徐祖信院士团队：我国城市污水治理提质增效重点的评估分析技术方法

城市污水治理工程是保障城市社会、经济运行的重要基础设施，包括污水收集输送管网和污水处理厂，对于城市水环境保护和水生态安全至为关键。多年来，我国政府大力推动城市污水治理基础设施的建设，城市建成区排水管道（包括污水管道和雨污合流管道）长度从2011年的2.69×105 km增长到2020年的4.68×105 km，城市污水处理能力从1991年的3.17×106 m3/d提高到2020年的1.93×108 m3/d，以污水处理厂进厂水量和生活污水量进行计算，我国城市污水处理率从1991年的14.9%提高到2020年的97.5%，为深入打好污染防治攻坚战奠定了良好基础。

然而，我国城市污水处理厂实际进水水质低于设计进水水质的问题比较普遍，主要成因是污水管网破损造成的外水入渗以及雨水管道错接造成的雨天入流。污水管网外水入渗和雨天入流问题虚高了污水处理率，造成污水处理容量不足的假象，减少了污水管网的收集输送能力，严重影响城市排涝安全，是我国污水治理提质增效亟需解决的重点问题。

2022年3月，住房和城乡建设部、生态环境部、国家发展改革委、水利部四部委联合发布《深入打好城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》，强调要抓好城市生活污水收集处理，推进城镇污水管网全覆盖，加快老旧污水管网改造和破损修复。到2025年，城市生活污水集中收集率力争达到70%以上。明确指出，不应盲目提高污水处理厂出水标准、新扩建污水处理厂。到2025年，进水BOD浓度高于100 mg/L的城市生活污水处理厂规模占比达90%以上。

在城市水环境治理纵深推进的关键时刻，为了在2025年实现以上目标，精准识别城市污水治理提质增效的重点至关重要。为此，本文建立了定量评估分析技术方法，有助于各级政府科学制定污水治理提质增效系统方案，有的放矢地推进重污染水体治理工作。

污水管网的缺失、破损和雨水管道错接到污水管网，会导致城市污水截污率低，晴天和雨天外水侵入污水管道，降低污水治理工程的运行效能。为了定量分析城市污水治理工程效益和污水管网破损与错接问题，有必要精准计算分析污水处理厂服务范围内的污水产生量、实际纳管污水量、晴天外水入渗量和错接雨水入流量。

1.1 水污染排放的分析方法

水环境污染要素的分析中，最基础的工作是建立污染源排放的分析计算方法，技术路径如图1所示。借鉴河网区域污染空间分析方法，运用网络的概念，综合考虑污染源与管网。首先要确定自来水用户的分布情况，由此建立水污染源的地理信息系统（GIS）。将管线、管点、泵站、污水处理厂等集成建立污水治理系统的信息系统。在GIS系统中，添加纳管信息，组织几何网络，通过高差判断与现状调研，完善管线流向数字化，选择标记点追踪溯源，从而可以掌握水环境污染的实际排放情况。

图1 污染源排放分析技术路径

1.2 污水处理厂服务范围内污水产生量分析

城市污水处理厂服务范围内的污水产生量可根据该区域的自来水用量和城市污水排放系数来确定，如式（1）所示：

式中 Qc——污水处理厂服务范围内的污水产生量，m3/d；

Qz——该区域内的日均自来水用量，m3/d，自来水用量数据可从城市供水部门获取；

f——基于自来水用量的污水产生量折算系数，根据当地调查数据确定。无调查数据的地区，居民生活污水折算系数可取为0.90，一般企事业单位污水折算系数可取为0.85~0.90。对于以水为原料的工业企业污染源的废水量可以按照自来水用量减去生产过程消耗水量计算确定。

1.3 污水处理厂服务范围内纳管污水量和混接直排污水量分析

实际纳管污水量包括接入污水管网的居民生活水量、一般企事业单位污水量和工业企业的污水量；可从住建、水务、环保等部门或者排水公司获取纳管污染源信息和纳管水量等资料，并结合污水管网拓扑关系，根据GIS系统进行统计分析。如缺乏相关资料，也可通过污染负荷守恒原理进行换算，相对于纳管的高浓度原生污水，地下水等外水浓度和污水输送过程中的污染负荷衰减可忽略不计，故可简化为式（2）所示：

式中 Qn——污水处理厂服务范围内的纳管污水量，m3/d；

Qq——污水处理厂晴天日均进水量，m3/d；

Cq——污水处理厂晴天日均进水浓度，mg/L；

Cn——污水处理厂服务范围内纳管污水浓度，mg/L，可参考第二次全国污染源普查产污系数。

污水处理厂服务范围内的混接直排污水量可以通过污水产生量Qc减去纳管污水量Qn计算得到，如式（3）所示：

式中 Qhz——污水处理厂服务范围内的混接直排污水量，m3/d。

1.4 污水处理厂富余处理能力分析

污水处理厂富余处理能力指的是污水处理厂经过“挤外水”等提质增效措施后，还有部分容量可以用来接纳新增污水量。污水处理厂富余处理量的计算是将污水处理厂设计处理容量减去服务范围内的纳管污水量、满足设计规范的地下水入渗量（地下水位较高的地区）、合流制管道的设计雨水流量，如式(4)所示：

式中Qf——污水处理厂富余处理量，m3/d；

Qs——污水处理厂设计处理规模，即污水处理厂日均处理量，m3/d；

k——地下水入渗系数，其取值可参考《室外排水设计标准》（GB 50014-2021）“入渗地下水量可按平均日综合生活污水和工业废水总量的10%～15%计”的要求确定；

Qhsy——合流制管道的设计雨水流量，m3/d。

1.5 污水处理厂晴天外水入渗量分析

一般来说，连续不降雨天数大于5天后，污水处理厂进厂水量趋于稳定，降雨影响基本消除，这时的进水量称为晴天进水量。根据污水处理厂的运行记录，将污水处理厂全年晴天进水量进行统计分析，如图2所示，可计算得到污水处理厂晴天日均进水量。

图2 污水处理厂进水量与前期晴天数之间的关系

将污水处理厂晴天日均进水量Qq减去纳管污水量Qn，可计算得到污水处理厂晴天外水入渗量，如式(5)所示：

式中 Qqw——污水处理厂晴天外水入渗量，m3/d。

1.6 污水管网错接雨水入流量分析

通常可将降雨当日至停雨后连续5天的污水处理厂进厂水量，作为该厂的雨天进水量。一般来说，污水处理厂雨天日均进水量与降雨量呈正相关关系，如图3所示。如果污水管网晴天运行水位较高或污水处理厂处理能力接近饱和，雨水入流量会导致污水管道冒溢和厂前溢流，污水处理厂雨天进水量数据则会偏小且频繁波动，无法呈现出进水量与降雨量的线性相关性，对于此种情况，可对污水泵站的雨天流量进行分析。

对应某一降雨量，将污水处理厂进水量减去晴天日均进水量以及合流制管道输送水量，可计算得到对应该降雨量的污水管网错接雨水入流量，如式(6)所示：

式中 Qcy——污水管网对应某一降雨量时的错接雨水入流量，m3/d；

Qy——污水处理厂对应同一降雨量的雨天进水量，m3/d；

Qhy——区域内合流制系统对应同一降雨量的雨天输送水量，m3/d，可通过合流泵站运行记录获得；

Qhq——区域内合流制系统晴天输送水量，m3/d，可通过合流泵站运行记录获得。

图3 污水处理厂雨天进水量与降雨量之间的关系

城市污水治理提质增效的重点在于五个关键问题：提质增效工程范围内污水混接和直排情况如何？是否需要新扩建污水处理厂？是否需要新建污水管网？是否需要修复污水管网破损？是否存在雨水管道错接？为此，本文构建了五个定量评估指标，用于城市污水治理提质增效五个重点的量化评估。

选取长江沿线城市作为案例。案例所在排水系统为分流制系统，服务范围面积约为18.4 km2，建有3座污水泵站和1座污水处理厂，主要收集居民生活污水和企事业单位生活污水，污水处理厂设计处理规模为60000 m3/d。

该区域自来水用量约为50000 m3/d。由于该区域以居民生活小区和一般企事业单位为主，按用水量的90%折算污水量，计算可得该区域的污水产生量约为45000 m3/d。根据污染源排放分析，纳管污水总量约为32000 m3/d，混接直排污水量约为13000 m3/d，污水处理厂富余处理量约为23200 m3/d。污水处理厂晴天日均进水量为60150 m3/d，由此可得晴天外水入渗量为28150 m3/d。污水处理厂雨天日均进水量为62565 m3/d，由此可得污水管网错接雨水入流量为2415 m3/d。从数据上看，该污水处理厂雨天错接雨水入流量不大，这是因为该污水处理厂晴天处理量已经饱和，且污水管道高水位运行，雨天时存在污水冒溢和厂前溢流问题。因此，进一步选取该污水处理厂服务范围内的CH污水泵站进行分析，根据雨天进水量和降水量统计分析，该污水泵站的日进水量与日降雨量呈正相关关系，当日降雨量分别为10、20、40 mm时，该污水泵站雨天雨水入流量分别为286、1 128、2811 m3/d。

城市污水治理提质增效重点的五个量化评估指标为污水混接直排率、污水处理容量富余率、污水管网缺失率、污水管网破损率、雨水管道错接率。

2.1 污水混接直排率

城市污水治理工程效益不高的主要原因是污水收集率较低，部分污水没有收集输送到污水处理厂，而是直接或混接到雨水管道排入城市水体。城市污水治理提质增效的关键是提高污水收集率，减少或杜绝污水排入城市水体或雨水管网。为定量评价城市污水直排或混接排放的情况，建立污水混接直排率指标Rhz，即污水处理厂服务范围内的混接直排污水量Qhz与污水产生量Qc的比值，如式(7)所示

本文所选污水处理厂服务范围内的混接直排污水量为13000 m3/d，污水产生量为45000 m3/d，根据式（7）计算可得该污水处理厂服务范围内的污水混接直排率为29%，表明该区域的生活污水集中收集率为71%，还有29%的污水直接或混接排入城市水体。

2.2 污水处理容量富余率

由于外水入渗、入流问题，污水管网和污水处理厂晴天进水浓度低、雨天溢流的问题比较普遍，造成很多城市面临污水处理容量不足的假象。为定量评价是否需要新扩建污水处理厂，判断经过提质增效工程“挤外水”后污水处理容量是否充足，建立污水处理容量富余率指标Rf，即污水处理厂富余处理量Qf与实现该城市集中收集率目标的新增污水量Qj的比值，如式(8)所示：

实现该城市集中收集率目标的新增污水量可以通过污水集中收集率的目标减去实际收集率再乘以服务范围内的污水产生量得到。如果污水处理容量富余率大于100%，表明在目标年限内无需新建、扩建污水处理厂。

本文所选污水处理厂的污水处理富余处理容量为23200 m3/d，按照该城市2025年生活污水收集率80%的目标，该区域实现集中收集目标的新增污水量为4005 m3/d。由式（8）计算可得该污水处理厂容量富余率远大于100%，表明该污水处理厂在2025年前不需要新建、扩建污水处理厂，当务之急是利用工程措施“挤外水”。

2.3 污水管网缺失率

在城市给排水系统中，供水输配和污水收集皆至关重要。理论上有上水供应的区域就应该配套建设下水收集管网，确保生产生活产生的污水得到收集并输送至污水处理厂进行处理。实际上，我国很多城市供水管网较为系统，没有同步配套建设污水管网，导致污水管网缺失，污染无法有效收集。为定量评价城市污水管网与供水管网的匹配程度，建立污水管网缺失率指标Rq，如式(9)所示：

式中 LW——污水管网长度，包括污水管道和雨污合流管道，km；

LS——供水管网长度，km。

本文所选污水处理厂服务范围内的污水管网长度约为76 km，供水管网长度约为125 km，根据式（9）计算可得该区域的污水管网缺失率约为39%，表明该污水处理厂服务范围内的污水管网缺失比较严重，要在2025年前实现80%的生活污水集中收集处置目标，必须加快污水管网建设。

2.4 污水管网破损率

我国部分城市部分已建污水管网年久失修，管道破损等结构性缺陷严重，沿江沿海等高地下水位地区外水入渗较为普遍，降低了污水处理厂的进水浓度，影响了运行效能。为定量评价污水管网破损导致的外水入渗程度，建立污水管网破损率指标Rp，即污水处理厂晴天外水入渗量Qqw与污水处理厂晴天日均进水量Qq的比值，如式(10)所示：

当污水管网破损率大于30%，表明污水管网结构性缺陷问题严重，必须尽快开展修复工作。

本文所选污水处理厂晴天日均进水量为60150 m3/d，污水处理厂晴天外水入渗量为28150 m3/d，根据式（10）计算可得该区域的污水管网破损率约为47%，表明该污水处理厂服务范围内的污水管网存在严重的外水入渗问题，亟需开展污水管网破损点位的定位诊断，支撑污水管网破损修复工作。

2.5 雨水管道错接率

我国城市建设过程中，由于施工监管不严，雨水管道错接进入污水管网造成的雨天入流问题普遍，不仅导致污水管道冒溢、污水处理厂雨天溢流，还严重影响了城市排涝安全。为定量评价管道错接导致雨水进入污水管网的程度，建立雨水管道错接率指标Rc，如式（11）所示：

一般选取日降雨量为25.0~49.9 mm（大雨）的情况进行雨水管道错接率计算。当雨水管道错接率大于20%，表明雨水管道错接问题应该引起重视，需要尽快开展改造工作，雨水管道错接不仅影响污水处理效能，也影响城市排涝安全。

本文对所选污水处理厂服务范围内的CH污水泵站进行分析，当日降雨量为40 mm时，该污水泵站服务范围内的雨水管道错接率达到32%。2021年该区域大雨及以上降雨场次多达10次，雨水入流污水管道的问题不容忽视。

以上案例分析可知，该研究区域2025年前无需新扩建污水处理厂，关键是要完善污水管网，提高污水的收集率；同时，开展污水管网破损修复和错接改造，切实提高污水处理厂的进水浓度，提升污水处理效能和城市排涝安全；这是城市污水治理工程提质增效的重点。

管道破损修复和错接改造的关键是破损和错接管段的确定。然而污水管道深埋于地下，全面开挖寻找破损和错接点位所需成本过高、难以实现，因此，推进污水管网修复和改造的关键在于精准诊断污水管网破损和错接点位。而闭路电视（CCTV）检测技术用于污水管网破损和错接诊断时，断水、清淤操作难度较大且影响管道运行。由此，本文建立一种非开挖、不干扰污水治理工程正常运行的污水管网破损、错接定位诊断方法，将污水管道破损、错接定位问题转化为节点外水进入水量求解问题，搭建污水管网水力模型和智能优化算法耦合集成的模型系统，寻求入渗量和入流量的点位，从而锁定管道破损和错接管段点位。

3.1 方法原理

如果每个节点的晴天和雨天入流量以及纳管污水量已知，可以通过水量平衡方程解析各节点地下水入渗量和雨水入流量，进而确定污水管网破损和错接点位。污水管网节点的晴天和雨天入流量可以根据晴天和雨天的水位，运用圣维南方程求解。但是，对污水管网所有检查井监测水位的工作量较大，基于有限节点水位监测值解析节点入流量问题可以表达成基于有限节点水位监测值的寻优定位模型，基本假设是根据圣维南方程计算出来的节点水位和监测水位大致相同时，可以认为其它节点的水位和实际水位基本一致，决策变量、目标函数和约束条件如下：

（1）决策变量：节点的地下水入渗量或雨水入流量。

（2）目标函数：有限监测点处模拟水位与实测水位的最小均方根误差，如式(12)所示：

式中X*——节点最优解；

s——第s个监测点；

Ks——监测点总数；

T——水动力模拟的时间序列；

h1,s(t)、h2,s(t)——分别表示t时刻第s个监测点处的模拟水位、实测水位，m；

Ns——模拟的时刻数目。

（3）约束条件：计算结果要满足各节点的地下入渗水之和等于污水管网系统地下水入渗总量，各节点雨水入流量之和等于污水管网雨水入流总量，各节点的计算流量之和等于污水管网实际输送水量。

3.2 模型求解

（1）破损研究：可选择基于随机权重策略的粒子群优化算法，实现污水管网节点地下水入渗量适配方案的自动寻优计算。将污水管网总体地下水入渗量按照计算原则分配至管网内部各个节点上，进行目标函数计算，根据寻优原则迭代试算，直至目标函数满足寻优准则，从而确定地下水入渗量及位置，实现污水管网破损定位诊断。

（2）错接研究：寻优定位原则和破损研究相同，需在晴天计算基础上叠加节点雨水入流量进行雨天水动力模拟，确定雨水入流量及位置。

3.3 计算实例

选择破损和错接问题较为突出的CH污水泵站服务范围内的污水管网开展定位诊断验证，该区域共有100个检查井，本研究对50个检查井的水位进行了监测。如图4所示，通过寻优定位的分析计算，识别出14个破损点位，其地下水入渗量之和占总地下水入渗量的78.3%；识别出8个错接点位，雨水入流量之和约占总雨水入流量的66%。该区域前期开展了高成本的CCTV检测和人工摸排，排摸结果确定该区域存在16个实际破损点和10个实际错接点。由此可见，破损点和错接点的寻优定位准确率较高。该方法可以节省管道检测成本，减少运行干扰，便捷高效。

图4 管网破损和错接点位分布