趙志超，黃曉敏，尹海龍，李鋼，李迎喜，彭壽海，唐光濤，許琪*

1.長(zhǎng)江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司

2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，環(huán)境水質(zhì)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3.水利部長(zhǎng)三角城鎮(zhèn)供水節(jié)水及水環(huán)境治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

4.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

5.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境工程研究中心

雨水管網(wǎng)是城市的生命線，對(duì)降低城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)和改善水環(huán)境質(zhì)量意義重大。近10 年來(lái)，我國(guó)城市化進(jìn)程發(fā)展迅速，雨水管道規(guī)模以10.1%的年均增長(zhǎng)率快速增加，截至2021 年底已達(dá)37.9 萬(wàn)km，其中約四成服役期超過(guò)10 年[1]。受施工過(guò)程不當(dāng)、管材老化腐蝕和地面載荷等因素影響，我國(guó)城市雨水管網(wǎng)建成后普遍存在污水混接、高地下水位地區(qū)地下水入滲問(wèn)題，對(duì)水環(huán)境健康與公共安全造成顯著的風(fēng)險(xiǎn)脅迫[2]。

目前，我國(guó)城市的平均污水集中收集率僅為69%，意味著將近31%的污染物未經(jīng)處理直接排放至河湖水體[1]。調(diào)查表明，污水通過(guò)混接至雨水管道直接排入河湖水體，是導(dǎo)致污水從收集系統(tǒng)流失和集中收集率偏低的主要原因之一[3]。例如，在我國(guó)東部城市通過(guò)混接至雨水管道流失的污水量可達(dá)污水總量的26.0%～80.7%[3-4]。而上述問(wèn)題在我國(guó)分流制排水系統(tǒng)中普遍存在。2018 年，上海市在1.9 萬(wàn)km雨污水管道中查出20 290 處混接點(diǎn)；2021 年，武漢東湖高新區(qū)在2 550 km 雨污水管道中發(fā)現(xiàn)600 處混接點(diǎn)?；旖游鬯哂懈叱龅乇硭h(huán)境承載力的污染物濃度，嚴(yán)重者甚至與市政污水相當(dāng)[5]。因此，雨水管網(wǎng)中存在污水混接問(wèn)題是造成城市受納水體返黑返臭、黑臭水體治理成效功虧一簣的主要原因之一。2021 年11 月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》，強(qiáng)調(diào)城市黑臭水體縱深治理要強(qiáng)化污水收集效能，而探明污水混接位置是污水收集處理提質(zhì)增效的關(guān)鍵著力點(diǎn)。

在我國(guó)地下水位較高的南方地區(qū)，雨水管道普遍存在地下水入滲問(wèn)題，通過(guò)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，地下水入滲量可達(dá)82.8～524.2 m3/（d·km）[5-6]。入滲地下水能夠通過(guò)擠占雨水管道的收集輸送容量，損害其防洪排澇功能[7]，導(dǎo)致地面積水無(wú)法通過(guò)雨水管道被及時(shí)排干，從而引發(fā)城市內(nèi)澇問(wèn)題；加劇雨水管道堵塞進(jìn)而產(chǎn)生壅水問(wèn)題，造成的管道水壓增大可促使窨井蓋發(fā)生移位，嚴(yán)重時(shí)釀成“井蓋吃人”的悲劇。此外，在地下水入滲雨水管道的過(guò)程中還可能將管道周邊的土體顆粒沖刷進(jìn)入管道內(nèi)，導(dǎo)致入滲區(qū)域上方形成侵蝕坑，這會(huì)加速管道失穩(wěn)以致爆管，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)地面塌陷災(zāi)害[8]。由此可見，雨水管網(wǎng)存在地下水入滲問(wèn)題已成為危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重大隱患，及時(shí)開展整治工作意義重大，而查明入滲區(qū)域是整治工作高效開展的前提。

在上述背景下，筆者通過(guò)綜述國(guó)內(nèi)外雨水管網(wǎng)混接入滲診斷技術(shù)的基本原理、應(yīng)用現(xiàn)狀等，以期為該類技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用和創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

1 診斷技術(shù)類型、原理和應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)原理不同，雨水管網(wǎng)混接入滲診斷技術(shù)主要分為物探檢測(cè)技術(shù)[9]、流量分析技術(shù)[10]、特征因子分析技術(shù)[11]、水動(dòng)力反演模型技術(shù)[12-13]。

1.1 物探檢測(cè)技術(shù)

物探檢測(cè)技術(shù)始于20 世紀(jì)60 年代，其基本原理是采用感知設(shè)備采集管道內(nèi)部的物理參數(shù)，直接或間接為排水管道入流入滲問(wèn)題的診斷提供分析依據(jù)。目前，物探檢測(cè)技術(shù)基本形成了以管道閉路電視成像（CCTV）為主的傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)，以紅外成像技術(shù)和光纖分布式測(cè)溫（FDTS）為代表的新型檢測(cè)技術(shù)[9,14-15]。

1.1.1 技術(shù)分類

1.1.1.1 CCTV 技術(shù)

現(xiàn)階段，CCTV 技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，其主要由主控器、操縱線纜架、搭載攝像鏡頭的行進(jìn)機(jī)器人組成。該技術(shù)可通過(guò)實(shí)地拍攝影像輔助工作人員直觀判斷排水管道存在的入流入滲問(wèn)題。但為保證機(jī)器人在管道中順利行進(jìn)和鏡頭正常拍攝，CCTV 技術(shù)應(yīng)用前需要進(jìn)行管道斷水、排空、清淤等復(fù)雜操作，不但造成檢測(cè)費(fèi)用昂貴、效率低下，而且在面對(duì)流量大、水位高的管道時(shí)甚至不能實(shí)現(xiàn)斷水檢測(cè)[16]。為克服上述難題，國(guó)內(nèi)研發(fā)了基于漂浮滾筒螺旋式行進(jìn)的CCTV 帶水檢測(cè)技術(shù)[17-18]，但該設(shè)備易受水流變化影響而較難被操控，導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量無(wú)法保證。對(duì)此，蔡兆祝[19]通過(guò)解決管道復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性低、檢測(cè)方式單一、成像效果差的問(wèn)題，研發(fā)了能在少水、滿水甚至有水流沖擊環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)的兩棲機(jī)器人，然而當(dāng)前鮮見該技術(shù)工程應(yīng)用的案例報(bào)道。

1.1.1.2 紅外成像技術(shù)

紅外成像技術(shù)是采用紅外成像設(shè)備掃描物質(zhì)表面的溫度場(chǎng)，并根據(jù)溫度突變?cè)\斷管道的入流入滲問(wèn)題。例如，Lepot 等[15]采用紅外成像設(shè)備對(duì)試驗(yàn)水槽的748 次旁側(cè)入流事件進(jìn)行了記錄，結(jié)果表明，該技術(shù)主要適用于探測(cè)導(dǎo)致管道自由水面溫度場(chǎng)發(fā)生變化的入流入滲事件，檢出限非常低，能夠識(shí)別的最小入流僅為管道水體流量的2.5%，但是無(wú)法定量入流流量以及識(shí)別侵入型、裂縫型、管道底部型入流事件。紅外成像技術(shù)能有效實(shí)現(xiàn)不斷水檢測(cè)，但在實(shí)際應(yīng)用中需將成像設(shè)備固定在漂浮裝置上采集數(shù)據(jù)，導(dǎo)致設(shè)備易受水流流速變化影響而無(wú)法獲得精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。當(dāng)前鮮見該技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際管道檢測(cè)的案例報(bào)道。

1.1.1.3 FDTS 技術(shù)

FDTS 技術(shù)能基于沿管道鋪設(shè)的光纖高頻率感知空間溫度變化，并根據(jù)溫度變化特征診斷管道的入流入滲問(wèn)題[20]，其原理如圖1 所示。近年來(lái)，F(xiàn)DTS技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外形成許多試驗(yàn)場(chǎng)景。如Hoes 等[20]在2009 年率先采用FDTS 技術(shù)對(duì)荷蘭Korendijk 州和Groningen 州雨水管網(wǎng)中存在的生活污水間歇性接入事件進(jìn)行了有效追蹤，并指出該技術(shù)主要適用于對(duì)大流量入流水體的探測(cè)，然而該研究未給出FDTS 技術(shù)識(shí)別混接事件的溫度變化閾值；隨后，Kessili 等[21]在實(shí)驗(yàn)室條件下分析了FDTS 技術(shù)的溫度變化閾值對(duì)管道充滿度、混接污水溫度和體積、混接路徑長(zhǎng)度的響應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)管道充滿度、混接污水和管道環(huán)境之間的溫度差異、混接路徑長(zhǎng)度是影響混接事件被成功識(shí)別的主要因素，并綜合確定FDTS 技術(shù)識(shí)別污水混接事件的溫度變化閾值為0.15 ℃，然而該研究未分析溫度變化閾值隨時(shí)間的變化特征；對(duì)此，尹海龍等[16]在2022 年以一條50 m 長(zhǎng)的污水管道為例開展了基于FDTS 技術(shù)的污水和雨水入流實(shí)時(shí)監(jiān)控，并基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論分析了FDTS 技術(shù)識(shí)別入流事件時(shí)在空間和時(shí)間上的溫度變化閾值（分別為±0.2 和±0.5 ℃）。然而，當(dāng)入流入滲水體流量小、與管道原生水體之間溫差不明顯時(shí)，F(xiàn)DTS 技術(shù)不適用。

圖1 基于FDTS 技術(shù)的排水管道入流入滲診斷示意[16]Fig.1 Schematic diagram of diagnosing inflow and infiltration into sewers using FDTS technology

1.1.2 技術(shù)適用條件

物探檢測(cè)技術(shù)是診斷雨水管網(wǎng)混接入滲的有效手段。其中，CCTV 技術(shù)主要適用于水深較淺、淤積較輕等無(wú)需實(shí)施降水、清淤操作的情形，否則將面臨高昂的檢測(cè)成本；紅外成像技術(shù)和FDTS 技術(shù)均支持帶水檢測(cè)，前者應(yīng)用時(shí)要求混接入滲引起的溫度變化能夠在管道水體自由水面顯現(xiàn)以及管道水流流速平穩(wěn)，后者主要適用于混接入滲水量大以及與管道原生水體之間溫差顯著的情形，同時(shí)還應(yīng)盡可能保持光纖漂浮于水體自由表面并避免光纖彎曲引發(fā)定位誤差和激光信號(hào)損失等。然而，上述方法均難以量化混接入滲的水量信息，導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)評(píng)級(jí)問(wèn)題嚴(yán)重程度實(shí)現(xiàn)治理效果與經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。

1.2 流量分析技術(shù)

流量分析技術(shù)是實(shí)現(xiàn)排水管道入流入滲定量解析的重要方法，其基本原理：基于排水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和污染源的污水排放數(shù)據(jù)，構(gòu)建封閉區(qū)域內(nèi)排水系統(tǒng)的水量平衡方程，并通過(guò)方程求解量化排水管網(wǎng)中不同來(lái)源類型水體的水量輸入情況。例如，Almeida 等[22]采用37 臺(tái)管道流量計(jì)對(duì)Costa do Estoril 的污水管網(wǎng)進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)流量監(jiān)測(cè)，并結(jié)合用戶的用水量數(shù)據(jù)、水質(zhì)指標(biāo)分析、夜間最小流量法等，分析了污水管網(wǎng)的地下水入滲量、工業(yè)廢水排放量、雨水混接量，在此基礎(chǔ)上提出了污水管網(wǎng)的優(yōu)化改造方向；Xu 等[10]綜合運(yùn)用管道流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、污染源調(diào)查數(shù)據(jù)、泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)、地下水入滲模型，構(gòu)建了上海市某分流制排水系統(tǒng)的水量平衡方程（圖2），通過(guò)方程聯(lián)立求解，定量解析了旱季期間雨水管網(wǎng)中的污水混接、地下水入滲和河水倒灌情況，從而為雨水管網(wǎng)混接入滲問(wèn)題治理提供了科學(xué)指導(dǎo)。然而，流量分析技術(shù)需要通過(guò)獲取大量管道流量數(shù)據(jù)明確水量平衡方程的邊界條件，具有成本高、人員投入大的問(wèn)題。對(duì)此，肖濤[23]提出了基于管道液位演算流量的“軟測(cè)量”模型——單井模型和雙井模型。單井模型是以上游檢查井液位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為模型輸入條件演算流量，適用于下游管道順坡、水力狀態(tài)良好的檢查井；雙井模型是以上下游檢查井的液位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為模型輸入條件演算管道流量，在順坡、平坡和逆坡管道中均適用。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量誤差或管道淤積常導(dǎo)致演算流量與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間存在較大誤差。

圖2 基于水量平衡分析的雨水管網(wǎng)混接入滲量化模型[10]Fig.2 Quantitative model of illicit discharge and groundwater infiltration of stormwater network based on water balance analysis

除上述不足外，流量分析技術(shù)還存在無(wú)法識(shí)別水體來(lái)源類型的缺陷，導(dǎo)致在開展排水管網(wǎng)入流入滲定量解析時(shí)，易將未監(jiān)測(cè)到的水體錯(cuò)誤納入已知來(lái)源類型水體中，引發(fā)解析結(jié)果的較大偏差。對(duì)此，工程實(shí)踐中常引入水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行輔助分析，以提升診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，在T/CECS 758—2020《城鎮(zhèn)排水管道混接調(diào)查及治理技術(shù)規(guī)程》[9]中給出了通過(guò)監(jiān)測(cè)雨水管道水體污染物濃度和負(fù)荷量的沿程變化診斷污水混接的技術(shù)路線。然而，該類方法仍無(wú)法精細(xì)化定量不同來(lái)源類型水體的水量。

綜上可知，流量分析技術(shù)是定量解析雨水管網(wǎng)混接入滲的有效手段，主要適用于水量平衡模型邊界條件較少的情形，否則需要安裝大量管道流量計(jì)，導(dǎo)致診斷成本顯著增加；此外，該技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)水體的流速和水深大小具有特定要求，在測(cè)量過(guò)程中還需避免傳感器被垃圾纏繞或淤泥淤積引發(fā)數(shù)據(jù)測(cè)量誤差。與物探檢測(cè)技術(shù)相比，流量分析技術(shù)無(wú)需深入管道內(nèi)部獲取數(shù)據(jù)，因此操作易于實(shí)現(xiàn)，且能夠通過(guò)評(píng)級(jí)問(wèn)題嚴(yán)重等級(jí)明確混接入滲區(qū)域治理的優(yōu)先級(jí)，提高治理工作的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。然而該技術(shù)不能識(shí)別水體來(lái)源類型，導(dǎo)致解析結(jié)果的不確定性較大，易誤導(dǎo)工程治理方向；另外，其診斷精度主要為區(qū)域水平，為實(shí)現(xiàn)定位還需在各檢查井開展流量監(jiān)測(cè)，成本較高。

1.3 特征因子分析技術(shù)

1.3.1 基本原理

特征因子分析技術(shù)是精細(xì)化識(shí)別和定量排水管網(wǎng)入流入滲的有效手段。該技術(shù)是美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局（US EPA）開展雨水管網(wǎng)混接調(diào)查的核心方法之一[11]，由于該技術(shù)允許帶水操作且能夠定量解析不同來(lái)源水體的貢獻(xiàn)比例，近年來(lái)備受關(guān)注。特征因子分析技術(shù)的基本思想：篩選針對(duì)不同來(lái)源類型水體的特異性和保守性特征因子，在此基礎(chǔ)上建立涉及特征因子指標(biāo)和貢獻(xiàn)比例的化學(xué)質(zhì)量平衡（CMB）模型，并通過(guò)CMB 模型求解，定量解析排水管網(wǎng)中不同來(lái)源類型水體的接入比例，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步結(jié)合流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可量化評(píng)估入流入滲水平。該方法架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 基于特征因子的排水管網(wǎng)入流入滲診斷技術(shù)架構(gòu)Fig.3 Architecture of diagnostic technology for inflow and infiltration of drainage network based on tracer parameters

（1）CMB 模型原理

CMB 模型的數(shù)學(xué)表達(dá)如式（1）所示。

式中：C1,1,···,C1,k為第1 個(gè)特征因子在第1,···,k種來(lái)源類型水體中的指標(biāo)值；Ck,1,···,Ck,k為第k個(gè)特征因子在第1,···,k種來(lái)源類型水體中的指標(biāo)值；f1，···，fk為第1，···，k種來(lái)源類型水體對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)出流水體的貢獻(xiàn)比例，滿足為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)處出流水體第1，···，k種特征因子的指標(biāo)值。

根據(jù)式（1）解析結(jié)果并結(jié)合流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可計(jì)算監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上游排水管網(wǎng)中不同來(lái)源類型水體的入流入滲水量，公式如下：

式中：Qi為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上游排水管網(wǎng)中第i種來(lái)源類型水體的日均入流入滲量，m3/d；Q監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)水體的日均出流量，m3/d。

采用上述方法沿排水管網(wǎng)的不同監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)逐級(jí)開展診斷，并結(jié)合水量平衡分析，可得到相鄰節(jié)點(diǎn)之間的排水管網(wǎng)中不同來(lái)源類型水體的入流入滲水量，從而應(yīng)用于排水管網(wǎng)運(yùn)行效能評(píng)估。

（2）特征因子篩選準(zhǔn)則和常用類型

特征因子分析技術(shù)的實(shí)施關(guān)鍵之一是選擇合適的特征因子，理論上特征因子應(yīng)具有以下基本特征[24]：1）在不同來(lái)源類型水體之間具有顯著的指標(biāo)值差異；2）在排水管道的生物地球化學(xué)作用過(guò)程中能保持較好的穩(wěn)定性；3）檢測(cè)限、測(cè)試精度、安全性和重現(xiàn)性較理想。參考上述原則，國(guó)內(nèi)外學(xué)者篩選出能夠表征生活污水、不同行業(yè)廢水、地下水的濃度型特征因子（表1），并廣泛用于排水管網(wǎng)入流入滲診斷。例如，徐祖信等[24]以上海市某雨水管網(wǎng)為研究對(duì)象，分別采用總氮、氟化物、硬度作為表征生活污水、半導(dǎo)體工業(yè)廢水和地下水的特征因子，結(jié)合CMB模型耦合不確定性算法量化了3 種水體的貢獻(xiàn)比例；王詩(shī)婧[25]以巢湖市城區(qū)污水管網(wǎng)為研究對(duì)象，采用安賽蜜作為區(qū)分生活污水和地下水的特征因子，通過(guò)CMB 模型求解，明確了局部管段的嚴(yán)重入滲是導(dǎo)致污水處理廠進(jìn)水濃度偏低的主要原因，并提出通過(guò)識(shí)別和修復(fù)局部嚴(yán)重破損管段提升污水處理效能的技術(shù)思路。

表1 不同來(lái)源類型水體的特征因子及其濃度分布范圍[24,26-33]Table 1 Tracer parameters of different water sources and their concentration distribution ranges

1.3.2 傳統(tǒng)濃度型特征因子的時(shí)空非保守性問(wèn)題

研究表明，同一來(lái)源類型水體的濃度型特征因子指標(biāo)值常表現(xiàn)出顯著的時(shí)空波動(dòng)性，這是造成CMB模型解析結(jié)果出現(xiàn)較大誤差的主要原因之一[31]。表2 統(tǒng)計(jì)分析了在同一點(diǎn)位連續(xù)監(jiān)測(cè)的濃度型特征因子指標(biāo)值的變異系數(shù)（CV），結(jié)果表明，約46%監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的CV 大于閾值15%，反映了數(shù)據(jù)離散程度較大，特征因子保守性偏低。同一來(lái)源類型水體的濃度型特征因子指標(biāo)值在空間上表現(xiàn)出的顯著性差異主要與人類活動(dòng)、區(qū)域環(huán)境特征等有關(guān)，例如生活污水的濃度型特征因子指標(biāo)值大小與居民生活水平、居住區(qū)建成年代、排放污水中黑水和灰水混合比例等因素相關(guān)，地下水的濃度型特征因子指標(biāo)值易受不同區(qū)域含水層物理化學(xué)性質(zhì)的影響等[24]。

表2 在同一點(diǎn)位連續(xù)監(jiān)測(cè)的濃度型特征因子指標(biāo)的CV[24,26,28,30]Table 2 CV values of the concentration-type tracer parameters continuously monitored at the same sampling sites

1.3.3 新型指紋型特征因子的優(yōu)勢(shì)前景

為克服濃度型特征因子指標(biāo)值的時(shí)空非保守性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將穩(wěn)定同位素、三維熒光光譜、傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜等指紋技術(shù)引入該領(lǐng)域中。例如，Houhou 等[34]采用水體中氫原子和氧原子的穩(wěn)定同位素（分別表示為δ2H 和δ18O）對(duì)法國(guó)大南錫地區(qū)的自來(lái)水、市政污水、河水進(jìn)行了識(shí)別，根據(jù)δ2H-δ18O 指紋圖譜可知，不同來(lái)源類型水體之間的δ2H-δ18O 指紋圖譜的差異性顯著，同一來(lái)源類型水體的δ2H-δ18O 指紋圖譜的穩(wěn)定性較高，這為基于δ2Hδ18O 指紋圖譜揭示污水管網(wǎng)水量平衡過(guò)程創(chuàng)造了有利條件。然而，該研究未從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度給出δ2H 和δ18O 保守性的解釋；Kracht 等[35]在利用δ2H-δ18O 指紋圖譜區(qū)分生活污水和地下水的研究中發(fā)現(xiàn)，δ2H和δ18O 的CV 分別小于?2.0%和?1.8%，表明其保守性較高，可作為精準(zhǔn)量化污水管網(wǎng)中地下水入滲的特征因子。在熒光指紋應(yīng)用方面，Chen 等[36]率先采用三維熒光光譜耦合平行因子分析法表征了雨水管網(wǎng)雨天出流水體、地表徑流和生活污水中的溶解性有機(jī)物熒光組分，并通過(guò)蛋白質(zhì)類熒光峰識(shí)別了雨水管道中的生活污水接入。然而，該研究未對(duì)熒光指紋信息進(jìn)行數(shù)值化表征，因此無(wú)法明確其保守性。對(duì)此，Liao 等[37]構(gòu)建了三維熒光光譜指紋的衍生指標(biāo)——降解指數(shù)，并采用顯著性檢驗(yàn)證明了其對(duì)地表徑流和生活污水的特異性指示功能，然而該指標(biāo)存在保守性不足問(wèn)題（CV≤32%）。除上述方法外，傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜也是識(shí)別排水系統(tǒng)入流入滲的潛在指紋手段，由于該技術(shù)能從分子式、元素組成和群組成分的角度刻畫水體中溶解性有機(jī)物的來(lái)源信息，近年來(lái)已有效用于區(qū)分污水處理廠出水和天然水體、地表徑流和生活污水[38-39]。通過(guò)將分子指紋信息數(shù)值化，該技術(shù)可進(jìn)一步用于定量解析混合體系中不同來(lái)源類型水體的組成比例，但相關(guān)研究鮮有報(bào)道。

1.3.4 技術(shù)適用條件

綜上可知，特征因子分析技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雨水管網(wǎng)混接入滲水體的精細(xì)化定量解析，但主要適用于不同來(lái)源類型水體的特征因子之間存在顯著性差異的場(chǎng)景。由于該技術(shù)僅需開展特征因子檢測(cè)和部分點(diǎn)位流量監(jiān)測(cè)，因此診斷成本較低。然而，該技術(shù)的診斷精度一般為區(qū)域水平，為實(shí)現(xiàn)對(duì)混接入滲問(wèn)題的定位還需在各檢查井開展水質(zhì)監(jiān)測(cè)，其成本較高。

1.4 水動(dòng)力反演模型技術(shù)

為提高對(duì)排水管網(wǎng)入流入滲問(wèn)題的定位效率同時(shí)降低成本，水動(dòng)力反演模型技術(shù)被提出。根據(jù)水動(dòng)力學(xué)理論，水體在管道上游的時(shí)空輸入特性和在管道內(nèi)的匯流傳輸過(guò)程決定了未來(lái)在下游點(diǎn)位的動(dòng)力學(xué)形態(tài)（流量、水位等）[40]。基于該關(guān)聯(lián)機(jī)制，國(guó)內(nèi)率先發(fā)展了融合排水管網(wǎng)水動(dòng)力模型和反問(wèn)題理論的水動(dòng)力反演模型技術(shù)，用于追蹤入流入滲問(wèn)題。例如，2020 年Zhao 等[13]采用圖4 中的方法架構(gòu)開展了巢湖市城區(qū)污水管網(wǎng)的地下水入滲定位和定量解析。具體地，首先采用特征因子分析技術(shù)識(shí)別出存在嚴(yán)重地下水入滲問(wèn)題的污水管網(wǎng)子系統(tǒng)，同時(shí)給出該區(qū)域的水動(dòng)力學(xué)邊界；其次通過(guò)耦合排水管網(wǎng)水動(dòng)力模型（SWMM）和微生物遺傳算法構(gòu)建子系統(tǒng)的地下水入滲反演模型，并用于推演地下水入滲的空間分布和水量大小，從而為嚴(yán)重入滲管道的優(yōu)先修復(fù)提供靶點(diǎn)。隨后，Xu 等[12]在2021 年綜合采用特征因子分析技術(shù)和“軟測(cè)量”方法識(shí)別了Xiaohecha 雨水管網(wǎng)中存在嚴(yán)重混接入滲問(wèn)題的子系統(tǒng)，并明確了其水動(dòng)力邊界條件；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)耦合SWMM 和粒子群算法構(gòu)建了子系統(tǒng)的水動(dòng)力反演模型，進(jìn)而為存在嚴(yán)重混接入滲問(wèn)題管道的優(yōu)先修復(fù)提供了診斷技術(shù)支持。然而，上述研究均未開展反演模型定位效果對(duì)水動(dòng)力（如曼寧粗糙系數(shù)、管道坡度）和算法（迭代次數(shù)、種群大小等）參數(shù)變化的響應(yīng)機(jī)制分析，導(dǎo)致解析結(jié)果的不確定性較大；此外，當(dāng)排水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或運(yùn)行方式的復(fù)雜度增加時(shí)，水動(dòng)力模型運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)和待反演參數(shù)數(shù)量隨之增多，這導(dǎo)致反演模型推演效率顯著降低。

圖4 基于特征因子和水動(dòng)力反演模型的污水管網(wǎng)地下水入滲定位方法架構(gòu)[13]Fig.4 Architecture of pin-pointing groundwater infiltration into sewer network based on tracer parameters and hydrodynamic inversion model

綜上可知，水動(dòng)力模型反演技術(shù)是開展雨水管網(wǎng)混接入滲問(wèn)題診斷的新型手段，主要適用于水動(dòng)力邊界明確和物理參數(shù)完整、準(zhǔn)確的雨水管網(wǎng)，其實(shí)施關(guān)鍵是精細(xì)化、精準(zhǔn)化構(gòu)建雨水管網(wǎng)水動(dòng)力過(guò)程模擬系統(tǒng)。與水量分析技術(shù)和水質(zhì)特征因子分析技術(shù)相比，該方法無(wú)需人工逐個(gè)檢查井開展水量或水質(zhì)監(jiān)測(cè)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)混接入滲問(wèn)題的定位，因此具有投資少、工作效率高的優(yōu)點(diǎn)。此外該技術(shù)還支持對(duì)混接入滲水量定量的功能，突破物探檢測(cè)技術(shù)難以評(píng)級(jí)混接入滲問(wèn)題等級(jí)的瓶頸。然而，如何解決反演模型的“異參同效”效應(yīng)是當(dāng)前該技術(shù)主要面臨的難題。

2 診斷技術(shù)對(duì)比及其發(fā)展趨勢(shì)

將不同技術(shù)應(yīng)用于雨水管網(wǎng)混接入滲診斷的適用場(chǎng)景、實(shí)施要點(diǎn)、診斷水平和發(fā)展階段進(jìn)行總結(jié)（表3），在此基礎(chǔ)上提出未來(lái)雨水管網(wǎng)混接入滲診斷技術(shù)將朝著低成本、無(wú)干擾、可量化、可定位的方向發(fā)展。由表3 可知，單一診斷技術(shù)均不具備未來(lái)預(yù)期特征，而通過(guò)技術(shù)組合并遵循分級(jí)診斷路線有望實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)[41]。

表3 不同技術(shù)應(yīng)用于雨水管網(wǎng)混接入滲診斷的特征、水平和發(fā)展階段對(duì)比Table 3 Comparison of the characteristics,levels,and development stages of different diagnostic technologies for illicit discharge and groundwater infiltration of stormwater network

根據(jù)表3 可知，流量分析技術(shù)和特征因子分析技術(shù)是針對(duì)大范圍雨水管網(wǎng)分區(qū)開展混接入滲診斷的有效手段，可通過(guò)快速量化不同分區(qū)雨水管網(wǎng)的混接入滲情況、評(píng)級(jí)問(wèn)題嚴(yán)重區(qū)域，為后續(xù)采用CCTV 技術(shù)、紅外成像技術(shù)、FDTS 技術(shù)、水動(dòng)力反演模型技術(shù)定位問(wèn)題嚴(yán)重點(diǎn)位指明方向。然而，構(gòu)建何種分級(jí)診斷技術(shù)組合是當(dāng)前面臨的重要難題。綜合考慮技術(shù)成本、診斷精度、診斷水平、發(fā)展階段4 個(gè)評(píng)價(jià)因子，對(duì)不同分級(jí)診斷技術(shù)組合在當(dāng)前和未來(lái)的應(yīng)用特征進(jìn)行綜合分析，結(jié)果如圖5 所示。根據(jù)圖5 可知，針對(duì)大范圍雨水管網(wǎng)分區(qū)開展混接入滲診斷時(shí)，特征因子分析技術(shù)整體優(yōu)于流量分析技術(shù)，且前者未來(lái)仍具有優(yōu)化提升空間。通過(guò)對(duì)比分級(jí)診斷技術(shù)組合1～4 和①～④（以技術(shù)組合1 為例，是指流量分析技術(shù)與CCTV 技術(shù)的組合）可知，不論是當(dāng)前還是未來(lái)預(yù)期，技術(shù)組合①～④的綜合性能整體優(yōu)于技術(shù)組合1～4，表明采用特征因子分析技術(shù)耦合混接入滲定位技術(shù)更符合未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。分級(jí)診斷技術(shù)組合①～④在當(dāng)前和未來(lái)的綜合評(píng)分分別遵循以下順序：④＞③=①＞②和④＞③=②＞①。上述結(jié)果表明，分級(jí)診斷技術(shù)組合③和④的綜合性能較高，且符合成本低、無(wú)干擾、可量化、可定位的預(yù)期優(yōu)勢(shì)特征，因此二者有望成為未來(lái)雨水管網(wǎng)混接入滲診斷的核心方法。雖然技術(shù)組合②與③未來(lái)具有相同的綜合性能，但前者達(dá)到預(yù)期效果所需優(yōu)化提升的程度較大。此外，現(xiàn)階段當(dāng)考慮診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性時(shí)，分級(jí)診斷技術(shù)組合①將是首選。

圖5 不同分級(jí)診斷技術(shù)路線的綜合評(píng)價(jià)Fig.5 Comprehensive evaluations of routes of different hierarchical-diagnostic technologies

3 結(jié)語(yǔ)

雨水管網(wǎng)存在的污水混接和地下水入滲問(wèn)題可對(duì)水環(huán)境健康和公共安全產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)脅迫，因此及時(shí)掌握雨水管網(wǎng)混接入滲的準(zhǔn)確信息將有助于提升防范化解水環(huán)境污染和公共社會(huì)安全風(fēng)險(xiǎn)的戰(zhàn)略主動(dòng)。通過(guò)綜述國(guó)內(nèi)外雨水管網(wǎng)混接入滲問(wèn)題診斷技術(shù)的基本原理、研究進(jìn)展、技術(shù)特征等，旨在為該類技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用和創(chuàng)新發(fā)展提供借鑒，并得出以下主要結(jié)論：1）特征因子分析技術(shù)是開展雨水管網(wǎng)混接入滲診斷的有效手段，其可在不影響雨水管道正常運(yùn)行情況下分區(qū)識(shí)別和量化混接入滲問(wèn)題。通過(guò)進(jìn)一步評(píng)估問(wèn)題等級(jí)，該技術(shù)可為問(wèn)題嚴(yán)重區(qū)域管道的優(yōu)先修復(fù)提供靶區(qū)，因此具有實(shí)現(xiàn)治理效果與經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)一的優(yōu)勢(shì)特征。2）FDTS 技術(shù)和水動(dòng)力模型反演技術(shù)在無(wú)干擾定位雨水管網(wǎng)混接入滲問(wèn)題方面均展現(xiàn)出了優(yōu)勢(shì)前景，其中前者易于實(shí)施且診斷結(jié)果的不確定性小，后者具有診斷成本低、可量化混接入滲水量的優(yōu)勢(shì)，因此決策者可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景特征因地制宜選擇診斷方法。3）研究認(rèn)為未來(lái)雨水管網(wǎng)混接入滲診斷技術(shù)將朝著低成本、無(wú)干擾、可量化、可定位的方向發(fā)展，而單一診斷技術(shù)難以滿足要求，采用特征因子分析技術(shù)耦合FDTS 技術(shù)或水動(dòng)力模型反演技術(shù)的分級(jí)診斷體系有望實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。