城市排水管網診斷評估技術討論

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展，城市排水系統的問題不斷累積和爆發。水體黑臭、排口排污、外來水入滲、管網錯接混接、污水廠進水濃度低等問題是一個涉及源頭、管網、泵站、污水廠、受納水體、截流調蓄設施等全要素、全過程的系統性問題，亟須通過加強排污源頭控制、完善城鎮排水管網收集系統、排水設施缺陷修復以及專業化維護管理等一整套全方位的措施實，現城市水環境治理，保障城市排水系統安全穩定運行。

2019 年4 月三部委聯合印發《城鎮污水處理提質增效三年行動方案（2019—2021年）》，要求全國各地要加快解決城鎮污水系統管網收集與處理設施的短板問題，努力實現城市污水系統“提質增效”和完成城鎮污水全收集、全處理的目標，并且針對排水管網這一核心問題，明確指出要建立周期性檢測排查制度，及時發現管網問題、及時處置管網問題，建立起專業化的管網運行維護管理機制。因此，需要優先開展排水管網排查與診斷評估研究，查明排水管網存在的各種缺陷和雨污混接情況，定量識別入流入滲、雨污混接等問題嚴重的區域，是采取有針對性措施的前提，是為制訂系統化提質增效整治方案的先決條件。

1 管網檢測技術

排水管網檢測技術主要有人工法、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、水質采樣檢測等[1-5]，這些管道檢測技術在實際的應用中都是互補互用的，這樣可以彌補每種方法各自的缺點，以確保能夠準確評估管道內部問題。

1.1 人工法

人工法主要是專業人員根據經驗，直接對檢查井內部和管道進出口進行測量與觀察判斷，或通過下井觀察和人工測量，來評估排水管網基本情況。如管網拓撲關系、管網混接錯接情況、管網上下游埋深、檢查井底部和地面高程等相關內容。

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器人，將其放入排水管道內部，工作人員通過在地面控制管道機器人的前進方向和行進速度，對管道內部進行照明、拍照和錄像，并將管道內部畫面實時展現在地面顯示器終端，實現排水管網內部結構與運行狀態的檢測評估。CCTV 檢測技術適用于管網低水位運行狀態，若水位超過高管道機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現管道CCTV檢測。

1.3 管道潛望鏡檢測（QV）

管道潛望鏡檢測（QV）是利用可調節伸縮桿將帶有高放大倍數的攝像頭與光源放入檢查井或排水管道口處，獲取排水管道內部清晰圖像，并在地面顯示器終端進行實時顯示和儲存。相對CCTV 檢測來說，其優點是可便捷快速檢測，成本較低；但缺點是一次性檢測距離太短，不能深入管道內部連續檢測。

1.4 聲吶檢測

聲吶檢測技術是以水為介質利用聲吶設備對管道內壁進行掃描。聲吶檢測探頭從管道一端進入，從另一端牽引而出，在此過程中連續采集信號，對管道空間及內壁進行掃描探測和定位。探測數據利用計算機配套專業軟件進行分析處理獲得排水管道的問題點與過水斷面情況，包括識別排水管內堵塞淤積、管內異物等，但對管道結構性缺陷檢測存在一定局限性，一般不作為缺陷準確判定和修復的依據。

1.5 水質采樣檢測

水質采樣檢測是通過在排水設施關鍵節點（如管網主干節點、排口、泵站進水口、污水廠進出水口等）對水樣進行人工取樣并送至第三方實驗室進行化驗，獲取水樣的相關水質指標來評估管網運行狀態。水質指標一般以化學需量（COD）、氨氮（NH3-N）為主，根據實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。通過水質指標濃度來分析管網地下水入滲、雨水入流、雨污混接、污染物負荷等情況。

2 在線監測技術

城鎮排水管網在線監測技術在我國已有較長時間的研究，尤其是近些年隨著大數據、物聯網等技術的快速發展以及傳統排水行業的數字化轉型，在線監測技術得到了大量應用。趙冬泉等人[6]將在線監測技術和排水模型進行結合，系統性評估和預測了某市老城區合流制排水系統的整體運行狀態；盛平等人[7]以鎮江市排水管網和污水泵站為研究對象，建立了一套在線監測體系；陳小龍等人[8]介紹了城鎮排水管網分區監測診斷的方法；何人杰等人[9]對無錫市污水系統進行在線監測，研究評估其污水運行規律；盛政等人[10]針對某市排水管網入流入滲問題，利用流量在線監測技術進行了分析診斷；余黎等人[11]利用水量和水質相結合的監測技術，實現了污水處理廠低濃度進水問題的快速診斷評估；葉婉露[12]以某市排水系統為例建立了一套標準化的在線監測分析流程。

在線監測可以自主、持續、實時地收集排水系統的運行信息，實現排水設施某些問題的定量分析和診斷。例如：通過對排污企業進行源頭在線監測，可有效監管和發現其偷排漏排問題；通過在排水管網關鍵性節點進行水量在線監測，獲取長期連續的在線監測數據，可有效識別排水管網的運行規律，還能對排水管網入流入滲、水量平衡核算等問題進行定量診斷分析；通過對河道排口進行在線監測，可定量分析排口入河的污染負荷，實現排口的動態預警與監管。

當前，城市排水管網在線監測指標以液位、流量為主，由于水質在線監測系統較為復雜，且設備價格昂貴，目前很少應用于市政排水管網，更多的還是以人工取樣送至有資質的實驗室進行水質化驗。液位在線監測技術主要有電子水尺、壓力式、超聲波、紅外光、雷達和激光等測量技術，電子水尺（電極式）主要是利用電極來感應水位高度變化并輸出不同的電信號達到測量的目的。壓力式傳感器是利用靜水壓力與水位高度的換算關系來獲得水位高度數據，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行水下固定位置水壓力的測量。超聲波、雷達、激光和紅外光等非接觸式傳感器測量原理類似，均是利用某一發射對象（如聲波、電磁波、激光等）對不同介質中的反射或散射現象進行測距。其中超聲波和雷達傳感器因有更好的適用性和經濟性，在城市內澇監測中得到較廣泛的應用。流量監測技術主要有超聲波、雷達、電磁等測量技術，其中電磁流量計多用于排水主干管滿管條件下的測量，如泵站出水管。在市政排水管網中當前應用較多的是多普勒超聲波流量計。多普勒超聲波流量計安裝于管網中，可通過聲信號反射時的多普勒效應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，根據水深與排水管網的截面積來計算獲得流量。

3 排水管網綜合診斷評估技術

在進行城鎮排水設施補短板，實現城鎮污水處理提質增效的系統性工程之前，首先要摸清排水管網現狀、明晰排水管網存在的問題，開展城鎮排水管網的排查與診斷評估工作，只有這樣才能采取科學有效的工程性措施和管理機制。目前，傳統的排水管網排查與診斷評估方法，主要是通過現場調查、勘查測繪、CCTV、QV、聲吶檢測、水質采樣化驗等多種技術方法。不同技術方法也各有優勢與局限，同一技術方法在不同情況、不同操作下所取得的效果也有很大差別。特別是采用CCTV、QV 等檢測技術大面積檢測城市排水管網時，檢測費用巨大，排查效率較低，時效性不強。尤其是對于“建立污水管網排查和周期性檢測制度”來說，若每次管網排查或檢測都全面鋪開，其花費的人力、物力可能造成巨大的浪費。

針對上述問題，本文提出在線監測、管網檢測相結合的綜合診斷評估技術方案。首先，充分利用在線監測診斷技術進行管網分區診斷，實現關鍵問題區域的初步篩選和定位。通過分析現有管網資料，根據管網拓撲關系劃定監測分區單元，合理布設在線監測點位，以相對較低成本開展長期或短期水量在線監測，獲取大量連續的監測數據，并可根據需要輔以人工水質取樣檢測。通過水質、水量數據，對排水管網水量平衡、運行負荷等進行分析評估，對錯接混接、入流入滲等管網問題進行初步識別，快速診斷并縮小排水管網問題存在范圍，客觀評估排水系統現有運行效能，同時為下一步CCTV、QV等管網定點檢測提供重要依據。其次，根據在線監測診斷分析結果，對發現問題的管網片區，利用CCTV、QV 等傳統檢測技術進行關鍵問題區域的局部快速排查，精確診斷管網破損、錯接混接、堵塞、腐蝕、滲漏等問題，并實現管網問題的精確定位。為后續的管網運維、管網改造以及修復工程性措施提供專業化支撐。

在線監測、管網檢測相結合的綜合診斷評估技術，一般包括基礎數據調查、在線監測診斷、局部檢測排查、綜合診斷評估這幾個環節。

3.1 基礎數據調查

基礎數據調查即對現場踏勘調研成果、管網數據及相關資料進行收集、整理和初步分析，為后續工作提供基礎數據支撐。主要資料包括排水管網及附屬設施的位置分布及屬性信息，排口、截流調蓄設施、泵站、污水廠等關鍵節點信息，河流水系與發展規劃等涉水資料。重點分析管網拓撲關系結構，排口、泵站、污水廠等關鍵節點進、出水情況，并根據管網研究診斷目標和范圍，按層級合理劃分排水分區，為下一步科學制訂在線監測方案與后續監測檢測奠定基礎。

3.2 在線監測診斷

在線監測診斷工作首先需要制訂在線監測方案，這將直接影響投資費用以及最終管網診斷評估結果的準確性。在基礎數據調查的基礎上，根據管網診斷評估目標、管網拓撲關系、劃分好的排水分區以及相關現狀資料，制訂合理可行的在線監測方案，科學設置在線監測點位置與數量密度，明確在線監測對象的數據采集指標、時間以及頻率等參數。

在線監測診斷實施過程中，要重點把握排水分區內的管網匯流點、排口、截流調蓄設施、泵站、污水廠、典型排水戶等關鍵性節點，緊緊圍繞管網監測診斷評估目標，分區域、分層級設置在線監測點位，以獲取高質量有代表性的監測數據。并且在實施過程中要根據現場實際情況、監測數據質量以及管網診斷目標的變化和新出現的問題，及時優化完善在線監測方案，靈活調整監測點位置及數量。另外，在線監測診斷過程中可根據實際需要同時輔以人工水質檢測作為對比和完善，以保證在線監測診斷評估結果的準確性。

根據在線監測所獲得的管網液位、流量數據以及人工水質采樣獲得的水質檢測數據，可對研究片區進行初步的診斷分析評估。主要包括管網負荷分析、排污變化規律分析、入流入滲分析、區域污水量核算等，可初步確定排水管網問題目標區域位置及問題嚴重程度，指導后續管網局部檢測排查工作，縮小排查范圍和明確重點工作方向，實現管網問題的快速排查和精確定位。

3.3 局部檢測排查

根據在線監測診斷評估結果，對于初步判定的排水管網問題目標區域與問題嚴重程度，可利用CCTV、QV 等傳統管網監測方法在問題目標區域開展局部排查，對各類排水管網問題實現快速精確排查和精確定位，詳細查明排水管網的腐蝕、破損、接口錯位、淤積、結垢、雨污混接、排水不暢等問題現狀，為后續精確評估排水管網結構性、功能性缺陷以及系統性綜合診斷評估提供支撐。

3.4 綜合診斷評估

根據在線監測診斷成果與局部檢測排查結果，開展排水管網綜合診斷評估，對排水管網存在的問題進行系統性的分析和診斷。基于排水管網在線監測數據與局部檢測數據，可相互對比驗證，準確發現排水管網問題和指導管網綜合診斷評估工作的優化調整；可快速、高效地對不同排水分區的排水規律、水量平衡核算、運行負荷、入流入滲等進行定量化分析評估，判斷排水管網雨污混接、管網擁堵、管網滲漏以及其他管網問題所在位置與嚴重程度；系統性診斷識別管網問題與區域排水系統的問題，提出管網問題整治建議；并且可針對以上問題，編制系統化的排水系統治理方案，為區域排水系統的整體發展規劃、工程設計、運維管理等工作提供支撐，實現城市污水系統“全覆蓋、全收集、全處理”的目標，保障城市排水系統穩定、高效地運行，有效治理城市水環境污染問題。

4 結語

城鎮排水管網的綜合診斷評估，是了解城鎮排水系統現狀、發現排水系統問題的重要手段，也是開展城市排水系統綜合治理、工程設計規劃和日常管理維護的重要基礎。隨著物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術的快速發展，在線監測技術在城市污水提質增效工作中起到健康診斷的重要作用。通過排水管網在線監測診斷，能夠快速、低成本地獲取片區管網健康情況，再結合局部管網檢測手段，迅速定位發現管網問題所在，為管網修復、改造等工程性措施提供先決條件。

基于可靠的片區在線監測診斷結果，以及局部管網快速檢測排查結果，實現排水管網快速、有效的綜合診斷評估，可作為一種有效的管網周期性排查技術手段。不僅避免了因全面開展CCTV、QV 檢測而費用巨大、時間周期長、檢測普查成果時效性不高等問題，還大大提高了排水管網排查與診斷評估的工作效率。另外，在有條件的地區，可長期保留在線監測點位，作為排水系統的常規管理手段，實現排水系統監測點位的常規化監測診斷評估，定量分析評估排水管網運行狀態。同時，可配套建立監測分析與預警調度系統，與日常排水管理業務緊密結合，有效指導排水管網的日常運行維護及應急處置。又或者，可實行分區輪換在線監測診斷，并配合局部快速檢測排查，周期性逐步覆蓋和實現所有排水管網的綜合診斷評估，有效保障“建立污水管網排查和周期性檢測制度”的落實和實施。