高外江水位下合流制截流管网建设和运行问题探析
高外江水位下合流制截流管网建设和运行问题探析
彭艺艺1,2，左剑恶1，干里里1，刘广钊2，孟宪翚2，陈柳旋2
(1.清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084；2.柳州市
污水治理有限责任公司，广西柳州545001)
对喀斯特地貌地区高外江水位下的城市截流式合流制管网，在建设和运行中存在的雨水溢流污染、管道渗漏污染和管道淤积等问题进行了系统分析和讨论，有针对性地提出了源头控制减少溢流雨水污染、优化截流收集污染雨水、调蓄处理污染雨水、提高维修水平减少管道渗漏、加强维护管理减少管道淤积等措施，并对我国合流制截流管网建设和运行的发展前景进行了展望。
随着社会对环境保护意识的加强，全国各地的城市及部分乡镇，先后建起了污水收集系统和处理设施，最早的排水管网多是合流制系统，随即发展成为截流式合流制，以期在短时间内较大程度地实现污水的收集和输送。污水收集系统的运行效率，对后续污水处理设施的正常运行和处理效果有极大影响。而污水收集系统的高效运行，则依赖于合理的设计、良好的工程建设质量以及高效的维护保养。针对喀斯特地貌地区高外江水位影响下的柳州市合流制截流管网建设和运行中所存在的问题进行了初步探讨并提出改进建议。
1 柳州市截流管网系统的概况
柳州市域面积为649 km2，市区人口179万人，属典型的喀斯特地貌。柳江穿城而过，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年下游红花水电站建成投入使用，柳江的柳州市区段由此成为库区，外江水位大幅抬升，水流减缓、自净能力减弱，水体水质有Ⅱ类转向Ⅲ类的趋势。柳州市目前建有3座二级污水厂，总处理规模达47.5×104m3/d，城市污水处理率达85%。依地形建有三大沿江合流制截流管网，如图1所示。
图1 截污系统示意
2 截流管网系统的问题
2.1 合流制管网系统的溢流雨水污染问题
柳州市的截流管网对柳江市区段的原有污水直排口实现了截流，截流倍数为1，因此，在降雨强度较大时，会有大量雨污混合水通过溢流进入柳江。对截流井的溢流污水进行监测，发现其TSS、COD、NH3-N、TP等均较生活污水的平均浓度高。由此可见，通过合流制排水系统雨天溢流的污染物对柳江水质造成不利影响，导致夏天时有异味与水华现象的发生。近年来的水质监测结果表明，虽然柳江常规水质指标的年均值能够达到地方规划要求的控制标准，但异味与藻类生长等感官问题，严重影响了水上活动的开展与沿江居民的正常生活。
2.2 合流制截流管网的渗漏严重
柳州市多数排往柳江并与截流管网连接的排水管网已使用20~50年，由于地处喀斯特地貌地区，这些排水管道处于发达的溶洞水系中。在形成库区前，每年汛期柳江河的涨落水位差可达十几米，水位上下涨落形成的张拉力，导致排水管网出现破损渗漏。自库区蓄水之时起，这些破损的排水管网未能得到及时修复或更新，一直使用至今。形成库区后，城市外江水位大幅抬升，原有老旧排水管网及截流管网的末端标高均低于外江水位，破损的污水管由此可能出现双向渗漏，一方面污水外渗污染地下水，另一方面江水、地下水渗入管网，污水有机物浓度变低，使得城市污水厂内的活性污泥系统难以维持正常运行,同时也额外增加了污水厂的运行负荷。由于管网埋深较深，难以对区域管网进行排查检测，所以污水外渗与地下水内渗量也难以估算。
由于截流管处于管网末端，埋深较大，当地采用人工掘进式顶管工艺施工时，易出现偏差，导致管道接口处易出现错位，也会导致渗漏问题的发生。
2.3 高外江水位导致合流制截流管网淤积严重
为避免高外江水位的影响，合流制截流干管的标高要求高于外江水位，而截流井的进水管、排河溢流管仍然使用原有管道，由此造成截流井深达10 m左右（见图2）。污水溢流进入截流支管后汇入截流干管，截流支管与进水管的标高落差过大，造成截流深井及其进水管长期处于满流状态，底部淤积泥沙，水面堆积漂浮物，给截流管网的运行和维护带来很大问题，大量的管道淤积物也会增大溢流雨水的污染负荷。由于排水管渠埋深较大，即使明知部分管道破损或渗漏十分严重，目前还难以找到合适的施工方法对其进行补漏或者更换，也难以找到合适有效的机械清理方式对其中的淤积物进行清理。
图2 截流深井示意
3 分析与讨论
3.1 源头控制减少溢流雨水污染
3.1.1 增加透水地面等措施减少城市径流
在城市建设过程中，一度出现过人行道、步行商业街铺设花岗岩石材；广场改造采用不透水硬化地面；新建小区修建大面积地下停车库；使用混凝土路面等现象，这些不透水地面区域的扩增，减小了雨水的自然下渗量，增大了城市雨水径流量，急剧增加了排水管渠收集雨水的速度和水量。因此，通过改造城市地面和增加透水地面等措施减少城市径流，减少进入管渠的雨水流量，实现从源头控制减少溢流雨水量的目标。
3.1.2 优化截流管网系统运行，减少雨天溢流量
结合柳州市数字化城市建设，基于数字化排水管网系统，在主干渠增设水量或水位监测仪器，根据在线监测的各主干渠的剩余容量，合理调度沿途的提升泵站，通过泵站、管网、污水厂联动调度，优化截流管网系统运行，充分利用已建设施的有效容积，减少雨水溢流量。在有条件的地方，可考虑修建相邻排水系统的连通管，实现不同排水收集系统之间的互补调度功能。
3.2 从合流制截流管网中调蓄收集处理雨水
目前已经运行的污水处理厂的负荷率低于92%，因此，可以考虑将污染雨水在合流制截流管网中调蓄收集后，均匀输送到污水厂进行处理，可减少雨天溢流对柳江造成的污染。在河东截污系统中，修建了初期雨水调蓄池，该池建在排水泵站内，采用圆形钢筋混凝土结构，池内径为68.0 m，内底标高为73.5 m，内顶标高为78.0 m，有效容积为16 300 m3。在雨季时将大于泵房提升能力的部分初期雨水储存在池内，当降雨减小或停止时，通过泵房将池内的初期雨水送至下游的阳和污水厂处理。该调蓄池于2010年初建成运行，基本实现其调蓄收集初期受污染雨水的功能，但由于池体的自冲洗功能未达到预期效果，目前池底沉积了较多泥砂。
3.3 加强运行管理，提高养护维修水平，减少渗漏
加强合流制截流管网的运行管理，研究减缓或清理合流制截流管沉积物的专门技术，如管内蓄水脉冲冲刷技术等;研发适合大埋深排水管道的清淤机械，减少管道及截流井内的淤积物，提高排水管道的输送能力，减少雨水溢流污染程度。通过提高管道养护维修水平，建立排水管道的缺陷状况评价系统，定期对管道状况进行摸底调查，开发经济易操作的管网修复手段，在不影响管渠使用功能的情况下，有效地对局部渗漏管渠进行修补或改建，减少管道渗漏。通过定期对管道进行检测、清淤以及局部原位修复，使管道长期保持有效输水能力，同时减少污水双向渗漏量，实现污水管网排水效率的最大化，同时有效延长管网的使用寿命。
4 结论
①地处喀斯特地貌地区，又处在高外江水位下的柳州市合流制截流管网，在建设和运行中存在雨天溢流污染、管道渗漏污染和管道淤积等问题。
②应通过增加透水地面以减少城市雨水径流，优化截流管网系统运行减少雨水溢流量，从源头控制减少溢流雨水污染。
③可通过在合流制截流管网中建设雨水蓄水池等措施，调蓄收集雨水后均匀地送往污水厂处理后达标排放，在管网收集环节减少溢流雨水污染。
④研究管道沉积物的控制技术和手段，加强运行管理，减少管道淤积，减少溢流污染量。
⑤建立排水管道的缺陷状况评价系统，开发经济、易操作的管网修复手段，减少管道渗漏污染。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第2期“述评与讨论”栏目）
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