基于水下聲吶的沿河截污干管運行現(xiàn)狀探查與分析

宋振豪，陳思宇，潘輝，張治

（1.深圳市寶安排水有限公司，廣東 深圳 518101；2.南京水利科學研究院，南京 210029；3.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，昆明 650051）

1 引言

沿河截污干管是用平行并靠近河道岸邊線的污水管，將排水區(qū)域內所有直接向水體排放污水的干管或支管截流，使污水沿該干管匯流到污水處理廠進行處理的一種管道[1-2]。 這種沿河截污干管一般具有管徑大、運行水位高、受地形變化影響大、施工困難、造價較高的特點。

由于沿河截污干管所處環(huán)境復雜， 又受到各種因素的影響，管道狀況無法一直保持完好，而傳統(tǒng)內窺檢測技術普遍難以適用于截污干管運行現(xiàn)狀的探查， 使得管道內部出現(xiàn)缺陷后不能及時發(fā)現(xiàn)并維護，導致缺陷逐漸積累放大，最終引發(fā)嚴重的管道問題[3]，因此，適用于沿河截污干管運行現(xiàn)狀探查的新興檢測技術的引進（如水下聲吶探查技術），并針對沿河截污干管運行現(xiàn)狀與缺陷分析的探索十分必要且重要。

2 水下聲吶探查

2.1 水下聲吶

水下聲吶通過激發(fā)換能器發(fā)射固定頻率的聲波， 波束在水中傳播到達物體表面后反射，接收換能器接收到反射信號，并將其轉化為電信號， 最終通過地面控制端將掃描到的信息以圖像的形式進行顯示。 針對沿河截污干管運行現(xiàn)狀探查，水下聲吶通過發(fā)射聲脈沖分別形成掃描斷面及掃描扇區(qū) （見圖1），即可得到管道內壁的界面數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù)，再通過水平方向和垂直方向多個角度的掃描， 即可實現(xiàn)截污干管管段內壁的360°掃描探查[4]。

圖1 水下聲吶探查效果示意圖

2.2 水下無人潛航器

針對沿河截污干管探查工作，有纜水下無人潛器（Remote Operated Vehicle,ROV）作為水下聲吶的載體裝備，主要由甲板控制單元、臍帶纜、潛航器單元、臍帶纜絞車電力供應單元組成。

甲板控制單元由計算機控制、 視頻記錄機以及手持控制臺組成，其中，計算機控制單元具備實時監(jiān)測潛器單元狀態(tài)，包括潛器單元所在位置、深度、傾向、傾角、方位角等信息的功能； 保障操作員實時對潛器單元的空間位置及姿態(tài)進行及時調整，并對水下探查成果進行實時顯示；手持控制臺單元則是完成對潛器單元運動的控制， 控制信號以及視頻信號通過臍帶纜實現(xiàn)控制端和水下潛器單元的實時傳輸[5]。

水下聲吶與艏向傳感器、深度傳感器、姿態(tài)傳感器、水下定位設備等傳感器在水下無人潛航器上同時搭載（見圖2），形成了沿河截污干管運行現(xiàn)狀調查的探查裝備。

圖2 水下無人潛航器示意圖

3 探查與分析技術思路

針對沿河截污干管運行現(xiàn)狀進行探查與分析， 不僅面臨著水體能見度低、高水流速、水體懸浮雜質多、作業(yè)通道狹小的復雜環(huán)境，并且對污水轉輸效率有要求，現(xiàn)場工作需在極有限的工作窗口期內高效完成，因此，采用水下聲吶開展沿河截污干管運行現(xiàn)狀探查與分析， 宜分為綜合探查及分析兩個階段[6-7]。

1）綜合探查階段。 采用水下無人潛航器搭載水下聲吶開展干管內壁的斷面掃描及扇形掃描，實現(xiàn)管段三維數(shù)字化全覆蓋探查。 在此基礎上，結合管道內部環(huán)境，聯(lián)合應用包括光學探查、電法探測等多種技術協(xié)作，完成沿河截污干管多參數(shù)探查數(shù)據(jù)采集。 管道探查過程中，水下無人潛航器以平行于管道中軸線的方式進行測線布置，完成多參數(shù)實測數(shù)據(jù)采集與解譯， 精確標記并劃分管道內壁缺陷的分布部位以及規(guī)模。

2）綜合分析階段。 根據(jù)綜合探查階段獲得多參數(shù)實測資料的解譯成果， 結合市政排水管道主要結構性缺陷及功能性缺陷的特征開展綜合分析，確定管道內壁缺陷的類型，并從截污干管及附屬設施、水質凈化廠、輸水泵站、毗鄰河道多個維度開展沿河截污干管運行現(xiàn)狀問題的系統(tǒng)分析， 為沿河截污干管系統(tǒng)亟待整改的關鍵問題及決策提供信息支撐及決策依據(jù)。

4 應用實例

4.1 項目概況

深圳市某沿河截污干管，探查范圍內全長10.5 km，作為該片區(qū)重要的行洪通道，且臨近交通要道，與周邊市民的生活息息相關。 該截污干管系統(tǒng)由于附近區(qū)域的施工改造，截污干管存在遷改、地面檢查井覆蓋等系列問題（見圖3）。 其日常管養(yǎng)工作困難重重，加上長期處于高水位運行狀態(tài)，污水冒溢以及河堤坍塌等突發(fā)情況頻出。

圖3 沿河截污干管示意圖

圍繞該沿河截污干管運行現(xiàn)狀的調查， 采用水下聲吶作為主要探查技術手段，并結合管道內部的環(huán)境，聯(lián)合應用包括光學探查、電法探測等多種技術協(xié)作，完成沿河截污干管多參數(shù)探查數(shù)據(jù)采集，并在此基礎上，綜合截污干管及附屬設施、水質凈化廠、輸水泵站、毗鄰河道多個維度開展了沿河截污干管運行現(xiàn)狀問題的系統(tǒng)分析。

4.2 綜合探查成果統(tǒng)計

通過應用包括水下聲吶在內的措施對沿河截污干管現(xiàn)狀探查，共發(fā)現(xiàn)缺陷管段126 段，管段缺陷率為85.71%。 共發(fā)現(xiàn)缺陷328 處，其中，結構性缺陷177 處，功能性缺陷151 處；1 級缺陷160 處、2 級缺陷114 處、3 級缺陷33 處、4 級缺陷21處。 其綜合分析成果如下。

1）“廠”維度分析。 污水處理廠（二期）未建成投入運行之前，一期工程無法及時處理進入前池的污水量，致使前池囤積污水，使得上游來水管水位上升，導致了沿河截污系統(tǒng)水位抬高。

2）“網(wǎng)”維度分析。 輸水能力方面，截污管主要轉輸河道左右岸雨污分流無法改造的區(qū)域及排澇泵站臨時抽排來水，現(xiàn)狀管徑滿足污水流量輸送要求， 不會導致管內高水位運行或冒溢；管道逆坡方面，發(fā)現(xiàn)多處逆坡管段，其中，下游末端過河管逆坡現(xiàn)象較為明顯；管道缺陷方面，共發(fā)現(xiàn)缺陷328 處，可見管段變形（Ⅱ級）及滲漏（Ⅲ級）等重大缺陷；外水入污方面，發(fā)現(xiàn)多處錯接，包括雨篦接入污水管、截留溢流井等。

3）“河”維度分析。 沿河截污管上下游，以及沿河截污管結構性三、四級缺陷臨近位置的河道水質氨氮值均低于1.5 mg/L，達到地表水環(huán)境質量Ⅳ級標準，未見明顯污水入河現(xiàn)象。 但河道斷面顯示，管內水面標高基本高于河水面標高，存在污水入河隱患，建議加強巡視與監(jiān)測。

4）“站”維度分析。 排澇泵站來水范圍仍有污水未完全剝離，導致污水通過連通管經(jīng)泵站進入截污管，增加了截污干管的污水轉輸負荷。 建議進一步將未剝離完全的污水接入市政污水管網(wǎng)，恢復泵站排澇的主要功能。

5 結語

沿河截污干管運行現(xiàn)狀調查，受運行條件的限制，必須克服水位高、水體懸浮雜物多、作業(yè)通道小等復雜環(huán)境，通過采用水下無人潛航器作為水下工作載體，搭載水下聲吶等，以綜合探查及分析為工作思路，開展運行現(xiàn)狀探查與分析。 該方案彌補了傳統(tǒng)技術在高水位沿河截污干管缺陷探查中的不足，同時為截污系統(tǒng)關鍵問題及整治措施的制定提供了信息支撐及決策依據(jù)，具有良好的拓展應用前景。