解码污水管网：高水位运行原因及对策措施
发布时间：
2021-03-22 10:22
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导读
A镇位于华南滨海地区，现状排水体制为截流式合流制，镇内污水管网密度2.6 km/km²，已建截流井约410座。根据水位观测数据，发现污水管网实际运行水位位于管顶以上0.94～2.78 m，比正常运行水位偏高1.49～3.33 m，处于高水位运行工况。通过分析污水管网高水位运行的原因，提出增产能、减污水、挤外水和除缺陷等针对性解决措施。
1 项目概况
1.1 城镇概况
A镇位于华南滨海地区，镇域面积约180 km²，建设用地面积约88 km²，2018年常住人口约64万人。经过30多年快速发展，从一个国内生产总值仅0.7亿元的海滨小镇，迅速发展成为生产总值超过600亿元的现代化城镇。A镇地势北高南低，自东北向西南倾斜，北部是丘陵区和坡度较为明显的山前倾斜平原，南部是坡度很缓的平原水乡河网区，地面高程自1 m至1.5 m左右，地势低洼，水系复杂。地下水位高，地面下1 m即可见地下水。
1.2 污水系统概况
（1）污水管网。A镇污水处理厂建设过程中，配套建设了污水干管，总长约33 km。近几年，又陆续建设了多批次污水次支管网。根据相关工程施工图或竣工图，镇内已建在建污水管网总长度约231 km，现状污水管网密度约2.6 km/km²，已建在建截流井约410座，截流井普遍采用拍门或鸭嘴阀等防倒灌设施，防止地表水倒灌。
（2）污水处理厂。A镇污水处理厂位于镇区东南，规划占地39 hm²，总规模为40万m³/d，一期工程（2009年建成）规模10万m³/d，二期工程（2019年底建成）规模10万m³/d，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准及广东省地方标准《水污染物排放限值》（DB 44/26-2001）的较严值。近3年污水处理厂运行工况见表1，污水处理厂处于满负荷运行状况。
表1 污水处理厂运行工况
2017年至2019年，污水处理厂COD进厂浓度190.1～231.6 mg/L，约为建城函［2016］198号规定的最低浓度的73%～89%；BOD5进厂浓度85.8～103.2 mg/L，约为建城［2019］52号规定最低浓度的86%～103%。由表可知，污水处理厂进水水质与设计进水水质有一定距离，与国家考核要求也有一定距离，不过与该市30余座已建污水处理厂横向比较，进水浓度处于第一梯队的较高水平。
2 存在问题及原因分析
2.1 存在问题
项目启动以后，收集了镇内相关技术资料，对工作范围地表水环境进行了查勘，并组织技术力量，对镇内污水系统运行工况进行了观测。A镇污水处理厂厂前污水干管（DN2 200）2019年11月（月降雨量为0）的运行水位变化过程及现场观测结果见图1。
图1 污水系统运行水位
由图1可知，观测点污水管管顶高程-2.01 m（85高程，下同），管网水位-1.07～0.77 m，管网水位位于管顶以上0.94～2.78 m，平均2.14 m，月内日均水位变幅1.84 m。根据《室外排水设计规范》（GB 50014-2006，2016年版），DN2 200污水管道最大充满度0.75。污水管网实际运行水位比正常运行水位偏高1.49～3.33 m，平均2.69 m，处于高水位运行状况。
污水管网高水位运行，导致污水无法经污水管网排入污水处理厂集中处理，污水溢流入河，部分河道水环境依然受到污染，部分河道水环境得到了一定程度的改善，但是雨后复黑现象突出，污水系统建设的目标未能实现。
2.2 原因分析
（1）污水处理能力不足。根据统计资料，A镇2014年至2018年用水量23.53万～26.88万m³/d，平均24.95万m³/d。根据A镇排水专项规划，污水排放系数取0.85，地下水渗入量取污水量的10%，污水量22.0万～25.13万m³/d，平均23.32万m³/d。2014年至2018年用排水量统计见表2。
表2 2014年至2018年用排水量统计
由表2可知，镇内现状污水处理能力20万m³/d，2014年至2018年污水量22.0万～25.13万m³/d，平均23.32万m³/d，污水量大于污水处理能力，现有污水处理能力与污水处理需求不配备，存在污水处理能力不足的问题。污水处理能力不足，必然导致管网运行水位被动壅高，致使污水管网高水位运行。
（2）地表水倒灌。根据相关资料，A镇已建在建污水管总长度约231 km，建设用地面积88 km²，污水管网密度约2.6 km/km²，管网密度处于较低水平，存在大量污水管网空白区，市政道路普遍只有一套合流制排水系统。由于污水管网密度低，为了解决污水直排入河的问题，已建在建污水管道普遍通过在合流管入河排污口末端建设截流井（槽式为主，少量堰式），期望将旱季污水截流排入污水管网，最终输送到污水处理厂处理。由于滨海城镇地势低，地表水位高，截流井存在地表水倒灌风险，普遍采用拍门或鸭嘴阀作为防倒灌设施。工作过程中，对截流井运行工况进行了复核，复核结果表明，部分截流井防倒灌效果较差，存在地表水倒灌现象，见图2。地表水倒灌，不仅降低污水处理厂进厂浓度，还会增加“污水量”，挤占了污水空间，也会导致污水管网高水位运行。
图2 截流井地表水倒灌
（3）清污混流。由于管网密度低，镇内市政道路普遍只存在一套合流排水系统，为了消除排污口，在入河排污口附近或者暗渠出口处建设截流井。因为清污混流，不属于污水范畴的清水也经合流系统排放，如山溪（泉）沟（渠）水、施工降水、漏损的自来水、渗入合流管网的地下水等，全部被截流井截流至污水系统，也增加了“污水量”，在一定程度上导致了污水管网高水位运行。
（4）管道功能性缺陷和结构性缺陷。国内工程建设“重建设轻管理”是普遍的现象，由于维护管理不到位，导致排水管道功能性缺陷较为突出。排水管道功能性缺陷和结构性缺陷的存在，减少了管道过水断面，降低了管道的过水能力，导致受影响范围内的区域管网高水位运行。
3 对策措施
3.1 增产能
2014年至2018年污水量22.0万～25.13万m³/d，平均23.32万m³/d，随着城市建设及经济发展，污水量还将逐年增大。镇内现状污水处理能力20万m³/d，污水量大于污水处理能力，现有污水处理能力与污水处理需求不配备，存在污水处理能力不足的问题。为此，应尽快启动污水处理厂三期工程建设，增加污水处理能力，确保污水处理能力与污水处理需求相配备，为污水管网运行水位降低创造基本条件。
3.2 减污水
根据公开资料，2018年全国平均万元GDP用水量66.8 m³，广东省万元GDP用水量43.3 m³，深圳市万元GDP用水量为8.41 m³（2019年进一步下降到7.93 m³）。根据统计资料，A镇2014年至2018年万元地区生产总值用水量为21.32～15.20 m³，呈现逐年下降的趋势，用水效率逐年提升，与2014年比，2018年下降万元地区生产总值用水量下降28.7%，见表3。从全国及广东省层面看，A镇用水效率整体较高，但与深圳等用水效率先进城市相比，节水潜力仍然较大。
表3 2014年至2018年用水效率统计
为此，应该以“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路为引领，按照国家、省、市节水行动方案确定的任务，深入实施最严格水资源管理制度，着力推动全社会节水，营造节水浓厚氛围，提升社会节水意识，进一步提高用水效率，减少污水产生量，为污水管网运行水位降低创造有利条件。
3.3 挤外水
（1）推进污水管网建设，完善污水系统。近年来，A镇所在的市级政府大力推进污水管网建设，近年来新建污水次支管数千公里，市内同等发展水平的兄弟镇街管网密度接近8.0 km/km²，广州市污水管网密度目标为10.0 km/km²，而A镇已建在建污水管网密度仅为2.6 km/km²，污水管网密度处于较低水平，污水管网建设欠账较大，存在大量污水管网空白区。为此，A镇加大了污水管网建设力度，计划1年内建设污水管网500 km（建成后污水管网密度8.3 km/km²），尽快实现市政道路污水管网全覆盖，消除污水收集空白区，补齐污水管网等基础设施短板，努力实现污水管网全覆盖、全收集、全处理。
（2）开展源头雨污分流工作，提高雨污分流比例。A镇污水管网密度仅为2.6 km/km²，管网密度处于较低水平，存在大量污水管网空白区，普遍采用末端截流的方式解决污水直排入河的问题，建设了约410座截流井。A镇位于滨海地区，地势较低，河道水位受潮汐影响周期性变化，存在较为突出的地表水倒灌问题，导致“污水量”增加，污水处理厂进厂浓度降低，污水管网高水位运行。在推进污水管网建设力度，1年内建设500 km污水管网的同时，A镇也同步源头雨污分流工作，大力推进工厂、住宅小区、公共建筑及新村的雨污分流工作，满足雨污分流条件的区域应分尽分，通过源头雨污分流工作，逐步提高雨污分流排水区域的比例，降低雨污合流排水区域的比例。完成雨污分流区域内的现况截流井，全部予以关闭，改建为普通的检查井；维持雨污合流的排水区域，现况截流井努力上移至地势较高的区域，降低地表水倒灌风险，减少进入污水系统的外水，减少污水量，降低污水管网运行水位。
（3）改造防倒灌设施，减少地表水倒灌。由于污水管网密度低，污水系统不完善，现状建设了约410个截流井，为了防止地表水倒灌，普遍采用拍门或鸭嘴阀作为防倒灌设施。根据《室外排水设计规范》（GB 50014-2006，2016年版），截流井溢流水位应在设计洪水位或受纳管道设计水位以上，当不能满足要求时，应设置闸门等防倒灌设施。根据《泵站拍门技术导则》（SL 656-2014），拍门等防倒灌设施，适用于泵站出水口，防止泵站停机时水流倒灌，保护水泵机组安全等要求较低的场合。拍门或鸭嘴阀等设施可以依靠水流及自重实现自动启闭，较闸门等防倒灌设施管理更方便，但是容易挂扯垃圾，滨海地区还容易生长生蚝等海洋生物，导致闭合不严，所以防倒灌效果非常一般，应用于截流井这类防倒灌要求较高的场合，缺乏规范依据。由于源头雨污分流工作受多种因素影响，实施难度大，周期长，彻底实现雨污分流也不现实，部分区域必然还需保持雨污合流的排水体制，部分现况截流井需要予以保留。针对这些需要保留的截流井，可考虑将截流井上移至雨污合流地块附近，也可以考虑将截流井形式由槽式改为堰式，或者将拍门、鸭嘴阀等防倒灌设施，改造为闸门或下开式堰门等防倒灌效果较好的防倒灌设施，降低地表水倒灌风险，减少进入污水系统的外水，减少污水量，降低污水管网运行水位。
（4）降低自然水体常水位，降低地表水倒灌风险。合流制排水系统晴天承担着污水排放任务，雨天承担着雨水排放任务。截流式合流制排水体制中，污水系统-截流管-合流管-自然水体贯通在一起，当排水口淹没在水体水中时，河湖等自然水体水位高于污水系统水位，水往低处流，河湖水就存在着往污水系统倒灌的风险，河湖水位越高，存在地表水倒灌风险的截流井数量就会越多，反之亦然。为此，在条件容许的情况下，适当降低河湖水位，降低地表水倒灌风险，考虑将A镇内河涌常水位由1.0 m降低到0.5 m。传统的城市建设管理思路中，普遍认为水满则景美，为此不惜在河道中筑坝设闸，增加水面面积，壅高河道水位。降低河湖等自然水体水位，不仅可以减少地表水倒灌风险，还可以增加城市海绵体。晴天水浅，鱼翔浅底，百姓赏景戏水；雨天水深，蓄水储雨，让城市无忧，体现城市水体的两大功能，也是海绵城市“自然滞蓄”的重要载体。
3.4 除缺陷
排水系统是现代城市的重要基础设施，是城市的血脉，其结构稳固和功能保障是城市排水安全的重要保证。管道存在功能性缺陷和结构性缺陷，也会影响管道的收水和输水功能，导致污水管网高水位运行。为此，应加强工程质量管理，避免新建排水管道带病上岗，同时还应加大排水管道养护投入，组建专业养护队伍，落实养护资金，加强排水系统维护管养工作，提高养护水平，消除管道功能性缺陷和结构性缺陷，恢复管道收水和输水功能，消除因管道功能性缺陷和结构性缺陷造成的区域性管网高水位运行现象。
4 结语
污水管网高水位运行是现象，污水系统不完善是本质，应通过详细的内业评估和外业复核工作，查明造成污水系统高水位运行的根本原因。在此基础上，采取增产能，减污水，挤外水，除缺陷等措施，降低污水管网运行水位。另外，滨海城市一般地势较低，合流制排水系统容易发生地表水倒灌，增加“污水量”，导致污水管网高水位运行，污水空间被外水挤占，致使污水直排入河，污染河道水环境，从系统稳定性和安全性方面考虑，分流制是一个更为妥当的选择。
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