基于在線監測技術的雨污混接精準定位方法研究

桂麗娟，王偉偉，李舒，李旋，汪正興

清華大學合肥公共安全研究院，安徽合肥，230088

0 引言

城市污水管網日趨龐大和復雜，但同時也暴露出越來越多的管網問題，其中之一就是雨污錯接或混接。污水管網有雨水入流會導致管道和污水處理廠負荷增加，且有冒溢和水質污染風險。而由于管線錯綜復雜且埋于地下，雨污錯接或混接問題發現難、排查難、修復難。因此，有效辨識診斷出管網的錯接和混接，對保障污水管網正常運行，防范管網冒溢，預防雨季內澇，防治水質污染等有重大意義[1]。

傳統的雨污混接診斷方法為對照圖紙開挖管網，不僅耗費大量人力財力，且效果甚微；新興的CCTV探測技術價格昂貴且對雨污混接點位的判定不夠準確。而近年來，基于物聯網傳感技術、移動互聯傳輸技術、GIS技術等管網在線監測技術，實現了對城市雨量、污水管網液位、水質等實時監測的城市污水管網智慧化管理，但基于此的數據分析方法還缺乏規律性和系統性，很難為管網問題排查和日常維護提供數據支持和作業指導。因此，本文旨在解決精確定位污水管網雨水入流點的問題，提出一套規律性和系統性的分析診斷方案，從根本上及時防范和化解城市內澇、水質污染等災害。

1 污水系統及在線監測技術概況

1.1 污水系統概況

經開區污水處理廠現狀總規模為30萬m3/d，其中生活污水量占比63%。經開區內現狀污水管道長度約360km，污水主干管主要沿蓬萊路、青鸞路、云谷路進入污水處理廠，管徑為d1000～d1800。該片區目前采用的是混流制，即合流制、分流制并存的狀態。由于局部管網雨污混接甚至管網狀況不明，雨水截流效率和控制水平受條件約束等原因，導致雨水進入污水系統，污水廠處理量超過污水廠處理能力，污水廠進水水質指標明顯降低，且水量難以控制造成管網高水位甚至管網節點發生溢流污染。

1.2 在線監測技術概況

在經開區布設雨量計1臺，實時監測雨量并通過積分得出累積雨量。在污水廠進水口設置水量和水質在線監測儀，可獲知日處理量及日均進水濃度。在該區污水管網主干管沿線上布設了管網液位計及水質液位一體機對污水管網的液位和水質進行監測。液位計和水質液位一體機安裝在污水井中。液位計的測量原理為壓力傳感器。水質液位一體機主要測量指標為COD、氨氮及液位，其中COD的測量原理為光譜法，氨氮的測量原理為參比電極電位差法。監測數據通過NB網絡傳輸到污水管網監測平臺。監測平臺自動生成監測曲線，曲線的橫坐標是時間，縱坐標是監測指標。

2 雨量分析

以2022年1月份為例進行雨量分析。1月共發生3次明顯集中降雨，時間段分別為1月4-5日，1月22-24日，1月26-28日。見圖1。

圖1 2022年1月份降雨實時監測曲線

1月份總累積雨量為79.5mm。其中，1月4-5日的累積降雨量為28.0mm，1月22-24日的累積降雨量為38.0mm，1月26-28日的累積降雨量為13.5mm。具體見表1。

表1 2022年1月份降雨量統計

3 污水處理廠進水分析

通過對污水處理廠進水水量及水質的分析，判定經開區污水處理廠在降雨時期受到了水量和水質沖擊[2]，具體分析如下。

3.1 降雨時期日處理量增加

從1月份污水廠日處理量（圖2）可以看出，本月降雨期間，經開區污水廠日處理量上漲。

圖2 經開區污水廠日處理量

通過對日處理量進行分析，可以發現，相比于非降雨時期，降雨時期的日處理量最大上漲幅度為27%（表2）。經開區污水處理廠在降雨時期受到了水量沖擊，證實該污水系統存在雨水入流。

表2 降雨時期與非降雨時期日處理量對比表

3.2 降雨時期污水廠進水氨氮濃度降低

從1月份污水廠進水氨氮濃度（圖3）可以看出，本月降雨期間，經開區污水廠進水氨氮濃度降低。

圖3 經開區污水廠進水氨氮濃度

通過對進水氨氮濃度進行分析，可以發現，相比于非降雨時期，降雨時期的進水氨氮濃度最大下降幅度為44%（表3）。經開區污水處理廠在降雨時期受到了水質沖擊，雨水稀釋了進水氨氮濃度[3]，再次證實該污水系統存在雨水入流。

表3 降雨時期與非降雨時期氨氮濃度對比表

3.3 降雨時期污水廠進水COD濃度下降

從1月份污水廠進水COD濃度（圖4）可以看出，本月降雨期間，經開區污水廠進水COD濃度降低。

圖4 經開區進水COD濃度

通過對進水COD濃度進行分析，可以發現，相比于非降雨時期，降雨時期的進水COD濃度最大下降幅度為62%（表4）。表明經開區污水處理廠在降雨時期受到了水質沖擊[4]，雨水稀釋了進水COD濃度，再次證實該污水系統存在雨水入流。

表4 降雨時期與非降雨時期COD濃度對比表

4 管網實時監測數據分析

通過對云谷路主干管的監測曲線進行分析，研判得出點位合掌路與云谷路交口東與點位云谷路與蓬萊路交口東之間的污水管有雨水入流。

4.1 降雨時期液位及氨氮濃度變化分析

云谷路主干管上布設了2臺管網液位計，1臺水質液位一體機（圖5）。從上游至下游梳理出設備名稱和地址見表5。

表5 云谷管路設備晴雨天液位對比表

圖5 云谷管路上3臺設備示意圖

從監測平臺的液位曲線上可以看出，降雨期間，云谷路主干管污水井中的液位均出現了大幅度上漲（圖6），且在雨季結束后液位下降。三個點位的液位保持同漲同落的趨勢[5]，證實存在雨水入流。

圖6 云谷管路設備液位曲線

另外，從氨氮濃度曲線上顯示出，降雨期間，隨著液位的上升，氨氮濃度出現明顯的下降（圖7），雨水對氨氮濃度的稀釋作用非常明顯，再次證實云谷路主干管存在雨水入流。

圖7 云谷管路設備液位及氨氮曲線

對此三處設備所在的污水管管徑、晴雨天液位進行梳理，三處污水井連接的主干管的管徑均為1.8m，這為后續分析提供了基礎[6]。取晴天液位平均值為H晴，雨天液位同一時刻最大值為H雨，具體見表5。

4.2 上下游的晴雨天液位差分析

利用公式H雨-H晴可以得出晴雨天的液位差。通過具體計算可以發現，上游點位云谷路與翡翠路交口東比之下游點位云谷路與合掌路交口東的晴雨天液位差基本不變，在管徑一致的情況下，說明此兩點位間未有新的雨水流入[7]。

而下游點位云谷路與蓬萊路交口東比其上游點位云谷路與合掌路交口東的晴雨天液位差要大得多。說明此兩點位之間有雨水流入，才導致雨季時下游液位增長更多[8]。因此判定點位云谷路與蓬萊路交口東跟點位云谷路與合掌路交口之間的污水管有雨水入流。詳見表6。

表6 云谷管路上下游晴雨天液位差對比表

5 雨污錯接系統性診斷方案

綜上所述，可以得出具體點位的雨污錯接系統性診斷方案。具體流程見圖8。

圖8 污水管網雨水入流系統性診斷方案

首先，對污水廠進水水量、水質進行分析。若出現降雨時期水量增大、氨氮或COD濃度降低的情況[9]，則判定該污水管網系統存在雨水入流。

第二，對某管道中的污水井液位及水質進行分析。如若出現降雨時期液位上漲，氨氮或COD濃度降低的情況，則判定該路管道存在雨水入流。

最后，對某管道中的污水井液位進行上下游聯動分析[10]，即通過上下游晴雨天液位差的對比，得出具體的雨水入流管段位置。若上下游點位的晴雨天液位差相差不大時，則判定此兩點位之間的管段未進入雨水[11]。相反，若下游點位比上游點位的晴雨天液位差大，則判定此兩點位之間的管段有雨水進入[12]。

6 結論

（1）污水系統存在雨水入流的主要曲線特征為降雨時期水量增大、氨氮或COD濃度降低。

（2）污水管路存在雨水入流的主要曲線特征為降雨時期液位上升、氨氮或COD濃度降低。

（3）雨污錯接系統性診斷方案分為三步，首先，根據曲線特征判定污水系統是否存在雨水入流。其次，根據曲線特征判斷管路是否存在雨水入流。最后，通過上下游晴雨天液位差的對比，得出具體的雨水入流管段位置。