管網(wǎng)在線監(jiān)測技術(shù)在城市排水系統(tǒng)中的應(yīng)用與分析

王紹貴，周 蓉，姚晨輝，許文卿

（1、廣東省冶金建筑設(shè)計研究院有限公司 廣州 510080；2、廣東省環(huán)境科學(xué)研究院 廣州 510045；3、廣東環(huán)科院環(huán)境科技有限公司 廣州 510045）

0 引言

污水管網(wǎng)建設(shè)是“十四五”期間我國生態(tài)環(huán)境保護工作的重點，早在2019 年，住建部、生態(tài)環(huán)境部、發(fā)改委等三部委聯(lián)合發(fā)布的《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案（2019-2021年）》中已強調(diào)“加快補齊城鎮(zhèn)污水收集和處理短板，盡快實現(xiàn)污水管網(wǎng)全覆蓋、全收集、全處理”。3年來，我國新建了大量污水管網(wǎng)，由此產(chǎn)生了大量的管網(wǎng)日常維護需求，同時，各地大力推進老舊管網(wǎng)的錯接、漏接、混接等問題整改，還催生了大量管網(wǎng)問題排查需求。管網(wǎng)日常維護和管網(wǎng)問題排查都要求對管網(wǎng)運行情況實施監(jiān)控，此項工作完全依靠人力難以完成，而在線監(jiān)測相對于常規(guī)的人工排查具有響應(yīng)快、效率高等優(yōu)勢，可成為管網(wǎng)運行情況監(jiān)控的有力工具，因此，管網(wǎng)在線監(jiān)測技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景［1-3］。

管網(wǎng)運行中的絕大多數(shù)問題均可通過分析水質(zhì)、水量的變化體現(xiàn)，水質(zhì)、水量指標也成為管網(wǎng)在線監(jiān)測的主要監(jiān)測內(nèi)容。當(dāng)前，管網(wǎng)在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用已成為城市排水領(lǐng)域的研究熱點，但多數(shù)研究主要關(guān)注于水量監(jiān)測［4-7］，少數(shù)涉及管網(wǎng)水質(zhì)變化的研究也主要是針對偷排［5］等問題。

因城市排水箱涵和管網(wǎng)的運行具有較強的關(guān)聯(lián)性，本項目嘗試將管網(wǎng)（水質(zhì)、水量）在線監(jiān)測技術(shù)同時用于市政污水管網(wǎng)和排水箱涵監(jiān)測，通過綜合分析水質(zhì)、水量數(shù)據(jù)，多角度描述城市排水系統(tǒng)運行情況特征，展示實際應(yīng)用中的成果，探索該技術(shù)廣泛應(yīng)用的可行性。

1 應(yīng)用方法

1.1 項目概況

某項目位于廣東省某市城區(qū)，長期以來，該市排水系統(tǒng)問題突出，管網(wǎng)錯接、漏接、混接情況嚴重，大量生活污水通過雨水管網(wǎng)和箱涵直排河溝，對水生態(tài)環(huán)境造成極大破壞。近年來，按照水污染防治攻堅戰(zhàn)的要求，該市大力推進城區(qū)現(xiàn)狀管網(wǎng)的排查修復(fù)、雨污分流改造和污染源接駁工作，前期的問題排查和后期的整改成效評估，均需對關(guān)鍵位置的管網(wǎng)水質(zhì)、水量進行監(jiān)測，為管網(wǎng)水質(zhì)、水量在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用提供了契機，也提供了良好的應(yīng)用案例。選取2021年7～8月的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，該時間段正值雨季，且該時段內(nèi)排水系統(tǒng)無重大調(diào)整，較有利于排水系統(tǒng)存在問題與運行規(guī)律的研究與分析。

本文主要展示管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)在污水管網(wǎng)運行特征分析、管網(wǎng)淤堵情況分析和污水錯接分析等方面的應(yīng)用。

1.2 監(jiān)測方法

本項目選取的水質(zhì)監(jiān)測指標有COD、氨氮，均采用在線監(jiān)測設(shè)備搭載相應(yīng)的水質(zhì)探頭測定，其中，COD 檢測原理為紫外-可見光雙波長補償法，氨氮檢測原理為銨離子選擇性電極法；水量采用超聲波流速儀（具備流速、水深測量功能）測定，因管網(wǎng)充滿度、水體流態(tài)、管內(nèi)垃圾等均可顯著影響流量測定數(shù)值，為保證數(shù)據(jù)的準確性，本項目選擇水深數(shù)據(jù)作為反映水量變化的指標，超聲波流速儀也被連接到在線監(jiān)測設(shè)備上，選用的在線監(jiān)測設(shè)備具備數(shù)據(jù)傳輸功能，能夠每小時記錄一次檢測數(shù)據(jù)，并將檢測結(jié)果實時上傳至數(shù)據(jù)平臺，本文用到的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)均從數(shù)據(jù)平臺導(dǎo)出。

1.3 布點原則

本項目所有的在線監(jiān)測設(shè)備都安裝在污水管網(wǎng)或箱涵檢查井中，依據(jù)下列原則選取設(shè)備布設(shè)位置［9］：

⑴代表性原則。為反映不同管段的水質(zhì)、水量狀況，安裝設(shè)備，選取監(jiān)測點位時應(yīng)優(yōu)先考慮主管上具備代表性的點位，如在重要的管網(wǎng)接入口前后、污水廠取水口和排水片區(qū)末端等關(guān)鍵位置設(shè)置監(jiān)測點位。

⑵便捷性原則。選點應(yīng)盡可能交通便捷，便于人員到達；操作空間宜盡可能開闊，便于設(shè)備安裝、維護等操作。

⑶安全性原則。檢查井應(yīng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，確保在設(shè)備安裝、運行工程中不發(fā)生坍塌；檢查井井蓋應(yīng)完好，確保不發(fā)生脫落損壞下方設(shè)備。

2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 污水管網(wǎng)運行特征分析

掌握管網(wǎng)運行過程中的水質(zhì)、水量變化特征是開展管網(wǎng)問題排查、診斷的基礎(chǔ)。本項目在市區(qū)污水管網(wǎng)5 個主要排水片區(qū)的污水干管末端布設(shè)監(jiān)測點，各監(jiān)測點每小時的水質(zhì)、水深數(shù)據(jù)分別如圖1～圖3 所示（圖中的數(shù)據(jù)缺失系因設(shè)備維護、管網(wǎng)施工等因素造成數(shù)據(jù)空白），同時分析降雨對管網(wǎng)水質(zhì)、水量的影響，同期的降雨數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖1 各監(jiān)測點COD變化Fig.1 COD of Different Monitoring Points

圖2 各監(jiān)測點氨氮變化Fig.2 Ammonia of Different Monitoring Points

圖3 各監(jiān)測點水深變化Fig.3 Depth of Water at Different Monitoring Points

圖4 日降雨量變化（8月1日～8月26日）Fig.4 Daily Rainfall（August 1 to August 26）

2.1.1 污水管網(wǎng)水質(zhì)濃度特征分析

由圖1、圖2 可知，各片區(qū)管網(wǎng)水質(zhì)差異及波動較大：COD 最低可至10.1 mg/L（片區(qū)2，8 月4 日9∶00），最高可達141.3 mg/L（片區(qū)2，8月11日11∶00）；氨氮最低可至3.5 mg/L（片區(qū)5，8 月13 日18∶00），最高可達90.6 mg/L（片區(qū)4，8月20日20∶00）。因監(jiān)測時段內(nèi)有多次降雨，對管網(wǎng)水質(zhì)有一定的稀釋作用，降雨時段的整體水質(zhì)濃度較非降雨時段會出現(xiàn)一定程度的下降，但下降程度差異明顯，此外，還有部分點位在降雨期間出現(xiàn)水質(zhì)濃度異常升高的情況（降雨對管網(wǎng)水質(zhì)的影響將在下文討論）。對監(jiān)測時間段內(nèi)各監(jiān)測點水質(zhì)數(shù)據(jù)求均值（見表1），結(jié)果表明片區(qū)1、片區(qū)5 的COD 濃度顯著高于其他3 個片區(qū)，片區(qū)4 的氨氮濃度顯著高于其他4個片區(qū)。通過對市區(qū)各主要排水片區(qū)水質(zhì)濃度的連續(xù)監(jiān)測，可概括市區(qū)污水管網(wǎng)雨季整體水質(zhì)特征為COD濃度較低，氨氮基本正常。

表1 各監(jiān)測點平均水質(zhì)（8月1日～8月26日）Tab.1 Mean of Water Quality at Different Monitoring Points

2.1.2 降雨對管網(wǎng)水質(zhì)、水量影響分析

本項目的管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測時段內(nèi)，不存在單日完全無降雨的情況，但考慮到降雨量小時，地表不易形成徑流，即使少量降雨進入管網(wǎng)，對管網(wǎng)水質(zhì)影響也有限，故可認為8 月1 日、17 日、22 日、23 日等單日降雨量較小（最大不超過0.11 mm/d）日期的監(jiān)測數(shù)據(jù)近似無降雨時的管網(wǎng)水質(zhì)數(shù)據(jù)，以8月9日、10日、14日、18日等單日降雨量較大（最小不低于21.45 mm/d）日期的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為有雨水匯入情況下的管網(wǎng)水質(zhì)數(shù)據(jù)，將兩組數(shù)據(jù)作對比，考察降雨對管網(wǎng)水質(zhì)影響程度，結(jié)果如表2 所示，發(fā)現(xiàn)降雨時部分片區(qū)平均COD 甚至降至40 mg/L 以下，降雨使片區(qū)管網(wǎng)COD 降低10.4%～46.3%，氨氮降低6.7%～39.4%，以水質(zhì)平均濃度降低10%～40%估算，降雨時，進入管網(wǎng)的雨水約占管網(wǎng)原有輸水量的11%～67%，監(jiān)測結(jié)果表明各片區(qū)雨污分流效果差異較大。雖然降雨整體上使得管網(wǎng)水質(zhì)濃度降低，但部分點位在降雨時段存在水質(zhì)濃度短暫異常升高的現(xiàn)象，通過現(xiàn)場排查和調(diào)研，居住小區(qū)的雨水管錯接入化糞池的情況較普遍，雨季易導(dǎo)致化糞池污水量增大，且初始污水濃度較高，但隨著降雨持續(xù)，污水水質(zhì)降低。監(jiān)測結(jié)果體現(xiàn)了雨污水管錯接普遍、雨水混入污水管、流量大的問題，表明市區(qū)雨污分流工作存在明顯的缺陷。

表2 降雨/非降雨對管網(wǎng)水質(zhì)濃度的影響Tab.2 Effect of Rainfall / Non-rainfall on Water Quality of Sewage Pipe Network

降雨期間，各片區(qū)均會出現(xiàn)污水管網(wǎng)高水位運行的現(xiàn)象，且雨后水深一般可快速回落至原有水平，但降雨期間水深增加的幅度顯示出管網(wǎng)輸水能力不足可能引發(fā)的風(fēng)險：如片區(qū)1監(jiān)測點平時水深約1.4 m，降雨時水深可飆升至5.0 m，已接近檢查井深度，管網(wǎng)污水溢流風(fēng)險大。

2.1.3 管網(wǎng)排水時間特征分析

觀察在線監(jiān)測數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)：不同片區(qū)居民生活污水水質(zhì)、水量雖有差異，但波動規(guī)律高度相似，這主要是因為生活污水排放的時間主要與居民生活作息有關(guān)，而同一城市不同片區(qū)居民的生活習(xí)慣整體上相似，生活污水排放時間在宏觀上并無明顯差異，因此，在分析管網(wǎng)排水時間特征時，選取某一管段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析即可。為盡可能降低降雨對水質(zhì)數(shù)據(jù)造成的干擾，在市區(qū)人口密集區(qū)的主干管上設(shè)置檢測點（主管水質(zhì)較穩(wěn)定，降雨等因素對管網(wǎng)污水正常水質(zhì)、水量波動的干擾較?。⒁越涤贻^少的8月22日～8月30日的數(shù)據(jù)為例進行分析，結(jié)果顯示（見圖5、圖6）管網(wǎng)水位、水質(zhì)均呈現(xiàn)出較明顯的周期性變化，其中水位（排水量）通常在00∶00～01∶00 達到峰值，而COD 和氨氮一般在01∶00～03∶00 期間達到當(dāng)日峰值，該現(xiàn)象較異常，與居民日常生活用水高峰不匹配，但結(jié)合本項目所在地存在大量夜宵攤檔的城市特點，可初步推測該特性為夜間餐飲廢水排放導(dǎo)致：前半夜排水主要為洗菜水（水量高峰先達到，此時水質(zhì)濃度不高），后半夜排水含有大量餐廚清洗水（水質(zhì)濃度升高，而水量高峰已過）。

圖5 監(jiān)測點水深變化Fig.5 Depth of Water at Selected Monitoring Point

圖6 監(jiān)測點水質(zhì)變化Fig.6 Water Quality of Selected Monitoring Point

2.2 管網(wǎng)淤堵分析

淤堵是市政管網(wǎng)運行中常見的問題，易導(dǎo)致輸水不暢，造成污水溢流、城市內(nèi)澇等嚴重后果，但因問題較隱蔽，且由于水力沖刷等因素影響，淤積程度往往是動態(tài)變化的，難以實時評估。本研究選取輸水量最大的污水主管為考察對象，沿程布設(shè)5套監(jiān)測設(shè)備，觀察8 月4 日～9 月30 日期間各點位單日平均水深，發(fā)現(xiàn)8 月20 日前整體上沿程水深逐段增加，降雨可導(dǎo)致各點位水深同步增加，符合主管運行的一般規(guī)律，但8 月20 日后，2#、4#監(jiān)測點水深均出現(xiàn)下降，且分別低于上游監(jiān)測點位水深，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，1#和2#監(jiān)測點之間、3#和4#監(jiān)測點之間分別出現(xiàn)了管道淤積，極有可能為8 月上中旬連續(xù)降雨，導(dǎo)致大量泥沙、垃圾沖擊入管，在主管不同管段沉積所致，監(jiān)測結(jié)果也反映了部分片區(qū)管網(wǎng)缺乏維護的問題，如圖7所示。

圖7 各主管監(jiān)測點水深變化Fig.7 Depth of Water at Monitoring Points on the Main Municipal Sewer Pipe

2.3 污水錯接情況分析

污水錯接問題是本研究所在城市排水系統(tǒng)的典型問題，箱涵是該市城市雨水排放系統(tǒng)的重要組成部分，但因污水管網(wǎng)接駁長期缺乏正確的指導(dǎo)，導(dǎo)致大量污水錯接進箱涵，并最終排入河溝，造成地表水體黑臭，為開展入涵排污口整改，需對箱涵污水匯入情況作分析。7 月26 日～8 月26 日期間，本項目對市區(qū)污水入涵量較大的箱涵中端（1#監(jiān)測點）和末端（2#監(jiān)測點）水質(zhì)、水量進行連續(xù)監(jiān)控。結(jié)果如圖8、圖9 所示，2個監(jiān)測點水質(zhì)濃度均較高，具有明顯的污水匯入特征，其中，1#監(jiān)測點水質(zhì)濃度顯著高于2#監(jiān)測點，表明該箱涵上中游污水匯入情況較嚴重。由于多數(shù)COD＜150 mg/L，氨氮＜30 mg/L，但高于市政污水管的水質(zhì)濃度，具有一定的居民化糞池出水的特征，同時注意到監(jiān)測點的水質(zhì)驟升均與降雨時間對應(yīng)（降雨期間兩監(jiān)測點出現(xiàn)短暫且同步的水質(zhì)、水量波動），可基本判斷存在周邊居民化糞池出水直接接入箱涵，降雨時，雨水將化糞池水沖出，導(dǎo)致短期內(nèi)入涵污水水質(zhì)升高。

圖8 箱涵監(jiān)測點水質(zhì)變化Fig.8 Water Quality at Monitoring Points on the Box Culvert

圖9 箱涵監(jiān)測點水深變化Fig.9 Depth of Water at Monitoring Points on the Box Culvert

3 結(jié)論

本項目在城市排水系統(tǒng)開展水質(zhì)、水量在線監(jiān)測，展示了管網(wǎng)在線監(jiān)測技術(shù)在管網(wǎng)運行特征分析、管網(wǎng)淤積問題排查、污水錯接情況分析等方面的應(yīng)用案例。實踐表明，運用在線監(jiān)測技術(shù)可顯著減少排水系統(tǒng)排查的人力投入，在問題發(fā)現(xiàn)的時效性上具有巨大的優(yōu)勢，且在線監(jiān)測能夠產(chǎn)生連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，有利于保障分析的科學(xué)性和系統(tǒng)性，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析有助于隱蔽問題的發(fā)現(xiàn)。

通過實時在線監(jiān)測設(shè)施對排水管網(wǎng)的水質(zhì)、水量等運行監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，不僅可以定量分析、評估及診斷排水管網(wǎng)錯混接、淤積、滲漏等存在問題，而且可以動態(tài)了解排水系統(tǒng)運行狀況及規(guī)律，為后續(xù)排水管網(wǎng)的設(shè)計、規(guī)劃及運營維護等提供科學(xué)決策的數(shù)據(jù)支持［10］?？纱蠓忍岣呤姓潘芫W(wǎng)系統(tǒng)管理效率及水平，具有一定的推廣應(yīng)用價值。