基于水位監(jiān)測的雨水系統(tǒng)管道運(yùn)行狀態(tài)診斷研究

沈偉康，滕嚴(yán)婷

（1.上海市自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)保稅區(qū)城市建設(shè)管理事務(wù)中心,上海市200131；2.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海市 200092）

防洪排水

基于水位監(jiān)測的雨水系統(tǒng)管道運(yùn)行狀態(tài)診斷研究

沈偉康1，滕嚴(yán)婷2

（1.上海市自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)保稅區(qū)城市建設(shè)管理事務(wù)中心,上海市200131；2.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海市 200092）

提出了一種基于檢查井水位在線監(jiān)測進(jìn)行雨水系統(tǒng)管道運(yùn)行狀態(tài)診斷研究的方法。通過在一定距離管道上下游檢查井安裝在線液位設(shè)備,監(jiān)測上下游檢查井液位,并推算相應(yīng)管道的充滿度,進(jìn)而通過管道水力學(xué)分析推算上下游管道流量。根據(jù)上下游管道流量差和所掌握的管道現(xiàn)狀拓?fù)潢P(guān)系,可以判斷該段管道上是否存在未知的流量接入或滲漏情況,為進(jìn)一步通過CCTV等設(shè)備檢查管道健康狀況提供決策支持,減少運(yùn)行維護(hù)成本,并提供異常狀況預(yù)警的及時(shí)性。通過設(shè)計(jì)流量監(jiān)測和現(xiàn)場設(shè)備安裝,經(jīng)對(duì)研究實(shí)例所采集數(shù)據(jù)的初步分析,證明了本方法的有效性。

雨水系統(tǒng);水位監(jiān)測;狀態(tài)診斷；檢查井；安全運(yùn)行

1 概述

在城市建設(shè)進(jìn)程中,雨污水管網(wǎng)系統(tǒng)的不斷擴(kuò)建和完善,同時(shí)也導(dǎo)致了排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜,出現(xiàn)管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、管道物理狀況不明,泵站水廠服務(wù)邊界不清等系列問題[1],影響了排水系統(tǒng)的合理高效運(yùn)行。造成排水管網(wǎng)系統(tǒng)問題的主要因素如下:

（1）雨污混接。雨污混接是現(xiàn)階段我國城市排水管網(wǎng)運(yùn)行管理中存在的典型問題。城市的排水系統(tǒng)經(jīng)過多年建設(shè),特別是老城區(qū)改造過程中,排水管網(wǎng)連接復(fù)雜,容易導(dǎo)致混接現(xiàn)象發(fā)生,造成城市污水收集系統(tǒng)產(chǎn)流來源及關(guān)系復(fù)雜,污水量波動(dòng)較大。同時(shí),在污水管網(wǎng)建設(shè)過程中,施工單位并未嚴(yán)格按圖紙施工,致使雨污管道施工接入混亂。此外,一些較早建成的生活小區(qū),雨污混流情況則更加嚴(yán)重[2,3]。

（2）地下水和內(nèi)河入滲。上海地處長江入海口,地下水位較高,內(nèi)河密布。由于建設(shè)周期不同,排水管道狀況存在較大差異,且存在眾多過河倒虹管道,部分老舊管道由于地面沉降、管節(jié)爆裂、土體穩(wěn)定性等問題,引起管道產(chǎn)生裂縫或破損,致使地下水和內(nèi)河滲入雨水管道,對(duì)雨水泵站的調(diào)度運(yùn)行產(chǎn)生較大影響[4]。

由于目前排水管網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行狀態(tài)等問題,仍以主區(qū)域分階段普遍排查為主要方式,人力物力資源投入較大。大范圍流量計(jì)在線監(jiān)測,可為進(jìn)一步提高管網(wǎng)運(yùn)行管理效率[5],形成更為科學(xué)的管網(wǎng)運(yùn)行診斷技術(shù)體系。因此,以在線水位監(jiān)測結(jié)合水力分析為主要手段,開展污水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)系統(tǒng)診斷與對(duì)策研究。

2 方法原理介紹

2.1 檢查井水位與其上下游管道水深的關(guān)系分析

從圖1中可以看出,檢查井水位與其上下游管道水深存在如下關(guān)系:

式中:h1為上游管道水深,m；h2為下游管道水深, m；H為檢查井水深,m；a為上游管道偏移量,m；b為下游管道偏移量,m。

圖1 檢查井水位與其上下游管道水深關(guān)系示意圖

通過安裝窨井液位計(jì)對(duì)檢查井水位進(jìn)行監(jiān)測,得到檢查井水深,由檢查井水深減去其上下游管道偏移量即可求得其上下游管道的水深。

2.2 管道水深與流量的關(guān)系

在測算獲得上下游管道水深后,可根據(jù)非滿流管渠水力計(jì)算原理[6],由排水圓管（直徑為d）水深h推求管道流量Q:

式中:Q為管道流量,m3/s；n為管道粗糙系數(shù)；A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2；I為水力坡度；R為水力半徑,m。

2.3 基于管道上下游檢查井水位的管道漏損分析

通過建立檢查井水位與管道流量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系Q=f（H）,即可由監(jiān)測直接獲取的檢查井水位值,通過上述計(jì)算式求得各檢查井上下游管道的流量。圖2為管道上下游檢查井示意圖。

圖2 管道上下游檢查井示意圖

根據(jù)流量連續(xù)性方程,管道上游進(jìn)流量Q1與管道下游出流量Q2的差值應(yīng)等于管道中蓄水量的變化速率,即:

式中:Q1為管道上游進(jìn)流量,m3/s；Q2為管道下游出流量,m3/s；S為管道的蓄水量,m3；t為時(shí)間,s。

旱流情況下,若管道中無支管接入,則引起管道蓄水量變化的因素有:管道滲漏量、地下水滲入量、雨水滲入量（雨季）等。根據(jù)式（4）:

若計(jì)算值為負(fù),則管道滲入量大于滲出量；若計(jì)算值為正,則管道滲入量小于滲出量。

若管道中有支管接入,則引起管道蓄水量變化的因素除管道滲漏量、地下水滲入量、雨水滲入量（雨季）以外,還有支管的流量。

式中:Σq為所有接入支管流量之和。

支管流量可通過24 h流量監(jiān)測獲取水量變化規(guī)律,以此計(jì)算得到24 h累計(jì)流量。

基于上述原理,對(duì)于無支管接入的管道,當(dāng)通過設(shè)備測得上下游檢查井水位后,即可通過水力分析,推算該段管道內(nèi)的流量變化,從而判斷該段管道的健康狀況是否正常,即是否存在地下水的滲入或者不明流量的接入等。

3 水位監(jiān)測設(shè)備安裝

根據(jù)雨水檢查井的埋深情況,可分別選擇在檢查井壁安裝超聲波液位計(jì)（見圖3）和壓力式液位計(jì)（見圖4）進(jìn)行檢查井水位監(jiān)測。結(jié)合排水管道施工竣工圖紙,以一定長度（本研究中設(shè)為300 m）的排水管道作為一個(gè)基本監(jiān)測單元開展漏損監(jiān)測,同時(shí)配備2臺(tái)窨井液位計(jì)和一名操作人員,監(jiān)測周期為24 h。

圖3 超聲波窨井液位計(jì)現(xiàn)場安裝圖

4 研究實(shí)例

以SH市某區(qū)域雨水管網(wǎng)為研究對(duì)象,該區(qū)域雨水管道總長為20.19 km,最終匯入WGQ第四雨水泵站,最大雨水管渠管徑為1 500 mm。基于上述原理,制定了雨水系統(tǒng)監(jiān)測方案,并針對(duì)其中富特東二路沿線雨水管線實(shí)施了設(shè)備安裝與監(jiān)測（見圖5、圖6）。

圖5 試驗(yàn)區(qū)排水監(jiān)測方案

圖6 監(jiān)測設(shè)備安裝點(diǎn)位示意圖

2017年4月7 日11:00至4月9日 10:30期間,監(jiān)測點(diǎn)74#（對(duì)應(yīng)31#檢查井）、73#（對(duì)應(yīng)28#檢查井）的水位數(shù)據(jù)及據(jù)此推算的上下游管道流量如圖7、圖8所示。由圖中可以明顯看出兩場降雨期間（4月7日23:00至4月8日06:00;4月9日3: 00-9:40）,上下游管道中流量具有較明顯的差異。經(jīng)調(diào)查,造成這種流量差異的因素除兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)之間的雨水口匯入外,尚存在一個(gè)雨水支管接入31#與28#檢查井,導(dǎo)致降雨時(shí)下游流量有明顯增加。以上實(shí)例說明了利用檢查井水位監(jiān)測推算上下游流量差異的有效性,從而可以據(jù)此方法查找未能明確的流量接入或者地下水滲入等情況。

圖7 檢查井監(jiān)測液位變化

圖8 管道流量變化

5 結(jié)論與建議

雨水管網(wǎng)系統(tǒng)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,出現(xiàn)破損、滲漏等狀況的可能性也隨之增大。此外,由于目前我國排水系統(tǒng)普遍存在基礎(chǔ)資料不夠完善、錯(cuò)接混接等現(xiàn)象普遍的情況,如何及時(shí)監(jiān)控管網(wǎng)中水位變化,并據(jù)此診斷分析出雨水管渠中可能存在的管道破損或混接等問題,從而采取及時(shí)有效的措施進(jìn)行處理和修復(fù),對(duì)于維護(hù)地下排水系統(tǒng)運(yùn)行安全、避免因污水錯(cuò)接經(jīng)雨水系統(tǒng)外排,從而保護(hù)水體環(huán)境具有重要意義。本研究提出基于雨水檢查井液位在線監(jiān)測的管道運(yùn)行狀態(tài)診斷方法,可以初步判斷兩監(jiān)測檢查井之間的管道的流量變化關(guān)系,避免了耗時(shí)耗力的大面積排查,為診斷管道健康狀況尤其是及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過程中管道內(nèi)部可能的異常流量提供有效的決策支撐。

[1]張厚強(qiáng),尹海龍,金偉,等.分流制雨水系統(tǒng)混接問題的調(diào)研技術(shù)體系[J].中國給水排水,2008(14):95-98.

[2]李田,周永潮,馮倉,等.分流制雨水系統(tǒng)雨污混接水量的模型分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008(9):1226-1231.

[3]李田,周永潮,李賀,等.基于流量調(diào)查的分流制雨水系統(tǒng)診斷研究[J].中國給水排水,2007(7):1-5.

[4]吳文俊.老城區(qū)排水管網(wǎng)收集技術(shù)研究[D].北京:清華大學(xué), 2010.

[5]雷景峰.水位監(jiān)測信息系統(tǒng)在排水管網(wǎng)管理中的應(yīng)用[J].中國給水排,2010(20):45-48.

[6]嚴(yán)煦世,劉遂慶.給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)（第三版）[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014.

TU990.3

B

1009-7716（2017）07-0084-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.025

2017-03-16

沈偉康（1962-）,男,浙江寧波人,工程師,從事市政設(shè)施建設(shè)管理工作。