段淑璇 蔡俊楠 許 佶

（云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650000）

我國大部分城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)由于管網(wǎng)內(nèi)部長期存在嚴(yán)重的清水入流入滲、雨水混流等問題，導(dǎo)致污水處理廠進(jìn)水濃度低下、進(jìn)水負(fù)荷較高，污水收集處理效能低下，同時(shí)城市黑臭水體未明顯消除[1]。污水管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)基于長期連續(xù)動態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)掌握管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，評估污水系統(tǒng)內(nèi)清水入流入滲、雨污混流情況，是系統(tǒng)動態(tài)評估和實(shí)時(shí)監(jiān)管污水系統(tǒng)健康狀況、保障污水收集處理系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要手段[2]，同時(shí)也可為污水系統(tǒng)運(yùn)營考核付費(fèi)提供數(shù)據(jù)支撐，是城鎮(zhèn)排水管理信息化和智慧化的重要體現(xiàn)。

在線監(jiān)測點(diǎn)位的布置與優(yōu)化是排水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)建立的前提，如何用盡量少的監(jiān)測點(diǎn)來全面反映片區(qū)污水收集處理系統(tǒng)總體情況是關(guān)鍵[3]。目前，排水管網(wǎng)的在線流量監(jiān)測布點(diǎn)設(shè)置原則尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)對排水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布局優(yōu)化的研究還較比較有限，主要分為以統(tǒng)計(jì)學(xué)理論為基礎(chǔ)和以運(yùn)籌學(xué)理論為基礎(chǔ)共兩大類[4]，但內(nèi)容側(cè)重于理論研究，實(shí)際工程中情況差異較大，影響因素較多，上述方法在實(shí)際工程應(yīng)用有一定局限性，本研究從工程應(yīng)用角度出發(fā)，建立一套基于排水管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系排水分區(qū)識別劃分的分布式在線流量監(jiān)測點(diǎn)位優(yōu)化布局方法，可為分布式在線監(jiān)測的優(yōu)化布局和智慧排水系統(tǒng)的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

研究案例為南方某高原湖泊流域城鎮(zhèn)，區(qū)域總面積約18km2，其中建設(shè)用地5.87km2，其余用地主要為農(nóng)田，區(qū)域內(nèi)水系豐富，共有6 條溪和多條溝渠穿城而過。區(qū)域人口約1.45 萬人，排水系統(tǒng)以合流制為主，受區(qū)域“地廣人稀”的客觀因素限制，區(qū)域具有管網(wǎng)分布廣戰(zhàn)線長的特點(diǎn)，管道主要呈現(xiàn)枝狀布置，現(xiàn)狀管網(wǎng)總長度約77.3km，其中主干管10.7km、干管24.4km、次干管及支管42.2km，管徑范圍為DN300～DN1000。當(dāng)前由于污水系統(tǒng)內(nèi)存在嚴(yán)重的農(nóng)田灌溉水、山箐水、地下水等清水入流入滲和雨水混流現(xiàn)象，導(dǎo)致下游污水處理廠進(jìn)水濃度低下，雨季進(jìn)水負(fù)荷偏高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年全年進(jìn)水CODcr 均值僅為75.67mg/L。目前，該城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的運(yùn)營管理主要依靠“人海戰(zhàn)術(shù)”，體現(xiàn)出相當(dāng)程度的勞動密集屬性，工作效率低且無法精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)問題，片區(qū)污水系統(tǒng)的監(jiān)管模式亟需升級。

為實(shí)時(shí)評估區(qū)域污水系統(tǒng)運(yùn)行效能，高效診斷區(qū)域污水管網(wǎng)健康狀況，提高管理效率，實(shí)現(xiàn)片區(qū)污水系統(tǒng)的信息化和智慧化監(jiān)管，有必要建立一套污水系統(tǒng)智慧化監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，在污水管網(wǎng)上安裝在線流量監(jiān)測設(shè)備，為污水系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)提供科學(xué)決策。

2 監(jiān)測點(diǎn)位布置

本研究基于片區(qū)管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系和排水分區(qū)的劃分，采用“3 級監(jiān)測布點(diǎn)體系”，在管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上布置監(jiān)測點(diǎn)，接下來將以研究區(qū)域?qū)嶋H布點(diǎn)案例進(jìn)行說明。

在研究區(qū)域內(nèi)初步構(gòu)建覆蓋排水主干管、干管、次干管、泵站及污水處理廠的管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系圖，劃定排水分區(qū)。本片區(qū)共10 個(gè)排水分區(qū)，按照“末端-過程-源頭”逐級布點(diǎn)的思路，主干管、干管及次干管上分別布置1 級、2級和3 級監(jiān)測點(diǎn)。

由于截污管網(wǎng)埋設(shè)于地下，管網(wǎng)數(shù)量多、范圍廣，且管道內(nèi)部水力和水質(zhì)條件復(fù)雜，環(huán)境惡劣，同時(shí)外部安裝環(huán)境復(fù)雜，在初步確定系統(tǒng)布點(diǎn)方案后，需對管網(wǎng)實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，根據(jù)現(xiàn)場情況，對監(jiān)測點(diǎn)位置進(jìn)行選取和確定。本研究監(jiān)測設(shè)備選用超聲波多普勒流量計(jì)。經(jīng)現(xiàn)場初步篩查后，初步確定共布置監(jiān)測點(diǎn)22 個(gè)，其中1 級監(jiān)測點(diǎn)4 個(gè)，2 級監(jiān)測點(diǎn)11 個(gè)，3 級監(jiān)測點(diǎn)布置7 個(gè)。研究區(qū)域管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系及初步確定的監(jiān)測點(diǎn)布置情況見圖1 所示。

圖1 研究區(qū)域管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系及監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測周期

為系統(tǒng)評估監(jiān)測點(diǎn)位布局合理性，本研究選取旱天和雨天兩種條件開展水量監(jiān)測，分別分析旱天和雨天運(yùn)行狀態(tài)，評估監(jiān)測點(diǎn)位布置對整個(gè)區(qū)域污水收集系統(tǒng)提質(zhì)增效和長期運(yùn)維監(jiān)管的必要性。

本研究選取的監(jiān)測周期為2021 年6 月1 日-2021 年7 月31 日，覆蓋旱天及雨天，其中旱天定義為前48h 無降雨。結(jié)合片區(qū)雨量站提供的雨量數(shù)據(jù)分析，選取2021年6 月15 日-2021 年6 月27 日為旱天分析周期，共計(jì)13 天，雨天分析周期為2021 年7 月22 日-2021 年7 月26 日，共計(jì)5 天，累計(jì)降雨厚度為77.5mm。本次監(jiān)測周期范圍內(nèi)，需定期對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行巡檢和維護(hù)，確保設(shè)備正常運(yùn)行，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

分別對旱天和雨天運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，詳見表1。

表1 研究區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3.2.1 旱天數(shù)據(jù)分析

研究區(qū)域污水處理廠前排水主干管末端節(jié)點(diǎn)1-1 旱天流量為4262.2m3/d，推算得到的人均綜合污水排放量約294L/人.d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通過區(qū)域理論人均綜合污水排放量100L/人.d。接入排水主干管的干管末端2 級監(jiān)測節(jié)點(diǎn)流量累計(jì)1487.3m3/d，遠(yuǎn)小于排水主干管末端流量，推測排水主干管上存在大量的清水入流入滲情況。目前，排水主干管總長約10km，共布置4 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，依據(jù)初步判斷結(jié)果，由于排水主干管上的清水分流對整個(gè)研究區(qū)域提質(zhì)增效貢獻(xiàn)占比較大，根據(jù)實(shí)際需求，下一步將對排水主干管上的監(jiān)測點(diǎn)位進(jìn)一步加密布控。

2 級和3 級監(jiān)測點(diǎn)普遍具有低充滿度、低流速、低流量的特點(diǎn)，部分監(jiān)測點(diǎn)旱天無水流，管網(wǎng)流態(tài)不好對監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定的干擾，下一步將結(jié)合片區(qū)排查，對該部分監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

3.2.2 雨天數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測期間雨天排水主干管末端監(jiān)測點(diǎn)流量為4845.2m3/d，較旱天提升13.7%，2 級監(jiān)測節(jié)點(diǎn)流量累計(jì)5218.2m3/d，較旱季增加約兩倍多，且超過排水主干管末端流量約8%，說明雨水混流主要是由于區(qū)域源頭造成的，且排水主干管上可能已發(fā)生溢流現(xiàn)象，下一步建議對排水主干管監(jiān)測節(jié)點(diǎn)加密開展動態(tài)監(jiān)管。

3.2.3 代表性監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

本研究選取部分代表性監(jiān)測點(diǎn)開展周期內(nèi)水量變化情況分析，主干管（節(jié)點(diǎn)1-1）、干管（節(jié)點(diǎn)2-9）和次干管（節(jié)點(diǎn)3-4、3-5），水量變化曲線詳見圖2 所示。

圖2 代表性監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)據(jù)水量監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線

通過分析可知排水主干管監(jiān)測流量在整個(gè)監(jiān)測周期長期處于較高水平，降雨時(shí)水量有一定上升趨勢，但總體變化不大；而排水次干管和支管監(jiān)測點(diǎn)流量變化與降雨情況相關(guān)性較強(qiáng)，旱天流量基本處于較低水平，降雨后水量有大幅提升，說明片區(qū)內(nèi)部旱天清水入流入滲不明顯，但雨污混流情況相對嚴(yán)重。

3.3 在線監(jiān)測點(diǎn)布局優(yōu)化建議

通過上文監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，研究區(qū)域監(jiān)測點(diǎn)情況總結(jié)如下：（1）排水主干管監(jiān)測節(jié)點(diǎn)流量較大，旱季清水入流入滲量大，對旱季污水系統(tǒng)提質(zhì)增效貢獻(xiàn)占比較大，雨天管網(wǎng)上可能存在溢流現(xiàn)象，但監(jiān)測節(jié)點(diǎn)密度不足；（2）超聲波多普勒流量計(jì)流速監(jiān)測范圍為0.02-10m/s，最低監(jiān)測液位0.03m，部分排水干管和次干管上旱天流態(tài)不佳，液位、流速和流量較小，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不足；（3）局部排水次干管和支管上旱天監(jiān)測流量為0 或接近于0，推測服務(wù)范圍內(nèi)管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系不清或存在污水管網(wǎng)短板。針對以上問題，本研究提出以下監(jiān)測點(diǎn)位布局優(yōu)化建議：（1）新增監(jiān)測點(diǎn)：排水主干管上新增3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)（1-5 號、1-6 號、1-7 號）；（2）取消監(jiān)測點(diǎn)：2-2號、2-3 號、2-6 號、2-8 號、2-10 號、3-2 號。優(yōu)化調(diào)整后，研究區(qū)域在線流量監(jiān)測系統(tǒng)布局圖如圖3 所示。

4 結(jié)論及建議

本研究以南方某城鎮(zhèn)為例，建立了一套基于排水管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系排水分區(qū)識別劃分的分布式在線流量監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布局方法，初步確定的監(jiān)測點(diǎn)位為22 個(gè)，通過2個(gè)月的監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷分析后，對監(jiān)測點(diǎn)位布局進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，排水主干管上新增監(jiān)測點(diǎn)3 個(gè)，干管及次干管取消監(jiān)測點(diǎn)6 個(gè)，優(yōu)化后監(jiān)測點(diǎn)為19 個(gè)，并對部分片區(qū)提出下一步排查建議。本方法以實(shí)際工程應(yīng)用需求出發(fā)，建立了一套分布式在線流量監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布局方法，可為智慧排水系統(tǒng)的建設(shè)與定量化排查提供監(jiān)測點(diǎn)分布式布設(shè)的科學(xué)依據(jù)，具有推廣意義。