城市排水管網(wǎng)診斷評(píng)估技術(shù)討論

何巍偉

(合肥中科國禹智能工程有限公司 安徽 合肥 230088)

隨著城市化的快速發(fā)展，城市排水系統(tǒng)的問題不斷累積和爆發(fā)。水體黑臭、排口排污、外來水入滲、管網(wǎng)錯(cuò)接混接、污水廠進(jìn)水濃度低等問題是一個(gè)涉及源頭、管網(wǎng)、泵站、污水廠、受納水體、截流調(diào)蓄設(shè)施等全要素、全過程的系統(tǒng)性問題，亟須通過加強(qiáng)排污源頭控制、完善城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)收集系統(tǒng)、排水設(shè)施缺陷修復(fù)以及專業(yè)化維護(hù)管理等一整套全方位的措施實(shí)，現(xiàn)城市水環(huán)境治理，保障城市排水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2019 年4 月三部委聯(lián)合印發(fā)《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案（2019—2021年）》，要求全國各地要加快解決城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)管網(wǎng)收集與處理設(shè)施的短板問題，努力實(shí)現(xiàn)城市污水系統(tǒng)“提質(zhì)增效”和完成城鎮(zhèn)污水全收集、全處理的目標(biāo)，并且針對排水管網(wǎng)這一核心問題，明確指出要建立周期性檢測排查制度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)問題、及時(shí)處置管網(wǎng)問題，建立起專業(yè)化的管網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)管理機(jī)制。因此，需要優(yōu)先開展排水管網(wǎng)排查與診斷評(píng)估研究，查明排水管網(wǎng)存在的各種缺陷和雨污混接情況，定量識(shí)別入流入滲、雨污混接等問題嚴(yán)重的區(qū)域，是采取有針對性措施的前提，是為制訂系統(tǒng)化提質(zhì)增效整治方案的先決條件。

1 管網(wǎng)檢測技術(shù)

排水管網(wǎng)檢測技術(shù)主要有人工法、閉路電視檢測（Closed Circuit Television Inspection，CCTV）、管道潛望鏡檢測（Pipe Quick View Inspection，QV）、聲吶檢測、水質(zhì)采樣檢測等[1-5]，這些管道檢測技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用中都是互補(bǔ)互用的，這樣可以彌補(bǔ)每種方法各自的缺點(diǎn)，以確保能夠準(zhǔn)確評(píng)估管道內(nèi)部問題。

1.1 人工法

人工法主要是專業(yè)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，直接對檢查井內(nèi)部和管道進(jìn)出口進(jìn)行測量與觀察判斷，或通過下井觀察和人工測量，來評(píng)估排水管網(wǎng)基本情況。如管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系、管網(wǎng)混接錯(cuò)接情況、管網(wǎng)上下游埋深、檢查井底部和地面高程等相關(guān)內(nèi)容。

1.2 閉路電視檢測（CCTV）

閉路電視檢測（CCTV）是利用帶有攝像頭錄像和照明功能的管道機(jī)器人，將其放入排水管道內(nèi)部，工作人員通過在地面控制管道機(jī)器人的前進(jìn)方向和行進(jìn)速度，對管道內(nèi)部進(jìn)行照明、拍照和錄像，并將管道內(nèi)部畫面實(shí)時(shí)展現(xiàn)在地面顯示器終端，實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與運(yùn)行狀態(tài)的檢測評(píng)估。CCTV 檢測技術(shù)適用于管網(wǎng)低水位運(yùn)行狀態(tài)，若水位超過高管道機(jī)器人則無法正常工作，一般可通過封堵上下游管道，將管道來水引流或抽送至他處來降低水位實(shí)現(xiàn)管道CCTV檢測。

1.3 管道潛望鏡檢測（QV）

管道潛望鏡檢測（QV）是利用可調(diào)節(jié)伸縮桿將帶有高放大倍數(shù)的攝像頭與光源放入檢查井或排水管道口處，獲取排水管道內(nèi)部清晰圖像，并在地面顯示器終端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和儲(chǔ)存。相對CCTV 檢測來說，其優(yōu)點(diǎn)是可便捷快速檢測，成本較低；但缺點(diǎn)是一次性檢測距離太短，不能深入管道內(nèi)部連續(xù)檢測。

1.4 聲吶檢測

聲吶檢測技術(shù)是以水為介質(zhì)利用聲吶設(shè)備對管道內(nèi)壁進(jìn)行掃描。聲吶檢測探頭從管道一端進(jìn)入，從另一端牽引而出，在此過程中連續(xù)采集信號(hào)，對管道空間及內(nèi)壁進(jìn)行掃描探測和定位。探測數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)配套專業(yè)軟件進(jìn)行分析處理獲得排水管道的問題點(diǎn)與過水?dāng)嗝媲闆r，包括識(shí)別排水管內(nèi)堵塞淤積、管內(nèi)異物等，但對管道結(jié)構(gòu)性缺陷檢測存在一定局限性，一般不作為缺陷準(zhǔn)確判定和修復(fù)的依據(jù)。

1.5 水質(zhì)采樣檢測

水質(zhì)采樣檢測是通過在排水設(shè)施關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（如管網(wǎng)主干節(jié)點(diǎn)、排口、泵站進(jìn)水口、污水廠進(jìn)出水口等）對水樣進(jìn)行人工取樣并送至第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)，獲取水樣的相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)來評(píng)估管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。水質(zhì)指標(biāo)一般以化學(xué)需量（COD）、氨氮（NH3-N）為主，根據(jù)實(shí)際情況可增加懸浮顆粒物（SS）、總氮（TN）、總磷（TP）及重金屬離子等指標(biāo)。通過水質(zhì)指標(biāo)濃度來分析管網(wǎng)地下水入滲、雨水入流、雨污混接、污染物負(fù)荷等情況。

2 在線監(jiān)測技術(shù)

城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)在線監(jiān)測技術(shù)在我國已有較長時(shí)間的研究，尤其是近些年隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展以及傳統(tǒng)排水行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，在線監(jiān)測技術(shù)得到了大量應(yīng)用。趙冬泉等人[6]將在線監(jiān)測技術(shù)和排水模型進(jìn)行結(jié)合，系統(tǒng)性評(píng)估和預(yù)測了某市老城區(qū)合流制排水系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)；盛平等人[7]以鎮(zhèn)江市排水管網(wǎng)和污水泵站為研究對象，建立了一套在線監(jiān)測體系；陳小龍等人[8]介紹了城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)分區(qū)監(jiān)測診斷的方法；何人杰等人[9]對無錫市污水系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測，研究評(píng)估其污水運(yùn)行規(guī)律；盛政等人[10]針對某市排水管網(wǎng)入流入滲問題，利用流量在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了分析診斷；余黎等人[11]利用水量和水質(zhì)相結(jié)合的監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了污水處理廠低濃度進(jìn)水問題的快速診斷評(píng)估；葉婉露[12]以某市排水系統(tǒng)為例建立了一套標(biāo)準(zhǔn)化的在線監(jiān)測分析流程。

在線監(jiān)測可以自主、持續(xù)、實(shí)時(shí)地收集排水系統(tǒng)的運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)排水設(shè)施某些問題的定量分析和診斷。例如：通過對排污企業(yè)進(jìn)行源頭在線監(jiān)測，可有效監(jiān)管和發(fā)現(xiàn)其偷排漏排問題；通過在排水管網(wǎng)關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水量在線監(jiān)測，獲取長期連續(xù)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，可有效識(shí)別排水管網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)律，還能對排水管網(wǎng)入流入滲、水量平衡核算等問題進(jìn)行定量診斷分析；通過對河道排口進(jìn)行在線監(jiān)測，可定量分析排口入河的污染負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)排口的動(dòng)態(tài)預(yù)警與監(jiān)管。

當(dāng)前，城市排水管網(wǎng)在線監(jiān)測指標(biāo)以液位、流量為主，由于水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)較為復(fù)雜，且設(shè)備價(jià)格昂貴，目前很少應(yīng)用于市政排水管網(wǎng)，更多的還是以人工取樣送至有資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)。液位在線監(jiān)測技術(shù)主要有電子水尺、壓力式、超聲波、紅外光、雷達(dá)和激光等測量技術(shù)，電子水尺（電極式）主要是利用電極來感應(yīng)水位高度變化并輸出不同的電信號(hào)達(dá)到測量的目的。壓力式傳感器是利用靜水壓力與水位高度的換算關(guān)系來獲得水位高度數(shù)據(jù)，具體又可分為投入式和氣泡式，前者固定于水下測量靜水壓力，后者則安裝在液面以上利用氣管進(jìn)行水下固定位置水壓力的測量。超聲波、雷達(dá)、激光和紅外光等非接觸式傳感器測量原理類似，均是利用某一發(fā)射對象（如聲波、電磁波、激光等）對不同介質(zhì)中的反射或散射現(xiàn)象進(jìn)行測距。其中超聲波和雷達(dá)傳感器因有更好的適用性和經(jīng)濟(jì)性，在城市內(nèi)澇監(jiān)測中得到較廣泛的應(yīng)用。流量監(jiān)測技術(shù)主要有超聲波、雷達(dá)、電磁等測量技術(shù)，其中電磁流量計(jì)多用于排水主干管滿管條件下的測量，如泵站出水管。在市政排水管網(wǎng)中當(dāng)前應(yīng)用較多的是多普勒超聲波流量計(jì)。多普勒超聲波流量計(jì)安裝于管網(wǎng)中，可通過聲信號(hào)反射時(shí)的多普勒效應(yīng)測量儀器所在深度的水中顆粒物流速，得到該水深處的水流流速，再利用速度面積法，根據(jù)水深與排水管網(wǎng)的截面積來計(jì)算獲得流量。

3 排水管網(wǎng)綜合診斷評(píng)估技術(shù)

在進(jìn)行城鎮(zhèn)排水設(shè)施補(bǔ)短板，實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效的系統(tǒng)性工程之前，首先要摸清排水管網(wǎng)現(xiàn)狀、明晰排水管網(wǎng)存在的問題，開展城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)的排查與診斷評(píng)估工作，只有這樣才能采取科學(xué)有效的工程性措施和管理機(jī)制。目前，傳統(tǒng)的排水管網(wǎng)排查與診斷評(píng)估方法，主要是通過現(xiàn)場調(diào)查、勘查測繪、CCTV、QV、聲吶檢測、水質(zhì)采樣化驗(yàn)等多種技術(shù)方法。不同技術(shù)方法也各有優(yōu)勢與局限，同一技術(shù)方法在不同情況、不同操作下所取得的效果也有很大差別。特別是采用CCTV、QV 等檢測技術(shù)大面積檢測城市排水管網(wǎng)時(shí)，檢測費(fèi)用巨大，排查效率較低，時(shí)效性不強(qiáng)。尤其是對于“建立污水管網(wǎng)排查和周期性檢測制度”來說，若每次管網(wǎng)排查或檢測都全面鋪開，其花費(fèi)的人力、物力可能造成巨大的浪費(fèi)。

針對上述問題，本文提出在線監(jiān)測、管網(wǎng)檢測相結(jié)合的綜合診斷評(píng)估技術(shù)方案。首先，充分利用在線監(jiān)測診斷技術(shù)進(jìn)行管網(wǎng)分區(qū)診斷，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵問題區(qū)域的初步篩選和定位。通過分析現(xiàn)有管網(wǎng)資料，根據(jù)管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系劃定監(jiān)測分區(qū)單元，合理布設(shè)在線監(jiān)測點(diǎn)位，以相對較低成本開展長期或短期水量在線監(jiān)測，獲取大量連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并可根據(jù)需要輔以人工水質(zhì)取樣檢測。通過水質(zhì)、水量數(shù)據(jù)，對排水管網(wǎng)水量平衡、運(yùn)行負(fù)荷等進(jìn)行分析評(píng)估，對錯(cuò)接混接、入流入滲等管網(wǎng)問題進(jìn)行初步識(shí)別，快速診斷并縮小排水管網(wǎng)問題存在范圍，客觀評(píng)估排水系統(tǒng)現(xiàn)有運(yùn)行效能，同時(shí)為下一步CCTV、QV等管網(wǎng)定點(diǎn)檢測提供重要依據(jù)。其次，根據(jù)在線監(jiān)測診斷分析結(jié)果，對發(fā)現(xiàn)問題的管網(wǎng)片區(qū)，利用CCTV、QV 等傳統(tǒng)檢測技術(shù)進(jìn)行關(guān)鍵問題區(qū)域的局部快速排查，精確診斷管網(wǎng)破損、錯(cuò)接混接、堵塞、腐蝕、滲漏等問題，并實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)問題的精確定位。為后續(xù)的管網(wǎng)運(yùn)維、管網(wǎng)改造以及修復(fù)工程性措施提供專業(yè)化支撐。

在線監(jiān)測、管網(wǎng)檢測相結(jié)合的綜合診斷評(píng)估技術(shù)，一般包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查、在線監(jiān)測診斷、局部檢測排查、綜合診斷評(píng)估這幾個(gè)環(huán)節(jié)。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查即對現(xiàn)場踏勘調(diào)研成果、管網(wǎng)數(shù)據(jù)及相關(guān)資料進(jìn)行收集、整理和初步分析，為后續(xù)工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。主要資料包括排水管網(wǎng)及附屬設(shè)施的位置分布及屬性信息，排口、截流調(diào)蓄設(shè)施、泵站、污水廠等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信息，河流水系與發(fā)展規(guī)劃等涉水資料。重點(diǎn)分析管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系結(jié)構(gòu)，排口、泵站、污水廠等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)、出水情況，并根據(jù)管網(wǎng)研究診斷目標(biāo)和范圍，按層級(jí)合理劃分排水分區(qū)，為下一步科學(xué)制訂在線監(jiān)測方案與后續(xù)監(jiān)測檢測奠定基礎(chǔ)。

3.2 在線監(jiān)測診斷

在線監(jiān)測診斷工作首先需要制訂在線監(jiān)測方案，這將直接影響投資費(fèi)用以及最終管網(wǎng)診斷評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)管網(wǎng)診斷評(píng)估目標(biāo)、管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系、劃分好的排水分區(qū)以及相關(guān)現(xiàn)狀資料，制訂合理可行的在線監(jiān)測方案，科學(xué)設(shè)置在線監(jiān)測點(diǎn)位置與數(shù)量密度，明確在線監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)采集指標(biāo)、時(shí)間以及頻率等參數(shù)。

在線監(jiān)測診斷實(shí)施過程中，要重點(diǎn)把握排水分區(qū)內(nèi)的管網(wǎng)匯流點(diǎn)、排口、截流調(diào)蓄設(shè)施、泵站、污水廠、典型排水戶等關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)，緊緊圍繞管網(wǎng)監(jiān)測診斷評(píng)估目標(biāo)，分區(qū)域、分層級(jí)設(shè)置在線監(jiān)測點(diǎn)位，以獲取高質(zhì)量有代表性的監(jiān)測數(shù)據(jù)。并且在實(shí)施過程中要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況、監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量以及管網(wǎng)診斷目標(biāo)的變化和新出現(xiàn)的問題，及時(shí)優(yōu)化完善在線監(jiān)測方案，靈活調(diào)整監(jiān)測點(diǎn)位置及數(shù)量。另外，在線監(jiān)測診斷過程中可根據(jù)實(shí)際需要同時(shí)輔以人工水質(zhì)檢測作為對比和完善，以保證在線監(jiān)測診斷評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。

根據(jù)在線監(jiān)測所獲得的管網(wǎng)液位、流量數(shù)據(jù)以及人工水質(zhì)采樣獲得的水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，可對研究片區(qū)進(jìn)行初步的診斷分析評(píng)估。主要包括管網(wǎng)負(fù)荷分析、排污變化規(guī)律分析、入流入滲分析、區(qū)域污水量核算等，可初步確定排水管網(wǎng)問題目標(biāo)區(qū)域位置及問題嚴(yán)重程度，指導(dǎo)后續(xù)管網(wǎng)局部檢測排查工作，縮小排查范圍和明確重點(diǎn)工作方向，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)問題的快速排查和精確定位。

3.3 局部檢測排查

根據(jù)在線監(jiān)測診斷評(píng)估結(jié)果，對于初步判定的排水管網(wǎng)問題目標(biāo)區(qū)域與問題嚴(yán)重程度，可利用CCTV、QV 等傳統(tǒng)管網(wǎng)監(jiān)測方法在問題目標(biāo)區(qū)域開展局部排查，對各類排水管網(wǎng)問題實(shí)現(xiàn)快速精確排查和精確定位，詳細(xì)查明排水管網(wǎng)的腐蝕、破損、接口錯(cuò)位、淤積、結(jié)垢、雨污混接、排水不暢等問題現(xiàn)狀，為后續(xù)精確評(píng)估排水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)性、功能性缺陷以及系統(tǒng)性綜合診斷評(píng)估提供支撐。

3.4 綜合診斷評(píng)估

根據(jù)在線監(jiān)測診斷成果與局部檢測排查結(jié)果，開展排水管網(wǎng)綜合診斷評(píng)估，對排水管網(wǎng)存在的問題進(jìn)行系統(tǒng)性的分析和診斷?；谂潘芫W(wǎng)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與局部檢測數(shù)據(jù)，可相互對比驗(yàn)證，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)排水管網(wǎng)問題和指導(dǎo)管網(wǎng)綜合診斷評(píng)估工作的優(yōu)化調(diào)整；可快速、高效地對不同排水分區(qū)的排水規(guī)律、水量平衡核算、運(yùn)行負(fù)荷、入流入滲等進(jìn)行定量化分析評(píng)估，判斷排水管網(wǎng)雨污混接、管網(wǎng)擁堵、管網(wǎng)滲漏以及其他管網(wǎng)問題所在位置與嚴(yán)重程度；系統(tǒng)性診斷識(shí)別管網(wǎng)問題與區(qū)域排水系統(tǒng)的問題，提出管網(wǎng)問題整治建議；并且可針對以上問題，編制系統(tǒng)化的排水系統(tǒng)治理方案，為區(qū)域排水系統(tǒng)的整體發(fā)展規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)、運(yùn)維管理等工作提供支撐，實(shí)現(xiàn)城市污水系統(tǒng)“全覆蓋、全收集、全處理”的目標(biāo)，保障城市排水系統(tǒng)穩(wěn)定、高效地運(yùn)行，有效治理城市水環(huán)境污染問題。

4 結(jié)語

城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)的綜合診斷評(píng)估，是了解城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)現(xiàn)狀、發(fā)現(xiàn)排水系統(tǒng)問題的重要手段，也是開展城市排水系統(tǒng)綜合治理、工程設(shè)計(jì)規(guī)劃和日常管理維護(hù)的重要基礎(chǔ)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，在線監(jiān)測技術(shù)在城市污水提質(zhì)增效工作中起到健康診斷的重要作用。通過排水管網(wǎng)在線監(jiān)測診斷，能夠快速、低成本地獲取片區(qū)管網(wǎng)健康情況，再結(jié)合局部管網(wǎng)檢測手段，迅速定位發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)問題所在，為管網(wǎng)修復(fù)、改造等工程性措施提供先決條件。

基于可靠的片區(qū)在線監(jiān)測診斷結(jié)果，以及局部管網(wǎng)快速檢測排查結(jié)果，實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)快速、有效的綜合診斷評(píng)估，可作為一種有效的管網(wǎng)周期性排查技術(shù)手段。不僅避免了因全面開展CCTV、QV 檢測而費(fèi)用巨大、時(shí)間周期長、檢測普查成果時(shí)效性不高等問題，還大大提高了排水管網(wǎng)排查與診斷評(píng)估的工作效率。另外，在有條件的地區(qū)，可長期保留在線監(jiān)測點(diǎn)位，作為排水系統(tǒng)的常規(guī)管理手段，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)位的常規(guī)化監(jiān)測診斷評(píng)估，定量分析評(píng)估排水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，可配套建立監(jiān)測分析與預(yù)警調(diào)度系統(tǒng)，與日常排水管理業(yè)務(wù)緊密結(jié)合，有效指導(dǎo)排水管網(wǎng)的日常運(yùn)行維護(hù)及應(yīng)急處置。又或者，可實(shí)行分區(qū)輪換在線監(jiān)測診斷，并配合局部快速檢測排查，周期性逐步覆蓋和實(shí)現(xiàn)所有排水管網(wǎng)的綜合診斷評(píng)估，有效保障“建立污水管網(wǎng)排查和周期性檢測制度”的落實(shí)和實(shí)施。