呂永鵬，王金兵，蔣柱武，謝 勝，王 盼，操文章，陳 健，高 尚，張?zhí)肀?/p>

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092；2.中建四局建設發(fā)展有限公司，福建 廈門 361006；3.福建全立建設發(fā)展有限公司，福建 寧德 352200；4.福建省高創(chuàng)建設工程有限公司，福建 龍巖 364000；5.福建工程學院，福建 福州 350118；6.福州市城區(qū)水系聯(lián)排聯(lián)調(diào)中心，福建 福州350004]

0 引言

長期以來，快速城鎮(zhèn)化形成了我國以不透水硬質下墊面為主要類型的城市用地狀況。受重地上輕地下、重水量輕水質的城市建設傳統(tǒng)理念的影響，我國對城市排水系統(tǒng)的建設和有效運行問題重視不足，雨水徑流控制的基礎研究和工程實踐相對落后。未能得到有效治理的地表雨水徑流，以及低效運行的排水系統(tǒng)產(chǎn)生了大量污染負荷，嚴重制約城市水環(huán)境質量的改善。

排水系統(tǒng)提質增效是解決城市水體黑臭問題的根本途徑。然而，在城市高密度建成區(qū)，排水系統(tǒng)建設年代早，其更新改造面臨空間狹小、人口密集、土地覆被復雜、污染沖擊負荷高、排水設施能力不足且老化等難題。因此，亟需在徑流污染溯源、管道修復和系統(tǒng)治理等方面實現(xiàn)技術突破，實現(xiàn)高密度建成區(qū)水環(huán)境質量的提升。

1 研究背景

城市高密度建成區(qū)的既有特點，導致其實施排水系統(tǒng)提質增效難度較大，同時受限于技術進步和管理理念，相關應用研究和工程實踐經(jīng)驗也較為匱乏。排水系統(tǒng)提質增效的主要技術難點表現(xiàn)在以下三個方面：

（1）缺乏徑流污染源解析計量理論方法，難以支撐復雜土地覆被下污染負荷的量化計算；

（2）缺乏地下管道精確檢測及高效修復技術，難以支撐排水系統(tǒng)的提質增效；

（3）缺乏污染多重復合治理技術體系，難以支撐城市污染負荷的系統(tǒng)削減。

針對上述技術難題，開展了徑流污染源解析計量、排水管道精確檢測和原位修復、污染系統(tǒng)阻控技術體系等研究，解決缺陷管道檢測漏損修復、灰綠協(xié)同污染系統(tǒng)阻控技術難題，獲得關鍵技術參數(shù)，并進行工程實踐。研究技術路線見圖1。

圖1 研究技術路線

2 研究成果

2.1 徑流污染源解析計量方法

2.1.1 徑流污染來源有效性分析及計量方法

傳統(tǒng)的面源污染計算方法通常采用經(jīng)驗系數(shù)模型，將各個用地類型的區(qū)域視為相互獨立的污染輸出板塊，并將同一用地類型的降雨徑流污染進行單一化的均值定量。這種方法無法精細識別面源污染的不同來源，會導致面源污染空間分布分析和污染負荷評估與實際情況存在較大差距。

本研究基于“有效不透水面”概念，構建了面源污染來源有效體系（見表1），將污染來源研究對象細化為①有效不透水面（EIA，effective impervious area），即產(chǎn)生的地表徑流直接匯入（或通過管網(wǎng)排入）自然水體的不透水面，②非有效不透水面，即產(chǎn)生的地表徑流可通過綠地等城市透水面的調(diào)蓄或被收集利用的不透水面，③綠地，即具備徑流入滲能力的下墊面，和④水體。

表1 面源污染來源有效體系

針對徑流污染的主要來源①有效不透水面（EIA），將其進一步細化為①-1 屋面類有效不透水面（EIA-Rf）和①-2 地面類有效不透水面（EIA-Rd）[1]。在此基礎上提出了點位污染輸出系數(shù)，又稱點位平均濃度（SMC，Site Mean Concentration），將區(qū)域內(nèi)下墊面看成由無數(shù)單位面積積分而成，各單位面積上SMC 存在差異且具有空間關聯(lián)性。SMC 的計算見式（1）和式（2）。

本研究建立的方法可從面源污染來源有效性和計量精細化等方面提高面源污染空間分布分析和污染負荷評估的精確程度。

式（1）中：Pi是指第i 次降雨量，L；EMCi是指第i 次降雨徑流平均濃度，mg/L，采用式（2）計算：

式（2）中：EMC 是指事件平均濃度，mg/L；M 是降雨事件徑流污染物總量，mg；V 指降雨事件徑流總量，L；Qj是第j 次取樣時所對應的徑流量，L/min；Cj指j次取樣時的徑流污染物濃度，mg/L。

2.1.2 高效高精度的徑流污染空間分布特征與污染負荷計量方法

基于空間信息數(shù)據(jù)分析，利用局部加密的網(wǎng)格布點采集雨水徑流污染信息，建立了雨水徑流污染空間信息數(shù)據(jù)庫，并以殘差平方和（RSS）及最小和決定系數(shù)（R2）最大為標準構建了最優(yōu)統(tǒng)計學模型，進而生成降雨徑流污染等級空間分布圖，核算地面類和屋面類有效不透水面的徑流污染負荷，以及區(qū)域徑流污染負荷。該方法采用的技術路線見圖2。

圖2 高效高精度的降雨徑流污染分析方法技術路線圖

該方法通過采用地統(tǒng)計學模型對徑流污染進行空間模擬和分析，大大減少了區(qū)域需采樣數(shù)量和化驗分析數(shù)量，有效節(jié)約項目人力成本和基礎評估分析時間；并且提高了面源污染空間分布和污染負荷的評估結果精確度，為后續(xù)污染削減措施和水環(huán)境修復的措施的設置提供科學依據(jù)。

2.1.3 基于機器視覺的地下管道缺陷等級判譯方法

管道缺陷等級直接影響到污染負荷的大小、修復的難度和工程量，目前最常用的地下管道閉路電視（CCTV）檢測系統(tǒng)在管道圖像數(shù)據(jù)采集、缺陷分類和分級判斷的過程中，存在主觀隨意性和判別結果偏差大的缺點。

為提高管道缺陷識別精度，本研究提出基于機器學習的地下管道缺陷判譯方法，大大降低人工成本和誤差。該方法優(yōu)化了支持向量機訓練的管道缺陷檢測技術流程，并對管道紋理特征提取方法和缺陷分類進行創(chuàng)新研究，為城市排水管道結構性缺陷檢測提供新的思路和方法。

方法的具體實施主要包括以下五個步驟：

（1）管道檢測原始數(shù)據(jù)獲取：利用CCTV 檢測系統(tǒng)對排水管道進行拍攝，獲取原始數(shù)據(jù)。

（2）管道圖像提?。豪肰ideo Reader 函數(shù)讀取視頻原始數(shù)據(jù)，根據(jù)視頻采集速率設置提取幀畫面間隔值時間，保存提取對應幀下的管道圖像。

（3）獲取缺陷子圖集：對抓取得到的管道圖像進行粗分類，去除圖像中的無關信息，再通過灰度變換、直方圖均衡化處理、限制對比度自適應直方圖均衡化處理、自適應中值濾波處理、邊緣輪廓增強處理等措施，對有缺陷的圖像進行預處理，從而獲取缺陷子圖集（如裂縫、錯口、腐蝕等）。

（4）圖像紋理特征提取：采用灰度共生矩陣（GLCM）法、改進的灰度共生矩陣復合特征向量提取（B_GLCM）法、灰度-梯度共生矩陣（GGCM）法、Gabor 法以及局部二值模式（LBP）法等5 種不同圖像紋理特征提取方法，對缺陷子圖集進行圖像特征提取。

（5）管道缺陷等級判譯：通過構建基于向量機學習的二分類支持向量機（BSVM）分類器，對提取到的缺陷數(shù)據(jù)進行訓練和分類，最終得到排水管道的缺陷等級檢測的判譯結果。

2.2 排水管道精確智能檢測與原位修復技術

2.2.1 結合圖像質量控制的地下管道多目標缺陷檢測新方案

針對傳統(tǒng)排水管道的缺陷檢測識別方法效率低下、識別率不高等問題，本研究從分析地下管道圖像質量問題、缺陷的不同類型入手，提出了圖像質量評價控制方法及地下管道多目標缺陷檢測方案，可顯著提高缺陷檢測、圖像質量評價以及降質圖像恢復的準確性。

研究構建了改進SSD（SingleShotMultiBoxDetector）算法，實現(xiàn)了地下管道不同缺陷類型的多目標檢測流程優(yōu)化（見圖3）。整個流程包括視頻圖像幀提取，數(shù)據(jù)集構建，模型訓練，基于不同特征圖的邊界框（Bounding Box）生成及檢測結果輸出。

圖3 基于改進S S D 算法的多目標檢測流程

對管道圖像進行質量評價，并在后續(xù)處理中對降質圖像進行質量恢復是提高地下管道檢測準確率的關鍵一環(huán)。研究提出一種基于雙最大局部信息的圖像質量評價方法用于模糊圖像的質量評價[2]。該方法結合合適的窗口大小，采用步進方式計算不同位置窗口中的局部信息熵，并提取最大局部信息熵所對應的窗口作為關注區(qū)域，隨后結合圖像多通道信息計算關注區(qū)域中的最大梯度差值作為最終的圖像質量評價值。將本方法與其他常用無參考圖片質量評價方法在不同數(shù)據(jù)集上的F-檢驗進行對比，結果表明本方法優(yōu)于大部分常用方法（見圖4）。

圖4 本項目研發(fā)方法與主要無參考圖像質量評價方法在不同數(shù)據(jù)集上的F-檢驗對比結果

針對地下管道圖像特征繁雜、失真類型多的問題，本研究提出了基于無配對圖像的域自適應網(wǎng)絡實現(xiàn)圖像質量恢復方法。該方法訓練流程見圖5。首先，由來自不同設備與環(huán)境采集得到的失真圖像/ 清晰圖像構建無配對數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集，其次，引入CycleGAN 網(wǎng)絡用于模型訓練，實現(xiàn)對降質圖像的恢復[3]。

圖5 基于Cycle GAN 的圖像質量恢復模型訓練

結合圖像處理與深度學習方法，研究提出應用于地下管道缺陷檢測的圖像質量評價算法、降質圖像恢復方法及多目標檢測方案。該方案包括圖像采集模塊、圖像質量評價模塊、圖像質量恢復模塊及表面缺陷檢測模塊，實現(xiàn)了管道缺陷的全方位、高準確率檢測。

2.2.2 集成式地下管道智能缺陷監(jiān)測系統(tǒng)

高密度建成區(qū)老化的排水設施的滲漏率較高，傳統(tǒng)的監(jiān)測維護方法往往依靠人工巡視，或者依靠單一方法或儀器進行監(jiān)測，監(jiān)測效率較低，且無法適應排水管道水質、水量變化和高濃度有毒有害氣體的復雜環(huán)境，無法探明破裂、塌陷、冒溢等不同缺陷情況，難以準確定位與判定缺陷等級及影響范圍，不適用于長時間及大范圍的管道監(jiān)測。針對上述問題，研制了聯(lián)合抽壓式污水管道排污疏通機器人，多功能管道檢測車及配置了多線激光雷達測距定位、CCTV 相機以及IMU（Inertial Measurement Unit）參數(shù)量化標定的集成式管道智能缺陷檢測器的地下管道智能缺陷監(jiān)測系統(tǒng)。

監(jiān)測系統(tǒng)主要包括執(zhí)行裝置、控制室、檢測車等組成部分。

其中，執(zhí)行裝置是檢測車的核心部分，實現(xiàn)了信號與圖像多模態(tài)數(shù)據(jù)融合。項目研發(fā)的超聲波檢測器利用超聲波導的回波信號推斷波導的形態(tài)，以判定管道缺陷的各類屬性。超聲波檢測系統(tǒng)在計算機及專用軟件系統(tǒng)的支持下對接收的反射聲波信號進行自動處理，經(jīng)過專業(yè)軟件處理后形成管道的橫斷面圖，以此來準確判斷管徑和管道損壞程度等情況。超聲波信號具有高穿透率低損耗的特征，可以實現(xiàn)長距離管道的內(nèi)壁檢測。在此基礎上，結合2.2.1 中提到的地下管道多目標缺陷檢測方法，可大幅提高管道缺陷檢測的準確性。

控制室中集成了基于圖像質量評價方法、圖像恢復方法及多目標檢測算法的處理裝置，并結合圖像處理結果完成對管道缺陷的檢測與識別，進而了解和評價管道的性質、狀態(tài)、內(nèi)部結構及缺陷類型等。

檢測車裝載具有抽壓式排污結構的疏通機器人，可在污水管道中翻轉，防止污水管道中的垃圾阻礙疏通機器人的前進。檢測車使用攝像頭觀察污水管道內(nèi)的情況，并結合水泵及沖擊水管將堵塞物沖散，有效提升管道排污性能。

2.2.3 缺陷管道原位修復技術

螺旋纏繞制管內(nèi)襯修復技術是一種專用于修復和更新排水管道的非開挖修復技術。本研究開發(fā)的固定口徑螺旋纏繞制管內(nèi)襯修復工藝是在原有的管道內(nèi)，將帶狀PVC 型材以螺形旋轉方式纏繞形成一條固定管徑的新管，并在新管和舊管之間的空隙內(nèi)灌漿，最終形成一條緊密無縫隙的新管道，主要適用于DN450 mm 至DN2 500 mm 的管道。該工藝具有施工周期短、對環(huán)境影響小等特點，修復后管道具有較強的抗化學腐蝕能力和結構穩(wěn)定性。

研發(fā)設備可以使纏繞機組件和灌漿組件安裝在一起，無需現(xiàn)場安裝和調(diào)試設備，降低了對施工場地的要求，有效節(jié)約了施工時間，大幅增加了管道修復效率。該工藝操作流程見圖6。管道修復前后對比見圖7。

圖6 螺旋纏繞制管內(nèi)襯修復工藝技術操作流程

圖7 螺旋纏繞制管內(nèi)襯修復工藝修復前后對比

2.3 灰綠協(xié)同污染阻控技術體系

2.3.1 截流-調(diào)蓄排水系統(tǒng)設計關鍵技術

合流制排水系統(tǒng)溢流污染和分流制排水系統(tǒng)初期雨水污染是影響城市河道水環(huán)境改善的重要因素。雨水截流和處理是最常用污染治理手段之一。

本研究開發(fā)了以截流為基礎、調(diào)蓄為補充、處理為提升的截流-調(diào)蓄排水系統(tǒng)設計關鍵技術?；诘湫团潘到y(tǒng)數(shù)學模型手段，研究提出在人口密度250 人/hm2，區(qū)域徑流系數(shù)0.6，人均污水量平均250 L/（人·d）的情況下，合流制系統(tǒng)適宜的截流倍數(shù)為2～4。研究發(fā)現(xiàn)，對于不同排水體制的系統(tǒng)，降雨強度增大均會使水量和水質的截流率減小，但降雨雨型對截流率的影響不超過2%；系統(tǒng)匯流時間延長15～20 min 可使水量和水質的截流率分別提升5%～10%；通過優(yōu)化設計運行水位，可提高系統(tǒng)在線調(diào)蓄能力30%左右[4]。研究提出了適用于不同排水體制的調(diào)蓄規(guī)模計算方法，并對調(diào)蓄設施進水、放空和清淤等關鍵設計節(jié)點提出優(yōu)化方向。

2.3.2 無動力集成式新型雨水旋流處理技術及裝備

雨水地表徑流面源污染，具有污染源時空離散和不均一、流量大、沖擊性強、污染成分復雜、所含懸浮固體顆粒物粒徑較小等特點，用常規(guī)污水處理技術很難達到低成本、快速、高效率的處理效果的問題。

結合我國高密度城區(qū)排水系統(tǒng)溢流污染水質水量特征，構建水力旋流分離器結構設計與雷諾應力模擬模型，通過對旋流器進水口直徑、溢流口直徑、低流口直徑、進水曲率半徑、擋流板位置和進水流量等參數(shù)對旋流器處理效率的影響分析，對旋流器內(nèi)的流場以及分離主體部分的速度分布等方面進行結構優(yōu)化。

在此基礎上，開發(fā)無動力集成式新型雨水旋流處理技術及裝備，并開展中試試驗驗證，通過對比新型旋流分離器與傳統(tǒng)旋流分離器的處理效果，新型旋流分離內(nèi)部流速可提高2～3倍，對雨水中SS 去除率可達到65%以上，且對細小懸浮固體、磷酸鹽、硝酸鹽以及重金屬也有一定的去除效果，去除顆粒物的粒徑區(qū)間范圍也有所擴大，對200 μm 以上的顆粒物去除效果更明顯。

2.3.3 面源污染物阻控新技術

為實現(xiàn)徑流污染的有效控制，項目致力于研發(fā)操作簡單，效果良好，造價低廉的面源污染物阻控新技術。

本研究以一種以農(nóng)業(yè)廢棄物筍殼和氯化鎂作為原材料，硅酸鈉為粘合劑的生物炭制備技術，并創(chuàng)新膨潤土、沸石、改性方法，獲得低結晶度的水滑石介孔材料，與之結合生物炭和廢棄煤渣，制備了一種適用于新型生物滯留池和人工濕地系統(tǒng)的復合反應介質[5]。復合介質的制備過程見圖8。

圖8 新型復合介質制備過程

此新型復合反應介質具有比表面積大、吸附容量大、生物附著膜性能優(yōu)異的優(yōu)點。采用此介質構建的生物滯留池，對面源污染總氮的去除率達32.4%～47.9%，對總磷的去除率達92.7%～96.5%，對氨氮的去除率達73.6%～88.4%，對硝酸鹽氮的去除率達10.3%～48.8%，對磷酸鹽的去除率達90.4%～97.2%，對COD 的去除率達49.5%～59.4%，對SS的去除率達94.1%～98.1%。

在人工濕地系統(tǒng)中采用新型復合反應介質與復合微生物菌劑，復合反應介質可以為植物乳桿菌、枯草芽孢桿菌、黑曲霉、綠色木霉菌、釀酒酵母等異養(yǎng)降解菌、硝化菌、脫氮菌或聚磷菌微生物的生長提供載體，實現(xiàn)物理吸附、化學沉淀與生物代謝功能的有機結合。研究表明，該系統(tǒng)可以同步、高效、快速地去除氨氮和無機磷，在0.5 h 內(nèi)氨氮和磷去除率分別保持在80.2%以上和93.2%以上。COD、氨氮、總氮、總磷、六價鉻和總鎳去除率分別達到60%、80%、70%、65%、50%和50%以上。

3 結論

項目圍繞徑流污染源解析計量方法、管道智能檢測、原位修復和污染阻控技術等開展研究，實現(xiàn)的主要技術突破包括：

（1）創(chuàng)新性建立了土地覆被復雜區(qū)域雨水產(chǎn)、匯流污染的空間異質性評估和負荷定量計算方法，構建了基于機器視覺的管道表面缺陷檢測圖像處理與深度學習方法，解決了徑流污染源測算和管道病害源判譯難題。

（2）創(chuàng)新性研發(fā)了超聲波管道內(nèi)壁無損快速檢測技術，開發(fā)螺旋纏繞制管內(nèi)襯修復工藝技術和非開挖管道自動連接裝置技術，顯著提高了排水管道非開挖修復施工效率。

（3）創(chuàng)新開發(fā)無動力集成式新型雨水旋流處理技術及裝備，研發(fā)面源氮磷污染治理材料及生物體系，構建了灰綠協(xié)同污染阻控技術體系，解決高密度建成區(qū)徑流污染原位高效控制難題。

研究成果在福州、廈門、上海等多地開展工程應用，取得了良好的環(huán)境和社會效益，為我國城市水環(huán)境持續(xù)改善提供重要支撐。