潘靖陽,張萬輝,楊仕超,李 誠,陳宇佳,江 楠,安俊鑫
(1、廣東建科創(chuàng)新技術(shù)研究院有限公司 廣東 中山 528400;2、廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司 廣州 510500)
地下排水管網(wǎng)是貫穿城市建設(shè)過程的市政基礎(chǔ)設(shè)施,具有收集輸送工業(yè)廢水、生活污水和雨水的功能,其狀態(tài)與城市乃至國家的社會經(jīng)濟發(fā)展密切相關(guān)。隨著我國城市化進(jìn)程快速推進(jìn),傳統(tǒng)排水系統(tǒng)難以適應(yīng)新的城市格局,導(dǎo)致城市內(nèi)澇、地面塌陷、環(huán)境污染等城市問題頻發(fā)。地下排水管網(wǎng)作為保障公共安全、排洪防澇和控制水污染的關(guān)鍵[1-2],為應(yīng)對全球氣候變化及日趨密集的城市建設(shè),開展地下管網(wǎng)普查,詳細(xì)了解城市地下排水管網(wǎng)分布情況,對地下管網(wǎng)開展科學(xué)的規(guī)劃、設(shè)計和管理是一項基礎(chǔ)保障工作[3-5]。然而,當(dāng)前許多城市由于各種原因?qū)е碌叵屡潘芫W(wǎng)信息不全,直接影響到了數(shù)字化管理平臺構(gòu)建、管網(wǎng)動態(tài)水力學(xué)建模等工作的開展,推高了城市地下排水管網(wǎng)的運行、維護(hù)管理的成本。地下管網(wǎng)相關(guān)的風(fēng)險評估同樣需要大量有效的管網(wǎng)數(shù)據(jù)支撐[6],因此,有必要開展城市地下排水管網(wǎng)探測的工作,推廣“內(nèi)外業(yè)一體化”的作業(yè)模式,建立城市地下排水管網(wǎng)信息平臺,將有助于為城市發(fā)展帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。
城市建設(shè)的快速發(fā)展往往伴隨著城市污水量的快速增加,同時其成分日趨復(fù)雜,眾多城市水環(huán)境污染問題逐漸凸顯。城市排水管網(wǎng)作為城市排水設(shè)施的基礎(chǔ)脈絡(luò),擔(dān)任著處理城市水環(huán)境污染的任務(wù),支撐著整個城市環(huán)境衛(wèi)生狀況。但由于目前我國城市管網(wǎng)管理還比較落后,常出現(xiàn)排水管網(wǎng)老化、腐蝕嚴(yán)重的情況,從而引發(fā)污水滲漏、溢流等環(huán)境污染問題[7],易給城市生產(chǎn)、生活帶來負(fù)面影響。另外,即使雨污分流體制已在許多城市得到落實,但是由于管網(wǎng)的設(shè)計規(guī)劃、施工中的私接亂接等問題未能得到相應(yīng)改善,由于管網(wǎng)污水排放而導(dǎo)致水體污染的現(xiàn)象仍普遍存在[8]。
近年來許多城市遭受強降雨后發(fā)生不同程度的內(nèi)澇災(zāi)害,2010年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)起的關(guān)于全國351個城市的內(nèi)澇調(diào)研顯示,在2008年~2010年的3年間,全國有62%的城市都曾發(fā)生過內(nèi)澇事件[9]。由于路面不斷積水,內(nèi)澇會導(dǎo)致不同程度的交通障礙,蔓延至商業(yè)區(qū)或住宅區(qū)的淹水造成的財產(chǎn)損失或安全影響同樣不可忽視[10]。究其原因,除了極端降雨天氣頻發(fā),城市硬化面積不斷增加外,城市地下排水管網(wǎng)規(guī)劃不當(dāng)、老化病害、維護(hù)管理落后等問題易導(dǎo)致管網(wǎng)功能受損,排水能力受到限制,內(nèi)澇問題愈發(fā)嚴(yán)重[11]。
地下水是引發(fā)地陷的重要誘導(dǎo)性因素之一,其對土體產(chǎn)生的影響包括水溶、制造壓差、濕陷、沖蝕等[12-13]。而地下管線滲漏對地層穩(wěn)定影響很大,相關(guān)學(xué)者對城市地面塌陷災(zāi)害案例進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),由地下管線滲漏導(dǎo)致的地面塌陷占了相當(dāng)一部分的比例,鐘世英等人[14]統(tǒng)計2014年~2015年期間共66起地面塌陷案例,水力管線滲漏引起的地面塌陷約占36%;張成平等人[15]統(tǒng)計39起各類地面塌陷案例,其中地下管線滲透誘發(fā)的事故所占比例為38%。
水環(huán)境污染、城市內(nèi)澇、地面塌陷三個“城市病”(見圖1)表明,城市地下排水管網(wǎng)建設(shè)程度與快速發(fā)展的社會經(jīng)濟水平不匹配,主要表現(xiàn)在:城市排水規(guī)劃設(shè)計與實際城鎮(zhèn)化發(fā)展?fàn)顩r不匹配;排水系統(tǒng)設(shè)施老化病害但改擴建難度大;城市排水系統(tǒng)建設(shè)、維護(hù)、管理滯后等方面。完善城市地下管網(wǎng)管理體系,開展地下排水管網(wǎng)探測工作,詳細(xì)了解城市地下排水管網(wǎng)分布情況對解決上述問題,對提升城市排洪防澇等應(yīng)急防災(zāi)能力具有極大的現(xiàn)實意義和支撐作用。
圖1 水環(huán)境污染、城市內(nèi)澇、地面塌陷Fig.1 Water Environment Pollution,Urban Waterlogging,Ground Subsidence
地下排水管線的探測工作分為管線探查及管線測繪,二者相互配合,傳統(tǒng)作業(yè)一般測量工作是在探測工作之后進(jìn)行的。所以管線探測主要得到兩方面數(shù)據(jù):對地下管線的空間位置進(jìn)行測量,得到如管線和管點的位置;探測采集管線屬性信息,包括埋深、規(guī)格、材質(zhì)、走向、鋪設(shè)時間和權(quán)屬等。以下對地下排水管線探查和測量的研究現(xiàn)狀分別介紹。
地下排水管線如雨水管、污水管、合流污水管、工業(yè)廢水管一般為由陶瓷、水泥、磚石、塑料非金屬材料組成的非金屬管線。非金屬管線不具有導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性,這成為非金屬管線探測的技術(shù)障礙,目前主要的非金屬管線探測方法包括探地雷達(dá)法、示蹤法、聲波法、地震波法、高密度電法、記標(biāo)法等[16-17]。2016 年韓沙沙[18]對地下管線探測方法研究分析,結(jié)合214 個開挖驗證資料,總結(jié)了各種類型的地下管線的適宜探測方法,認(rèn)為探測地下非金屬排水管網(wǎng)最適宜采用地質(zhì)雷達(dá)法,也可采用高密度電法、示蹤法等。
地質(zhì)雷達(dá)法技術(shù)原理為地質(zhì)雷達(dá)一個天線向地下發(fā)射一個高頻的電磁波,同時另一個天線接收地下介質(zhì)反射回來的反射波。通過分析反射波的波形,推斷地下管線的平面位置和深度。2005年,楊向東[19]對排水(管)渠等非金屬材質(zhì)管線,采用地質(zhì)雷達(dá)探測的方法,取得較好的探測效果。2019 年,秦鎮(zhèn)[20]結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗研究了城市地下非金屬管線的探地雷達(dá)電磁波反射響應(yīng)特征,表明探地雷達(dá)可以區(qū)分不同功能的管線,分辨出管線內(nèi)充水或充氣這兩種情況。此外,地質(zhì)雷達(dá)在城市地下管線的應(yīng)用當(dāng)中,管線間距是地質(zhì)雷達(dá)管線探測準(zhǔn)確度的主要影響因素之一[21]。
高密度電法上是一種陣列探測方法,其原理與普通電阻率法相同,通過觀測和分析不同極距的電位差確定目標(biāo)體的平面位置和深度。根據(jù)電阻率的分布情況,通過對低阻區(qū)及高阻區(qū)中的解析及推斷低阻區(qū),對有相同特征規(guī)律的多個斷面中的低阻區(qū)或高阻區(qū)連線可推導(dǎo)出管線走向和埋深具有間據(jù)點小、速度快的優(yōu)點,可以達(dá)到高分辨率的勘測結(jié)果[17,22-23]。2003年,劉萬恩[24]結(jié)合探查實例,說明高密度電法在探測城市雨污排水硅管探測中有較好效果。但是,高密度電法測線的測量要求需與管線垂直,而測線長度通常達(dá)到數(shù)十米甚至上百米,在城市里往往缺乏符合要求的施工條件,因此高密度電法的實用性相對較低[22]。
示蹤法是屬于一種電磁感應(yīng)法,通過借助示蹤裝置,使其沿非金屬管道發(fā)射電磁信號,然后使用接收裝置在地面追蹤信號,結(jié)合后期數(shù)據(jù)分析就可以快速實地的提供管線信息,包括管線的平面位置和深度信息[17]。2011年,徐長虹[25]研究指出示蹤導(dǎo)線更加符合管線探測原理中的線電流假設(shè),其較強的探測信號,高信噪比,以及易于識別異常信號等優(yōu)點,可在管線定位、定深工作中提高識別精確度。然而,實際應(yīng)用當(dāng)中,若缺少實地踏勘的有效資料,或因操作人員經(jīng)驗不足,未能剔除因地面起伏變化等不良因素導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù),易導(dǎo)致結(jié)果精度的下降。同時,管線埋深程度也是影響定位誤差的關(guān)鍵因素之一。表1對上述排水管線探查技術(shù)做了總結(jié)。實際作業(yè)中可以根據(jù)實際情況對技術(shù)方法進(jìn)行針對性的選擇與結(jié)合。
表1 排水管線探查技術(shù)Tab.1 Drainage Pipeline Detection Technology
地下管線點探測完成之后,根據(jù)物探人員標(biāo)記在地面上的標(biāo)志和編號對管線點進(jìn)行測量工作,包括管線點的平面位置測量及高程測量,前者常用的方法包括極坐標(biāo)法、導(dǎo)線串聯(lián)法、支導(dǎo)線法等;后者一般采用測距三角高程導(dǎo)線測量和圖根水準(zhǔn)測量的方法[26-27],而測量手段一般采用全站儀或RTK。全站儀雖然測量精度高,但需通視條件,工作中由于需要頻繁轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致工作效率低下;相對比,使用RTK 則無需通視條件,用RTK 采集數(shù)據(jù)時幾秒鐘即可得到所測點的坐標(biāo),作業(yè)效率高,不會產(chǎn)生誤差積累,但易受衛(wèi)星信號、多路徑效應(yīng)、電磁波干擾影響。在地下管線探測作業(yè)實踐中,考慮全站儀、RTK 的技術(shù)特點與優(yōu)劣勢,RTK 與全站儀相組合的方式越來越多的應(yīng)用在測量城市管線中,滿足城市管線工程的精度要求及提高測量效率[27-28]。
全站儀是全站型電子速測儀的簡稱,其精度可達(dá)毫米級甚至亞毫米級。長期以來,不同學(xué)者對其進(jìn)行了研究和應(yīng)用。2005年,廖中平等人[29]實現(xiàn)了全站儀與微機之間的無線數(shù)據(jù)通信,指出無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用前景可進(jìn)一步提升全站儀外業(yè)作業(yè)的應(yīng)用范圍。2008 年,王佩賢等人[30]實現(xiàn)了通過GRPS 網(wǎng)絡(luò)將全站儀和繪圖計算機實時遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)的功能,可以自動成圖,更可進(jìn)行實時修改,提高了工作效率。2010年,易致禮等人[31]研究了全站儀與掌上電腦之間藍(lán)牙無線通信的可行性,提升了兩者間的傳輸范圍,且在道路作業(yè)中具備可行性。2011年,張凈霞等人[32]提出一種ZigBee 無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計方案,可將全站儀的數(shù)據(jù)無線傳輸給跑點人員手持的精簡設(shè)備節(jié)點上,具備節(jié)點效應(yīng)時間短、誤差率低、復(fù)數(shù)節(jié)點并行的特點。
2016年,薛凱等人[33]提出了安卓手機平臺與全站儀的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),實現(xiàn)設(shè)備搜索、設(shè)備匹配、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽瑴p少數(shù)據(jù)線操作,加快數(shù)據(jù)傳輸,提高了外業(yè)數(shù)據(jù)的采集效率。
RTK即是載波相位動態(tài)實時差分方法,技術(shù)理論上RTK水平測量精度在2 cm左右,高程測量精度在5 cm左右[34]。城市地下管線測量作業(yè)中一般具有移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋,可以采用移動通信(2/3/4/5G)的方式將流動站測得的管線位置信息實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫平臺,在移動信號無法覆蓋的區(qū)域可結(jié)合WIFI等[35-36]。通過5G網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的快速下載、上傳、存儲和處理,外業(yè)人員可利用移動終端快速下載數(shù)據(jù),進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)協(xié)助,利用5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)內(nèi)外業(yè)的同步進(jìn)行[36]。
2005 年,陳文昭[35]對比傳統(tǒng)無線電電臺RTK 后,認(rèn)為GPS-RTK 具有作用范圍更廣、基站選擇更靈活及數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)更穩(wěn)定等優(yōu)勢,可以實時計算用戶占的坐標(biāo)。2014年,屈凱鋒[37]比較分析傳統(tǒng)電臺RTK后,認(rèn)為GPRS/CDMA 數(shù)據(jù)鏈RTK 具備傳輸距離限制性低、使用壽命長、使用方便、成本低和效率高等優(yōu)點,在實際工程應(yīng)用當(dāng)中更有優(yōu)越性。2015年,毛琪[38]提出基于車載移動平臺的實時動態(tài)RTK 終端檢測技術(shù),車載檢測軟件、衛(wèi)星導(dǎo)航基準(zhǔn)設(shè)備和待檢測RTK 設(shè)備與CORS 中心的數(shù)據(jù)交互可以通過安裝SIM 卡后使用無線通信來實現(xiàn)。2016 年,李曉飛[39]通過GPS-RTK 在給排水管道工程建設(shè)中的使用及與傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測量結(jié)果的比較,發(fā)現(xiàn)在滿足一定的校正條件和模型使用下,兩者測量的垂直精度差值在5 cm 之內(nèi),認(rèn)為前者的高程測量精度與五等水準(zhǔn)相當(dāng),可以代替五等水準(zhǔn)測量在給排水工程中的應(yīng)用,滿足給排水管道工程測量的需要,具有測量效率高、測值穩(wěn)定、勞動強度小等特點。
地下排水管線數(shù)據(jù)庫是構(gòu)建地下排水管線信息管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心,主要分為管線屬性數(shù)據(jù)庫和管線空間數(shù)據(jù)[40]。屬性數(shù)據(jù)包括材質(zhì)、類別、直徑或者截面尺寸、載體特征、排水流向、建設(shè)時間、權(quán)屬單位等,空間數(shù)據(jù)包括地下管線的平面位置及埋深等。原始探測數(shù)據(jù)需人工錄入,由于數(shù)量巨大,數(shù)據(jù)的錯錄誤錄不可避免。另外為了適配管網(wǎng)信息系統(tǒng),原始數(shù)據(jù)需進(jìn)行數(shù)據(jù)加工、處理、校驗及補充完善等內(nèi)業(yè)工作,費時耗力。索振峰[41]通過分析原始管網(wǎng)數(shù)據(jù),認(rèn)為地下排水管線數(shù)據(jù)庫的建立存在以下主要問題:①管點及管線的屬性/空間數(shù)據(jù)的重復(fù)記錄或者錯誤記錄;②排水管線的流線的校驗和糾錯;③排水管點、管線屬性數(shù)據(jù)的缺失等。為解決上述問題,許多學(xué)者研究管道數(shù)據(jù)外業(yè)采集與內(nèi)業(yè)建庫的作業(yè)一體化。
2016 年,劉志華等人[42]開發(fā)出基于Android 和移動GIS 平臺,結(jié)合內(nèi)外業(yè)一體化技術(shù)的管線智能數(shù)據(jù)采集與更新系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備對地圖數(shù)據(jù)的糾偏、實時通訊與遠(yuǎn)程控制功能,在實際應(yīng)用當(dāng)中能有效改善管線更新作業(yè)模式,在節(jié)約工程成本的情況下,仍能保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和正確性,提高了工程效率。2017年,張暢[43]同樣基于Android 系統(tǒng),結(jié)合Auto CAD 2010 和Arc GIS Engine 的管線系統(tǒng)模塊,實現(xiàn)外業(yè)數(shù)據(jù)采集和調(diào)查作業(yè),內(nèi)業(yè)快速成圖,實現(xiàn)圖屬一體化,并通過Arc GIS 的管線生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行屬性檢查,確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。管線圖資料入庫后,可以通過系統(tǒng)實現(xiàn)有效的信息化共享及全局化管理。田文革[44]認(rèn)為傳統(tǒng)的地形圖更新方式具有一定的局限性和較低的時效性,難以保證數(shù)據(jù)更新的統(tǒng)一性和實時性。數(shù)據(jù)的采集更新和整理統(tǒng)籌需要有完整的技術(shù)框架體系,以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),延伸形成統(tǒng)一的軟件基礎(chǔ)平臺和統(tǒng)一的計算機軟硬件環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。作者認(rèn)為數(shù)據(jù)的實時更新除了技術(shù)的保障,還需要相應(yīng)的完整的制度建設(shè)和管理機制。北京市測繪設(shè)計研究院就北京市城市地下管線普查工作,以《地下管線探測技術(shù)規(guī)程:北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 316—2015》作為建立地下管線信息系統(tǒng)的基本準(zhǔn)則,制定了一系列作業(yè)標(biāo)準(zhǔn),研究設(shè)計了“地下管線數(shù)據(jù)移動采集系統(tǒng)”,通過實時采集、屏幕繪制和已有點位三種數(shù)據(jù)采集方式,實現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)一體化的采編合一,大幅度提高了作業(yè)效率;同時通過系統(tǒng)的管線連接規(guī)則進(jìn)行校核,確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,通過建立管線數(shù)據(jù)更新機制,提供實時、有效的數(shù)據(jù)成果的同時,落實政府部門和相關(guān)單位的職責(zé),明確管線更新機制的流程,使管線數(shù)據(jù)信息能長期有效的保持現(xiàn)勢性[45]。2019年,劉永生[34]針對傳統(tǒng)地下管線探測數(shù)據(jù)采集與處理編輯方式的缺點,包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢后才能查出潛在的問題的滯后性,研發(fā)了地下管線采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合錄入優(yōu)化、數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)檢查優(yōu)化、圖屬動態(tài)關(guān)聯(lián)優(yōu)化和生成斷面文件優(yōu)化等功能,可針對每天錄入的調(diào)查信息,對各個屬性進(jìn)行檢查,實現(xiàn)采集、檢查、修改三線并行,提高了后期數(shù)據(jù)合并的準(zhǔn)確性,同時為管線探測的規(guī)范化管理提供了技術(shù)支撐。宣兆新[46]設(shè)計的“城市地下管線基礎(chǔ)信息普查”以相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制的內(nèi)容為作業(yè)基準(zhǔn),綜合應(yīng)用了地理信息系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)庫和管線外業(yè)采集等技術(shù),自主開發(fā)地下管線移動采集及數(shù)據(jù)處理軟件,利用移動端進(jìn)行外業(yè)采集、桌面端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的模式,替代了傳統(tǒng)作業(yè)模式(調(diào)查表結(jié)合草圖),并在北京市城市地下管線基礎(chǔ)信息普查工作中得到有效應(yīng)用,對完善城市地下管線建設(shè)管理體系具有重大意義。
地下排水管線數(shù)據(jù)采集與建庫一體化的解決思路是整合探測數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù),開發(fā)手持終端(如手機、PDA、平板電腦)的管線數(shù)據(jù)采集軟件,無紙化輸入管線屬性數(shù)據(jù),并通過藍(lán)牙、移動網(wǎng)絡(luò)等同步接收管線位置數(shù)據(jù),提高輸入效率,減少錯誤率,自動生成管線圖,外業(yè)采集的管線數(shù)據(jù)以平臺可接受的協(xié)議打包,然后通過移動網(wǎng)絡(luò)(2/3/4/5G)或其他無線通信模塊如WIFI 等上傳至平臺,后臺相關(guān)軟件在該平臺上獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行解算、顯示,數(shù)據(jù)通訊模塊保證后臺數(shù)據(jù)的更新,也可實現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)的下載。
本文首先介紹了因城市地下排水管網(wǎng)現(xiàn)狀問題導(dǎo)致的三類主要“城市病”:水環(huán)境污染、城市內(nèi)澇、地面塌陷,說明進(jìn)行城市地下管線探測的必要性、急迫性??偨Y(jié)了適合地下非金屬排水管網(wǎng)的地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電法、示蹤法的技術(shù)原理及工作特點,總結(jié)了管線測量方法即全站儀法、RTK 法在數(shù)據(jù)傳輸方式上的研究成果及進(jìn)展,最后針對城市地下排水管網(wǎng)探測數(shù)據(jù)采集與建庫一體化工作進(jìn)行調(diào)研。城市地下排水管網(wǎng)探測數(shù)據(jù)采集與建庫一體化的發(fā)展需求不可小覷,相比以往的手工錄入信息和紙筆繪制圖紙,內(nèi)外作業(yè)一體化極大的提升了作業(yè)效率,克服了數(shù)據(jù)交換復(fù)雜、數(shù)據(jù)檢查繁瑣的缺點,更適應(yīng)了當(dāng)下城市中基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展。地下排水管網(wǎng)探測技術(shù)與電子信息工程、軟件工程、地球物理等學(xué)科的發(fā)展緊密相關(guān),要想加強地下排水管網(wǎng)探測方面的應(yīng)用,需要進(jìn)一步發(fā)展探測設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等技術(shù),形成系統(tǒng)完整的技術(shù)框架體系。近年來云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展,使得計算機技術(shù)能在各個行業(yè)中得到更有效的應(yīng)用,而智能手機和平板電腦的便攜化更是能有效提高測繪人員的采集、處理數(shù)據(jù)的方便性和功能性,提供快速傳輸、檢索、分析數(shù)據(jù)的功能。外業(yè)采集效率的提升,內(nèi)業(yè)入庫出圖的快捷,一體化的流程保證了成果的標(biāo)準(zhǔn)化,提高了數(shù)據(jù)的可靠性,是對城市地下排水管網(wǎng)探測作業(yè)開展的有效保障。