尹海龍,郭龍?zhí)?胡意楊,呂 游

基于光纖分布式測溫的污水管道入流識別方法研究

尹海龍*,郭龍?zhí)?胡意楊,呂 游

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092)

針對排水管網(wǎng)物探檢測需斷水操作和無法對管道內(nèi)部實(shí)時(shí)探查的問題,建立了一種基于光纖分布式測溫的污水管道入流診斷方法,實(shí)現(xiàn)了無干擾條件下污水管道污水和雨水入流實(shí)時(shí)監(jiān)控.采用感溫光纜對選擇的試驗(yàn)管段開展了時(shí)空高精度觀測(空間精度1m、時(shí)間精度1min),獲得了超過118萬個(gè)管道水溫?cái)?shù)據(jù).基于解析出的管道水溫時(shí)空圖像,提出了基于水溫溫差背景噪聲值的入流定位方法;確定出無外部入流影響時(shí)管道水溫空間和時(shí)間溫差的背景噪聲值分別約為±0.2℃和±0.5℃.采用水溫圖像降噪處理方法,自動識別出污水管道的旱天污水接入和雨天雨水接入事件,與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致.因此,該方法對污水管道入流的動態(tài)識別定位具有可靠性.

污水管道；光纖測溫；管道水溫；雨水入流；低成本檢測

排水管網(wǎng)是城市的生命線,是防止城市內(nèi)澇和改善城市水環(huán)境質(zhì)量不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施.近年來隨著城市化的快速發(fā)展,我國排水管道長度已達(dá)到74萬km以上,其中近46%的管道建成年限超過10年以上[1].在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和排水管道基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較早的省市,建成年限長的管道比例更高.對此,亟需對排水管道的運(yùn)行狀況進(jìn)行評估,為排水管道改造、修復(fù)和提質(zhì)增效提供科學(xué)依據(jù).

管道閉路電視成像技術(shù)(CCTV)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的排水管道檢測技術(shù),其基本原理是通過帶有攝像裝置的管道行走機(jī)器人在管道內(nèi)部拍照,實(shí)現(xiàn)管道檢測和運(yùn)行狀況評估.該方法目前仍是排水管道運(yùn)行評估中最常用的技術(shù)方法.但是CCTV檢測需要斷水、排空、清淤等操作,不但費(fèi)用昂貴(估算每公里檢測費(fèi)用平均在5萬元以上),而且受管道無法持續(xù)斷水檢測的影響,不能做到管道內(nèi)部的連續(xù)實(shí)時(shí)成像觀測.此外,一些污水干管或者總管輸送流量大、運(yùn)行水位高,甚至難以斷水開展CCTV檢測.近年來,國外還開展了基于紅外照相技術(shù)的排水管道檢測研究. 2017年Lepot等[2]在實(shí)驗(yàn)水槽中開展了748組實(shí)驗(yàn)研究,針對不同管徑(75～200mm)的接入管和入滲點(diǎn)位(圓形、線性裂縫)和不同的管道流速、水深、水溫等,發(fā)現(xiàn)紅外照相對入流入滲識別具有良好的檢測精度.相比CCTV檢測,紅外照相可以實(shí)現(xiàn)不斷水檢測;但是在實(shí)際應(yīng)用中需要將其固定在漂浮裝置中且受管道水流流速等的影響,尚無實(shí)際管道中的研究案例報(bào)道.

基于水量和水質(zhì)特征因子的排水管道檢測近年來也受到關(guān)注.其特點(diǎn)是在篩選水質(zhì)特征因子和建立水質(zhì)特征因子數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上(如表征生活污水的氨氮、總氮、甜味劑、個(gè)人護(hù)理品和工業(yè)廢水水質(zhì)特征因子等),通過在管道檢查井中開展流量觀測和水質(zhì)特征因子檢測,并結(jié)合水量平衡和化學(xué)質(zhì)量平衡分析方法,分區(qū)域定量解析管道中的各種水量來源(污水、地下水、其它外來水)[3-14].在大范圍排水系統(tǒng)檢測中,該項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是能夠通過有限點(diǎn)位流量和水質(zhì)監(jiān)測來識別高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,從而有效縮小排查范圍和降低成本,且具有不對管道運(yùn)行造成干擾的優(yōu)勢.但是若從入流入滲定位的角度,則需要進(jìn)一步在各個(gè)檢查井中分別開展水質(zhì)采樣監(jiān)測,也面臨著較高的成本.

光纖分布式測溫(FDTS)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù),通過沿縱向鋪設(shè)光纜對周邊介質(zhì)溫度進(jìn)行感知,判定溫度異常點(diǎn)位和進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警.FDTS技術(shù)目前已經(jīng)較為廣泛應(yīng)用于水工構(gòu)筑物(例如大壩)、燃?xì)廨斔凸芫€和輸油管線的漏損實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警[15-16].在排水管道檢測中,作為一種管道內(nèi)部水溫信號的分布式實(shí)時(shí)“聽診”技術(shù),FTDS同樣對排水管道運(yùn)行不造成任何干擾,而且具有全天候的時(shí)空高頻觀測優(yōu)勢.國際上Hoes等[17]在2009年率先報(bào)道了基于光纖分布式測溫的排水管網(wǎng)入流檢測技術(shù)研究(空間觀測精度2m、時(shí)間觀測精度30s),針對荷蘭某地的排水系統(tǒng),識別了雨水管道中居住區(qū)生活污水的間歇性混接排放現(xiàn)象.此后de Hann[18]、Schilperoot[19]、Nienhuis[20]、Kessili[21]、Kechavarzi[22]等相繼開展了基于FDTS的管網(wǎng)混接、破損檢測技術(shù)研究,表明該項(xiàng)技術(shù)在管道檢測中具有可行性.在國內(nèi),目前還沒有關(guān)于FDTS用于排水管道檢測評估和實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控的報(bào)道.然而,現(xiàn)場觀測中FDTS會形成大量的排水管道水溫時(shí)空數(shù)據(jù),如何從大量數(shù)據(jù)中快速和準(zhǔn)確識別水量接入點(diǎn)的位置,是需要深入研究的問題.僅有的報(bào)道是Kessili等[21]在2018年研究了基于FDTS的污水管道異常入流事件自動識別方法;通過管道空間相鄰觀測點(diǎn)的溫差概率頻次分析確定了噪聲背景閾值,并在此基礎(chǔ)上自動生成管道入流事件的水溫圖像.但是,一方面噪聲背景閾值既受管道水溫空間變化影響,也受水溫時(shí)間變化影響;另一方面管道入流事件并非單一來源,包括污水、雨水、地下水等.因此,如何進(jìn)一步完善噪聲背景閾值的判斷方法,以及更有效地對管道各種入流事件(污水、雨水、地下水入滲等)進(jìn)行精準(zhǔn)區(qū)分和智能化定位,仍有待于進(jìn)一步研究.

本文針對以上關(guān)鍵問題,開展基于FDTS的污水管道入流診斷與實(shí)時(shí)監(jiān)控方法研究,以期進(jìn)一步完善該方法和推動該項(xiàng)技術(shù)在城鎮(zhèn)排水管道檢測與運(yùn)行監(jiān)控中的應(yīng)用.

1 基于光纖測溫的排水管道實(shí)時(shí)監(jiān)控原理

1.1 光纖測溫技術(shù)原理

如圖1(a)示,FDTS系統(tǒng)由一條標(biāo)準(zhǔn)光纖和一臺包括激光發(fā)射器、光電信號接受器在內(nèi)的主處理機(jī)終端組成.使用時(shí),沿管道先將穿線器由下游檢查井引至上游,待末端連接感溫光纖后再拉回至下游.對于較長的管段,在若干個(gè)檢查井之間依次重復(fù)上述步驟,即可完成光纖在整個(gè)管段內(nèi)部的敷設(shè).相鄰檢查井間應(yīng)盡量拉直感溫光纖,避免彎曲引起的測量距離及激光信號損失等誤差.光纖的一端與放置在管道外的主機(jī)連接.由于光纖在管道內(nèi)的布設(shè)不對排水管道正常運(yùn)行干擾,因此該技術(shù)相對于傳統(tǒng)的CCTV物探檢測降低了成本,且具有全天候高頻監(jiān)控的優(yōu)勢.

FDTS系統(tǒng)利用光在光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生的自發(fā)拉曼(Raman)散射和光時(shí)域反射(OTDR)原理來獲取管道空間溫度分布信息[23].如圖1示,當(dāng)通過主處理機(jī)的激光器將激光信號注入光纖后,它在光纖中向前傳輸?shù)倪^程中,不斷產(chǎn)生后向拉曼散射光(包括斯托克斯光和反斯托克斯光).根據(jù)光纖不同點(diǎn)位(即代表了管道不同點(diǎn)位)后向拉曼散射光中的反斯托克斯光和斯托克斯光光子強(qiáng)度相對大小,可將對應(yīng)點(diǎn)位的溫度實(shí)時(shí)計(jì)算出來,計(jì)算公式為

一次激光脈沖信號可以獲取某一特定時(shí)刻的管道中不同點(diǎn)位水溫.當(dāng)激光脈沖信號周期性注入光纖時(shí),則可以獲取監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)不同時(shí)刻的管道中水溫空間信息.

圖1 FDTS用于污水管道運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的示意

1.2 水溫信號處理與管道入流識別

FTDS系統(tǒng)通過光學(xué)處理將后向散射光轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息,其過程包括光學(xué)濾波、光電轉(zhuǎn)換、模擬放大、模-數(shù)轉(zhuǎn)換等.監(jiān)測信息包括水溫監(jiān)測值、光纖位置和監(jiān)測時(shí)間序列,上述監(jiān)測信息均以二進(jìn)制編碼格式存儲于與終端設(shè)備連接的存儲設(shè)備中.通過編寫解譯程序,將上述存儲的二進(jìn)制信息轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制信息,從而可以生成管道水溫圖像.

光纖測溫系統(tǒng)采集的排水管道水溫時(shí)空數(shù)據(jù)可表示為以下形式

式中:為光纖測溫矩陣;為測量時(shí)間,min;∈{1,2,…,};為光纖點(diǎn)位位置,m;∈{1,2,…,}.

為在水溫圖像上識別潛在的入流點(diǎn)位,需要從中尋找水溫發(fā)生突變的臨界點(diǎn).鑒于光纖測溫系統(tǒng)可能會產(chǎn)生背景噪聲值,需對式(3)中的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行降噪處理,消除自然條件下的水溫背景值變化(或稱之為背景噪聲),從而排除管道中水溫正常幅度變化范圍可能造成的結(jié)果誤判.

某一時(shí)刻管道空間相鄰兩點(diǎn)水溫差值表示為

由此,管道水溫溫差矩陣表示為

式中:1為水溫溫差矩陣;為某一時(shí)刻的相鄰兩個(gè)觀測點(diǎn)水溫溫差序號,∈{1,2,…,-1}.

為確定背景噪聲值,應(yīng)保證所選管段應(yīng)沒有受到外部入流的影響,即管道水溫變化僅與內(nèi)部的自然變化有關(guān).相應(yīng)需要在溫差矩陣1中選擇一組不受外界影響的數(shù)據(jù),構(gòu)成新的行列式矩陣2.

針對矩陣2,水溫溫差的概率計(jì)算公式為

原則上值應(yīng)達(dá)到95%以上.此時(shí)溫差區(qū)間的下限1和上限1分別代表負(fù)向和正向背景噪聲值.基于確定的噪聲背景值,進(jìn)一步將水溫溫差矩陣(式(5))表示為降噪后的三值矩陣形式,即

式中,

針對識別出的污水管道入流點(diǎn)位,還可分析對應(yīng)管道斷面水溫隨時(shí)間的變化,對入流點(diǎn)源進(jìn)行核實(shí).為此還需確定管道斷面水溫隨時(shí)間變化的背景噪聲值,定義為

2 基于光纖測溫的實(shí)證研究

2.1 研究區(qū)域

圖2 研究區(qū)域位置示意

研究區(qū)域?yàn)槟撑潘镜墓芫€公司內(nèi)部,如圖2示.選取該公司院內(nèi)的生活污水收集管道為研究管段,全長約50m.管道為非滿流狀態(tài),其污水來源主要為公司辦公樓、食堂等排放廢水(圖2中1、2號點(diǎn)位).

試驗(yàn)時(shí)段為2020年8月6日13:00至2020年8月25日16:00,共計(jì)19d的時(shí)間,期間既包括了旱天也包括了雨天.雨天時(shí)雨水徑流會通過污水檢查井井孔進(jìn)入污水管道(圖2中3、4號點(diǎn)位).

2.2 數(shù)據(jù)采集和解譯

研究使用的光纖為GL-KZ-100-MM-H2型,其適用溫度為-45～300℃.該類型光纖在長度方向上可每間隔1m采集1個(gè)水溫?cái)?shù)據(jù),對應(yīng)光纖中散射點(diǎn)的間距為1m;在時(shí)間尺度上每間隔1min采集1個(gè)水溫?cái)?shù)據(jù),對應(yīng)激光脈沖的發(fā)射頻率為1min.溫度測量精度達(dá)0.01℃.

研究使用的感溫光纖總長度約為110m.最初的0～32m和最后的75～110m位于排水管道外部或沒有水流的起始管段,其監(jiān)測結(jié)果為外界空氣的氣溫.因此,上述兩個(gè)距離范圍的測溫結(jié)果不予以考慮,而是只分析位于污水管道內(nèi)部的33～75m 距離光纖測溫結(jié)果.

圖3 基于光纖測溫的污水管道水溫時(shí)空圖像

由于光纖采集的溫度數(shù)據(jù)在主處理機(jī)中以二進(jìn)制形式存儲,采用Python編程語言開發(fā)了數(shù)據(jù)解譯程序,將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ASCII碼數(shù)據(jù),并生成水溫時(shí)空圖(圖3).

2.3 管道水溫溫差噪聲閾值分析

選取2020年8月14～16日00:00～24:00時(shí)段的56～75m光纖測溫?cái)?shù)據(jù)(共計(jì)82080個(gè)數(shù)據(jù))進(jìn)行噪聲閾值分析.如圖3所示,該條件下所選管段水溫沒有受到外來水入流的干擾,僅表現(xiàn)為系統(tǒng)自身水溫的時(shí)空變化.

根據(jù)式(4)～(6),對管道相鄰兩點(diǎn)的溫差進(jìn)行概率分布統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖4示.可以看出位于±0.2℃區(qū)間內(nèi)的水溫溫差數(shù)據(jù)點(diǎn)占總數(shù)據(jù)點(diǎn)的98.8%,因此空間上水溫變化的噪聲閾值約為±0.2℃.

圖4 污水管道相鄰觀測點(diǎn)水溫差值占比統(tǒng)計(jì)

所選管段的各觀測點(diǎn)位每日水溫隨時(shí)間變化如圖5示.可以看出,該管段各點(diǎn)位水溫隨時(shí)間變化幅度均不明顯,同樣反映了管道內(nèi)部的水溫背景值.總體上各點(diǎn)位一天內(nèi)最高、最低水溫均值分別為26.02℃、25.52℃;根據(jù)式(9),2=-0.50℃,2= 0.50℃.

試驗(yàn)監(jiān)測時(shí)段內(nèi)發(fā)生了多次正負(fù)響應(yīng)事件.若進(jìn)一步擴(kuò)展到33～75m的整個(gè)管道內(nèi)部光纖測溫?cái)?shù)據(jù)分析,可以得出約86.3%的管道相鄰兩點(diǎn)水溫差值處于-0.2～0.2℃范圍內(nèi);約9.0%的相鄰兩點(diǎn)水溫溫差處于-2.3～-0.2℃范圍內(nèi),約4.7%的水溫溫差處于0.2～2.3℃范圍內(nèi).總體上,相鄰兩點(diǎn)水溫溫差超出±0.2℃的數(shù)據(jù)點(diǎn)占觀測時(shí)間段所有數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)的13.7%,與管道水溫的異常變化有關(guān).

以±0.2℃作為水溫溫差空間噪聲閾值進(jìn)行降噪處理,處理后的正負(fù)響應(yīng)信號圖像如圖6所示.圖中出現(xiàn)的正負(fù)響應(yīng)事件即代表了與外部入流有關(guān)的管道內(nèi)部水溫響應(yīng).

圖5 無外部入流影響管段的各觀測點(diǎn)每日水溫變化

圖6 基于降噪后圖像的污水接入點(diǎn)位識別

2.4 污水管道旱天污水接入點(diǎn)位識別

觀察圖6所示的水溫溫差圖像,感溫光纖36m及45m的上游位置均出現(xiàn)了正響應(yīng)事件(紅色標(biāo)識),即水溫在上游一段距離逐步升高;而下游則表現(xiàn)為負(fù)響應(yīng)信號(藍(lán)色標(biāo)識),即水溫在下游一段距離逐漸降低.兩類現(xiàn)象的交界點(diǎn)位即表示了存在高溫水入流的位置.觀測時(shí)間段內(nèi)該現(xiàn)象出現(xiàn)頻次較為頻繁.對比圖3,管道沿程的水溫溫差最高可達(dá)2.3℃,遠(yuǎn)超出背景噪聲值.結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況,上述點(diǎn)位分別對應(yīng)食堂(圖2中1號點(diǎn)位)和辦公樓的污水支管位置(圖2中2號點(diǎn)位),且管道入流的發(fā)生時(shí)間與用水時(shí)間基本吻合.

具體針對感溫光纖45m處的污水接入點(diǎn),其管道斷面水溫變化情況如圖7所示.圖7(a)給出了8月12日18:00～24:00的污水接入點(diǎn)水溫變化.當(dāng)污水接入時(shí),該斷面水溫由前1min(19:28)的27.6℃升至28.6℃(上升幅度為1℃),并在隨后的數(shù)分鐘內(nèi)(19:40)迅速升至最高值30.7℃.在此期間上升幅度為3.1℃,明顯高于時(shí)間溫差背景閾值(2=0.50℃).歷經(jīng)數(shù)小時(shí)后,接入點(diǎn)處水溫恢復(fù)至初始狀態(tài).

(a) 08-12 18:00～24:00

(b) 08-17 16:00～24:00

圖7 污水接入點(diǎn)處的管道內(nèi)水溫隨時(shí)間變化

Fig.7 Temporal in-sewer water temperature at the location of sewage entry point

水溫信號圖像同時(shí)也捕捉了上述接入點(diǎn)位另一起污水入流事件引起的水溫變化現(xiàn)象(8月17日16:00～24:00),如圖7(b)所示.該點(diǎn)位水溫由17:22時(shí)的26.3℃逐步升至19:02時(shí)的最高溫30.6℃,歷時(shí)數(shù)十分鐘,相對圖7(a)中的水溫變化更為平緩,但上升幅度更大,約4.3℃.由于接入污水的水溫相對較高且管道中流速緩慢,導(dǎo)致管道下游水溫?cái)?shù)小時(shí)后仍高于污水接入前的水平,其增幅約1.2℃.

2.5 污水管道雨天雨水入流點(diǎn)位識別

監(jiān)測期間經(jīng)歷了多場降雨事件.FDTS監(jiān)測結(jié)果捕捉到降雨期間部分位置的溫度變化偏離了管網(wǎng)水溫的正常狀態(tài),為污水管道雨水入流所致.2020年8月 10日 13:00～21:00,研究區(qū)域經(jīng)歷了一場強(qiáng)降雨事件.FDTS系統(tǒng)捕捉到了該期間的污水管道內(nèi)部水溫溫差正負(fù)響應(yīng)事件,對應(yīng)的光纖41～75m處降噪后水溫溫差圖像如圖8所示.

圖8 基于降噪后圖像的管道內(nèi)雨水入流點(diǎn)位識別

降雨伊始46～49m間出現(xiàn)了正負(fù)響應(yīng)信號.46～48m處像素為紅色(表示升溫),而48～49m處像素為藍(lán)色(表示降溫).根據(jù)文中給出的判斷準(zhǔn)則,為溫度較高的降雨徑流入流(圖2中3號點(diǎn)位).這一現(xiàn)象與夏季地面溫度相對較高有關(guān).隨著降雨持續(xù)進(jìn)行,正負(fù)響應(yīng)事件輻射范圍逐步擴(kuò)大至42～55m;同時(shí),沿感溫光纜66～71m間也陸續(xù)出現(xiàn)了正負(fù)響應(yīng)信號(圖2中4號點(diǎn)位).伴隨降雨停止、氣溫下降及地表徑流水溫降低等因素,正負(fù)響應(yīng)事件頻次降低并最終消失,污水水溫逐步恢復(fù)至降雨前水平.

圖9記錄了降雨事件前后空氣溫度與識別的雨水入流點(diǎn)位水溫變化情況.降雨開始后,兩處點(diǎn)位的水溫幾乎同時(shí)自16:44開始升溫;17:03前后分別由26.2℃、25.8℃升至最高溫28.3℃、28.0℃,升溫幅度分別約為2.1℃、2.2℃,也明顯高于水溫溫差背景閾值(2=0.50℃).在此期間氣溫值始終處于下降狀態(tài),于17:08降至最低溫28.2℃.隨著降雨強(qiáng)度減弱或停止,氣溫有所回升,進(jìn)入管道的雨水徑流溫度及流量減弱,管道水溫呈現(xiàn)快速下降趨勢.一段時(shí)間后雨勢增強(qiáng),管道水溫又表現(xiàn)為前述升溫狀況,但是第二次升溫幅度顯著減弱,約1.2℃.最終隨著降雨事件趨于尾聲,管道水溫開始逐漸下降.

降雨開始前,兩斷面的水溫差約為0.2～0.3℃.降雨過程中,兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)水溫變化趨勢及水溫變化幅度大致相當(dāng),表示兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位的水溫變化是由于相同事件影響所致.與污水接入的情況相似,雨水入流也會引起管道水溫的異常變化,其水溫變化的方向與雨水徑流的溫度相關(guān).夏季降雨過程中匯集的地面雨水徑流溫度較高,經(jīng)上游支管或污水檢查井進(jìn)入管道造成管道水溫升高.此外,雨水入流引起的水溫溫差變化多表現(xiàn)為同一時(shí)段內(nèi)不同點(diǎn)位出現(xiàn)的相似變化,且正負(fù)響應(yīng)事件與雨水入流點(diǎn)的數(shù)目有關(guān).

時(shí)刻

3 結(jié)論

3.1 通過在排水管道中安裝光纖測溫系統(tǒng),可以獲取時(shí)空高分辨率的管道水溫圖像信息.在無外部入流影響時(shí),污水管道空間上相鄰兩點(diǎn)的水溫溫差基本上處于±0.2℃的區(qū)間內(nèi).可以認(rèn)為該臨界值是污水管道內(nèi)部水溫自然變化的背景噪聲值,超出該區(qū)間可判定為存在污水管道的外部入流.

3.2 在確定背景噪聲值后,可對水溫圖像進(jìn)行數(shù)字降噪處理,從而能夠通過水溫溫差的正負(fù)信號對管道入流點(diǎn)位及入流持續(xù)時(shí)間進(jìn)行智能識別.降噪后圖像識別出的管道污水接入現(xiàn)象,與研究區(qū)域的現(xiàn)場情況吻合.管道中有高溫污水接入時(shí),接入點(diǎn)斷面的水溫會出現(xiàn)超出背景值(一天內(nèi)最大溫差為±0.5℃)的隨時(shí)間劇烈變化,最高溫差可達(dá)3.0℃以上.

3.3 基于降噪后的信號圖像還能夠識別降雨期間的污水管道雨水接入現(xiàn)象.觀測時(shí)間段內(nèi)的夏季降雨期間,由于進(jìn)入污水管道的地表徑流溫度較高,也會對污水管道水溫造成較為顯著的影響,雨水入流點(diǎn)斷面水溫溫差最大幅度可達(dá)1～2℃.當(dāng)存在多個(gè)雨水入流點(diǎn)時(shí),會造成各個(gè)入流點(diǎn)附近管道水溫的相似變化.

3.4 基于光纖測溫的污水管道入流診斷精度與管道水溫與入流水溫之間的差值有關(guān):兩者之間的水溫溫差越大,則識別精度越高.總體上該方法適用于較大流量和較大溫差的入流入滲.為此,可首先基于水量水質(zhì)分區(qū)調(diào)查方法確定大流量的入流入滲重點(diǎn)問題區(qū)域,再針對重點(diǎn)區(qū)域采用光纖測溫技術(shù)進(jìn)行入流入滲點(diǎn)位的識別定位.

3.5 該方法不僅可以用于管道污水和雨水入流點(diǎn)位識別,也可以用于管道破損造成的地下水入滲點(diǎn)位和河湖水入流定位.未來研究中應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對不同季節(jié)管道水溫和污水、雨水、地下水、河湖水水溫的分析,從而更好地總結(jié)光纖測溫用于污水管道入流入滲定位的精度.

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A method on sewer inflow identification using fiber-optic distributed temperature sensing.

YIN Hai-long*, GUO Long-tian, HU Yi-yang, Lü You

(College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)., 2022,42(4)：1737～1744

To overcome the shortcomings of physical inspection that needs prerequisite pipe draining and also can not afford real-time in-pipe monitoring, a sewer inflow detection method based on fiber-optic distributed temperature sensing (FDTS) was developed in this study, enabling non-disrupted timely monitoring of sewage and rainfall inflow into sewers. A temporal-spatial high-resolution monitoring (i.e., 1m interval in spatial scale and 1min interval in temporal scale) was performed using FDTS for the studied sewer reach, and over 118million in-pipe water temperature data was obtained. With interpreted in-pipe temporal-spatial water temperature mapping, a sewer inflow identification method based on the background noise of water temperature change at spatial and temporal scale was presented, and the determined spatial and temporal background noise levels at a condition free of external sewer inflow disruption were ±0.2℃ and ±0.5℃, respectively. By a denoising treatment method for water temperature mapping, the dry-weather sewage discharge and wet-weather rainfall inflow into sewers were identified automatically, which is in line with on-site investigated results. Therefore, the developed method is reliable for dynamic sewer inflow identification and location.

sewer pipe；fiber-optic temperature monitoring；in-pipe water temperature；rainfall inflow；low-cost detection

X52

A

1000-6923(2022)04-1737-08

尹海龍(1976-),男,山東煙臺人,教授,博士,主要研究方向?yàn)樗h(huán)境系統(tǒng)工程和城鎮(zhèn)智慧水務(wù).發(fā)表論文80余篇.

2021-09-12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52170103);上海市優(yōu)秀技術(shù)帶頭人項(xiàng)目(20XD1430600)

*責(zé)任作者, 教授, yinhailong@#edu.cn