云南昆明650032）

供排水平衡分析是探究城市供水排水系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題的基礎(chǔ)和有效手段。城市供排水平衡受供水管網(wǎng)漏失情況、排水管網(wǎng)收集效率以及排水系統(tǒng)雨污分流情況等因素的影響。湖濱城市由于其特殊的水文地質(zhì)條件，地下水資源豐富，地下水位較高，地下水滲入排水系統(tǒng)成為城市供排水平衡的重要影響因素。綜合考慮各影響因素，提出了適用于湖濱城市的供排水平衡計(jì)算公式，并利用該公式以及昆明市主城區(qū)2012年的供排水相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)昆明市主城區(qū)供排水平衡性能進(jìn)行了評(píng)估，計(jì)算結(jié)果表明，在考慮了各影響因素后，2012年昆明主城區(qū)供水－排水－處理量之間基本達(dá)到平衡。

供排水平衡；湖濱城市；分析；對(duì)策；昆明

城市供排水系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，供排水系統(tǒng)的完善及正常運(yùn)行對(duì)城市水環(huán)境保護(hù)具有重要的意義。供排水平衡分析是探究城市供水排水系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題的有效手段，與城市供排水系統(tǒng)的規(guī)劃、建設(shè)、維護(hù)和管理工作息息相關(guān)，對(duì)城市的發(fā)展規(guī)劃和建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。健全及完善的供排水系統(tǒng)應(yīng)保證供排水平衡，當(dāng)出現(xiàn)供排水不平衡的情況，即污水處理能力小于排水量時(shí)，污水處理能力的不足必然會(huì)導(dǎo)致未能處理的污水直接排入水體，對(duì)水環(huán)境造成污染。湖濱城市由于其特殊的水文地質(zhì)條件，在供排水平衡研究中需要綜合考慮多因素的影響，特別是地下水入滲帶來(lái)的影響。本文針對(duì)湖濱城市提出供排水平衡計(jì)算公式，并以昆明市為例進(jìn)行了供排水平衡分析，根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的對(duì)策措施。

1 湖濱城市供排水平衡公式

1.1 城市供排水平衡基本計(jì)算公式

城市供排水平衡可以利用基于質(zhì)量守恒原理的水量平衡方程進(jìn)行計(jì)算。焦德生等人在綜合考慮了地表徑流量、地下水補(bǔ)給及排泄量、引入或引出水量、污水排放量、蒸發(fā)量及蓄變水量等因素后提出了通用的城市水量平衡方程［1］。馬開(kāi)遠(yuǎn)等人進(jìn)行城市供配水、用水、排水系統(tǒng)之間水量平衡的研究中，將水量平衡方程概化為包含地表水取水量、地下水取水量、凈耗水量及排出的廢污水量4個(gè)因子的平衡計(jì)算公式［2］。

本文研究的重點(diǎn)是城市供水系統(tǒng)及排水系統(tǒng)之間的水量平衡關(guān)系，主要研究供水量、排水量及處理水量等幾個(gè)因素之間的平衡關(guān)系。本文將城市供排水水量平衡公式概化如下：

式中：VS—供水量；VX—工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活和社會(huì)公共用水等的凈耗水量；VC—排出的廢污水量；VT—處理的廢污水量。

1.2 湖濱城市供排水平衡主要影響因素

湖濱城市由于其特殊的水文地質(zhì)條件，地下水資源豐富，埋深淺，地下水的滲入排水管網(wǎng)是影響供排水平衡的重要因素之一。此外，供排水平衡還受供水管網(wǎng)漏失情況、排水管網(wǎng)收集效率以及雨污分流情況的影響。

（1）供水管網(wǎng)漏失

供水管網(wǎng)漏失是影響供水量的主要因素，供水管網(wǎng)漏失水量并未進(jìn)入用水系統(tǒng)，其主要包括賬面漏失水量以及管道物理漏失水量。賬面漏失水量主要是由表計(jì)量誤差引起。管道物理漏失的原因主要包括供水系統(tǒng)本身的缺陷 （如管材結(jié)垢、腐蝕、穿孔，管道接口不嚴(yán)密，管網(wǎng)老化等）、管道施工質(zhì)量差、管網(wǎng)運(yùn)行管理不當(dāng) （如管網(wǎng)運(yùn)行壓力過(guò)高）以及溫度、不良地質(zhì)條件等外界環(huán)境的影響［3］。供水管網(wǎng)漏失水平可利用漏失率、未售水百分率及單位管長(zhǎng)單位時(shí)間漏水量來(lái)衡量［4］。

（2）排水管網(wǎng)收集效率

排水管網(wǎng)收集效率直接決定了用水系統(tǒng)排放的污水能夠進(jìn)入污水處理系統(tǒng)的水量。排水管網(wǎng)收集效率受城市供排水規(guī)劃設(shè)計(jì)、排水管網(wǎng)建設(shè)覆蓋情況以及排水管網(wǎng)維護(hù)情況的影響。在供排水平衡研究中，應(yīng)充分考慮排水管網(wǎng)收集效率，計(jì)算污水的實(shí)際收集量，以便于評(píng)估城市污水處理系統(tǒng)的實(shí)際處理能力。

（3）地下水滲入

地下水滲入是湖濱城市排水系統(tǒng)中普遍存在的問(wèn)題。湖濱城市地下水埋深淺，當(dāng)?shù)叵滤桓哂谂盼酃艿阑驕锨r(shí)，地下水會(huì)通過(guò)排污管道破損口進(jìn)入排污管道或直接入滲進(jìn)入排污溝渠；此外管道連接口不嚴(yán)密也會(huì)造成地下水的滲入。大量的地下水入滲會(huì)導(dǎo)致污水處理廠進(jìn)水污染物負(fù)荷被稀釋，降低污水處理廠處理效率；此外地下水的大量滲入還可能導(dǎo)致合流制排污管道溢流的發(fā)生，造成水環(huán)境的污染［5］。因此在湖濱城市供排水平衡的研究過(guò)程中應(yīng)充分考慮地下水滲入的影響。地下水滲入量的評(píng)估可采用水量平衡法、同位素示蹤法以及污染負(fù)荷法［6］。

（4）雨季雨水混入

城市排水體制主要包括截留式合流制和分流制。雨污分流能夠減小由于雨水混入對(duì)污水處理系統(tǒng)處理能力的沖擊。目前多數(shù)城市雨污混接現(xiàn)象相當(dāng)普遍，在進(jìn)行城市供排水平衡研究時(shí)，應(yīng)充分考慮城市實(shí)際排水方式，將雨季由于未能做到雨污分流而混入的雨水納入污水處理廠處理能力設(shè)計(jì)中進(jìn)行考慮，避免由于設(shè)計(jì)處理能力的不足而導(dǎo)致未處理污水直接進(jìn)入水體，對(duì)水體造成污染。

1.3 考慮供排水平衡影響因素后的平衡計(jì)算公式

綜合考慮影響湖濱城市供排水平衡的各因素后，可以得到如下的排水水量平衡公式：

式中：VL—供水管網(wǎng)漏失水量；VG—地下水滲入量；VR—雨水混入量；η—排水管網(wǎng)收集效率。

2 湖濱城市供排水平衡計(jì)算——以昆明市為例

2.1 昆明主城區(qū)供排水系統(tǒng)概述

昆明市是典型的湖濱城市。目前昆明市共有自來(lái)水廠11座，自來(lái)水廠總體設(shè)計(jì)規(guī)模121.5萬(wàn)m3／d，現(xiàn)運(yùn)行規(guī)模約84.5萬(wàn)m3／d。主城區(qū)共建設(shè)有污水處理廠8座，設(shè)計(jì)處理規(guī)模110.5萬(wàn)m3／d。昆明主城區(qū)排水體制為截流式合流制和分流制并存。

2.2 昆明主城區(qū)供排水平衡計(jì)算

本次供排水平衡以昆明主城區(qū)2012年的供排水資料為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，資料主要收集于昆明市自來(lái)水集團(tuán)有限公司、昆明市國(guó)土資源局、昆明通用水務(wù)自來(lái)水有限公司以及昆明主城區(qū)各污水處理廠。

（1）供水量（VS）計(jì)算

昆明主城區(qū)供水總量由自來(lái)水廠供水量、自采水供水量以及桶裝水供水量3個(gè)部分組成，相關(guān)數(shù)據(jù)資料主要由昆明市自來(lái)水集團(tuán)有限公司及昆明市國(guó)土資源局提供。2012年昆明主城自來(lái)水廠計(jì)費(fèi)的供水總量為29932.37萬(wàn)m3，未收費(fèi)供水量約為總供水量的15%?？紤]到自來(lái)水廠未收費(fèi)的供水量，2012年昆明主城自來(lái)水廠總供水量約35214.6萬(wàn)m3，日均供水量約96.48萬(wàn)m3；自采水供水量1300萬(wàn)m3，日均供水量3.56萬(wàn)m3；桶裝水供水量約為219萬(wàn)m3，日均供水量0.6萬(wàn)m3。

綜上，昆明市2012年供水總量為36733.6萬(wàn)m3，日均供水總量為100.64萬(wàn)m3。

（2）供水管網(wǎng)漏失水量（VL）計(jì)算

根據(jù)昆明通用水務(wù)自來(lái)水有限公司的數(shù)據(jù)資料，昆明市2012年管網(wǎng)漏失率為13.26%。根據(jù)自來(lái)水廠供水量及管網(wǎng)漏失率可得2012年昆明市供水管網(wǎng)漏失水量為4669.46萬(wàn)m3，日均漏失水量為12.79萬(wàn)m3。

（3）凈耗水量（VX）計(jì)算

凈耗水量通過(guò)供水量與污水產(chǎn)生量的差值計(jì)算。污水產(chǎn)生量主要包括城鎮(zhèn)生活、工業(yè)企業(yè)以及第三產(chǎn)業(yè)企業(yè)產(chǎn)生的污水量。根據(jù)昆明主城污染源普查數(shù)據(jù)，2012年昆明市主城城鎮(zhèn)生活源污水排放量為23765萬(wàn)m3，2446家工業(yè)企業(yè)污水排放量為761.5萬(wàn)m3，6593家第三產(chǎn)業(yè)企業(yè)污水排放量為2267.81萬(wàn)m3。

綜上，2012年昆明市凈耗水量為5269.83萬(wàn)m3，日均耗水量為14.44萬(wàn)m3。

（4）排水管網(wǎng)收集效率 （η）的確定

昆明主城區(qū)排水管網(wǎng)收集效率主要利用Arc-GIS10地圖編輯功能，在昆明主城地下管線探測(cè)CAD數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立昆明主城排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)模型，通過(guò)污水在排水管網(wǎng)中輸送過(guò)程的分析，確定污水的最終去向，并統(tǒng)計(jì)被污水處理廠收集和未收集的部分后計(jì)算得到。經(jīng)計(jì)算，昆明主城各污水處理廠納污片區(qū)的污水收集率為61.02%～95%，根據(jù)污水排放量及收集率可得，昆明主城建成區(qū)污水日均收集總量為51.86萬(wàn)m3。昆明主城區(qū)污水管網(wǎng)尚未建成區(qū)域的污水主要通過(guò)地表徑流、農(nóng)灌溝渠等方式匯入建成區(qū)合流溝渠和污水管，最終進(jìn)入污水處理廠，其污水收集率由進(jìn)入建成區(qū)污水處理廠的純污水量和排放量確定。經(jīng)計(jì)算污水管網(wǎng)尚未建成的其他區(qū)域旱季污水收集率為87.8%，旱季污水日均收集量為15.13萬(wàn)m3，雨季污水收集率為49.9%，雨季污水日均收集量為8.59萬(wàn)m3。

（5）地下水滲入量（VG）計(jì)算

根據(jù)昆明市排水系統(tǒng)的構(gòu)建及實(shí)際運(yùn)行情況，地下水入滲量的計(jì)算可分溝渠收集區(qū)域、管道收集區(qū)域和其它區(qū)域。

由于晴天不需要考慮雨水的影響，溝渠收集區(qū)地下水滲入量可利用晴天污水量法進(jìn)行計(jì)算，即利用溝渠內(nèi)的總水量扣除原生污水量為地下水入滲量。根據(jù)昆明主城典型溝渠收集片區(qū)船房河排水片區(qū)晴天污水產(chǎn)匯水量水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到昆明主城區(qū)溝渠收集片區(qū)的地下水入滲率約為35%。

管道收集片區(qū)由于缺少水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)類比國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究資料確定其地下水入滲率。時(shí)珍寶等人對(duì)上海3個(gè)排水區(qū)域調(diào)研結(jié)果顯示地下水入滲率為10%～29%［7］。劉旭輝等人對(duì)深圳市福田區(qū)某片區(qū)排水系統(tǒng)的研究顯示地下水滲入率約為25%［8］。林家森通過(guò)對(duì)廣州市有代表性的污水管道地下水滲入量進(jìn)行研究得到地下水滲入率約為10%～25%［9］。G Weib等人在2002年對(duì)德國(guó)34個(gè)污水處理廠服務(wù)區(qū)域的地下水滲入量的研究結(jié)果表明德國(guó)排水管道地下水滲入率平均值約為35 %［10］。綜上所述，國(guó)內(nèi)外排水管道地下水滲入率一般在10%～35%，昆明主城建成區(qū)污水以管道收集片區(qū)地下水入滲率可取20%。

昆明主城建成區(qū)外的其它區(qū)排水方式與收集過(guò)程相對(duì)粗放，其污水主要通過(guò)地表徑流、農(nóng)灌溝渠等方式收集匯入建成區(qū)污水管及合流溝渠，地下水滲入量較大，其地下水滲入率取50%。

對(duì)各收集系統(tǒng)地下水滲入量分別核算后，得到2012年昆明主城區(qū)污水管網(wǎng)建成區(qū)日均地下水滲入量為19.44萬(wàn)m3，污水管網(wǎng)未建成區(qū)雨季日均地下水滲入量為8.59萬(wàn)m3，旱季日均地下水滲入量為15.13萬(wàn)m3。

（6）雨季雨水混入量（VR）計(jì)算

昆明主城區(qū)雨污混排情況較為突出，排水系統(tǒng)中雨水管與污水管混接的節(jié)點(diǎn)數(shù)多達(dá)6608個(gè)。雨水混入量可以利用質(zhì)量守恒定理進(jìn)行計(jì)算，TN的濃度變化受雨水混入的影響最為明顯，故可將其作為代表因子來(lái)計(jì)算雨水混入量。通過(guò)計(jì)算可得雨水所占比例為污水總量的23%，即2012年昆明主城區(qū)污水處理廠雨季混入的雨水量為4014.57萬(wàn)m3，日均混入的雨水量為26.24萬(wàn)m3。

（7）實(shí)際處理水量（VT）

實(shí)際處理水量通過(guò)收集昆明主城區(qū)各污水處理廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)得到，2012年昆明各污水處理廠旱季日均污水處理總量為103.33萬(wàn)m3，雨季日均污水處理總量為114.61萬(wàn)m3。

（8）供排水平衡分析

根據(jù)公式（2）、（3）對(duì)昆明主城區(qū)2012年旱季和雨季供排水水量平衡進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 2012年昆明主城區(qū)供排水平衡計(jì)算結(jié)果 萬(wàn)m3／d

從表1可以看出，在考慮了供水過(guò)程中管網(wǎng)漏失水量、排水管網(wǎng)收集效率、地下水滲入量以及雨季雨水混入量以后，2012年昆明市主城區(qū)供水量、排水量以及污水處理系統(tǒng)處理水量基本達(dá)到平衡，供排水平衡計(jì)算余值較小，2012年昆明市供排水系統(tǒng)平衡性較好。

3 結(jié)論與對(duì)策分析

（1）昆明主城區(qū)部分區(qū)域污水收集率較低，未收集部分直接進(jìn)入自然水體，造成水體污染，建議完善主城區(qū)排水專項(xiàng)規(guī)劃，加快污水管網(wǎng)建設(shè)，加強(qiáng)污水管網(wǎng)的維護(hù)及定期檢查，逐漸提高污水管網(wǎng)收集效率。

（2）昆明主城區(qū)地下水滲入排水管網(wǎng)的現(xiàn)象較為明顯，地下水的大量滲入，加重了排污管道收集和輸送、泵站提升、污水處理廠的水量負(fù)荷，增加了排水系統(tǒng)投資及運(yùn)行費(fèi)用，導(dǎo)致污水處理廠進(jìn)水污染物濃度被稀釋，降低污水處理廠處理效率。建議在進(jìn)行排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中充分考慮地下水滲入所產(chǎn)生的影響，在新排水管道竣工時(shí)進(jìn)行地下水滲入量的測(cè)定，對(duì)舊管道地下水滲入情況進(jìn)行調(diào)查，根據(jù)舊管道的滲入情況，及時(shí)開(kāi)展修復(fù)工作，減少由于舊管道破損所引起的地下水滲入。

（3）昆明主城區(qū)雨污混排情況較為明顯，排水系統(tǒng)中雨水管與污水管混接現(xiàn)象普遍存在，雨季大量雨水進(jìn)入污水處理廠，增加了污水處理廠處理量。建議完善雨污分流系統(tǒng)，對(duì)雨水管與污水管混接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排查，減少雨季混入的雨水量。

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Analysis and Countermeasures of W ater Supply and Drainage Balance of W aterfront City by Taking Kunm ing as an Exam ple

ZHOU Hong－bin1，HE Jia1，ZHANG Ying2，XU Xiao－mei1，DENGWei－ming1，CHEN Chun－yu2
（1.Kunming Institute of Environmental Science，Kunming Yunnan 650032，China）

The analysis of water supply and drainage balance is a fundamental and efficientmethod for exploring theoperational status ofwater supply and drainage system of a city.There aremany factors thatmay impact the balance ofwater supply and drainage，such as leakage rate of water supply network，collection efficiency of drainage network，and distribution status of rain and sewage.Groundwater infiltration into sewer systems is an important factor thatwill influence the balance ofwater supply and drainage.In this paper，based on an overall consideration of possible factors，an equation was proposed to assess the balance relationship between water supply and drainage in waterfront city.The balance quality of water supply and drainage was calculated using the equation based on the water supply and drainage data of Kunming in 2012.The result showed that thewater supply and drainage of Kunming was in a good balance status by taking above factors into account in 2012.

water supply and drainage balance；waterfrontcity；analysis；Countermeasures；Kunming

X52

A

1673－9655（2015）02－0044－04

2014－08－20