河涌暗涵調(diào)查技術(shù)分析

0 引言

暗涵作為城市中普遍存在的一種排水設(shè)施，是污水直排、雨污水混接錯(cuò)接的重災(zāi)區(qū)，也是排水系統(tǒng)改造的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在城市化進(jìn)程不斷深入的大背景下，河涌水質(zhì)污染越來越嚴(yán)重，部分河涌水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，導(dǎo)致水生物大量死亡，所以水環(huán)境改善迫在眉睫。水環(huán)境污水整治包括城市雨污分流、沿河截污、河涌清淤等內(nèi)容。在沿河截污、城市雨污分流施工過程中出現(xiàn)原有地下管線多次破裂，及河涌暗涵排口未完全調(diào)查等現(xiàn)象，導(dǎo)致河涌水質(zhì)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

某水系流域涉及20多個(gè)社區(qū)，總面積70余km2，暗涵總長度超20km，存在入河污染大、流域水環(huán)境惡化、水生態(tài)退化等問題，需系統(tǒng)治理該水系流域，推動流域水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善和水質(zhì)如期達(dá)標(biāo)，打造流域水安全、水環(huán)境、水生態(tài)、水資源、水文化、水智慧等六位一體的生態(tài)文明格局，實(shí)現(xiàn)“河暢、水清、岸綠、景美”的總體目標(biāo)。

地下暗涵調(diào)查是城市河湖水環(huán)境整治核心前提之一，也是工程難點(diǎn)所在，更是水環(huán)境治理攻堅(jiān)戰(zhàn)中的一塊“硬骨頭”。傳統(tǒng)的檢測手段是采用攜帶相機(jī)和普通量測工具下井進(jìn)入暗涵內(nèi)部進(jìn)行現(xiàn)場定性記錄和拍照，這種方法以定性為主，無法對暗涵內(nèi)部存在的功能性缺陷、結(jié)構(gòu)性缺陷以及排水口進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

三維激光掃描儀作為地下暗涵調(diào)查的技術(shù)手段之一，其能夠快速、非接觸、高精度和高密度獲取暗涵內(nèi)部三維空間信息。國內(nèi)主流方法為定點(diǎn)式三維激光掃描技術(shù)、手持式三維激光掃描技術(shù)、智能掃描飛行器技術(shù)等。

1 暗涵調(diào)查內(nèi)容

暗涵調(diào)查工作應(yīng)包含暗涵本征尺寸調(diào)查、暗涵內(nèi)排水口調(diào)查及溯源、暗涵起止端及檢查井位置調(diào)查三個(gè)方面。

暗涵本征尺寸調(diào)查內(nèi)容應(yīng)包括：空間位置分布；長度、寬度、高度；涵室數(shù)量，如單涵、雙涵、三涵；暗涵內(nèi)水深、淤積、有無坍塌、有無明顯阻擋等情況。

暗涵內(nèi)排水口調(diào)查要求調(diào)查出暗涵中的所有排口及相關(guān)信息，包括排口平面位置、高程、埋深、管徑、管材、排口類別等多種信息。在排口調(diào)查過程中要探清雨水管網(wǎng)系統(tǒng)檢查井以及管道內(nèi)的污水接入情況，查明混接點(diǎn)的具體位置信息。

暗涵排口溯源調(diào)查是指根據(jù)排口調(diào)查成果，對有污水排放的污染物進(jìn)行溯源追蹤的工作。一般排放口溯源的對象為混流污水的雨水排放口，溯源的目標(biāo)為找出雨水口上游污水的來源。排口溯源一般要求在天氣放晴三天后開展，便于快速找到污染源頭和區(qū)分雨水、污水屬性。

暗涵起止端及檢查井位置調(diào)查內(nèi)容應(yīng)包括：檢查井編號；暗涵起止端及檢查井中心平面坐標(biāo)。

2 暗涵調(diào)查技術(shù)

對于涵體內(nèi)水深＜0.5m且凈空高度≥1.8m的單涵長度＞500m的暗涵，采用持證作業(yè)人員攜帶定點(diǎn)式三維激光掃描儀、攝像設(shè)備、水樣采集工具、輔助測量工具完成主要暗涵的調(diào)查工作。

對于涵體內(nèi)水深＜0.5m且凈空高度≥1.8m的單涵長度≤500m的暗涵，采用持證作業(yè)人員攜帶手持式三維激光掃描儀、攝像設(shè)備、水樣采集工具、輔助測量工具完成主要暗涵的調(diào)查工作。

對于涵體內(nèi)水深≤0.3m且凈空高度≥1.8m的人員無法進(jìn)入的暗涵，采用智能飛行器掃描設(shè)備、水樣采集工具、輔助測量工具完成主要暗涵的調(diào)查工作。

對于涵體內(nèi)水深＞0.5m且凈空高度＜1.8m的暗涵，采用智能管涵檢測機(jī)器人、水樣采集工具、輔助測量工具完成主要暗涵的調(diào)查工作。

對于涵體內(nèi)水深≤0.3m且凈空高度＜1.8m的暗涵，采用爬行式管道檢測機(jī)器人、水樣采集工具、輔助測量工具完成主要暗涵的調(diào)查工作。

2.1 定點(diǎn)式三維激光掃描技術(shù)

針對水深＜0.5m，且凈空高度≥1.8m的單涵長度＞500m的暗涵采用定點(diǎn)式三維激光掃描技術(shù)，三維激光掃描是集光、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新尖技術(shù)，主要對物體的空間外形進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)，其將實(shí)體的立體信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的可直接處理的數(shù)字信號，是對傳統(tǒng)測量方法的革命性創(chuàng)新，極大提高了生產(chǎn)效率。

三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)是以三維激光掃描儀的誕生為代表，有人稱“三維激光掃描系統(tǒng)”，是繼GPS技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命，使測繪數(shù)據(jù)的獲取方法、服務(wù)能力與水平、數(shù)據(jù)處理方法等進(jìn)入新的發(fā)展階段。三維激光掃描是基于面的數(shù)據(jù)采集方式，三維激光掃描獲得的原始數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是大量掃描離散點(diǎn)的結(jié)合。

三維激光掃描的主要特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性、主動性、適應(yīng)性好。三維激光掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的處理就可以直接使用，無需復(fù)雜的費(fèi)時(shí)費(fèi)力的數(shù)據(jù)后處理；且無需和被測物體接觸，可以在很多復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用，已廣泛應(yīng)用于文物保護(hù)、工業(yè)應(yīng)用、工程變形監(jiān)測與測量等領(lǐng)域，尤其是隧道工程的三維模型、橫縱斷面分析、超欠挖分析、完工質(zhì)量檢查等。利用三維激光，全景測量的成果形成隧洞三維模型，并在三維模型的基礎(chǔ)進(jìn)行監(jiān)測、檢測、調(diào)查等相關(guān)數(shù)據(jù)分析。

三維激光掃描儀（如圖1）的構(gòu)造原理都是相似的。三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發(fā)射激光，同時(shí)接受由自然物表面反射的信號從而可以進(jìn)行測距，針對每一個(gè)掃描點(diǎn)可測得測站至掃描點(diǎn)的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點(diǎn)與測站的空間相對坐標(biāo)。如果測站的空間坐標(biāo)是已知的，則可以求得每一個(gè)掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

圖1 三維激光掃描儀及現(xiàn)場工作照片

2.2 手持式三維激光掃描技術(shù)

針對水深＜0.5m，且凈空高度≥1.8m的單涵長度≤500m的暗涵，采用手持式三維激光雷達(dá)測量技術(shù)，對暗涵內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)尺寸、走向及排口、缺陷定位進(jìn)行精準(zhǔn)采集，確保暗涵運(yùn)維基礎(chǔ)狀態(tài)數(shù)據(jù)完整。

手持三維激光測量技術(shù)采用100MHz的激光掃描率可以快速準(zhǔn)確地獲得高質(zhì)量的三維空間掃描信息、獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并經(jīng)過基于SLAM算法的軟件處理后，得到掃描區(qū)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而提取暗涵檢測各項(xiàng)需求數(shù)據(jù)。

2.3 智能掃描飛行器技術(shù)

針對水深≤0.3m，且凈空高度≥1.8m的人員無法進(jìn)入的復(fù)雜工況暗涵，采用智能三維掃描飛行器能夠從DN400以上的檢查井、雨/污篦、洞口等有限空間飛行入涵進(jìn)行檢測掃描。

智能三維掃描飛行器（見圖2）集成配備4K高清特寫影像、紅外熱成像傳感、全角度激光測繪以及流線數(shù)據(jù)傳感等多功能模塊，通過激光測量數(shù)據(jù)及SLAM算法處理，提供精準(zhǔn)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而提取暗涵內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)、排口、缺陷等基礎(chǔ)勘測數(shù)據(jù)。

圖2 智能三維掃描飛行器

智能飛行器檢測系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是安全性好、工作效率高。智能飛行器檢測作業(yè)中，人員不用下涵，只需在岸上操作方向手柄和調(diào)動各掃描模塊即可完成檢測，極大限度地保證了人員的安全。

2.4 智能暗涵檢測系統(tǒng)技術(shù)

針對水深＞0.5m且凈空高度＜1.8m的暗涵采用智能暗涵檢測系統(tǒng)，智能暗涵檢測系統(tǒng)是進(jìn)行管道及暗涵高水位綜合檢測的一種方法，采用特制船體搭載閉路視頻系統(tǒng)、淤積量化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和排口定位模塊等四大系統(tǒng)，檢測人員通過地面控制站對檢測船進(jìn)行實(shí)時(shí)操縱，對暗涵和排口的基本尺寸、排口、缺陷、定位、淤積、污染源等信息進(jìn)行綜合采集。（圖3）

圖3 檢測船及工作原理

智能暗涵檢測系統(tǒng)適用于橫向范圍0.6-6m，水深≥0.3m以上的暗涵。當(dāng)現(xiàn)場水位條件無法滿足時(shí)，可采取蓄水措施，使管道內(nèi)水位高度不低于0.3m；一次最大檢測距離應(yīng)不超過150m，當(dāng)檢查井間距超過150m并小于300m時(shí)，可采用相鄰兩檢查井從兩邊向中間檢測的方法，當(dāng)檢查井間距超過300m時(shí)，需要定制線纜及信號放大器等模塊。

智能暗涵檢測系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是安全性好、實(shí)用性強(qiáng)、工作效率高。智能暗涵檢測系統(tǒng)工作時(shí)，人員不用下涵，只需在岸上操作方向手柄和控制站即可完成檢測，極大限度地保證了人員的安全；智能暗涵檢測系統(tǒng)功能齊全，搭載系統(tǒng)功能完善，具有一站式暗涵檢測解決方案；在檢測時(shí)，無需清淤、封堵倒排，有效地節(jié)省工程投資，并減少對排水系統(tǒng)的影響。

在檢測時(shí)，檢測人員通過地面控制站對檢測船進(jìn)行實(shí)時(shí)操縱，對暗涵和排口的基本尺寸、排口、缺陷、定位、淤積、污染源等信息進(jìn)行綜合采集。

采用專用閉路電視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管線內(nèi)窺檢測及實(shí)時(shí)工程視頻錄制，激光雷達(dá)測量排口、結(jié)構(gòu)、缺陷的基礎(chǔ)尺寸，剖面聲吶掃描儀探測暗涵底部淤積分布曲線、淤積量等信息，采用管道傳感器結(jié)合地面管線儀探測的方式確定排放口及缺陷的定位信息。

2.5 遠(yuǎn)距離爬行式檢測機(jī)器人

針對水深≤0.3m，且凈空高度＜1.8m的長距離暗涵，采用遠(yuǎn)距離爬行式檢測機(jī)器人。遠(yuǎn)距離爬行檢測機(jī)器人采用防水設(shè)計(jì)，可在暗涵及管道內(nèi)通行；機(jī)體搭載高清閉路電視系統(tǒng)可用于暗涵及管道內(nèi)的視頻檢測，對暗涵內(nèi)排污口、結(jié)構(gòu)缺陷及功能性缺陷進(jìn)行檢測排查300m長距離檢測，有效解決暗井分布分散的河道及市政暗涵。

3 暗涵調(diào)查實(shí)施及成果整理

涵體內(nèi)作業(yè)由持證作業(yè)人員攜帶三維激光掃描設(shè)備，完成暗涵本體尺寸的測量、暗涵排口信息采集、判定涵體內(nèi)有無坍塌及明顯障礙物、主要排口水質(zhì)水量檢測、涵體內(nèi)截污管現(xiàn)狀的調(diào)查工作。

涵外作業(yè)主要包括安全生產(chǎn)保障措施，涵外特征點(diǎn)定位測量，測量工作采用GNSS接收機(jī)、全站儀完成主要特征點(diǎn)坐標(biāo)的測量。

采用三維激光掃描設(shè)備專用處理軟件對實(shí)測三維數(shù)據(jù)處理與分析，獲取暗涵本體尺寸統(tǒng)計(jì)成果、排污口空間位置統(tǒng)計(jì)成果，同時(shí)，完成涵體內(nèi)、渠內(nèi)已發(fā)現(xiàn)排口的光學(xué)攝像資料以及水質(zhì)檢測、水量監(jiān)測的整理與統(tǒng)計(jì)。

4 暗涵調(diào)查實(shí)施案例

佛山市南海區(qū)北村水系綜合治理項(xiàng)目是保障北村水系流域排水防澇安全、全面落實(shí)廣佛跨界流域水污染防治的“重點(diǎn)民生”工程，項(xiàng)目重點(diǎn)改善流域排澇壓力、河涌水體流動性不足、水污染負(fù)荷日益嚴(yán)峻、水環(huán)境惡化和水生態(tài)退化等問題。其中一標(biāo)段包含16條主干支流河涌，117條支毛涌，項(xiàng)目前期組織500余人開展現(xiàn)場踏勘、摸查、調(diào)研、收資、測繪等外業(yè)工作。2020年度摸查管網(wǎng)長度總計(jì)1042.4km；完成河涌排口摸查6117個(gè)，完成暗涵調(diào)查30.36km，暗涵排口611個(gè)，完成水文大斷面測量800多條。

中國電建集團(tuán)江西省水電工程局有限公司采用三維激光掃描儀、CCTV檢測機(jī)器人等設(shè)備對十米涌、公路坑涌、謝邊梁邊涌等5.33km暗涵開展調(diào)查時(shí)，投入場技術(shù)員1人，數(shù)據(jù)處理人員1人，測量工程師2人，定位輔助工程師2人，設(shè)備操縱人員2人，內(nèi)業(yè)處理人員2人，大大降低了暗涵有限空間作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高了工作效率，僅用20天完成全部調(diào)查工作，7天完成所有暗涵排口成果資料整理（見表1），較傳統(tǒng)暗涵人工調(diào)查，直接成本降低約18萬元，間接成本降低約30萬元，取得了良好的效果。

表1 十米涌排口調(diào)查成果表（WS01）

5 結(jié)語

隨著目前經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，人類賴以生存的水資源受到嚴(yán)重污染，河涌水質(zhì)質(zhì)量越來越差，已成為當(dāng)今亟需解決的難題。地下暗涵作為城市中重要的排水設(shè)施，對其進(jìn)行整治也是未來水環(huán)境改善的重要發(fā)展方向。目前地下暗涵整治還存在很多政策和規(guī)范方面的不完善，國內(nèi)暗涵整治中仍處于起步階段。未來城市地下暗涵的整治有較大的市場發(fā)展?jié)摿?，同時(shí)也面臨各種風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，相信隨著整治技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，城市水環(huán)境的質(zhì)量也會不斷提高，建設(shè)美麗中國的目標(biāo)也會早日實(shí)現(xiàn)。