CN115018267A - 一种泵排污水系统降雨致入流入渗的评估分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高液位运行的泵排式污水排水系统在降雨作用下导致的入流入渗现象的评估分析方法，包括：整体污水排水系统降雨导致入流入渗的分析与评估；污水排水系统整体与各分区降雨导致入流的定量评估；整体污水排水系统入流的定位。本发明通过排水系统在线流量、水位及电导率数据的分析，形成基于管网水质/水量数据的入流入渗分析评估流程和方法。本发明能实现高液位排水系统基于感知数据的入流入渗运行状态分析与评估；能定量评估高液位运行排水系统入流入渗程度；可对入流入渗的区位进行大致方位定位，便于采取进一步的措施。
Description
技术领域
本发明涉及污水排水领域，具体涉及一种高液位运行的泵排式污水排水系统在降雨作用下导致的入流入渗现象的评估分析方法。
背景技术
排水管道系统是城市基础设施的重要组成部分，在城市中担负着及时排除污水、雨水，保障城市安全卫生的责任。随着城市化进程，新的管网系统正在不断建设，旧有管道的问题也在逐渐显露。
在排水管道的长期使用过程中，由于污水腐蚀、侵蚀、冲刷、沉积以及地面荷载等影响，加上城市发展阶段需要不断地对地下管网进行扩建、改造，污水管道破损、雨污混接等问题在城市普遍存在。彭中亚等人在江苏省某经济开发区的调查中发现，14.6km的管道中有破裂、脱节、错口共34处(城镇污水收集系统提质增效对策研究——以某污水处理厂A片区为例[J].给水排水,2020,56(S1):430-434+440)。张甫娜等人在南方某城市某片区内对旧有管道进行了的内窥检测，发现该片区存在结构性缺陷240处，主要缺陷为支管暗接、破裂和异物穿入；而对于该片区内的新建管道，770km内共发现结构刚性缺陷442处，其中管道破裂103处(南方沿海某市污水收集系统提质增效对策研究[D].哈尔滨工业大学,2019.DOI:10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.001528)。李兰娟等人在上海对雨污管道进行检查时，发现1.9万km的分流制雨污管道内，混接点高达20290处(我国南方地区城镇污水处理厂进水低浓度原因分析及对策建议[C]//中国环境科学学会2021年科学技术年会——环境工程技术创新与应用分会场论文集(一).,2021:228-233+239.DOI:10.26914/c.cnkihy.2021.022150)。大量管道处于带病运行的状态，导致外来水体进入污水管道系统十分容易，因此入流入渗问题普遍存在。尤其是在地下水位高且气候湿润多雨的南方地区，入流入渗的问题更为严重。
入流入渗直接检测方法主要以找到发生入流入渗的点位为目的，常用的方法为烟雾法以及CCTV检测。同时，国内外学者提出了各种评估方法对污水管道入流入渗情况进行评估，其中，通过晴雨天流量对比是最为简便直接的方法。但对于高液位运行的排水系统，仍缺乏基于流量、水位、水质等信息数据的入流入渗评估方法。
发明内容
本发明提供了一种高液位运行的泵排式污水排水系统在降雨作用下导致的入流入渗现象的评估分析方法，通过排水系统在线流量、水位及电导率数据的分析，形成基于管网水质/水量数据的入流入渗分析评估流程和方法。
具体技术方案如下：
一种高液位运行的泵排式污水排水系统在降雨作用下导致的入流入渗现象的评估分析方法，逻辑流程如图1所示，包括：
1)整体污水排水系统降雨导致入流入渗的分析与评估：
整体污水排水系统入流入渗现象的评估主要采用的指标为一次开泵事件流量Q，若工况I下的一次开泵事件流量QI小于工况II下的一次开泵事件流量QII，则整体污水排水系统存在降雨导致的入流入渗现象，否则，整体污水排水系统正常；
一次开泵事件流量指在开泵事件中泵站排放的总水量与水位从初始值下降至最低值后再恢复至初始值所用时间之比；
工况I为超过三天连续无降雨工况；
工况II为降雨工况；
2)在QI小于QII的情况下，进行整体污水排水系统降雨导致入渗的分析与评估：
整体污水排水系统入渗现象的评估主要采用的指标为停泵后水位上升速率R，若工况I下的停泵后水位上升速率RI小于工况III下的停泵后水位上升速率RIII，则整体污水排水系统同时存在降雨导致的入流和入渗现象，否则，整体污水排水系统仅存在降雨导致的入流现象；
停泵后水位上升速率R指在开泵事件中停泵后水位上升过程中的上升速率；
工况III为开泵事件前三天内发生过降雨且开泵过程中无降雨的工况；
3)污水排水系统整体与各分区降雨导致入流的定量评估：
根据污水排水系统整体的泵站流量以及各分区的流量，定量确定污水排水系统整体以及各分区的降雨导致的入流量：
RDI＝(qII-qI)/(I×S) (1)，
式(1)中，RDI表示单位面积单位降雨量的入流量，qII表示污水排水系统整体或各分区在工况II下的开泵事件中的流量，qI表示污水排水系统整体或各分区在工况I下的开泵事件中的流量，I表示降雨量，S表示污水排水系统整体或各分区的面积；
4)整体污水排水系统入流的定位：
4-1)工况II下，未开泵的整体污水排水系统处于壅水状态，水位上升速度与上升幅度较大的测点意味着存在较大的雨水入流，通过水位上升速率与上升幅度的大小来进行入流的定位：
式(2)中：
1,2,…,n分别表示各测点，
RY1,RY2,…,RYn分别表示降雨雨峰导致的对应测点水位上升速率，
HY1,HY2,…,HYn分别表示降雨雨峰导致的对应测点水位上升量，
i表示入流最大的测点；
4-2)未开泵的情况下，以电导率的变化情况作为入流的定位指标，若某一测点的电导率在降雨事件过程中下降率最大值达到20％以上，则认为该测点存在雨水入流，否则，认为该测点不存在雨水入流。
发明人研究发现，泵排式污水排水系统的入流入渗评估与重力流排水系统存在较大差距，因为泵排系统的流量主要由开泵时长和开泵流量决定，系统排放流量与降雨导致的入流入渗现象基本无规律，因此，传统的以流量为主的调查评估方法并不适用于泵排系统。
降雨导致的入流入渗主要包括降雨时的直接入流和降雨导致的入渗(间接入流，即降雨过程中雨水入渗地下后从管道破裂处渗入地下管道)。直接入流往往发生在降雨过程中及雨后汇流时间内，而间接入流则往往可在雨后持续一段时间。因此，数据分析方法中，本发明将分析工况分成三类：连续无降雨工况(工况I)、雨天工况(工况II)和开泵事件前三日有降雨工况(工况III)。
本发明通过水质分析发现，TOC(总有机碳)、COD(化学需氧量)等指标无法较好的响应晴雨天水质变化规律，电导率则对晴雨天变化存在较好的响应，且电导率数据相对较易检测，并可实现在线监测，因此，可用电导率指标作为入流入渗评估指标。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
1、本发明能实现高液位排水系统基于感知数据的入流入渗运行状态分析与评估；
2、本发明能定量评估高液位运行排水系统入流入渗程度；
3、本发明可对入流入渗的区位进行大致方位定位，便于采取进一步的措施。
附图说明
图1为本发明的高液位运行的泵排式污水排水系统在降雨作用下导致的入流入渗现象的评估分析方法的逻辑流程示意图；
图2为实施例排水系统研究案例的研究区域示意图；
图3为实施例研究区域仪器安装情况图，图中：L系列代表流量测点，Y系列代表液位测点，R系列代表雨量测点，D系列为电导率测点；
图4为一次开泵事件示意图；
图5为实施例研究案例三类开泵事件下的排水系统流量；
图6为某日降雨事件下Y1水位(1水位)、Y2水位(2水位)变化，途中IR表示降雨；
图7为排水系统I分区入流量与降雨关系；
图8为排水系统II分区入流量与降雨关系；
图9为某日降雨事件中各测点的电导率变化。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
本发明的高液位运行的泵排式污水排水系统在降雨作用下导致的入流入渗现象的评估分析方法，逻辑流程如图1所示，包括：
1)整体污水排水系统降雨导致入流入渗的分析与评估：
整体污水排水系统入流入渗现象的评估主要采用的指标为一次开泵事件流量Q，若工况I下的一次开泵事件流量QI小于工况II下的一次开泵事件流量QII，则整体污水排水系统存在降雨导致的入流入渗现象，否则，整体污水排水系统正常；
一次开泵事件流量指在开泵事件中泵站排放的总水量与水位从初始值下降至最低值后再恢复至初始值所用时间之比；
工况I为超过三天连续无降雨工况，在本实施例中也可称为晴天期；
工况II为降雨工况，在本实施例中也可称为雨天期；
2)在QI小于QII的情况下，进行整体污水排水系统降雨导致入渗的分析与评估：
整体污水排水系统入渗现象的评估主要采用的指标为停泵后水位上升速率R，若工况I下的停泵后水位上升速率RI小于工况III下的停泵后水位上升速率RIII，则整体污水排水系统同时存在降雨导致的入流和入渗现象，否则，整体污水排水系统仅存在降雨导致的入流现象；
停泵后水位上升速率R指在开泵事件中停泵后水位上升过程中的上升速率；
工况III为开泵事件前三天内发生过降雨且开泵过程中无降雨的工况，在本实施例中也可称为三天内有降雨；
3)污水排水系统整体与各分区降雨导致入流的定量评估：
根据污水排水系统整体的泵站流量以及各分区的流量，定量确定污水排水系统整体以及各分区的降雨导致的入流量：
RDI＝(qII-qI)/(I×S) (1)，
式(1)中，RDI表示单位面积单位降雨量的入流量，qII表示污水排水系统整体或各分区在工况II下的开泵事件中的流量，qI表示污水排水系统整体或各分区在工况I下的开泵事件中的流量，I表示降雨量，S表示污水排水系统整体或各分区的面积；
4)整体污水排水系统入流的定位：
4-1)工况II下，未开泵的整体污水排水系统处于壅水状态，水位上升速度与上升幅度较大的测点意味着存在较大的雨水入流，通过水位上升速率与上升幅度的大小来进行入流的定位：
式(2)中：
1,2,…,n分别表示各测点，
RY1,RY2,…,RYn分别表示降雨雨峰导致的对应测点水位上升速率，
HY1,HY2,…,HYn分别表示降雨雨峰导致的对应测点水位上升量，
i表示入流最大的测点；
4-2)未开泵的情况下，以电导率的变化情况作为入流的定位指标，若某一测点的电导率在降雨事件过程中下降率最大值达到20％以上，则认为该测点存在雨水入流，否则，认为该测点不存在雨水入流。可通过晴雨天电导率比值分析直接入流较为严重的片区，如电导率比值越大，就说明该处有较多的雨水直接入流。
下面以平湖市独山镇1#(独山1号)泵站服务区域为研究对象，该区域位于浙江省平湖市独山港镇，如图2所示，附近有自西向东南方向的黄姑塘以及自北向南的卫国河。研究区域仪器安装情况如图3所示。一次开泵事件示意图如图4所示。
流量分析：
通过安装感知设备，并对水位、流量、水质等感知设备的分析，三种工况下排放流量如图5所示。
第一类开泵事件(晴天期)中，由于无降雨发生，地下水水位也处于相对稳定的水位，因此，独山1#泵站排放的水量可认为是收集的生活和工业污水以及地下水的入渗，因此，该部分流量可认为是系统的基础流量。
第二类开泵事件(三天内有降雨)中，由于开泵前期存在降雨现象，降雨径流下渗后，将导致地下潜水位上升，可能到时降雨导致的入渗(降雨的间接入流)增大，因此，该类开泵事件中的流量可能有基础流量与地下水入渗流量组成。
第三类开泵事件(雨天期)中，由于开泵过程中发生降雨事件，因此，地面降雨径流将随着混接处或其他途径排入污水系统，形成入流现象，故该类开泵事件中，排放的水量除了基础流量外，还有雨水入流水量。
因此，通过三类开泵事件中的流量分析，可评估独山1#排水系统中入流入渗的情况。
液位分析：
水位分析也是入流入渗分析评估的重要途径。因此，本发明在流量分析基础上，进一步对独山1#泵站水位变化进行了分析。
从图6中的水位变化情况可看出，I、II片区子排水系统尽管已处于高液位运行状态，但在降雨作用下，水位仍持续上升，同时，随着降雨峰值的出现，水位均出现迅速抬升响应，降雨量越大，水位抬升越高，水位的抬升的响应程度与雨强的变化几乎同步，这一结果进一步证明，独山1号排水系统存在明显的雨水直接入流现象。
定量分析：
如图7、图8所示，排水分区I区和II区的雨水直接入流量随着降雨的增大而增大，根据拟合公式，I区的雨水直接入流量约为4.79m3/(h·mm)，也即每mm降雨量中，约有4.79m3/h的流量流入系统。排水系统II分区的雨水直接入流量约为5.51m3/(h·mm)，也即每mm降雨量中，约有5.51m3/h的流量流入II区系统。
定位分析(泵站未开泵)：
图9是某日降雨工况下各个水质测点的电导率变化规律，该场降雨总雨量为21.3mm。由图9可知，在降雨发生后，D1测点电导率缓慢下降，从约2250μS/cm逐渐下降至1500μS/cm左右，说明该点存在雨水持续入流现象。
同样地，D4测点也存在同样的电导率下降的现象，在降雨峰值时刻，电导率从1200μS/cm迅速下降至800μS/cm，说明附近地块有雨水直接流入该井，导致电导率的迅速下降。
从图9中，也可知D2测点和D3测点在降雨前后，电导率并未发生明显改变，基本维持在1500μS/cm左右，由此可知，在降雨状态下，该两处测点并未发生明显雨水直接入流现象。
从水质数据可知，D1测点位置和D4测点位置，存在着降雨工况下雨水直接入流的现象，而D2、D3测点则雨水入流现象基本可忽略。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种高液位运行的泵排式污水排水系统在降雨作用下导致的入流入渗现象的评估分析方法，其特征在于，包括：
1)整体污水排水系统降雨导致入流入渗的分析与评估：
整体污水排水系统入流入渗现象的评估主要采用的指标为一次开泵事件流量Q，若工况I下的一次开泵事件流量QI小于工况II下的一次开泵事件流量QII，则整体污水排水系统存在降雨导致的入流入渗现象，否则，整体污水排水系统正常；
2)在QI小于QII的情况下，进行整体污水排水系统降雨导致入渗的分析与评估：
整体污水排水系统入渗现象的评估主要采用的指标为停泵后水位上升速率R，若工况I下的停泵后水位上升速率RI小于工况III下的停泵后水位上升速率RIII，则整体污水排水系统同时存在降雨导致的入流和入渗现象，否则，整体污水排水系统仅存在降雨导致的入流现象；
3)污水排水系统整体与各分区降雨导致入流的定量评估：
根据污水排水系统整体的泵站流量以及各分区的流量，定量确定污水排水系统整体以及各分区的降雨导致的入流量：
RDI＝(qII-qI)/(I×S) (1)，
4)整体污水排水系统入流的定位：
4-1)工况II下，未开泵的整体污水排水系统处于壅水状态，水位上升速度与上升幅度较大的测点意味着存在较大的雨水入流，通过水位上升速率与上升幅度的大小来进行入流的定位：
4-2)未开泵的情况下，以电导率的变化情况作为入流的定位指标，若某一测点的电导率在降雨事件过程中下降率最大值达到20％以上，则认为该测点存在雨水入流，否则，认为该测点不存在雨水入流。
2.根据权利要求1所述的评估分析方法，其特征在于，1)中，一次开泵事件流量指在开泵事件中泵站排放的总水量与水位从初始值下降至最低值后再恢复至初始值所用时间之比。
3.根据权利要求1所述的评估分析方法，其特征在于，1)中，工况I为超过三天连续无降雨工况。
4.根据权利要求1所述的评估分析方法，其特征在于，1)中，工况II为降雨工况。
5.根据权利要求1所述的评估分析方法，其特征在于，2)中，停泵后水位上升速率R指在开泵事件中停泵后水位上升过程中的上升速率。
6.根据权利要求1所述的评估分析方法，其特征在于，2)中，工况III为开泵事件前三天内发生过降雨且开泵过程中无降雨的工况。
7.根据权利要求1所述的评估分析方法，其特征在于，3)中，式(1)中，RDI表示单位面积单位降雨量的入流量，qII表示污水排水系统整体或各分区在工况II下的开泵事件中的流量，qI表示污水排水系统整体或各分区在工况I下的开泵事件中的流量，I表示降雨量，S表示污水排水系统整体或各分区的面积。
8.根据权利要求1所述的评估分析方法，其特征在于，4-1)中，式(2)中：
1,2,…,n分别表示各测点，
RY1,RY2,…,RYn分别表示降雨雨峰导致的对应测点水位上升速率，
HY1,HY2,…,HYn分别表示降雨雨峰导致的对应测点水位上升量，
i表示入流最大的测点。
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| CN202210554858.7A CN115018267A (zh) | 2022-05-20 | 2022-05-20 | 一种泵排污水系统降雨致入流入渗的评估分析方法 |
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| CN202210554858.7A CN115018267A (zh) | 2022-05-20 | 2022-05-20 | 一种泵排污水系统降雨致入流入渗的评估分析方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115979348A (zh) * | 2023-03-17 | 2023-04-18 | 近通物联网(苏州)有限公司 | 一种管网雨污混流的排查方法、排查装置、设备及介质 |
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2022
- 2022-05-20 CN CN202210554858.7A patent/CN115018267A/zh active Pending
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| CN115979348A (zh) * | 2023-03-17 | 2023-04-18 | 近通物联网(苏州)有限公司 | 一种管网雨污混流的排查方法、排查装置、设备及介质 |
| CN115979348B (zh) * | 2023-03-17 | 2023-06-20 | 近通物联网(苏州)有限公司 | 一种管网雨污混流的排查方法、排查装置、设备及介质 |
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