河涌暗涵調查技術分析

0 引言

暗涵作為城市中普遍存在的一種排水設施，是污水直排、雨污水混接錯接的重災區，也是排水系統改造的重點和難點。在城市化進程不斷深入的大背景下，河涌水質污染越來越嚴重，部分河涌水體富營養化嚴重，導致水生物大量死亡，所以水環境改善迫在眉睫。水環境污水整治包括城市雨污分流、沿河截污、河涌清淤等內容。在沿河截污、城市雨污分流施工過程中出現原有地下管線多次破裂，及河涌暗涵排口未完全調查等現象，導致河涌水質未達到標準。

某水系流域涉及20多個社區，總面積70余km2，暗涵總長度超20km，存在入河污染大、流域水環境惡化、水生態退化等問題，需系統治理該水系流域，推動流域水環境質量持續改善和水質如期達標，打造流域水安全、水環境、水生態、水資源、水文化、水智慧等六位一體的生態文明格局，實現“河暢、水清、岸綠、景美”的總體目標。

地下暗涵調查是城市河湖水環境整治核心前提之一，也是工程難點所在，更是水環境治理攻堅戰中的一塊“硬骨頭”。傳統的檢測手段是采用攜帶相機和普通量測工具下井進入暗涵內部進行現場定性記錄和拍照，這種方法以定性為主，無法對暗涵內部存在的功能性缺陷、結構性缺陷以及排水口進行準確定位。

三維激光掃描儀作為地下暗涵調查的技術手段之一，其能夠快速、非接觸、高精度和高密度獲取暗涵內部三維空間信息。國內主流方法為定點式三維激光掃描技術、手持式三維激光掃描技術、智能掃描飛行器技術等。

1 暗涵調查內容

暗涵調查工作應包含暗涵本征尺寸調查、暗涵內排水口調查及溯源、暗涵起止端及檢查井位置調查三個方面。

暗涵本征尺寸調查內容應包括：空間位置分布；長度、寬度、高度；涵室數量，如單涵、雙涵、三涵；暗涵內水深、淤積、有無坍塌、有無明顯阻擋等情況。

暗涵內排水口調查要求調查出暗涵中的所有排口及相關信息，包括排口平面位置、高程、埋深、管徑、管材、排口類別等多種信息。在排口調查過程中要探清雨水管網系統檢查井以及管道內的污水接入情況，查明混接點的具體位置信息。

暗涵排口溯源調查是指根據排口調查成果，對有污水排放的污染物進行溯源追蹤的工作。一般排放口溯源的對象為混流污水的雨水排放口，溯源的目標為找出雨水口上游污水的來源。排口溯源一般要求在天氣放晴三天后開展，便于快速找到污染源頭和區分雨水、污水屬性。

暗涵起止端及檢查井位置調查內容應包括：檢查井編號；暗涵起止端及檢查井中心平面坐標。

2 暗涵調查技術

對于涵體內水深＜0.5m且凈空高度≥1.8m的單涵長度＞500m的暗涵，采用持證作業人員攜帶定點式三維激光掃描儀、攝像設備、水樣采集工具、輔助測量工具完成主要暗涵的調查工作。

對于涵體內水深＜0.5m且凈空高度≥1.8m的單涵長度≤500m的暗涵，采用持證作業人員攜帶手持式三維激光掃描儀、攝像設備、水樣采集工具、輔助測量工具完成主要暗涵的調查工作。

對于涵體內水深≤0.3m且凈空高度≥1.8m的人員無法進入的暗涵，采用智能飛行器掃描設備、水樣采集工具、輔助測量工具完成主要暗涵的調查工作。

對于涵體內水深＞0.5m且凈空高度＜1.8m的暗涵，采用智能管涵檢測機器人、水樣采集工具、輔助測量工具完成主要暗涵的調查工作。

對于涵體內水深≤0.3m且凈空高度＜1.8m的暗涵，采用爬行式管道檢測機器人、水樣采集工具、輔助測量工具完成主要暗涵的調查工作。

2.1 定點式三維激光掃描技術

針對水深＜0.5m，且凈空高度≥1.8m的單涵長度＞500m的暗涵采用定點式三維激光掃描技術，三維激光掃描是集光、電和計算機技術于一體的高新尖技術，主要對物體的空間外形進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標，其將實體的立體信息轉換為數字化的可直接處理的數字信號，是對傳統測量方法的革命性創新，極大提高了生產效率。

三維激光掃描技術的出現是以三維激光掃描儀的誕生為代表，有人稱“三維激光掃描系統”，是繼GPS技術以來測繪領域的又一次技術革命，使測繪數據的獲取方法、服務能力與水平、數據處理方法等進入新的發展階段。三維激光掃描是基于面的數據采集方式，三維激光掃描獲得的原始數據為點云數據，點云數據是大量掃描離散點的結合。

三維激光掃描的主要特點是實時性、主動性、適應性好。三維激光掃描數據經過簡單的處理就可以直接使用，無需復雜的費時費力的數據后處理；且無需和被測物體接觸，可以在很多復雜環境下應用，已廣泛應用于文物保護、工業應用、工程變形監測與測量等領域，尤其是隧道工程的三維模型、橫縱斷面分析、超欠挖分析、完工質量檢查等。利用三維激光，全景測量的成果形成隧洞三維模型，并在三維模型的基礎進行監測、檢測、調查等相關數據分析。

三維激光掃描儀（如圖1）的構造原理都是相似的。三維激光掃描儀的主要構造是由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發射激光，同時接受由自然物表面反射的信號從而可以進行測距，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標。如果測站的空間坐標是已知的，則可以求得每一個掃描點的三維坐標。

圖1 三維激光掃描儀及現場工作照片

2.2 手持式三維激光掃描技術

針對水深＜0.5m，且凈空高度≥1.8m的單涵長度≤500m的暗涵，采用手持式三維激光雷達測量技術，對暗涵內部基本結構尺寸、走向及排口、缺陷定位進行精準采集，確保暗涵運維基礎狀態數據完整。

手持三維激光測量技術采用100MHz的激光掃描率可以快速準確地獲得高質量的三維空間掃描信息、獲取點云數據，并經過基于SLAM算法的軟件處理后，得到掃描區的三維點云數據，從而提取暗涵檢測各項需求數據。

2.3 智能掃描飛行器技術

針對水深≤0.3m，且凈空高度≥1.8m的人員無法進入的復雜工況暗涵，采用智能三維掃描飛行器能夠從DN400以上的檢查井、雨/污篦、洞口等有限空間飛行入涵進行檢測掃描。

智能三維掃描飛行器（見圖2）集成配備4K高清特寫影像、紅外熱成像傳感、全角度激光測繪以及流線數據傳感等多功能模塊，通過激光測量數據及SLAM算法處理，提供精準的三維點云數據，從而提取暗涵內部基本結構、排口、缺陷等基礎勘測數據。

圖2 智能三維掃描飛行器

智能飛行器檢測系統的主要特點是安全性好、工作效率高。智能飛行器檢測作業中，人員不用下涵，只需在岸上操作方向手柄和調動各掃描模塊即可完成檢測，極大限度地保證了人員的安全。

2.4 智能暗涵檢測系統技術

針對水深＞0.5m且凈空高度＜1.8m的暗涵采用智能暗涵檢測系統，智能暗涵檢測系統是進行管道及暗涵高水位綜合檢測的一種方法，采用特制船體搭載閉路視頻系統、淤積量化模塊、數據采集模塊和排口定位模塊等四大系統，檢測人員通過地面控制站對檢測船進行實時操縱，對暗涵和排口的基本尺寸、排口、缺陷、定位、淤積、污染源等信息進行綜合采集。（圖3）

圖3 檢測船及工作原理

智能暗涵檢測系統適用于橫向范圍0.6-6m，水深≥0.3m以上的暗涵。當現場水位條件無法滿足時，可采取蓄水措施，使管道內水位高度不低于0.3m；一次最大檢測距離應不超過150m，當檢查井間距超過150m并小于300m時，可采用相鄰兩檢查井從兩邊向中間檢測的方法，當檢查井間距超過300m時，需要定制線纜及信號放大器等模塊。

智能暗涵檢測系統的主要特點是安全性好、實用性強、工作效率高。智能暗涵檢測系統工作時，人員不用下涵，只需在岸上操作方向手柄和控制站即可完成檢測，極大限度地保證了人員的安全；智能暗涵檢測系統功能齊全，搭載系統功能完善，具有一站式暗涵檢測解決方案；在檢測時，無需清淤、封堵倒排，有效地節省工程投資，并減少對排水系統的影響。

在檢測時，檢測人員通過地面控制站對檢測船進行實時操縱，對暗涵和排口的基本尺寸、排口、缺陷、定位、淤積、污染源等信息進行綜合采集。

采用專用閉路電視系統實現管線內窺檢測及實時工程視頻錄制，激光雷達測量排口、結構、缺陷的基礎尺寸，剖面聲吶掃描儀探測暗涵底部淤積分布曲線、淤積量等信息，采用管道傳感器結合地面管線儀探測的方式確定排放口及缺陷的定位信息。

2.5 遠距離爬行式檢測機器人

針對水深≤0.3m，且凈空高度＜1.8m的長距離暗涵，采用遠距離爬行式檢測機器人。遠距離爬行檢測機器人采用防水設計，可在暗涵及管道內通行；機體搭載高清閉路電視系統可用于暗涵及管道內的視頻檢測，對暗涵內排污口、結構缺陷及功能性缺陷進行檢測排查300m長距離檢測，有效解決暗井分布分散的河道及市政暗涵。

3 暗涵調查實施及成果整理

涵體內作業由持證作業人員攜帶三維激光掃描設備，完成暗涵本體尺寸的測量、暗涵排口信息采集、判定涵體內有無坍塌及明顯障礙物、主要排口水質水量檢測、涵體內截污管現狀的調查工作。

涵外作業主要包括安全生產保障措施，涵外特征點定位測量，測量工作采用GNSS接收機、全站儀完成主要特征點坐標的測量。

采用三維激光掃描設備專用處理軟件對實測三維數據處理與分析，獲取暗涵本體尺寸統計成果、排污口空間位置統計成果，同時，完成涵體內、渠內已發現排口的光學攝像資料以及水質檢測、水量監測的整理與統計。

4 暗涵調查實施案例

佛山市南海區北村水系綜合治理項目是保障北村水系流域排水防澇安全、全面落實廣佛跨界流域水污染防治的“重點民生”工程，項目重點改善流域排澇壓力、河涌水體流動性不足、水污染負荷日益嚴峻、水環境惡化和水生態退化等問題。其中一標段包含16條主干支流河涌，117條支毛涌，項目前期組織500余人開展現場踏勘、摸查、調研、收資、測繪等外業工作。2020年度摸查管網長度總計1042.4km；完成河涌排口摸查6117個，完成暗涵調查30.36km，暗涵排口611個，完成水文大斷面測量800多條。

中國電建集團江西省水電工程局有限公司采用三維激光掃描儀、CCTV檢測機器人等設備對十米涌、公路坑涌、謝邊梁邊涌等5.33km暗涵開展調查時，投入場技術員1人，數據處理人員1人，測量工程師2人，定位輔助工程師2人，設備操縱人員2人，內業處理人員2人，大大降低了暗涵有限空間作業風險，提高了工作效率，僅用20天完成全部調查工作，7天完成所有暗涵排口成果資料整理（見表1），較傳統暗涵人工調查，直接成本降低約18萬元，間接成本降低約30萬元，取得了良好的效果。

表1 十米涌排口調查成果表（WS01）

5 結語

隨著目前經濟社會的快速發展，人類賴以生存的水資源受到嚴重污染，河涌水質質量越來越差，已成為當今亟需解決的難題。地下暗涵作為城市中重要的排水設施，對其進行整治也是未來水環境改善的重要發展方向。目前地下暗涵整治還存在很多政策和規范方面的不完善，國內暗涵整治中仍處于起步階段。未來城市地下暗涵的整治有較大的市場發展潛力，同時也面臨各種風險與挑戰，相信隨著整治技術的不斷發展和成熟，城市水環境的質量也會不斷提高，建設美麗中國的目標也會早日實現。