武汉市东沙流域水果湖片区排水系统效能评估这样做
编者按：武汉市东沙流域水果湖片区采用数据分析、影像观测、水质抽样调查、水力模型对比分析等多种方法，对排水系统的总体效能、关键瓶颈管段等进行了评估和定位，对不同排水分区污染物浓度低的主次原因进行了识别，并对排水系统运维管理提出了优化建议。在武汉市城市排水发展有限公司、武汉市水务科学研究院、北京雨人润科生态有限责任公司、武汉市水务局的共同努力下，通过项目实践，已探索出一套典型区域排查评估的方法，希望对类似提质增效工程项目有所帮助。该项目的后续工作包括：局部泵站改善评估、低浓度源头片区深入调研与修复、强化局部运维、改善雨季调度等，相关工作进展会及时在《中国给水排水》微信公众号发布，欢迎关注。
01、项目背景
东沙流域是武汉大东湖生态水网的核心区域，总面积186.2km2，已形成“三湖”（沙湖、水果湖、东湖）“调蓄七站”（总设计规模为232.8m3/s）出江的排水体系和“一隧”（大东湖污水深隧）“三厂”（北湖污水厂、二郎庙污水厂、落步嘴污水厂，共计116万m3/d）的污水收集处理体系。该系统位于典型的长江南岸城市核心区域，人口密度高、地势平缓。该区域水环境质量要求高、内涝敏感性强，对排水体系运行效能的目标设定较高。
近年，该区域逐步深入地实施了排污口排查治理、污水骨干体系完善、关键节点溢流调蓄池建设、排涝泵站能力提升以及河湖水网的构建工程，已形成较为完善的排水体系布局，但依然面临着区域水环境水安全的矛盾，污水处理厂进水浓度偏低、雨季溢流污染对调蓄功能产生影响。这主要是对复杂的排水管网体系的特征认识不够、建设改造不足以及运行调度不细导致的。
近日，住房和城乡建设部、生态环境部等五部门联合发布《关于加强城市生活污水管网建设和运行维护的通知》，要求提高城市污水处理综合效能。以东沙流域污水骨干体系以及水果湖片区（约7km2）为对象，联合运维机构及咨询团队，采取监测检测、辅以排水系统联合调度降水排查等手段，引入数字化系统，对水果湖片区的排水系统结构特征、污染物迁移规律、浓度削减原因等进行了细致排查分析，并探索出一套典型区域排查评估的方法。
02、东沙流域系统特征
① 区域重要性强，水质敏感度高
东湖、水果湖流域位于武汉市中心区域，所在流域城市建设程度高，省市级机关单位、教育机构密布。长期以来，东湖所提供的亲水体验已经融入当地生活，其水环境、水安全备受公众关注。
② 局部地区平坦，泵站转输为主
东沙流域污水系统主要由6个子系统组成：二郎庙系统、北湖系统、沙湖系统、王家店系统、落步嘴系统、龙王嘴系统。由于局部区域地势平坦，二郎庙系统、龙王嘴系统、落步嘴系统以泵站转输为主。流域内共设置污水泵站38个，其中二郎庙系统14个，龙王嘴系统14个，落步嘴系统10个。上述区域同时也是有机物浓度降低的“重灾区”。
③ 箱涵闸泵运行调度复杂
研究区内有多条箱涵作为污水、雨水的重要专属通道。茶港箱涵与东湖水系连通，旱季日常生活污水截流至污水系统，雨季内闸开启后，初期雨水与旱季污水一同汇总流入初雨箱涵，暴雨时开放外闸，排入东湖。水果湖箱涵以雨水系统为主，存在少量截流，内闸接入初雨箱涵，外闸通入水果湖。东沙调蓄池现有3万m3调蓄容积，再结合北湖污水处理厂和二郎庙污水处理厂，处理能力充足。总体来说，东沙流域有机物浓度不足，已成为影响效率的最主要原因。
图1 东沙流域泵站、雨水系统、污水系统平面布局
03、面临的问题
① 部分系统污水浓度低
近几年来，武汉市水务管理部门开展了管网系统的排查和修复工作，进厂有机物浓度已有明显提升，如龙王嘴污水处理厂、南太湖污水处理厂的进水BOD5浓度均超过100mg/L。但与此同时，落步嘴污水处理厂、北湖污水处理厂、二郎庙污水处理厂的进水浓度低于其他区域。
② 污水系统运行效率缺乏量化评估
东沙流域系统经多年建设改造，旱季生活污水的收集、调蓄、处理能力相对充足。但由于进厂有机物浓度不高，系统运行效率仍存在明显提升空间。针对旱季、雨季的水量水质变化，亟需开展系统性、量化的评估工作，找到瓶颈环节。
③ 问题管段定位难精确
以二郎庙排水系统为例，该区域地势平坦、管网系统以泵站为主，排水系统不仅受到入流入渗的明显影响，还受到底泥沉积、病害等带来的有机物浓度降低影响。这些问题既包括管网病害所带来的影响，也有真实排水系统拓扑关系本身所造成的问题，无法完全通过入流入渗排查修复管段，提升有机物浓度。
④ 大量布置传感器难以实施
在关键点选择合理、布置数量适中、设备维护水平基本保障的条件下，能够通过流量数据的累加或者液位变化，判断管网内的入流入渗状态。但本项目出于实施成本、排水管网运行状态等原因，难以通过大量布置监测设备进行调研。首先，大量布置监测设备可能导致成本较高，难以实现。其次，二郎庙系统管网覆盖区域的污水构成复杂，对于管养不足的管段，监测时很容易出现不准确数据，从而造成误判，或者很难发现问题。
04、聚焦评估目标
根据上述观点，本次项目的评估目标既聚焦于整体系统的水量、浓度的评估，也着眼于定位需要实施改造的瓶颈管段。
① 建立“多途径、低成本、全流程”的系统评估方法
通过水果湖片区评估工作的探索，项目团队希望能够形成可推广、可复制的全流程系统评估方法，并逐步推广到武汉市其他适用区域。
② 确定生活污水平均浓度，系统分析污染物收集和处理能力
本项目应获取不同建筑单元的生活污水基本浓度，配合实际水质取样和监测，确定不同排水分区的收集污染物能力；建立主干和支线系统转输污染物的特征和能力；定位发生沉积或大量入流入渗的关键管段；估算雨季溢流的频次和所带来的影响。
③ 定位能力不足的瓶颈管段/泵站/设施
实施系统评估后，该项目应支撑给出比较详细的改造建议，包括：设施总的收集和处理能力是否匹配；定位流量明显不足，形成瓶颈的关键管段；定位浓度衰减最为严重的区域或特殊管段。
05、评估方法
5.1 建立整合的系统评估方法和工具
本项目评估时间紧张，数据资料和成本有限，因此需要围绕目标，建立一个能够利用多种类型资料的数据平台，并且建立一套基本的分析流程。经过多方讨论，资料梳理、调整既有管网模型、新布置QV和水质取样点位，根据水果湖片区的管网系统特点，初步建立了5个比较有效的评估步骤，并将其成果放在一个数据平台中。
这5个关键步骤包括：①绘制系统拓扑关系图；②通过历史资料初步计算总体水量匹配关系；③通过排水管网模型预判系统瓶颈；④调用现场踏勘资料进行问题复核；⑤分阶段、有目的地布置水质监测。
图2 系统评估方法全流程
5.2 建立东沙流域排水系统拓扑关系图
评估首先建立了东沙流域各个主支干排水系统、泵站系统、初雨截流箱涵与调蓄池系统、污水处理厂、内外控制闸门之间的系统关系。系统拓扑关系图与东沙流域模型系统、管网监测与内窥数据平台一并形成工作方案的基础。
图3 水果湖片区污水系统拓扑关系
5.3 历史资料分析
通过调取各级泵站日常流量、供水量、初雨调蓄池、污水处理厂、雨量站的多年数据资料，优先对排水系统中的水量进行基本分析。了解整体运行情况，聚焦研究范围。通过各泵站设计能力、旱季流量、小降雨流量与中等降雨流量的对比，初步可以判断：①系统旱季和雨季的总体水量；②各区域排水管网的雨季影响程度和截流能力；③对应污水处理厂的处理能力负荷；④管线受阻影响流量的主要瓶颈管段。
图4 泵站水量调研结果
5.4 建立水果湖片区排水管网数字模型
根据普查资料、QV影像、泵站监测数据，本项目搭建了排水管网模型。该模型除了水量计算、雨水系统基本计算功能外，更将病害预测模型、地下水位影响区域、洪涝风险图等进行了整合，以便于查看、分析。同时模型中的理想管网系统，也作为现实系统分析的对照，综合分析确定现实中的病害为单次影响，还是拓扑结构等长期影响所致。
图5 数字模型工具主要功能
5.5 调用影像与模型数据预判问题
对于水量分析中出现明显疑问的重要管段，在设置流量或液位监测前，需要调取QV影像、管网模型数据，对问题进行初步的筛查和预判。其中，QV、CCTV影像可以提供运行水位、流动状态、污染物种类的参考，管网模型可以提供理想条件下运行水位、满载率、系统流量是否有瓶颈、纵断面顺畅度等方面的评估和对照信息。
基于上述分析，结合水量数据，能够更深入地判断和分析：
① 管网的运行水位和流速是否正常？是否符合预期和常识？
② 管网系统的连接关系是否正常？
③ 对管线水力学特性（例如坡度与水量）带来的病害和由人为偶发导致的淤堵或其他管网病害进行分类；
④ 是否具有未被记录的特殊构筑物（如临时挡墙等）；
⑤ 管道内的大块污染物是否有“累积-淤积-堵塞/沉降”等病害持续发展趋势；
⑥ 对管网的运行状态形成感性认识。
图6 某箱涵流速级变化和污染物沉积过程
5.6 分阶段监测找问题
水质取样和检测的成本较高，取样随机度高，很难通过一次性的监测工作描绘出复杂管网系统的问题。本项目限于工作时间、成本等考虑，主要通过逐轮筛查，以寻找显著的低浓度区域、验证预判问题为出发点，前后共进行了4轮监测，每天早晚用水高峰期及夜间各取样一次，轮历时2周。
首轮取样和检测的目的是确定主要干管和支管的基本浓度。第二轮监测根据主干管的浓度高低，对重点区域的支管和重要设施（例如泵站前后、箱涵上下游等）进行取样检测，确定最有风险的主要设施。第三轮主要针对不同类型建筑与小区进行监测，了解源头的浓度基本情况和特征。第四轮主要针对重点区域进行复测，进一步收缩重点区域的瓶颈管段。
5.7 系统评估
结合上述步骤的重要信息，系统评估主要包括：
① 描述源头到污水处理厂的水量转移过程，确定影响泵站的重要区域；
② 量化源头到污水处理厂的水质基本变化规律，描绘各个片区浓度衰减比例；
③ 评估溢流频次、处理能力和外排污染物量，为扩容处理能力、扩容重点瓶颈管段、增加溢流控制措施形成计算依据；
④ 确定模型、影像观测、取样分析得到的瓶颈管段，筹备改善、修复方案。
06、评估结论
① 水量与处理能力总体匹配，局部系统运行不平衡，浓度支线衰减迅速
基于水量分析进行评估，水果湖片区排水系统的“收集-调蓄-处理”能力基本匹配。通过QV抽检，该片区大部分污水管网日常运行液位正常。总体来说，该片区末端沙湖泵站设计转输能力31.1万m3/d，实际收集水量约18.5万m3/d，雨季收集水量22.1万m3/d，能力充足。
但即便总体能力充足，局部管网狭窄仍然会直接造成系统运行不平衡。举例来说，东湖路泵站能力未得到充分发挥，导致水果湖泵站一直处于满负荷或超负荷运转状态，从而造成东湖路泵站输水能力不足，同时水果湖泵站发生事故后很容易形成区域性的系统风险。
根据水质取样数据进行评估，水果湖片区源头污水系统浓度（以COD计）中位数约为350mg/L，支线浓度中位数为168mg/L，干线浓度继续降至约130mg/L。在转输过程中，污染物浓度降低约63%。
图7 污水系统各部分特征与浓度变化情况
② 源头局部片区浓度极低，亟待改善
第二轮、第三轮水质取样过程中，临东湖区域的老旧建筑与小区，个别出户管起始浓度较低，平均浓度仅69.74mg/L，是导致系统有机物浓度低的重要原因。该部分低浓度片区主要从八一路泵站进入主系统，是该区域需要进行管网修复、病害治理的重点区域。
图8 源头生活污水浓度分布
③ 支线淤堵造成主线“清水”进入污水厂
通过对照纵断面，顺上下游连续查看QV影像，能够发现因支线管网小、管材表面粗糙，大颗粒垃圾、油脂等容易形成沉淀、聚集到堵塞的连续过程。而随着支管沉积程度加重，管内流速不足，大颗粒污染物累积的速率也会加快。最终导致污水中的“清水”逐步被转输到下游，“稀释”进厂污水浓度，而污染物仍然阻塞在管中。甚至有些管段，由于基本堵塞，更是形成了管内的“过滤”效果，极大降低管网转输污染物的效率。
图9 关键瓶颈管段连续性影响分析
④ 雨水箱涵溢流污染控制能力有待优化
通过溢流系统模拟分析对比水果湖、东湖、沙湖港的排口溢流频次，可以发现：a.实际溢流排放的频次因为上述管网病害，溢流频率高于理想的模拟结果；b.在控制调度过程中，较高环境容量和空间条件的溢流排口溢流频次反而较低。基于这些分析和排口内外闸、水位之间的调度，可以通过调度方案的调整，更有效地减少系统的外排污染物总量。
图10 系统溢流评估结果示意
07、进一步工作计划
① 局部泵站改善评估
通过计算机模拟，对水果湖泵站、东湖路泵站运行负荷进行调整，对比不同工况下的系统水位、流速和污染浓度的变化情况。同时确定：a.泵站晴天的运行参数，包括：起泵水位、启动泵组数量等；b.连续降雨期间、暴雨期间的关键运行参数，起到提前腾空容量、充分利用调蓄和处理能力等功能。
② 低浓度源头片区深入调研与修复
进一步对沿东湖区域的排水户进行调查，并针对支线进行修复与改造。
③ 强化局部运维
根据QV视频影像，结合对水果湖片区沉积物位置的预测和分析，初步选定总管长度约为10%的关键区域，再次进行深入观测和调查。同时对已经发现的沉积点位进行清理和定期维护，列入高风险管段。
④ 改善雨季调度
拟进一步深化研究雨季调度方案。除对不同暴雨进行调度外，重点针对：a.连续降雨调蓄池腾空能力不足；b.暴雨时水果湖片区的内外闸开闸水位调度进行优化，以找到收集处理污染物和最大限度提升防灾风险之间的平衡。
无论通过管网影像，还是通过水质监测，某一种单一的方法都很难“确诊”排水系统的问题。而如果无法定位到需要修复的关键管段或设施，更是很难进行有效的优化。因此，在完成排水管网基础普查后，理解排水系统的特征、了解污染物传导的规律和推测病害发生的机理，辅助数字化信息和监测，才能更准确地开展提质增效的工作。
