基于水力模型的管網(wǎng)破損率與污水廠進(jìn)水BOD5濃度之間的關(guān)系

陳 城，李 智，王 昊，唐 穎，宋利祥

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124；2.北京城市學(xué)院城市建設(shè)學(xué)部，北京 100083；3.珠江水利科學(xué)研究院，廣東廣州 510611)

城市排水系統(tǒng)是處理和排放城市污水的工程設(shè)施系統(tǒng)，是現(xiàn)代化城市的“生命線”之一。城市排水系統(tǒng)通常由排水管道和污水處理廠組成。目前，我國的排水體制主要有4種：合流制、截留式合流制、分流制、混合制[1]。我國大部分城市的老城區(qū)目前還是采用雨污合流的排水體制，雨污不分、錯接亂排嚴(yán)重且存在檢查井滲漏、管網(wǎng)破損等諸多問題，進(jìn)而導(dǎo)致雨水、地下水、河水等外水直接或間接進(jìn)入管網(wǎng)，這些混入的外水稱為入滲流量。相關(guān)研究表明，有排水管道因病害導(dǎo)致部分地區(qū)地下水入滲量達(dá)到平均污水量的30%～40%，大量的地下水混入污水管網(wǎng)，使得進(jìn)入污水處理廠的污水大量增加，進(jìn)入污水處理廠的BOD5濃度偏低，致使污水處理效率降低。

國內(nèi)外對排水系統(tǒng)中入滲水量的問題進(jìn)行了大量定性或定量的研究。如為證明排水系統(tǒng)中雨水、地下水入滲量，薛梅等[2]對日本某些未確定的污水量進(jìn)行定量分析表明，污水中雨水的入滲與降雨密切相關(guān)；Lee[3]提出通過識別水流資料來識別入滲水流的來源，以此制定合理的調(diào)查方法；邵林廣[4]指出多數(shù)南方城市因地下水位偏高，導(dǎo)致污水處理廠實(shí)際運(yùn)行水質(zhì)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，且其中有20%～25%的水來自地下水、湖泊水和河塘水；De等[5]指出可以通過氧同位素測量法得出排水系統(tǒng)入滲量的日變化規(guī)律；盛政等[6]利用監(jiān)測技術(shù)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析水量變化規(guī)律，表明入滲導(dǎo)致管道中水量超過設(shè)計(jì)水量是導(dǎo)致污水管道溢流的主要原因；翁晟琳等[1]采用水量平衡法中的三角法，分析污水處理廠的日進(jìn)水量頻率和城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)中雨水混入比例，確定雨水混入比例一般為25%～30%。

為解決排水管道地下水滲入的問題，需要對排水管道進(jìn)行檢測與修復(fù)?，F(xiàn)階段，市政排水管道檢測的常見方法主要有管道外檢測技術(shù)和管道內(nèi)窺檢測技術(shù)兩種。其中，管道內(nèi)窺技術(shù)主要是閉路電視(簡稱“CCTV”)檢測與評價(jià)技術(shù)，即將CCTV系統(tǒng)安裝在自走車上，操作人員遠(yuǎn)程控制自走車的行走，對管道內(nèi)部狀況進(jìn)行攝像記錄，操作人員根據(jù)攝像頭拍攝的圖像記錄檢測到的管道故障，分析管道損壞的類型、大小及位置，進(jìn)行管道狀況的判讀，確定下一步的管道修復(fù)措施。但CCTV法的缺陷是對管道狀況的判讀依賴于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和技能，不能準(zhǔn)確地從檢測結(jié)果中推算出入滲外水水量以及管道狀況對污水廠處理效率的影響程度，且推測結(jié)果具有較大誤差。

楊漢元等[7]詳細(xì)闡述了CCTV檢測技術(shù)的工作原理與工作流程，并討論了對得到的檢測影像進(jìn)行判讀的依據(jù)與方法；鄭瑞東[8]借鑒國外檢測評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與原理，制定了符合上海市排水管道現(xiàn)狀的管道評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為上海市排水管道的修復(fù)工作提供經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析的可靠依據(jù)與相關(guān)的選擇方案；張珺[9]通過對CCTV檢測結(jié)果分析、評價(jià)歸納出了缺陷類型，建立了管道狀況評估模型，為管道的養(yǎng)護(hù)和經(jīng)濟(jì)分析提供可靠依據(jù)；方門福等[10]總結(jié)了排水管道內(nèi)窺檢測技術(shù)的方法與操作流程，并制定了管道健康狀況的評價(jià)原理與評價(jià)指標(biāo)、管道缺陷類型的等級和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提出了管網(wǎng)維護(hù)的等級指標(biāo)及建議。顏文濤等[11]在對當(dāng)前污水管道的潛在損害和環(huán)境影響進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建用于城市污水管道預(yù)報(bào)的健康評估模型，并為確定管道檢查的順序提供依據(jù)。目前，國內(nèi)外研究集中于為污水管網(wǎng)健康狀況選取指標(biāo)，評價(jià)管道健康等級，但由此得出的結(jié)論是單方面且不準(zhǔn)確的，因此，對評價(jià)指標(biāo)、評價(jià)等級等標(biāo)準(zhǔn)仍需要進(jìn)一步的調(diào)查與研究。

本文選取昭通市中心城區(qū)作為研究區(qū)域，以水力模型(SWMM)為基礎(chǔ)，結(jié)合土石壩中浸潤線和棱體排水原理，構(gòu)建昭通市污水管網(wǎng)模型，將管網(wǎng)的破壞程度和污水處理廠的進(jìn)水量、水質(zhì)濃度對應(yīng)，計(jì)算污水管網(wǎng)在不同破壞程度下污水處理廠的進(jìn)水水量以及對污水廠進(jìn)水濃度的影響，為制定合理的修復(fù)方案提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)域概況及方法

1.1 研究區(qū)域概況

選取典型內(nèi)陸城市——昭通市的中心城區(qū)進(jìn)行研究。昭通市中心城區(qū)地勢北高南低，總體排水方向?yàn)樽员毕蚰吓欧拧Ｓ晁疽札埲?、北正街、西陡街、學(xué)莊路為界，東片排入禿尾河水系，西片排入利濟(jì)河水系。研究區(qū)內(nèi)人口數(shù)為35.5萬，流域面積為290 km2，排污體制為雨污合流制，本區(qū)域最大的問題是管道破損與混亂的排水體制。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，常住人口不斷增加，用水量增加，污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水量與實(shí)際進(jìn)水量存在較大差異，進(jìn)水量嚴(yán)重超過設(shè)計(jì)負(fù)荷，且稀釋了原生污水濃度，導(dǎo)致進(jìn)水口處污水BOD5濃度偏低，污水處理效能下降，單位BOD5消減能耗大大提高。因此，確定排水管網(wǎng)破壞程度與污水廠進(jìn)水量、進(jìn)水濃度的關(guān)系，對指導(dǎo)非開挖修復(fù)技術(shù)的實(shí)施尤為重要。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所使用的管道數(shù)據(jù)來自當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)部門提供的昭通市中心城區(qū)排水管網(wǎng)現(xiàn)狀圖、污水管網(wǎng)總體布置圖、建模所需的管渠斷面尺寸、上下游內(nèi)底標(biāo)高以及檢查井井底高程和井深等。本研究采用的污水量數(shù)據(jù)來自昭通市第一污水處理廠提供的運(yùn)行參數(shù)月報(bào)表。

1.3 浸潤線方法

圖1 土石壩滲流分析示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Seepage Analysis of Earth-Rock Dam

在無降雨的情況下，污水處理廠的進(jìn)水量主要來自原生污水量、地下水和河水入滲量兩個方面。昭通市中心城區(qū)的污水管道沿河道平行修建，且距離河道近，在汛期時研究區(qū)降雨量大，河道水位暴漲，此時河道水位高于污水管道，由于滲流作用，導(dǎo)致河水滲入污水管道，管道中外來水體的入滲量主要以河水入滲量為主。因此，通過分段的形式將河道對管網(wǎng)的滲流量假定為土石壩中棱體排水的入滲流量，土石壩向棱體排水中的滲流為無壓滲流，有浸潤面，可視為穩(wěn)定層流，滿足達(dá)西定律，可簡化為平面問題。如圖1所示，將河段滲流分成若干段(即分段法)，應(yīng)用達(dá)西定律和杜平假定(假定任一鉛直過水?dāng)嗝鎯?nèi)各點(diǎn)的滲透坡降相等)，建立各段的運(yùn)動方程，根據(jù)水流連續(xù)性求解流速、流量和浸潤線等。各節(jié)點(diǎn)河水入滲量如式(1)～式(3)。

其中：ΔL——虛擬等效矩形的寬度，為簡化計(jì)算，將上游壩體三角形用虛擬等效的矩形代替，m；

m1——河堤坡度比；

L——河道與管段的水平距離，m；

H1——河道水位，m；

H2——地下水水位，m；

h0——拋物線焦點(diǎn)在鉛直方向與拋物線的截距，m；

k——土壤滲透系數(shù)，m/s；

q——河水入滲的單寬流量，m2/s。

該節(jié)點(diǎn)處的河水入滲量為q與管段長度之積。

2 污水管網(wǎng)水力模型構(gòu)建

判斷污水廠進(jìn)水是否超負(fù)荷以及進(jìn)水的BOD5濃度，需要計(jì)算污水管網(wǎng)的常規(guī)排水量、排水過程、水質(zhì)濃度，以及外水侵入管網(wǎng)后的總排水量、水質(zhì)濃度，這些工作比較復(fù)雜、繁瑣且計(jì)算結(jié)果誤差較大。近年來，水力模型在管道排水過程模擬中已經(jīng)普遍應(yīng)用并取得較好效果。因此，可采用水力模型來計(jì)算管網(wǎng)排水量、排水過程及水質(zhì)濃度(本文采用SWMM)。

2.1 匯水區(qū)劃分

為了計(jì)算各個節(jié)點(diǎn)的入流量，將所研究區(qū)域按照地勢、坡度等因素劃分為1 318個匯水區(qū)。

2.2 節(jié)點(diǎn)入流量計(jì)算

污水管網(wǎng)模型的節(jié)點(diǎn)流量過程線一般采用節(jié)點(diǎn)平均流量和無因次流量變化模式系數(shù)值的乘積[12]表示，如式(4)。

Q(s,t)=Qs×m(s,t)

(4)

其中：Q(s,t)——s節(jié)點(diǎn)t時段的節(jié)點(diǎn)流量，m3/s；

Qs——s節(jié)點(diǎn)一段時間內(nèi)的平均流量，m3/s；

m(s,t)——s節(jié)點(diǎn)t時段無因次排水模式系數(shù)值。

通過查閱昭通市用水定額表和總規(guī)劃平面圖，得到中心城區(qū)人均綜合用水定額為300 L/(人·d)，人口密度為1 224人/km2。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)面積即匯水區(qū)面積，可求出不同節(jié)點(diǎn)的平均流量Qs，無因次排水模式系數(shù)值m(s,t)由昭通市有關(guān)部門提供，由此求得s節(jié)點(diǎn)t時段的入流量Q(s,t)。

2.3 污水BOD5濃度計(jì)算

采用S-P模型估算BOD5在管道中的降解，如式(5)。

式中：C——計(jì)算斷面BOD5質(zhì)量濃度，mg/L；

C0——BOD5初始質(zhì)量濃度，mg/L；

K——BOD5降解系數(shù)，d-1；

x——輸送距離，m；

v——污水輸送平均流速，m/s。

綜合考慮管道現(xiàn)狀和地區(qū)等因素，BOD5降解系數(shù)K取0.3 d-1，管道中污水輸送平均流速v取0.2 m/s。

2.4 模型構(gòu)建

研究區(qū)域內(nèi)污水管網(wǎng)主要沿河道平行鋪設(shè)，根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H資料，將包含管網(wǎng)拓?fù)湫畔⒌腃AD作為原始數(shù)據(jù)，借助ArcGIS的數(shù)據(jù)處理功能進(jìn)行處理，然后再將處理好的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為SWMM模型所適用的文件后導(dǎo)入SWMM中，其中包括管段1 318根、檢查井1 318個、管段末端出水口1個，建立的SWMM模型如圖2所示。

圖2 SWMM污水管網(wǎng)模型示意圖Fig.2 Schematic Diagram of SWMM Sewage Pipelines Network Model

2.5 模擬結(jié)果

根據(jù)所建模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得到該區(qū)域污水處理廠的總進(jìn)水量為8.64萬t/d，BOD5質(zhì)量濃度為169.6 mg/L，污水處理廠總進(jìn)水量與BOD5濃度變化如圖3所示。

圖3 污水處理廠總進(jìn)水量與BOD5濃度隨時間變化Fig.3 Variation of Total Inflow and BOD5 Concentration of WWTP with Time

2.6 結(jié)果分析

根據(jù)模型求得該地區(qū)污水入流量為8.64萬t/d，平均BOD5質(zhì)量濃度為169.6 mg/L，2018年該地區(qū)日均自來水量為12.3萬t/d，原生污水量計(jì)算如式(6)。

Q=D×i×n

(6)

其中：Q——研究區(qū)域內(nèi)的原生污水量，m3/d；

D——研究區(qū)域內(nèi)的自來水用量，m3/d；

i——產(chǎn)污系數(shù)，取0.85；

n——污水收集率，取0.95。

計(jì)算得出該地區(qū)日原生污水量為9.93萬t/d，與模型得出的污水入流量相差1.29萬t/d，誤差率為12.99%。通過對小區(qū)進(jìn)行24 h采樣測試(每2 h采樣1次)，小區(qū)24 h采集的污水BOD5平均質(zhì)量濃度為188.30 mg/L，考慮到污水在管網(wǎng)中的降解約為16%左右，即污水處理廠進(jìn)水口處BOD5質(zhì)量濃度實(shí)際值為158.17 mg/L，與模擬值相差11.43 mg/L，誤差率為7.23%。模擬完成后得到的模擬值與理論值相差較小，表明污水管網(wǎng)模型的參數(shù)設(shè)置較為合理。

3 實(shí)例分析

3.1 管網(wǎng)破損率與污水廠進(jìn)水關(guān)系分析

按管道長度間隔對破損率進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置管網(wǎng)破損率為0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，對選中的不同節(jié)點(diǎn)的入流量額外加上河水入滲量后進(jìn)行模擬。

3.2 不同破損率下水量與水質(zhì)分析

基于水力模型分析昭通市第一污水廠進(jìn)水口處進(jìn)水量及進(jìn)水BOD5濃度，得到污水處理廠在不同管網(wǎng)破損率情況下的日均進(jìn)水量和進(jìn)水BOD5濃度，如圖4所示。昭通市排水有限公司對污水管網(wǎng)進(jìn)行檢修發(fā)現(xiàn)，昭通市中心城區(qū)的污水管網(wǎng)破損率約為47%，依據(jù)管網(wǎng)破損率與污水處理廠進(jìn)水量、進(jìn)水BOD5濃度的關(guān)系可知，對應(yīng)的污水處理廠日均進(jìn)水量約為13.1萬m3，平均進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度約為111.20 mg/L。而查閱昭通市第一污水處理廠的運(yùn)行參數(shù)月報(bào)表可知，污水處理廠實(shí)際的日均進(jìn)水量為14.2萬m3，平均進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度為108.60 mg/L，表明加入漏損計(jì)算方法后，模型模擬得到的結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)相差較小，誤差在合理范圍之內(nèi)。由圖4可知，隨著管網(wǎng)破損率上升，污水處理廠的日均進(jìn)水量呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，但進(jìn)水BOD5濃度卻呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于河水入滲稀釋了原生污水的BOD5濃度，導(dǎo)致進(jìn)入污水處理廠的污水濃度降低，造成污水處理廠運(yùn)行效率降低，處理效果不好。

圖4 不同管網(wǎng)破損率下污水廠進(jìn)水量、進(jìn)水BOD5Fig.4 Influent Water Flow and BOD5 of WWTP under Different Damage Rates

3.3 建議

根據(jù)昭通市規(guī)劃局資料可知，昭通市第一污水處理廠處理污水規(guī)模為10萬m3/d，進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)為150.00 mg/L。依據(jù)本文研究，當(dāng)管道破損率為47%時，對應(yīng)的污水處理廠日均進(jìn)水量約為13.1萬m3，平均進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度約為111.20 mg/L。即管網(wǎng)破損率為47%時，污水處理廠日均進(jìn)水量是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的1.31倍，進(jìn)水BOD5濃度相比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下降約25.9%。在昭通市展開新一輪的管網(wǎng)修復(fù)工作中，要求進(jìn)水BOD5濃度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，則對應(yīng)的管網(wǎng)破損率約為10%。因此，需要立即對污水管道采取養(yǎng)護(hù)或修復(fù)措施，使其破損率從47%降至10%。由此可知，如需污水處理廠進(jìn)水BOD5濃度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需要消除37%左右的管網(wǎng)破損率。但昭通市管網(wǎng)修復(fù)經(jīng)費(fèi)不足以支撐管網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模的修復(fù)工作，針對此情況，決定采取逐年修復(fù)的方案，按3年時間開展修復(fù)工作，每年需要提升約12.90 mg/L的污水處理廠進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度，使污水處理廠的進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度從111.20 mg/L逐年上升至150.00 mg/L。按照管網(wǎng)破損率與污水處理廠進(jìn)水BOD5濃度關(guān)系可知，12.90 mg/L的進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度的提升對應(yīng)約12.4%的管網(wǎng)破損率的修復(fù)工作量，以每年降低12.4%左右的管網(wǎng)破損率為目標(biāo)，即第一年、第二年和第三年管網(wǎng)破損率分別為34.6%、22.2%和9.8%，相應(yīng)的污水廠進(jìn)水質(zhì)量濃度分別為125.20、134.70 mg/L和150.30 mg/L。同理，如果在已知污水處理廠的進(jìn)水量和進(jìn)水BOD5濃度情況下，也可依據(jù)圖4查得該區(qū)域污水管網(wǎng)的破損率，以此安排相應(yīng)的修復(fù)工作與計(jì)劃。

4 結(jié)論

(1)本文提出運(yùn)用SWMM建立水力模型，計(jì)算在不同管網(wǎng)破損率下污水處理廠的進(jìn)水量和進(jìn)水BOD5濃度。

(2)在管網(wǎng)檢測與修復(fù)過程中，技術(shù)人員通過CCTV等方法進(jìn)行探查得到管網(wǎng)破損率，卻無法將管網(wǎng)破損率和污水處理廠進(jìn)水BOD5濃度對應(yīng)起來，而本模型可得到管網(wǎng)破損率與污水處理廠進(jìn)水BOD5濃度關(guān)系圖。

(3)通過管網(wǎng)破損率與污水處理廠進(jìn)水BOD5濃度關(guān)系圖，依據(jù)污水處理廠進(jìn)水BOD5濃度標(biāo)準(zhǔn)，查得需要消除的管網(wǎng)破損率的大小。根據(jù)當(dāng)?shù)毓芫W(wǎng)維護(hù)經(jīng)費(fèi)，合理制定管網(wǎng)修復(fù)技術(shù)與計(jì)劃，讓污水處理廠的進(jìn)水BOD5濃度達(dá)標(biāo)，以達(dá)到污水管網(wǎng)提質(zhì)增效的目的。