高外江水位下合流制截流管網建設和運行問題探析
高外江水位下合流制截流管網建設和運行問題探析
彭藝藝1,2，左劍惡1，干里里1，劉廣釗2，孟憲翚2，陳柳旋2
(1.清華大學環境學院環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京100084；2.柳州市
污水治理有限責任公司，廣西柳州545001)
對喀斯特地貌地區高外江水位下的城市截流式合流制管網，在建設和運行中存在的雨水溢流污染、管道滲漏污染和管道淤積等問題進行了系統分析和討論，有針對性地提出了源頭控制減少溢流雨水污染、優化截流收集污染雨水、調蓄處理污染雨水、提高維修水平減少管道滲漏、加強維護管理減少管道淤積等措施，并對我國合流制截流管網建設和運行的發展前景進行了展望。
隨著社會對環境保護意識的加強，全國各地的城市及部分鄉鎮，先后建起了污水收集系統和處理設施，最早的排水管網多是合流制系統，隨即發展成為截流式合流制，以期在短時間內較大程度地實現污水的收集和輸送。污水收集系統的運行效率，對后續污水處理設施的正常運行和處理效果有極大影響。而污水收集系統的高效運行，則依賴于合理的設計、良好的工程建設質量以及高效的維護保養。針對喀斯特地貌地區高外江水位影響下的柳州市合流制截流管網建設和運行中所存在的問題進行了初步探討并提出改進建議。
1 柳州市截流管網系統的概況
柳州市域面積為649 km2，市區人口179萬人，屬典型的喀斯特地貌。柳江穿城而過，合流制的城市污水均朝柳江方向就近排放并被截流收集。2003年下游紅花水電站建成投入使用，柳江的柳州市區段由此成為庫區，外江水位大幅抬升，水流減緩、自凈能力減弱，水體水質有Ⅱ類轉向Ⅲ類的趨勢。柳州市目前建有3座二級污水廠，總處理規模達47.5×104m3/d，城市污水處理率達85%。依地形建有三大沿江合流制截流管網，如圖1所示。
圖1 截污系統示意
2 截流管網系統的問題
2.1 合流制管網系統的溢流雨水污染問題
柳州市的截流管網對柳江市區段的原有污水直排口實現了截流，截流倍數為1，因此，在降雨強度較大時，會有大量雨污混合水通過溢流進入柳江。對截流井的溢流污水進行監測，發現其TSS、COD、NH3-N、TP等均較生活污水的平均濃度高。由此可見，通過合流制排水系統雨天溢流的污染物對柳江水質造成不利影響，導致夏天時有異味與水華現象的發生。近年來的水質監測結果表明，雖然柳江常規水質指標的年均值能夠達到地方規劃要求的控制標準，但異味與藻類生長等感官問題，嚴重影響了水上活動的開展與沿江居民的正常生活。
2.2 合流制截流管網的滲漏嚴重
柳州市多數排往柳江并與截流管網連接的排水管網已使用20~50年，由于地處喀斯特地貌地區，這些排水管道處于發達的溶洞水系中。在形成庫區前，每年汛期柳江河的漲落水位差可達十幾米，水位上下漲落形成的張拉力，導致排水管網出現破損滲漏。自庫區蓄水之時起，這些破損的排水管網未能得到及時修復或更新，一直使用至今。形成庫區后，城市外江水位大幅抬升，原有老舊排水管網及截流管網的末端標高均低于外江水位，破損的污水管由此可能出現雙向滲漏，一方面污水外滲污染地下水，另一方面江水、地下水滲入管網，污水有機物濃度變低，使得城市污水廠內的活性污泥系統難以維持正常運行,同時也額外增加了污水廠的運行負荷。由于管網埋深較深，難以對區域管網進行排查檢測，所以污水外滲與地下水內滲量也難以估算。
由于截流管處于管網末端，埋深較大，當地采用人工掘進式頂管工藝施工時，易出現偏差，導致管道接口處易出現錯位，也會導致滲漏問題的發生。
2.3 高外江水位導致合流制截流管網淤積嚴重
為避免高外江水位的影響，合流制截流干管的標高要求高于外江水位，而截流井的進水管、排河溢流管仍然使用原有管道，由此造成截流井深達10 m左右（見圖2）。污水溢流進入截流支管后匯入截流干管，截流支管與進水管的標高落差過大，造成截流深井及其進水管長期處于滿流狀態，底部淤積泥沙，水面堆積漂浮物，給截流管網的運行和維護帶來很大問題，大量的管道淤積物也會增大溢流雨水的污染負荷。由于排水管渠埋深較大，即使明知部分管道破損或滲漏十分嚴重，目前還難以找到合適的施工方法對其進行補漏或者更換，也難以找到合適有效的機械清理方式對其中的淤積物進行清理。
圖2 截流深井示意
3 分析與討論
3.1 源頭控制減少溢流雨水污染
3.1.1 增加透水地面等措施減少城市徑流
在城市建設過程中，一度出現過人行道、步行商業街鋪設花崗巖石材；廣場改造采用不透水硬化地面；新建小區修建大面積地下停車庫；使用混凝土路面等現象，這些不透水地面區域的擴增，減小了雨水的自然下滲量，增大了城市雨水徑流量，急劇增加了排水管渠收集雨水的速度和水量。因此，通過改造城市地面和增加透水地面等措施減少城市徑流，減少進入管渠的雨水流量，實現從源頭控制減少溢流雨水量的目標。
3.1.2 優化截流管網系統運行，減少雨天溢流量
結合柳州市數字化城市建設，基于數字化排水管網系統，在主干渠增設水量或水位監測儀器，根據在線監測的各主干渠的剩余容量，合理調度沿途的提升泵站，通過泵站、管網、污水廠聯動調度，優化截流管網系統運行，充分利用已建設施的有效容積，減少雨水溢流量。在有條件的地方，可考慮修建相鄰排水系統的連通管，實現不同排水收集系統之間的互補調度功能。
3.2 從合流制截流管網中調蓄收集處理雨水
目前已經運行的污水處理廠的負荷率低于92%，因此，可以考慮將污染雨水在合流制截流管網中調蓄收集后，均勻輸送到污水廠進行處理，可減少雨天溢流對柳江造成的污染。在河東截污系統中，修建了初期雨水調蓄池，該池建在排水泵站內，采用圓形鋼筋混凝土結構，池內徑為68.0 m，內底標高為73.5 m，內頂標高為78.0 m，有效容積為16 300 m3。在雨季時將大于泵房提升能力的部分初期雨水儲存在池內，當降雨減小或停止時，通過泵房將池內的初期雨水送至下游的陽和污水廠處理。該調蓄池于2010年初建成運行，基本實現其調蓄收集初期受污染雨水的功能，但由于池體的自沖洗功能未達到預期效果，目前池底沉積了較多泥砂。
3.3 加強運行管理，提高養護維修水平，減少滲漏
加強合流制截流管網的運行管理，研究減緩或清理合流制截流管沉積物的專門技術，如管內蓄水脈沖沖刷技術等;研發適合大埋深排水管道的清淤機械，減少管道及截流井內的淤積物，提高排水管道的輸送能力，減少雨水溢流污染程度。通過提高管道養護維修水平，建立排水管道的缺陷狀況評價系統，定期對管道狀況進行摸底調查，開發經濟易操作的管網修復手段，在不影響管渠使用功能的情況下，有效地對局部滲漏管渠進行修補或改建，減少管道滲漏。通過定期對管道進行檢測、清淤以及局部原位修復，使管道長期保持有效輸水能力，同時減少污水雙向滲漏量，實現污水管網排水效率的最大化，同時有效延長管網的使用壽命。
4 結論
①地處喀斯特地貌地區，又處在高外江水位下的柳州市合流制截流管網，在建設和運行中存在雨天溢流污染、管道滲漏污染和管道淤積等問題。
②應通過增加透水地面以減少城市雨水徑流，優化截流管網系統運行減少雨水溢流量，從源頭控制減少溢流雨水污染。
③可通過在合流制截流管網中建設雨水蓄水池等措施，調蓄收集雨水后均勻地送往污水廠處理后達標排放，在管網收集環節減少溢流雨水污染。
④研究管道沉積物的控制技術和手段，加強運行管理，減少管道淤積，減少溢流污染量。
⑤建立排水管道的缺陷狀況評價系統，開發經濟、易操作的管網修復手段，減少管道滲漏污染。
（本文發表于《中國給水排水》雜志2015年第2期“述評與討論”欄目）
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