摘要：

為揭示城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)系統(tǒng)存在的問題，提高排水管網(wǎng)的管理水平，基于劃分監(jiān)測診斷單元，以某城市污水處理廠為例，采用在線監(jiān)測技術(shù)，運用水量平衡關(guān)系核算、水質(zhì)拓撲關(guān)系分析、旱天基本入滲分析等方法開展應(yīng)用研究，定量評估排水管網(wǎng)的運行狀況，對排水管網(wǎng)運行情況進行系統(tǒng)性診斷，評估排水管網(wǎng)的健康狀態(tài)。結(jié)果表明：針對入流、入滲非常嚴重的片區(qū)，對片區(qū)的入流、入滲情況復(fù)核結(jié)果與前期評估結(jié)果一致，說明城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)分區(qū)診斷技術(shù)在管網(wǎng)排查工作中具有較好的借鑒作用。該研究成果可為開展管網(wǎng)修復(fù)和設(shè)施改造工作奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：

排水管網(wǎng)； 分區(qū)監(jiān)測診斷； 入流入滲

中圖法分類號：TU992

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.01.008

文章編號：1006-0081（2025）01-0043-06

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)建設(shè)不斷延伸并日趨復(fù)雜化，城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效以提高生活污水集中收集效能和提升污水處理廠進水BOD濃度為目標，核心在于完善排水管網(wǎng)系統(tǒng)，主要解決污水直排、河湖水倒灌、地下水入滲、錯混接改造、溢流污染控制等問題，首要工作在于問題排查［1-2］。唐建國等［3］分析了中國城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)現(xiàn)狀，并提出了排水系統(tǒng)提質(zhì)增效措施的對策要點。陳小龍等［4］通過分區(qū)監(jiān)測診斷技術(shù)在實際案例中的應(yīng)用，表明該技術(shù)可作為城市排水管網(wǎng)排查的重要技術(shù)手段。張芳［5］采用水質(zhì)+水位的檢測方法，結(jié)合實際應(yīng)用案例，表明該方法對市政排水管網(wǎng)源頭進行排查的可靠性。

目前排水管網(wǎng)檢測主要技術(shù)方式為管道閉路檢測（CCTV）、潛望鏡檢測（QV）以及聲吶檢測等，存在成本高、效率低等問題［6］。通過分區(qū)監(jiān)測診斷方法，分區(qū)評估污水管網(wǎng)入流、入滲情況，能夠快速、低成本地獲取片區(qū)管網(wǎng)健康情況，可作為管網(wǎng)周期性檢測的一種有效技術(shù)手段［7］。本文以某市排水片區(qū)為例，針對片區(qū)污水處理廠進水濃度低的問題開展研究，為后續(xù)管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計和改造提供決策依據(jù)［8］。

1 技術(shù)原理

分區(qū)監(jiān)測診斷方法通過獲取實時、準確的排水管網(wǎng)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用排水管網(wǎng)數(shù)字化診斷評估技術(shù)，將管網(wǎng)模型、人工智能算法、水質(zhì)水量在線監(jiān)測相結(jié)合，定量評估排水管網(wǎng)的運行狀況［9］，對排水管網(wǎng)運行情況進行系統(tǒng)性診斷，明確雨污混接、錯接、管網(wǎng)破損及外水入侵等問題類型，評估排水管網(wǎng)的健康狀態(tài)［10］，切實提高管理水平，為城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計和管理提供準確可靠的監(jiān)測依據(jù)［11-12］。

2 技術(shù)方法

2.1 分區(qū)診斷技術(shù)

排水管網(wǎng)分區(qū)監(jiān)測診斷是摸清管網(wǎng)底數(shù)、查明管網(wǎng)問題、開展排水設(shè)施補短板、實現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效的基礎(chǔ)［4］。分區(qū)監(jiān)測診斷技術(shù)通常分為劃定分區(qū)、制定監(jiān)測方案和診斷評估3個主要環(huán)節(jié)（圖1）。首先確定監(jiān)測服務(wù)目標、收集基礎(chǔ)資料，分層級對區(qū)域進行分區(qū)劃定，并繪制區(qū)域分區(qū)圖；然后，根據(jù)診斷目的和分區(qū)層級，在管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點、沿河主排口和典型排水戶排口開展在線監(jiān)測，實時搜集管網(wǎng)信息［13］；最后，根據(jù)排水管網(wǎng)分區(qū)診斷的工作進展，分階段提供持續(xù)優(yōu)化的診斷報告。

定量分析評估區(qū)域入流、入滲的方法主要包括以下3種。

（1） 利用質(zhì)量守恒定律，定量計算監(jiān)測點旱天外來水入滲量［14］，并按下式進行計算：

∑Qd=Qw+Qs（1）

Qw=Qj×（Cj-Cd）-∑QsCs+∑QdCdCw-Cd（2）

式中：Qw為分區(qū)外來水量，m3；Cw為外來水濃度，mg/L；Qd為分區(qū)產(chǎn)生污水量，m3；Cd為典型污水濃度，mg/L；Qs為上游來水量，m3；Cs為上游來水濃度，mg/L；Qj為監(jiān)測點監(jiān)測流量，m3；Cj為監(jiān)測點實測水質(zhì)濃度，mg/L。

（2） 最小流量法具體計算如下：

Qw=minQi（3）

式中：Qi為分區(qū)第i小時污水量，m3。

雖然夜間最小流量法測定較簡單，但精度不高，僅適用于面積較小的研究片區(qū)。

（3） 按式（4）計算各時刻監(jiān)測點由降雨導(dǎo)致的入流入滲量：

RDⅡ=∑ii=1（Ri-Di）（4）

式中：RDⅡ為降雨條件下監(jiān)測點總的入流、入滲量，m3；Ri為降雨條件下監(jiān)測點在第i時刻的監(jiān)測流量，m3/s；Dj為旱天下監(jiān)測點在第i時刻的平均流量，m3/s。

根據(jù)監(jiān)測點匯水面積，統(tǒng)計單位面積單位降雨導(dǎo)致的入流、入滲量，同時繪制該片區(qū)入流、入滲情況分布圖。

2.2 數(shù)據(jù)核查與修正方法

監(jiān)測數(shù)據(jù)核查是指對在線液位監(jiān)測儀獲取的液位原始數(shù)據(jù)進行評估檢查，是監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的重要步驟。在監(jiān)測過程中，一切失實數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為異常值。由于客觀環(huán)境因素的影響，失實數(shù)據(jù)隨時可能出現(xiàn)。監(jiān)測數(shù)據(jù)異常值的取值對后續(xù)數(shù)據(jù)處理以及定量分析的影響較大，因此需要對監(jiān)測異常數(shù)據(jù)進行核查、剔除并修正。數(shù)據(jù)核查過程中，最大限度地避免將正常數(shù)據(jù)誤判為異常值，是異常數(shù)據(jù)篩選的重要原則之一。

常用的監(jiān)測原始數(shù)據(jù)異常值判斷方法主要有三倍標準差法、滑動窗口法、濾波方法和截斷點法等［15］。截斷點法較好地克服了主觀選擇判斷參數(shù)的問題，且算法簡明，本文采用該方法判斷液位參數(shù)是否異常。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

2.3.1 水質(zhì)水量平衡分析

水量平衡與水質(zhì)關(guān)系分析基于排水管網(wǎng)上下游拓撲關(guān)系，采用上下游監(jiān)測點的水質(zhì)水量數(shù)據(jù)，結(jié)合周邊地塊產(chǎn)污量數(shù)據(jù)，分析上下游水質(zhì)水量變化趨勢，以及上下游監(jiān)測點之間是否存在流量增加（減少）與該段受納污水量不匹配的情況，識別水質(zhì)水量不平衡管段。

2.3.2 旱天基本入滲分析

在高地下水位地區(qū)，污水管網(wǎng)破損造成的城市地下水入滲，不但會增加污水處理廠和泵站的運行費用，降低污水處理廠的處理效率，而且還會影響管網(wǎng)系統(tǒng)的輸送效能。

由于排水管網(wǎng)連接關(guān)系復(fù)雜、隱蔽性強、排水事件隨機被動，甚至會發(fā)生內(nèi)滲外滲交替的情況，因此對區(qū)域性排水管網(wǎng)系統(tǒng)進行滲漏監(jiān)測的技術(shù)難度較高。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗，城市排水管網(wǎng)滲入量的計算方法主要包括晴天污水量法、夜間最小流量法、用水量折算法、水質(zhì)物料守恒法、模型評估法等［15］。其中，基于實測數(shù)據(jù)的計算方法為水質(zhì)物料守恒法和夜間最小流量法，結(jié)合研究區(qū)域運行液位的實際情況，本文采用夜間最小流量法、用水量折算法、物料守恒法計算旱季基本入滲量［16-17］。夜間最小流量法基于居民用水量在凌晨（00∶00～06∶00）最小的原理，采用夜間最小流量估算旱季基本入滲量，如下所示：

BI=ADF-（ADF-MDF）/X（5）

式中：BI為旱天基本入滲量，m3/d；ADF為旱天日均流量，m3/d；MDF為夜間最小日流量，m3/d；X為夜間最小流量占日均產(chǎn)生污水量的比例，參考值0.88；用水量折算法通過將區(qū)域內(nèi)用水數(shù)據(jù)，折算為片區(qū)產(chǎn)污量，將計算產(chǎn)污量與實測值對比，得到旱季基本入滲量。

物料守恒法基于源頭污水與外來水污染負荷量與下游監(jiān)測點污染負荷守恒的原理，污染負荷量關(guān)系可參考以下計算公式：

Qu+Qi+Q′w=Q′d（6）

Qi=Qd（cd-cw）-Qu（cu-cw）ci-cw（7）

式中：Qu為上游監(jiān)測點流量，m3/d；Qi為片區(qū)入滲流量，m3/d；Q′w為片區(qū)產(chǎn)污量，m3/d；Q′d為下游監(jiān)測點流量，m3/d；cu為上游監(jiān)測點COD濃度，mg/L；ci為外來水COD濃度，mg/L；cw為典型污水COD濃度，mg/L；cd為下游監(jiān)測點COD濃度，mg/L。

3 案例應(yīng)用

3.1 研究區(qū)域概況

本次研究區(qū)域位于湖北省某市，開展水質(zhì)水量監(jiān)測范圍面積約為359.27萬m2，片區(qū)理論污水排放量為18 907.5 m3/d，監(jiān)測時間為2022年4～5月。通過對該片區(qū)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)進行排查，分析旱季基本入滲情況，梳理現(xiàn)狀污水管網(wǎng)存在的問題，為后續(xù)管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計和改造提供決策依據(jù)。

3.2 研究區(qū)域分區(qū)劃定和監(jiān)測方案制定

根據(jù)片區(qū)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)圖及匯水情況，以污水處理廠為界將片區(qū)分為東區(qū)、西區(qū)2個一級分區(qū)。西區(qū)分為12個二級分區(qū)，東區(qū)分為9個二級分區(qū)，具體監(jiān)測分區(qū)如圖2所示。針對該研究項目需求，共布設(shè)32臺在線流量計，具體位置見圖3，片區(qū)監(jiān)測點位拓撲關(guān)系如圖4所示。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本文采用截斷點法識別出異常液位，并對識別出的無效液位數(shù)據(jù)進行均值法以還原其液位記錄。修正后各監(jiān)測點液位變化曲線的分布集中且表現(xiàn)出較好的可重復(fù)性，結(jié)合經(jīng)驗計算，可將修正后的誤差值控制在10%左右。示例如圖5所示。

3.4 污水管網(wǎng)診斷分析

3.4.1 水量平衡關(guān)系核算

根據(jù)二級分區(qū)水量統(tǒng)計數(shù)據(jù)繪制各二級分區(qū)監(jiān)測污水收集量分布圖，如圖6所示?？梢钥闯觯^(qū)污水量主要來自湖區(qū)西南區(qū)域及東北區(qū)域，其中HH-5、HH-14和HH-19分區(qū)產(chǎn)污量較大，監(jiān)測片區(qū)污水量超過0.2萬m3/d，其次為HH-3、HH-6和HH-20分區(qū)，監(jiān)測產(chǎn)污量大于0.1萬m3/d。

根據(jù)湖區(qū)監(jiān)測點位拓撲關(guān)系及排水設(shè)施的分布，繪制各監(jiān)測點位水量平衡分布圖，如圖7所示。

通過流量拓撲關(guān)系圖，結(jié)合實際情況，對水量差異區(qū)域進行水量平衡分析，具體分析如下。

（1） H7監(jiān)測點至H5監(jiān)測點。H7監(jiān)測點污水往下游匯入H5監(jiān)測點，隨著匯水服務(wù)面積的增大，流量反而減小，流量差值為0.054萬m3/d，兩點間的區(qū)域HH-16分區(qū)可能存在污水漏損的情況，導(dǎo)致流量降低，建議后期展開排查。

（2）H24監(jiān)測點。通過液位曲線（圖8）可知，H24監(jiān)測點在監(jiān)測期間，管道內(nèi)液位處于不斷上升的狀態(tài)，可能由于H24監(jiān)測點所在管道淤積嚴重，導(dǎo)致水流不暢。

（3） H16監(jiān)測點。H16監(jiān)測點在監(jiān)測期內(nèi)，監(jiān)測的流量值為0，通過對上下游管段進行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，該管段的水為死水，在其下游黃石大道與迎賓大道交叉路口附近，有大量污水接入了雨水管道，推測H16監(jiān)測點所在區(qū)域的其他路口也存在雨污混流情況，建議后期現(xiàn)場排查。

3.4.2 水質(zhì)拓撲關(guān)系分析

湖區(qū)對應(yīng)的水質(zhì)COD和總氮拓撲關(guān)系見圖9，10。

湖區(qū)水質(zhì)COD和總氮的變化趨勢基本相同，西區(qū)污水濃度均較低，東區(qū)污水濃度較高。H25監(jiān)測點至H10監(jiān)測點水質(zhì)濃度降低，可能由于濃度較低的外水匯入導(dǎo)致。H24監(jiān)測點水質(zhì)COD過高，可能由于管道淤堵，底泥沉積，受取樣條件的限制導(dǎo)致所取水樣含較多沉積物。

3.4.3 旱天基本入滲分析

本文運用物料守恒法進行分析，以湖區(qū)小區(qū)COD濃度279 mg/L為典型污水濃度，外來水濃度以湖水COD濃度43 mg/L為基準，通過聯(lián)立方程計算出各監(jiān)測分區(qū)污水收集量和外來水量。

由表1可知，湖區(qū)存在入流入滲情況的分區(qū)為HH-3、HH-4、HH-5、HH-8、HH-11及HH-19分區(qū)，其中HH-3、HH-4、HH-5、HH-8和HH-19分區(qū)的入流入滲比例均大于70%；HH-11分區(qū)入流入滲情況稍輕，外來水比例小于40%；HH-2分區(qū)外來水比例小于20%。

根據(jù)監(jiān)測點位實測流量數(shù)據(jù)與COD化驗結(jié)果，對21個監(jiān)測片區(qū)污水管網(wǎng)入流入滲情況進行分析，得到湖區(qū)RDII評價結(jié)果如圖11所示。

湖區(qū)存在較嚴重的降雨導(dǎo)致的入流入滲情況，雨天雨水進入污水管道，降低了污水的濃度。湖區(qū)污水處理廠進水濃度偏低主要可能跟地下水匯入及降雨導(dǎo)致的入流入滲有關(guān)。建議對管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)性缺陷進行檢查，對存在破損、淤積等問題的管道采取措施進行修復(fù)改造，減少外水進入污水管道，提高污水處理廠的污水收集率和處理效率。

4 結(jié) 論

（1） 根據(jù)評估結(jié)果，針對入流、入滲非常嚴重的片區(qū)，對片區(qū)的入流、入滲情況進行復(fù)核，結(jié)果顯示與前期評估結(jié)果一致，說明分區(qū)監(jiān)測診斷方法在城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)排查的應(yīng)用結(jié)果能準確反映實際問題。污水管網(wǎng)入流、入滲是一個隱蔽的過程，文中提出的城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)分區(qū)診斷技術(shù)在管網(wǎng)排查工作中具有較好的借鑒作用。

（2） 進行診斷分析時，以水質(zhì)水量監(jiān)測為主要方法，通過在線監(jiān)測設(shè)備的24 h實時監(jiān)測，可準確把握管網(wǎng)節(jié)點流量特征值，獲取準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進而精確計算旱天特征流量，有效提高診斷準確性。

（3） 運用分區(qū)診斷技術(shù)的結(jié)果，采用必要的工程措施和管理手段開展管網(wǎng)改造修復(fù)工作，不斷優(yōu)化管網(wǎng)系統(tǒng)運行狀態(tài)，逐步實現(xiàn)提質(zhì)增效的綜合目標。

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（編輯：江 燾，舒忠磊）

Application research on partition monitoring and diagnosis in urban drainage pipe network investigation

ZHOU Mei1，LI Zheng2，XIONG Wen3，MIN Zhicheng4，HUANG Yu3，ZHANG Yi4

（1.Shiyuan Technology Engineering and Construction Co.，Ltd.，Beijing 100089，China； 2.Hubei Province Xiecheng Communication Environmental Protection Co.，Ltd.，Wuhan 430070，China； 3.School of Civil Engineering and Enviroment，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China； 4.Hubei Qirun Ecology Construction Co.，Ltd.，Wuhan 430012）

Abstract：

In order to reveal a series of problems in the urban drainage pipe network system and to improve the management of drainage pipe network，based on the division monitoring and diagnosis unit，we took a certain urban sewage treatment plant as an example，carried out the application and research by using online monitoring technology and methods such as water balance relationship accounting，water quality topology relationship analysis，basically infiltration of dry days，etc.The results showed that for the areas with very serious inflowing and infiltration，the reviewed results of inflow and infiltration in the area were consistent with the results of the preliminary evaluation.It showed that the diagnosis technology of the urban drainage pipe network partition had a good reference in the investigation of the pipe network.The research results can provide a reference for the development of pipe networks and facilities.

Key words：

drainage pipe network； partition monitoring and diagnosis； inflowing and infiltration