排污管網(wǎng)外來水量新形式及其挑戰(zhàn)分析

巴依爾明達(dá)，郭帥

（1.安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230000）

0 前言

在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，按照采用一個(gè)管道系統(tǒng)或是兩個(gè)及以上各自獨(dú)立的管道系統(tǒng)來排放污水和雨水，可將排水系統(tǒng)分為分流制和合流制[1]。其中在分流制排污管道中，綜合生活污水和工業(yè)廢水（統(tǒng)稱為原生污水）是其設(shè)計(jì)收納、輸送的唯一污水來源，合流制排污管道污水來源除原生污水之外，還包括雨天的雨水徑流量。實(shí)際上，無論是分流制排污管道還是合流制排水系統(tǒng)，除自身設(shè)計(jì)排水量之外，還存在一定量的地下水入滲量、雨水入流入滲量等外來水量[2,3]。

外來水量占據(jù)了排污管道空間，造成污水管道超負(fù)荷運(yùn)行，是導(dǎo)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，過量的外來水量還額外增加了泵站、水廠的運(yùn)營成本[4]，外來水的稀釋作用還影響污水處理廠的處理效率[5]。排水管網(wǎng)外來水或入流入滲水量是指進(jìn)入排污管道的一切非污水成分，過去研究認(rèn)為外來水主要包括地下水入滲量和雨水入流入滲量[6]，隨著最近的研究和在我國污水提質(zhì)增效項(xiàng)目的開展過程中，還發(fā)現(xiàn)融雪水入流入滲[7]、自來水漏損[8]、河湖水倒灌[9]、施工降水[10]等外來水存在形式。河水倒灌等外來水新形式給我國排水系統(tǒng)的運(yùn)營和維護(hù)帶來了一系列新的挑戰(zhàn)，了解外來水存在的形式有助于制定合適的整治策略來達(dá)到污水提質(zhì)增效的目的。

1 排污管網(wǎng)外來水存在的形式

如圖1所示，排污管網(wǎng)外來水存在的形式可歸納為地下水入滲、雨水（融雪水）入流入滲、自來水漏損、河湖水倒灌以及施工降水。

圖1 河水倒灌至排污管道

1.1 地下水入滲

排水管道位于地面以下，受地面交通荷載、施工工藝、土壤性質(zhì)等多種因素，易出現(xiàn)破裂，錯(cuò)口等缺陷。當(dāng)?shù)叵滤桓哂诼竦毓艿罆r(shí)，地下水便會(huì)從管道破損口、管道接頭處、破裂的檢查井等位置滲入排水管道中。地下水入滲是排水管網(wǎng)外來水最普遍存在的形式，幾乎存在于任何排水系統(tǒng)中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，德國34個(gè)污水系統(tǒng)的地下水入滲量平均約占污水總量的35%[2]，我國上海市三個(gè)小區(qū)地下水入滲量占污水總量的比例在10%～29%[11]。

1.2 雨水入流入滲

除地下水入滲量之外，外來水的另一大來源為降雨導(dǎo)致的入流入滲水量，包括入流與入滲兩個(gè)過程。雨水入流是指降雨形成的徑流直接流入排污管道，其中雨水入流的途徑有房屋雨落水管，檢查井井蓋，錯(cuò)誤連接到市政污水管道中的雨水管等。而降雨導(dǎo)致的入滲是指雨水經(jīng)過下滲補(bǔ)給地下水，從而以入滲的形式進(jìn)入排污管道，入滲途徑有管道破損口、管道接頭處、破裂的檢查井井室等。即使在分流制排水管道中，因降雨導(dǎo)致的雨水入流入滲量也可高達(dá)總污水量16%[12]。

1.3 河水倒灌

河水倒灌作為外來水的來源之一在國內(nèi)外研究中鮮有報(bào)道，但隨著我國污水提質(zhì)增效項(xiàng)目的開展，發(fā)現(xiàn)我國南方水系發(fā)達(dá)城市普遍存在河水倒灌進(jìn)排污管道的現(xiàn)象，是排污管網(wǎng)的主要外來水量來源。部分城市污水系統(tǒng)中的河水倒灌量甚至達(dá)到當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S總污水量的40%以上[9]，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)匚鬯到y(tǒng)的正常運(yùn)行。河水倒灌進(jìn)排水管道的途徑主要有以下三種：

①沿河截污井未設(shè)置防倒灌設(shè)施或設(shè)置不合理，河湖水通過截流管道截流井倒灌進(jìn)入污水管道；

②過河污水管段或沿河敷設(shè)的水下截污管，由于管道破裂導(dǎo)致河湖水體滲入污水管道；

③水下排口與市政排水管網(wǎng)連通，河湖水可直接通過污水直排口或通過雨水排口及雨污混接點(diǎn)進(jìn)入污水管道。

1.4 融雪水入流入滲

融雪水引起的入流入滲是指雪融化時(shí)形成徑流流入排污管道或融雪水補(bǔ)給地下水后滲入排污管道。融雪水入流入滲與雨水入流入滲相似，主要通過檢查井井蓋、錯(cuò)誤連接至污水井的雨水管等途徑進(jìn)入污水管道。但兩者也有不同，Panasiuk等[7]于2019年的一項(xiàng)研究在融雪期間，發(fā)現(xiàn)多個(gè)入流入滲點(diǎn)，而在融雪后的降雨事件中，這些位置并沒有外來水量進(jìn)入，這表明融雪水還存在其他進(jìn)入污水管道的途徑。

1.5 自來水漏損

在歐洲國家，漏損的自來水量也是進(jìn)入排污管道外來水來源之一。據(jù)研究報(bào)道，2017年挪威所有自來水廠的平均泄漏百分比約為30%，飲用水管道漏損量明顯高于歐洲其他國家，由于當(dāng)?shù)亟o水管道和污水管道多敷設(shè)同一溝槽中，而污水管道埋深大于給水管道，漏損的自來水便可從污水管道破損口進(jìn)入污水管道，其中挪威約有50%的飲用水量最終以外來水的形式侵入排污管道。盡管我國還未曾有研究報(bào)道過自來水漏損水量進(jìn)入排污管道，但是我國給水管道漏損嚴(yán)重，平均漏損率約為18%，部分地區(qū)高達(dá)35%[13]，再結(jié)合我國排水管道缺陷嚴(yán)重現(xiàn)狀，可以推測(cè)我國也存在漏損自來水進(jìn)入排污管道的問題。

1.6 施工降水

在我國城市雨污分流改造等提質(zhì)增效項(xiàng)目中，還發(fā)現(xiàn)一些其他形式的外來水。如：①基坑降水、地下室排水，在開挖基坑時(shí)，地下水會(huì)不斷滲入坑內(nèi)，部分工地存在直接將滲水抽排至排污管道的現(xiàn)象，以及地庫滲水被直接抽排至污水管道；②雨水、河水抽排至污水管，在雨水管道修復(fù)過程中，存在直接將雨水管道中原有的雨水抽排至污水管道的問題，以及在黑臭水體整治過程中，直接將河水抽排至污水管道。

2 外來水新形式帶來的挑戰(zhàn)

2.1 污水系統(tǒng)運(yùn)維方面

任何污水系統(tǒng)中都存在一定的外來水量，當(dāng)輸送、處理這些外來水的成本高于消除外來水的成本時(shí)，可認(rèn)為外來水過量。外來水量存在的新形式無疑額外增加了外來水量，過量外來水首先影響著污水系統(tǒng)的運(yùn)營與管理。以河水倒灌為例，河水倒灌與地下水滲漏相比，單個(gè)倒灌點(diǎn)導(dǎo)致的外來水量明顯大于地下水滲漏量，易造成排水管道滿水現(xiàn)象，從而導(dǎo)致SSOs，CSOs溢流的頻率及溢流量。同時(shí)，污水提升泵站、污水廠排放（或處理）本不應(yīng)進(jìn)入污水系統(tǒng)的河湖水，造成運(yùn)行成本的增加。另外，污水處理廠的設(shè)計(jì)水量、水質(zhì)直接關(guān)系到處理工藝的選擇，過量外來水的侵入增加了污水廠進(jìn)水水量和稀釋了原生污水水質(zhì)。增加的水量可能會(huì)導(dǎo)致各處理單元水量分配出現(xiàn)問題，并縮短了水力停留時(shí)間，被河水稀釋過的污水可能會(huì)影響生化處理過程。這些會(huì)導(dǎo)致污水處理廠超負(fù)荷運(yùn)行、處理效果不佳等問題，最終增加了污水廠排放水質(zhì)超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 現(xiàn)有外來水量評(píng)估方法方面

自來水漏損、河湖倒灌等新形式的外來水還將給現(xiàn)有對(duì)排水管網(wǎng)外來水的評(píng)估提出新的挑戰(zhàn)。如夜間最小流量法、旱天流量法和三角形法等傳統(tǒng)方法通常假設(shè)旱天條件下，污水系統(tǒng)中除原生污水以外，還存在一定量的地下水入滲量，雨天則還包括雨水入流水量。當(dāng)自來水漏損量、河水倒灌水量等成為重要外來水來源時(shí)，原先假設(shè)不成立，這將造成外來水評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況不符，無法給管道修復(fù)設(shè)計(jì)提供可靠的意見。

基于污染物化學(xué)平衡的示蹤方法也是假設(shè)外來水來源包括地下水和雨水，并選取某種特征水質(zhì)參數(shù)建立化學(xué)質(zhì)量平衡，從而進(jìn)行各外來水量的求解。忽略河水倒灌量等其他外來水的存在，也將造成評(píng)估結(jié)果不可靠的問題。

2.3 生態(tài)環(huán)境方面

過量外來水會(huì)導(dǎo)致污水管網(wǎng)溢流頻次和溢流水量的增加，污水漫溢至地面，不僅影響了生態(tài)環(huán)境，而且由于污水中含有大量致病微生物，嚴(yán)重威脅人類健康。此外，河水倒灌還將給生態(tài)環(huán)境方面造成以下兩方面的影響。一方面，河水倒灌至排水管道，可能會(huì)導(dǎo)致魚類等水生生物進(jìn)入污水系統(tǒng)內(nèi)，而這些水生生物無法在污水條件下生存，最終死于污水管道中。另一方面，由于市政排水管網(wǎng)與河湖水系相通，枯水期時(shí)，可能導(dǎo)致污水外滲至地表自然水體，污染地表水體，造成河湖水黑臭。

2.4 經(jīng)濟(jì)投資方面

目前，全國各地都在開展污水提質(zhì)增效工作，而削減外來水量是提質(zhì)增效的重要工作內(nèi)容。消除外來水量涉及到管道排查檢測(cè)、修復(fù)、水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)等多個(gè)方面，額外增加了投資成本。如長江環(huán)保集團(tuán)近三年在“長江大保護(hù)”項(xiàng)目中，累計(jì)總投資規(guī)模超過1375億元，預(yù)計(jì)“十四五”期間每年還將投資1000～1200億元。

3 應(yīng)對(duì)措施

3.1 加強(qiáng)排水管道檢測(cè)修復(fù)

過去，“重建設(shè)，輕管理”一直是市政排水工程領(lǐng)域存在的問題。在管網(wǎng)排查項(xiàng)目中，發(fā)現(xiàn)許多城市排水管道破裂、錯(cuò)口、滲漏等結(jié)構(gòu)性缺陷嚴(yán)重，地下水、雨水便可從管道破損口侵入污水管道。因此，應(yīng)當(dāng)建立污水管網(wǎng)排查和周期性檢測(cè)制度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)污水管道中的外來水入滲點(diǎn)并采取修復(fù)措施。針對(duì)污水倒虹吸管破裂導(dǎo)致河水倒灌和沿河敷設(shè)的污水管道與河道直接相連的問題，可同時(shí)監(jiān)測(cè)污水管道液位和河道液位，通過分析倒虹吸管、沿河管道液位與附近河道液位之間的關(guān)系，來初步判斷是否存在河水倒灌現(xiàn)象，或沿河道方向?qū)ξ鬯艿纼?nèi)的污水進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)分析，觀察是否存在水質(zhì)突變點(diǎn)。對(duì)于疑似存在河水倒灌的位置，可進(jìn)行封堵降水，并通過管道CCTV檢測(cè)進(jìn)行復(fù)核。

3.2 水下排口采取防倒灌措施

在雨水管道系統(tǒng)中，部分排口直接與河道溝渠相連通，未采取防倒灌措施。若河道水位高于排口管底標(biāo)高，河水便從雨水排口倒灌入雨水管道系統(tǒng)，再由雨污混接點(diǎn)進(jìn)入污水管道系統(tǒng)。對(duì)于此類情形，可以對(duì)現(xiàn)有雨水排口進(jìn)行改造，增加防倒灌措施，或者適當(dāng)降低河道水位，使河道常水位低于排口埋深。

在污水截流系統(tǒng)中，被截流管道的排口通常設(shè)置在河道邊，當(dāng)附近河道水位高于被截流管道排口內(nèi)底（或截流堰頂）標(biāo)高時(shí)，也會(huì)發(fā)生河水倒灌至截流井的現(xiàn)象?？刹扇〉拇胧孩僭黾咏亓餮吒叨?，使其高于河道常水位；②在截流井或溢流管出水口設(shè)置拍門、鴨嘴閥等具有單向止回功能的附件；③在預(yù)算充足的情況下，采用自動(dòng)啟閉的堰門新技術(shù)，堰門可根據(jù)截流井與河道液位關(guān)系調(diào)整開啟度，在旱天時(shí)，堰頂高于河道水位，防止河水倒灌；暴雨時(shí)，堰門打開，及時(shí)排放洪水。該技術(shù)可以同時(shí)起到防倒灌和防洪澇雙重作用。

3.3 加快雨污分流改造

如1.2～1.4節(jié)所述，雨污混接點(diǎn)、截流井、截流管是雨水、融雪水、河水進(jìn)入污水系統(tǒng)的主要途徑。因此，加快雨污分流改造是解決污水管網(wǎng)外來水過量的有效措施。目前，我國城市新建城市排水系統(tǒng)多采用雨污分流制，但是存在雨污分流不徹底的問題，導(dǎo)致我國多數(shù)城市排水系統(tǒng)實(shí)際上仍為合流制。隨著全國各地污水提質(zhì)增效項(xiàng)目的進(jìn)行，部分城市已經(jīng)開展雨污分流改造，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)推進(jìn)，并嚴(yán)格保證分流制改造工程項(xiàng)目的質(zhì)量，使雨水、污水各行其道，做到徹底的雨污分流。

4 結(jié)論

歸納了外來水存在的幾種形式，討論了河水倒灌等新的外來水形式給污水系統(tǒng)運(yùn)維、現(xiàn)有外來水評(píng)估方法、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)投資四個(gè)方面帶來的新的挑戰(zhàn)，并提出加強(qiáng)排水管道修復(fù)、采取防倒灌措施和加快雨污分流改造等應(yīng)對(duì)措施。