基于分布式傳感器在線監測數據的排水管網安全運行問題識別與分析

周標 董毓良

摘? 要：城市排水管網埋藏于地下，存在混接、錯接、滲漏、淤堵、溢流、井蓋移位、有毒有害氣體聚集等安全運行問題。通過對復雜的排水管網建立一套完整、穩定的安全運行監測系統，依托長期可靠的在線監測數據，可以定量的分析、評估及診斷管網的安全運行問題，有效的識別預警雨污混接、污水溢流、管道淤積、城市內澇和可燃氣體聚集爆炸等事故，提高市政排水工作的管理效率，具有一定的實用價值和推廣意義。

關鍵詞：排水管網;分布式傳感器;監測數據;安全運行

中圖分類號：TU992 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）25-0001-06

Abstract： The urban drainage pipe network is buried in the ground， and there are some problems in safety operation， such as mixed connection， misconnection， leakage， clogging， overflow， manhole cover displacement， accumulation of toxic and harmful gases and so on. Through the establishment of a complete and stable safety operation monitoring system for complex drainage networks， and relying on long-term and reliable online monitoring data， it is possible to quantitatively analyze， evaluate and diagnose the safety operation problems of drainage network， and effectively recognize and early warn the accidents such as rain-sewage mixing， sewage overflow， pipeline siltation， urban waterlogging and combustible gas explosion. It can improve the management efficiency of municipal drainage work， and has certain practical value and promotion significance.

Keywords： drainage pipe network; distributed sensor; monitoring data; safety operation

1 概況

我國的2007～2017年全國新增排水管道長度36.9萬千米，年均增長率在5.6～12%之間，截止到2017年底，我國城市排水管道長度總量達到 63.0萬千米，其中超過27萬千米排水管網的使用年齡在十年以上[1]。而城市排水管網多是隱蔽工程，埋于路面以下，拓撲結構復雜，運行工況多樣，出現安全運行問題后不易被發現。因排水管網運行異常而造成的雨污水溢流、路面塌陷、城市內澇、地表水污染和沼氣聚集爆炸等事故，嚴重影響了城市安全和居民生活（圖1）。

排水管網的運行安全問題主要包括混接、錯接、滲漏、淤堵、溢流、井蓋移位傷人、有毒有害氣體聚集爆炸及在車流人流密集路段因排水管網滲漏可能產生路面塌陷等。這些風險隱患與管網運行的主要指標及參數，如流速、流量、水位、可燃有毒氣體濃度等都密切相關。通過對復雜的排水管網建立一套完整、穩定的安全運行監測系統，實時獲取管網運行在線監測數據，一方面可以了解排水管網整體運行的動態規律以及風險情況，使各種風險隱患關口前移，降低安全事故的發生的幾率;另一方面通過長期監測數據的積累，為排水管網的科學研究、設計、規劃改造及運行維護提供數據支撐。

2 分布式傳感器

為了實時獲取排水管網的主要運行參數，如水位、流速、流量、可燃有毒氣體氣體濃度和井蓋移位等，以識別排水管網在運行過程中存在的安全問題，需要在排水管網的主干及關鍵節點布設流量計、液位計、可燃氣體監測儀和智能井蓋等傳感器，形成一套覆蓋全面的安全運行監測網。

2.1 流量計

排水管道中的流量測量多采用多普勒超聲波流量計，可實現排水管網或明渠等場合的滿管、非滿管流量在線長期穩定監測與積水及溢流預警報警。其測量工作原理是使用速度面積法，液位測量使用壓力測量原理，速度測量使用多普勒超聲波測量原理，當超聲波入射到水中，水中存在著不均體（如懸浮物等）將對聲波產生不規則散射，散射聲波的一部分被接收換能器接收，由于水流存在，散射體與發射器、接收器之間有相對運動，據多普勒效應原理，接收到的反射信號頻率有一定偏高，即多普勒頻移。根據多普勒頻移方程，頻移的大小：

式中：△Fd-多普勒頻移;F0-發射超聲波頻率，Hz;C-水中聲速，m/s;V-水中流速，m/s;θ-發射波速和接收波速相對于水流方向的夾角。

超聲波發射頻率為常數，換能器夾角安裝后固定不變，所以K為常數。由式（3）可見，流速V和多普勒頻移△Fd及水的聲速C成正比，只要檢測出多普勒頻移△Fd和水的聲速C，即可計算出流速（圖2）。

①流速測量傳感器;②壓力水位測量傳感器（可選）;③傳感器本體;④接地板;⑤電纜;⑥電纜壓蓋

2.2 液位計

排水管道或檢查井的液位測量多采用液位靜壓式傳感器，可設置報警點，當液位高于或低于設定值時，發生報警。其利用液體靜壓力進行測量，當測量探頭放入液體中時，設大氣壓為P0，液面到測量元件高為h，液體密度為ρ，當地重力加速度為g，則變送器探頭上所受壓力為：P1=P0+ρ×g×h，敏感元件的負側通過導氣電纜與大氣相通所受壓力為：P2=P0。所以測量元件所測到的壓強差值為：P=P1-P2=ρ×g×h，對于特定的液體介質和確定的地區，ρ和g均為常數，所以P與h呈線性關系，即可得到液體深度（圖3）。

2.3 可燃氣體監測儀

可燃氣體監測儀是對單一或多種可燃氣體濃度響應的探測器。通過檢測排水管網內可燃氣體濃度，輔助監測井內溫度，防止當達到爆炸極限或遇到明火發生爆炸的情況發生。

雨污水檢查井或密閉箱涵內的可燃氣體濃度（一般為甲烷）測量多采用紅外光學型傳感器，其是利用紅外傳感器通過紅外線光源的吸收原理來檢測現場環境的碳氫類可燃氣體，一般選用具有低功耗、節電、防爆、壽命長、易維護等優點的可燃氣體監測設備（圖4）。

2.4 智能井蓋

在排水系統檢查井的井蓋上安裝智能井蓋傳感器，通過全軸傾角傳感技術，監控井蓋狀態，當井蓋姿態、形態發生改變時，即時發出井蓋異常報警信號，可在第一時間得知井蓋異常信息，及時進行調度處置，提前發現并消除安全隱患（圖5）。

3 排水管網安全運行問題識別

基于多個試點海綿城市監測項目和合肥市城市生命線安全運行監測項目等部署的大量分布式傳感器，對相關的監測數據進行分析研判，可以有效識別排水管網的安全運行問題，主要針對雨污混接、錯接、淤積、溢流、入流入滲、可燃氣體爆炸等管網安全運行問題進行分析識別。

3.1 雨污混流

部分地區排水系統建設不完善，污水管道設計標準低，口徑偏小無法容納大量污水;老住宅區化糞池和街坊內部下水道仍采用合流制，未達到分流制的排水要求;工廠的排放設施和必要的污水預處理工程未按要求進行改造與實施，企業及工廠偷排偷放;施工單位在進行雨污分流改造時，審核不嚴，未按照標準圖紙進行施工，造成污水錯接至雨水井。這些原因導致了大量的雨污混接現象，造成了污水處理廠的污水量不足，大量未經處理的污水隨雨水進入河道造成水體污染。

通過在排水系統的入河排口、管網主干節點、企業/工廠/住宅小區雨水總排口等處布設流量計，通過判讀是否存在旱季流量及分析旱季流量的排放規律即可識別雨污混接、企業偷拍等現象。例如：圖6-a為某河道雨水排口的流量過程線，該排口非降雨時段長期有流量且排放曲線較為規律，存在兩個排放峰值，即每天的早晨8-10點及晚上9-11點，與生活污水排放規律基本一致，判斷為住宅小區污水管錯接雨水管;圖6-b為某市政道路雨水管網主干節點的流量過程線，非降雨時段連續多天均有短時排水，但排放無規律，經現場核實為綠化灑水;圖6-c為某企業雨水排口的流量過程線，該排口非降雨時段有流量且排放曲線較為規律，每天的凌晨2-5點左右開始排水，判斷為企業處理污水排水（水質未知）;圖6-d為某雨水管網主干節點的流量過程線，11月14號出現流量，但前后數天均無排水，為突發性臨時排水，排放原因較難核實。

3.2 淤積

由于設計不合理、施工不規范、垃圾隨意傾倒、施工泥漿水直排、管養不及時、疏浚不徹底等各方面的原因，都會導致排水管道的淤積。當排水管道淤積到一定程度時，其排水能力急劇下降，最終會造成管道堵塞，進而引發內澇積水或污水溢流污染等事件。同時管道的過度淤積還會對地下水環境造成影響，淤積物中的有機物在微生物的作用下會產生有毒害氣體，并最終轉化成酸性物質腐蝕破壞管道，導致管道滲漏進而污染地下水。

通過在淤積高風險區域的排水管道的上、下游節點布設流量及液位等監測設備，通過長時間序列的監測數據分析可以有效識別管道的淤積和上下游管道坍塌或阻塞等問題。

（1）監測段淤積識別

圖7為某市政污水管道2017年10月至2018年5月之間的多條日液位變化過程線，通過對比分析可以看出日液位有明顯的上升趨勢，平均液位上升0.05～0.12m左右，判斷該監測段管道淤積深度在0.05～0.12m之間。

（2）下游坍塌或阻塞識別

圖8為某污水管道2017年9月至2018年2月的液位變化過程線，通過分析可知該管道的下游某處在2017年10月2號凌晨1點左右發生坍塌或阻塞，導致上游液位壅高，由液位上升的平均高度判斷堵塞高度為0.53m左右;2018年1月18號上午10時，經過清淤后，管道液位迅速降低，并趨于正常。

圖9為某雨水管道的流量及液位變化過程線，通過分析可知自2018年1月7號上午9點以后，雖降雨持續，但流量卻迅速減少，而管道液位持續升高，判斷為因管道下游發生坍塌或阻塞，水流無法排出，導致流量減少，液位持續壅高。

（3）上游坍塌或阻塞識別

圖10為某污水管道的流量及液位變化過程線，通過分析可知自2017年10月25號23點以后，流量和液位都急劇降低，并趨于零，判斷為因上游發生坍塌或阻塞，上游無來水，導致流量減少，液位降低。

3.3 溢流

當城市出現強降雨天氣時，隨著降雨量的不斷增加，局部地區由于管道設計標準低，會導致排水不及時，雨水檢查井發生溢流進而造成積水內澇;同時部分區域的雨水也會混入污水系統，當混合流量超過了污水管網的輸送能力就會出現污水溢流，從而產生城市溢流污染。

通過在排水系統設計標準低或地勢低洼區域的檢查井內布設液位計，通過設置報警值判斷管道是否發生溢流。例如：圖11為某污水管道檢查井的液位變化過程線，2018年1月31號14：00～15：00發生溢流，測量的液位最高值為3.693m，高于地面0.193m;圖12為某雨水管道檢查井的液位變化過程線，2019年1月8號13：00～22：00發生溢流，測量的液位最高值為2.695m，高于地面0.095m。

3.4 入流入滲

入流和入滲是城市污水管道普遍存在的問題，是城市污水管道和合流制管道雨天發生過載甚至溢流的主要原因之一，對于污水管網運行危害較大。大量的入流入滲不但會造成檢查井溢流，影響交通和環境衛生等，同時還增加了污水處理廠的負荷和運行費用。另外，滲漏也會造成管路周圍土體的空洞化，引起塌陷而損壞管道和路面[2]。

通過在污水管道的主干節點布設流量計，利用旱天流量識別生產生活污水排放規律，將其和雨天流量監測數據進行對比分析，便可以得到降雨時的入流入滲量。例如：圖13為單場降雨時，某進污水處理廠的主干管道的流量變化過程線，通過擬合的旱天流量排放過程線，即可求得此次降雨時該片區的污水管道入流入滲量，經計算約為10047m3;圖14為連續多場降雨時，某污水管道支管的流量變化過程線，通過擬合的旱天流量排放過程線，即可求得連續多場降雨時，該支管控制片區的污水管道入流入滲量，經計算約為3517m3。

3.5 可燃氣體爆炸

由于排水管網地下空間環境復雜，檢查井長期封閉，排水箱涵或管道因淤積易導致淤泥發酵，產生沼氣;同時相鄰的燃氣管網發生燃氣泄漏也極易擴散至排水管網中，大量的可燃氣體聚集，一旦遭遇明火時，會引發大空間爆炸。

沼氣和燃氣的主要成份都是甲烷，通過在易淤積的污水井或靠近燃氣管網的雨污水井布設可燃氣體監測儀，監測檢查井內甲烷濃度和溫度的變化情況，即可判別并提前預知爆炸風險，從而將排水管網可燃氣體的爆炸風險消除在萌芽狀態。例如：圖15為合肥某小區門口的污水檢查井的可燃氣體濃度變化過程線，自2018年3月7日07時03分，甲烷濃度報警值上升至5.1%，此后該井內的可燃氣體濃度持續上升，到2018年3月12日11時01分，報警濃度值達到9.93%。經現場核實，報警為污水檢查井內的沼氣聚集導致的。

4 結論

通過對復雜的排水管網建立一套完整、穩定的安全運行監測系統，實時的獲取管網的流速、流量、水位、可燃氣體濃度及井蓋移位等在線運行監測數據，依托這些長期可靠的在線監測數據，一方面可以定量的分析、評估及診斷排水管網的雨污混接、淤積、溢流、可燃氣體超標、井蓋移位等安全運行風險，使各種風險隱患關口前移，降低安全事故的發生的幾率;另一方面也可以了解排水管網整體運行的動態規律，為排水管網的科學研究、設計、規劃改造及運行維護提供數據支撐。

基于分布式傳感器的排水在線監測系統的建設與應用，可以有效的提高市政排水工作的管理效率和精細化管理水平，具有一定的實用價值和推廣意義。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房與城鄉建設部.2017年城鄉建設統計年鑒[M].2017.

[2]盛政，劉旭軍，王浩正，等.城市污水管道入流入滲監測技術研究與應用進展[J].環境工程，2013，31（2）：17-21.

[3]向軍.建立城市排水監測/管理網絡系統的設想[J].市政技術，2003，21（3）181-183.

[4]宋兵躍，吳建平，周楊，等.市政排水設施安全運行監測及預警標準研究[J].市政技術，2014，32（6）：83-86.

[5]田志勇.超聲波多普勒流量計在排水管網流量監測中的應用[J].市政技術，2008，26（1）：62-64.

[6]郭效琛，李萌，史曉雨，等.基于在線監測的排水管網事故預警技術研究與應用[J].中國給水排水，2018，34（19）：139-143.

[7]劉小梅，王婷，趙美玲，等.基于在線監測的排水系統運行負荷分析與問題診斷[J].給水排水，2016（12）：126-130.

[8]鄭豐收，孫柏，陳宇輝，等.城市排水智能井蓋監管系統介紹[J].給水排水，2015（S1）：365-368.

[9]包亮，王里奧，陳萌，等.基于GPRS的排水管道可燃氣體遠程在線監控系統的設計與實現[J].給水排水，2009，35（S1）：445-448.