A3：科技智慧
南方城市污水系统受地下水位高、河网密集及潮汐等影响，普遍存在污水处理厂进水浓度低的问题。针对全面摸查、检测管网外水耗时费力的问题，提出一种综合快速诊断方法：首先基于水质特征因子法进行简易平衡测算，锁定外水入侵重点区域；进而识别外水高风险因素，判断外水入侵类型和范围，再针对性采取排查定位措施。该方法在南方某滨海城市应用取得良好成效，具备快速、精准、经济的优势，可为同类型城市污水系统提质增效借鉴。
本文结合水质特征因子法与外水风险因素识别，实现外水入侵区域和类型的快速判断，并基于南方某城市的实践针对性提出地表外水和地下水外水问题的排查诊断方法。
01 区域概况
研究区域为南方沿海城市，属南亚热带海洋性气候，多年平均年降水量达1515mm，水系丰茂，主要排涝河渠共106 条，总长约574km，海岸线和岛岸线长达289.1km，潮汐为不规则半日潮。区域地下水主要为第四系孔隙潜水、孔隙承压水、基岩裂隙水，城市建成区地下水位普遍埋深0.5~3.0m。
研究区域排水系统合流制与分流制并存，共有城市污水处理厂9座，2023年进厂BOD5平均浓度为71.65mg/L，进厂污水BOD5浓度高于100mg/L城市污水处理厂只有1 座。LZ污水处理厂作为研究区域规模最大的污水处理厂，污水处理运行规模为35万m3/d，服务面积约75km2，西片为老城区以合流制为主，东片为新城区以分流制为主，服务区域排水管网总长度约1 612km，其中雨水管577km，污水管489km，合流管546km。该厂服务区域具有滨海城市河网密布、潮位影响、地下水位高的典型特征，受外水入侵影响较为严重，其2023年进水BOD5平均浓度75.63mg/L，雨季进水BOD5浓度下降更为明显。本文将以LZ污水处理厂服务范围作为外水入侵快速诊断的应用情况来进行说明，其服务范围如图1所示。
图1 LZ污水处理厂服务范围示意图（填充区域）
02 工作思路与方法
2.1 工作思路
本文提出的快速诊断方法是在收集分析区域排水系统相关资料的基础上，编制排水系统运行图并划分排水分区，测定各排水分区水质特征因子；通过各排水分区水量水质平衡计算分区外水量，预判外水入侵重点区域。针对低浓度的重点外水入侵区域进行外水入侵的风险因素识别，迅速判断外水入侵范围和类型，再有针对性的开展排查诊断。
水质特征因子分析方法是通过对各排水分区进行水量水质平衡计算，从而估算各分区的外水量，确定重点外水诊断区域。水质特征指标应结合区域情况选择，一般常用指标包括BOD5、COD、氨氮、总氮、总磷等，在一些区域还可以选择锰离子等作为表征地下水的特征因子，具体根据区域本地值特征确定。
外水入侵风险因素识别，是综合考虑区域地表水系密集程度、地下水水位情况、管道所处地层渗透性等不利因素进行分析，进而判定排水系统可能存在的外水问题类型，指导具体外水调查工作的开展。
2.2 流程与步骤工作步骤如下
（1）编制污水系统运行图，划分排水分区，测定污水本底值及管网关键节点水质，确定污水高、中、低浓度区域，通过水质、水量分析估算分区外水量。
（2）对于中浓度的污水分区，进一步细化排水分区划分，再进行分区水质浓度测定，进一步锁定其中的低浓度区域。
（3）根据外水入侵风险因素识别，判断各片区高风险因素和主要存在外水入侵类型，确定开展现场外水调查的方式。
（4）地表水外水汇入排查，针对河涌倒灌和涌内/涌边管渗漏问题，可结合河道水位调控措施排查，对于隐蔽管道可对比降水位前后的管网水质浓度和水位情况，锁定降水位后水质浓度提升明显的管段，对这些区域采用摸查及检测等手段找出问题点；针对农田灌溉水、山水汇入污水管网问题，可梳理区域灌溉沟和山溪等水系资料，现场排查其是否纳入污水系统。
（5）地下水渗入排查，针对地下水渗入高风险区域，进一步收集区域的地质勘察资料，分析软土、透水砂层均发育范围，缩小地下水入侵调查范围，再开展排水管网缺陷检测。
03 快速诊断方法应用
3.1 快速锁定低浓度关键区域
基于水质特征因子分析方法，对各排水分区进行水量和化学质量平衡计算，从而估算各分区的外水量，进而确定重点外水诊断区域。本文结合区域情况共划分8个排水分区，并在区域65403个排水管网节点中选定了28个关键节点进行水质采样化验，形成水质浓度区域分布图。排水管网关键节点依据排水分区的划分及主干管情况确定，一般选定于分区交界处、主干管交汇节点前、污水提升泵站及污水处理厂进厂前池等。
各片区外水渗入量的计算采用水质水量平衡简易测算的方法，对整个污水管网系统而言，若旱天水量来源为生活污水和外水，在已知末端水量和水质的条件下，可建立整个管网系统的水量和化学质量平衡方程，其算法如式（1）~式（3）：
式中：
Qm——污水管网系统末端总水量，m3/d；
Qs——污水管网接纳的生活污水量，m3/d；
Qw——污水管网内外来入流入渗量，m3/d；
Cm——污水管网系统末端水质指标浓度，mg/L；
Cs——污水管网接纳的生活污水水质指标浓度，mg/L；
Cw——污水管网内外来入流入渗水质指标浓度，mg/L。
本文研究方向旨在快速检测城市排水管网外水问题，BOD5是考核污水进厂浓度的关键性指标，但其检测时间长，且难以获得的连续变化的水质监测数据。故本文采用COD浓度指标为污水特征因子，该指标与BOD5关联性强，水质指标的测定以人工取样化验为主，以在线监测为辅，挑选局部关键点24h 实时监测可准确性把握管网节点流量特征值，获取长期、连续的水质监测曲线。
污水本底值Cs根据区域情况按选取了典型的住宅类、商业类、工业类、机关单位类及城中村等排水单元进行本底值COD检测，并根据排水单元比例加权计算得COD污水本底值Cs为216mg/L（各类排水单元检测统计数据见表1；外水水质指标浓度Cw取区域地下水和河水进行检测，确定地下水COD本底值为5mg/L，河水COD本底值为12mg/L；各片区实际COD浓度采用实际检测关键点浓度的方式获得，同片区存在多主干管汇流的，片区COD浓度根据流量加权计算；片区污水总水量Qm主要采用部署流量计连续监测的方式获得，部分泵排区（如①、⑥、⑧片区）采用泵站流量数据。根据式（3）计算LZ服务区域各片区的外水量，统计情况见表2。
表1 污水COD本底值调查统计
表2 低浓度区域外水量统计
根据水量和化学质量平衡方程计算，研究区域的外水总量约15.23万m3/d，其中①、③、⑦号排水分区估算外水量总共达11.36万m3/d，其面积约占研究区域总面积28.93%，但其外水量占研究区域外水总量的74.59%。
本文以这3个重点排查区域为例，进一步说明外水风险因素识别、地表外水和地下水渗漏诊断过程。
3.2 外水入侵风险因素识别和类型判断
本文研究区域的3个低浓度重点外水入侵区域区域，根据外水入侵风险因素识别情况，判断各片区高风险因素和主要存在外水入侵类型见表3。
表3 外水入侵风险因素识别
3.3 地表水外水问题快速排查与诊断
针对跟地表水可能有联通排口的管段，采用地表调查、巡查为主的方式。在排查过程中，可结合河道水位调控措施，对比主动降水位前后的管网水质浓度和水位情况，锁定降水位后水质浓度提升明显的管段，对这些区域采用检测手段或封堵沿河排口等开展进一步排查，找出问题点。
3.3.1 地表水外水问题快速诊断
研究区域针对③号排水分区和⑦号排水分区的外水问题调查，优先针对地表水系和沿河排口/设施倒灌、涌内/涌边管渗漏问题开展，采取中心城区5条内河道联合降水位排查方式，最终确定了外水渗漏问题点41处，具体降水位联查排查成果见表4。
表4 联动降水排查问题汇总
联合降水位排查期间，记录污水处理厂及污水主干管运行情况如下：
（1）降水位期间，污水处理厂进水水质氨氮浓度提升了41.5%，平均值由16.5mg/L提升至23.4 mg/L。
（2）降水位期间，污水管网整体水位降低约0.2～0.3m，其中LH沟污水主干管下降0.35m、HCW沟污水主干管下降0.5m。
降水位排查期间，③号排水分区和⑦号排水分区的污水管网的运行水位明显下降，污水处理厂进水浓度明显上升，说明河水倒灌是研究区域的主要原因之一。例如LH沟区域，该区域沿着沟体有一根污水主干管位于沟底两侧，埋深3.5~6.2m，管径DN1000~1400，日常位于河涌常水位之下。排查过程中配合降低河涌水位，确定了外水问题点26处。
外水点整治方案及效果：
针对发现的外水问题，实施了LH沟主干管上岸工程，一是杜绝旱季污水渗漏入河道，缓解雨季溢流污染问题；二是有效减少外水入侵，提升污水主干管浓度。工程建设完成后，污水主干管COD浓度从原来的60~80mg/L，提升至150~210mg/L，片区管网水位下降1.5~2m不等，提质增效治理成效显著。
3.3.2 沿河（海）排口/设施倒灌问题快速诊断
在沿海区域的外水调查分析中，氯离子是非常重要的一项水质特征因子。①号排水分区域范围内无内河道，但其堤外围3面环海/河，水质结果显示，部分区域氯离子严重偏高，通过闸门内、外的水位监测，可发现①区域管网地下水位、水质与河道水位的联动变化情况，如图2所示。通过在低潮位时段采用沿河巡河、无人机调查，再结合水质水位综合分析的方式，共排查关键闸门32处，其中严重渗漏的有4处，轻微渗漏的有12处，计算外水量约2.5万m3/d。存在渗漏问题的闸门，在外潮位低时污水外渗，造成水体污染，而在外潮位高时，则大量外水入侵污水管道。
图2 管道水位与河道水位联动示例
外水点整治方案及效果：
针对①区域闸门渗漏问题，启动了中心区涵闸升级改造：针对存在渗漏问题的涵闸及相应管渠及修复，使其形成密闭体系，通过老旧涵闸进行自控升级改造，提高调度效率。中心区涵闸升级改造已完成试点工程，其余关键涵闸也逐步开展改造，对于改善河（海）水倒灌，缓解溢流污染，已成效初见。
3.4 地下水外水问题快速排查与诊断
针对地下水渗入高风险区域，进一步收集区域的地质勘察资料，分析软土、透水砂层均发育范围，可极大的缩小地下水入侵调查范围，再进一步开展排水管网缺陷检测。
以④和⑥号排水分区的ZC路为例，道路长约2.6km，地下水充沛且水位高，地下水离地面仅0.5~1.3m，主要排水管道埋深约1.6~5.2m，管道埋设的地质层主要为淤泥、淤泥质粉砂、淤泥质细砂和中砂，易引起管道渗漏流沙。经管道检测，ZC路共发现排水管道缺陷375处，其中管道渗漏高达75处，占缺陷总数约20%（见图3）。
图3 管道缺陷检测照片
05 结 论
（1）根据水质水量平衡简易测算，可快速确定外水入侵重点区域，大幅度减少调查范围，如本文研究区域28.93%的范围贡献了74.59%的外水量。
（2）基于外水入侵风险因素识别，可快速判断外水入侵范围和类型，确定开展现场外水调查的方式。
（3）水系发达南方城市，一般河水倒灌问题影响远大于地下水渗入，应优先解决。针对这类问题，可结合河道降水位方式辅助排查，能够快速发现外水点。
（4）针对地下水渗入外水问题，结合地下水水位情况、管道所处地层渗透性等因素分析，锁定问题区域再针对性开展缺陷检测，可大大提高管道渗漏问题排查效率。
外水入侵快速诊断法结合多种方法综合运用，在研究区域应用效果良好，能够在有限的投资内，准确、高效地确定外水入侵问题点，可为同类型的南方滨海城市污水系统提质增效工作提供借鉴。
（来源：给水排水）