早在宋代以前, 我国就掌握了通过地下排水管网排除雨、污水保障居住区安全卫生的工程技术。新中国成立以来, 为了保障城市排水安全, 大量兴建地下排水管网;到了20世纪80年代, 我国现代化、工业化的城镇污水处理开始起步, 到今天已形成较为完善的工程体系。总体上看, 虽然污水处理的发展是在排水管网建设之后, 但从技术水平和理念上看, 管网的建设却是滞后于污水处理发展的, 管网雨污合流就是表现之一。早期建设的污水管网, 受当时经济技术条件所限, 多采用合流制排水管渠, 一方面, 建设之初就没有严格进行闭水试验, 存在渗漏的可能;另一方面, 经过几十年的使用, 不同程度存在破损问题, 甚至还有断接、错接等问题。据统计^[1], 全国城市现存合流制管网10.8万km, 占污水管网总长度的比例为32%。

为减少合流制管网带来的冲击负荷、溢流污染等问题, 在新建管网大力推行雨污分流的基础上, 合流制管网也在采取截流的方式进行改造。按照现行国家标准要求^[2], 合流制管网的截流倍数宜选用2~5, 考虑到合流制管网普遍在现行国标颁布实施之前建成, 截流倍数一般不超过1, 这也意味着对于雨季, 大部分场次的降雨将给合流制管网下游的污水处理厂增加1倍的处理水量, 同时也会对污水处理厂进水浓度造成稀释, 影响污水处理厂的安全稳定运行。有研究^[3]发现在降雨的时候, 雨水进入合流制管网的量超过污水量100%, 对污水处理厂的运行产生一定的影响;翁晟琳等^[4]分析发现, 浙江台州地区雨天雨水混入量约占雨天日均污水量的24.2%, 随着降雨量增大, 雨水混入比例由10%升高至35%, 最后趋于27%。雨水、地下水等进入污水管道的水, 统称为不明入渗水, 其准确来源和精确的量一直难以掌握, 国内许多研究者采用的是现场调查法、模型分析法等来估算不明入渗水的问题^[3,5,6], 但从中长期来看, 特别是我国南北降雨规律差异大的情况下, 截流倍数仍普遍作为合流制管网改造工程设计中的关键参数, 在更大的尺度和更长的时间周期上, 截流雨水对城镇污水处理厂的影响程度还鲜有分析。

由于从全国范围直接监测管网水量数据难度很大, 考虑利用我国行业主管部门的全国城镇污水处理管理信息系统关于污水处理厂最近两年的逐月处理水量和主要水质数据进行分析, 结合我国降雨和地下水文等统计信息, 对典型地区、典型污水处理厂的进水水量和水质结合进行, 探索其中的规律。

我国南北方地区差异较大, 为了研究降雨规律对合流制管网的影响作用, 先从降雨特征划分典型地区。于文勇^[7]研究了中国地区持续性降雨的规律, 将中国大陆地区大致分为了5个特征区域 (见图1) , 其中1区、2区和3区涵盖经济社会最发达的区域, 影响人口最多。1区包括东北大部分地区和华北部分地区, 该区域的特点是降雨集中在夏季, 无论是短历时强降雨还是长历时持续性降雨, 以及降雨的总量, 都占到全年雨量的绝大多数 (见图2) ^[7]。如, 北京地区汛期的降雨量约占全年降雨量的85%^[8]。3区是雨水充沛、地下水丰富的华南地区, 除冬季外, 春、夏、秋的降雨频率和雨量不像北方那么集中, 长历时降雨多。2区存在梅雨特征, 持续性降雨多、出现早 (春季开始) , 且一年中有多个降雨集中期;4区、5区与1区特征类似, 但西南盆地和高原地区代表性不强。综上, 本文分析对象暂不考虑2、4、5区。

为减少降雨规律本身的复杂性带来的影响, 本文主要针对1区和3区的污水处理厂特征进行分析, 并结合相关统计数据的完整性确定典型省 (市) , 1区选择北京、辽宁、黑龙江, 3区选择浙江、福建、江西、湖南、广东。

从以下两个因素考虑选择典型污水处理厂:一是污水处理厂规模大。这意味着服务的范围大、面积广, 生活污水的日变化系数影响小, 而雨水的收集区域大, 影响显著。依据《室外排水设计规范》 (GB50014—2006, 2016年版) , 日平均流量越大、日变化系数越低, 超过1 000L/s的污水处理厂日变化系数为1.3, 为此将8.64万m³/d作为低限。此外, 规模较大的污水处理厂管理也较为规范, 监测数据可靠性更高。二是设施运行稳定。选取的污水处理厂应至少稳定运行3年以上, 一方面工艺、管理都较为成熟, 另一方面, 运行期长的污水处理厂建成时间早, 其收水范围内合流制管网的比例可能更高。经过初步筛选, 选择了北京、辽宁、黑龙江、浙江、福建、江西、湖南、广东共56座污水处理厂, 平均规模25.1万m³/d, 平均运营时间13.2年。

一般认为, 在雨季时由于合流制管网截流了1~5倍旱季流量的雨水, 会对下游污水处理厂产生短时间较大的影响, 由此推断, 合流制管网比例越高、这种影响就会越显著, 污水处理厂的夏季进水量应明显高于冬季进水量。为此, 根据《中国城市建设统计年鉴》各省份的雨污分流比例, 对1区域和3区域部分省份进行了分析 (见表1) ^[1]。

从图3和图4可看出, 雨污合流管网比例较低的北京市, 其污水处理厂负荷率峰值 (7月前后) 比低谷 (2月左右) 高约20%, 而雨污合流比例较高的黑龙江、辽宁地区, 污水处理厂负荷率峰谷波动幅度仅为10%左右, 雨污合流比例高的地区, 其污水处理厂负荷率的波动反而小。对南方地区的负荷率分析也有相似的结论 (见图5) , 即雨污合流的比例与污水处理厂雨旱季进水量波动幅度似乎没有直接联系。

造成这一现象可能有以下几个原因:一是合流制管网截流的雨水只是在降雨后短期内产生, 对污水处理厂运行的影响主要在雨后1天之内, 在月度和年度尺度很难反映;二是污水处理厂安全余量有限, 上述这些地区的典型污水处理厂旱季的平均运行负荷率已经高达90%以上, 部分厂甚至处于超负荷运行状态, 在雨季时根本没有富余空间去接纳截流的过量雨水, 为了保证污水处理厂安全, 一旦截流的雨水量过多, 必须采取安全措施让雨水超越、溢流, 体现在数据上就是雨水对污水处理厂水量的影响不明显;三是夏季时, 居民用水量本身也有增多。有研究表明, 夏季的用水量比冬季要高10%左右^[9,10], 因此, 污水处理厂运行负荷率峰谷差值在10%以内, 可认为是由于居民用水正常波动引起的, 不能认为全是因为合流制管网截流雨水造成的。

进一步的分析表明, 合流制管网对城镇污水处理的影响不在于截流倍数, 而是管网本身的漏损、错接等造成的浅层地下水渗入。针对表1、图3~图5所体现出来的规律, 将其与我国地下水埋深分布情况^[11] (见图6、图7) 进行空间分析。

由图6和图7可见, 无论南方还是北方地区, 降雨在一年中对地下水埋深的影响是很小的, 地下水的水位变化不随季节变化而大起大落;特别是在城市建成区域, 由于地面大面积硬化阻碍了雨水的下渗, 雨水对地下水埋深的直接影响就更小了。因此, 合流制管网截流的雨水不是造成污水处理厂水量季节波动的主要因素, 而地下水埋深较浅造成的内渗水, 会增加污水处理厂的总水量, 降低冬夏季的水量波动幅度。

地下水渗入的另一个副作用是稀释了进入污水处理厂的污水。从城镇污水处理厂进水主要污染物浓度 (以COD为例, 见表2) 也可以发现^[1], 北方地区污染物浓度高, 南方地区 (主要是指地下水位高的区域) 污染物浓度低, 最高值是最低值的3.6倍。而南北方地区的居民用水习惯、饮食习惯差异, 并不足以解释造成如此大偏差的原因。

综合以上分析可以看出, 在长周期、大范围尺度下, 合流制管网的截流倍数影响并不显著, 特别是在一些地下水埋深浅的地区, 随着时间推移, 管道破损、渗漏现象是不可能完全杜绝的, 无论冬季夏季地下水都在向管道内渗漏, 合流制管网总是处于满管流的状态, 截流倍数在这种情形下事实上已经失效了, 失去了指导意义。对于城市建设来说, 当地下水位低于城市管网埋深时, 管网工况以污水外渗为主, 因此, 这些地区在进行合流制管网改造时, 提高截流倍数、控制管网漏损较为重要, 而对于地下水位高于城市管网埋深时, 管网工况以地下水内渗、稀释污水为主, 降雨时溢流污染会加剧, 这些地区管网改造的首要任务不应是雨污分流和提高截流倍数而是补漏, 尽可能降低旱季管网运行水位, 避免多水合一, 只要污水处理厂浓度提上去, 进入环境的污水量自然就降下来了。

(1) 合流制管网截流的雨水, 对污水处理厂的冲击主要是短暂的瞬时冲击, 从年度变化来看, 扣除供水量季节变化等影响因素外, 雨季的平均污水处理量比非雨季时增加幅度有限。

(2) 地下水埋深对污水处理厂影响更大, 主要体现在进水污染物浓度上, 但最终都会影响该地区水环境质量的持续改善。今后的排水与污水处理规划设计工作, 应加强模型等现代方法的应用, 统筹考虑水量和水质的关系。

(3) 合流制管网的截流倍数参数, 在实践中的效果和指导意义应该区别对待。在地下水埋深浅的地区, 合流制管网平时就是满管流, 简单用截流倍数考虑管网设计和管理, 将失去“截流”的本意。

(4) 地下水位高的地区污水处理厂进水污染物浓度偏低, 渗漏、稀释、溢流到环境的污染物是影响水环境持续改善的隐患, 未来的城镇污水处理应更加关注管网污染物收集的效能, 而不是简单提高污水水量收集率和污水水量的处理率, 也不应一味地追求提高污水处理厂排放标准。