河涌暗涵调查技术分析

0 引言

暗涵作为城市中普遍存在的一种排水设施，是污水直排、雨污水混接错接的重灾区，也是排水系统改造的重点和难点。在城市化进程不断深入的大背景下，河涌水质污染越来越严重，部分河涌水体富营养化严重，导致水生物大量死亡，所以水环境改善迫在眉睫。水环境污水整治包括城市雨污分流、沿河截污、河涌清淤等内容。在沿河截污、城市雨污分流施工过程中出现原有地下管线多次破裂，及河涌暗涵排口未完全调查等现象，导致河涌水质未达到标准。

某水系流域涉及20多个社区，总面积70余km2，暗涵总长度超20km，存在入河污染大、流域水环境恶化、水生态退化等问题，需系统治理该水系流域，推动流域水环境质量持续改善和水质如期达标，打造流域水安全、水环境、水生态、水资源、水文化、水智慧等六位一体的生态文明格局，实现“河畅、水清、岸绿、景美”的总体目标。

地下暗涵调查是城市河湖水环境整治核心前提之一，也是工程难点所在，更是水环境治理攻坚战中的一块“硬骨头”。传统的检测手段是采用携带相机和普通量测工具下井进入暗涵内部进行现场定性记录和拍照，这种方法以定性为主，无法对暗涵内部存在的功能性缺陷、结构性缺陷以及排水口进行准确定位。

三维激光扫描仪作为地下暗涵调查的技术手段之一，其能够快速、非接触、高精度和高密度获取暗涵内部三维空间信息。国内主流方法为定点式三维激光扫描技术、手持式三维激光扫描技术、智能扫描飞行器技术等。

1 暗涵调查内容

暗涵调查工作应包含暗涵本征尺寸调查、暗涵内排水口调查及溯源、暗涵起止端及检查井位置调查三个方面。

暗涵本征尺寸调查内容应包括：空间位置分布；长度、宽度、高度；涵室数量，如单涵、双涵、三涵；暗涵内水深、淤积、有无坍塌、有无明显阻挡等情况。

暗涵内排水口调查要求调查出暗涵中的所有排口及相关信息，包括排口平面位置、高程、埋深、管径、管材、排口类别等多种信息。在排口调查过程中要探清雨水管网系统检查井以及管道内的污水接入情况，查明混接点的具体位置信息。

暗涵排口溯源调查是指根据排口调查成果，对有污水排放的污染物进行溯源追踪的工作。一般排放口溯源的对象为混流污水的雨水排放口，溯源的目标为找出雨水口上游污水的来源。排口溯源一般要求在天气放晴三天后开展，便于快速找到污染源头和区分雨水、污水属性。

暗涵起止端及检查井位置调查内容应包括：检查井编号；暗涵起止端及检查井中心平面坐标。

2 暗涵调查技术

对于涵体内水深＜0.5m且净空高度≥1.8m的单涵长度＞500m的暗涵，采用持证作业人员携带定点式三维激光扫描仪、摄像设备、水样采集工具、辅助测量工具完成主要暗涵的调查工作。

对于涵体内水深＜0.5m且净空高度≥1.8m的单涵长度≤500m的暗涵，采用持证作业人员携带手持式三维激光扫描仪、摄像设备、水样采集工具、辅助测量工具完成主要暗涵的调查工作。

对于涵体内水深≤0.3m且净空高度≥1.8m的人员无法进入的暗涵，采用智能飞行器扫描设备、水样采集工具、辅助测量工具完成主要暗涵的调查工作。

对于涵体内水深＞0.5m且净空高度＜1.8m的暗涵，采用智能管涵检测机器人、水样采集工具、辅助测量工具完成主要暗涵的调查工作。

对于涵体内水深≤0.3m且净空高度＜1.8m的暗涵，采用爬行式管道检测机器人、水样采集工具、辅助测量工具完成主要暗涵的调查工作。

2.1 定点式三维激光扫描技术

针对水深＜0.5m，且净空高度≥1.8m的单涵长度＞500m的暗涵采用定点式三维激光扫描技术，三维激光扫描是集光、电和计算机技术于一体的高新尖技术，主要对物体的空间外形进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，其将实体的立体信息转换为数字化的可直接处理的数字信号，是对传统测量方法的革命性创新，极大提高了生产效率。

三维激光扫描技术的出现是以三维激光扫描仪的诞生为代表，有人称“三维激光扫描系统”，是继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命，使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段。三维激光扫描是基于面的数据采集方式，三维激光扫描获得的原始数据为点云数据，点云数据是大量扫描离散点的结合。

三维激光扫描的主要特点是实时性、主动性、适应性好。三维激光扫描数据经过简单的处理就可以直接使用，无需复杂的费时费力的数据后处理；且无需和被测物体接触，可以在很多复杂环境下应用，已广泛应用于文物保护、工业应用、工程变形监测与测量等领域，尤其是隧道工程的三维模型、横纵断面分析、超欠挖分析、完工质量检查等。利用三维激光，全景测量的成果形成隧洞三维模型，并在三维模型的基础进行监测、检测、调查等相关数据分析。

三维激光扫描仪（如图1）的构造原理都是相似的。三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，则可以求得每一个扫描点的三维坐标。

图1 三维激光扫描仪及现场工作照片

2.2 手持式三维激光扫描技术

针对水深＜0.5m，且净空高度≥1.8m的单涵长度≤500m的暗涵，采用手持式三维激光雷达测量技术，对暗涵内部基本结构尺寸、走向及排口、缺陷定位进行精准采集，确保暗涵运维基础状态数据完整。

手持三维激光测量技术采用100MHz的激光扫描率可以快速准确地获得高质量的三维空间扫描信息、获取点云数据，并经过基于SLAM算法的软件处理后，得到扫描区的三维点云数据，从而提取暗涵检测各项需求数据。

2.3 智能扫描飞行器技术

针对水深≤0.3m，且净空高度≥1.8m的人员无法进入的复杂工况暗涵，采用智能三维扫描飞行器能够从DN400以上的检查井、雨/污篦、洞口等有限空间飞行入涵进行检测扫描。

智能三维扫描飞行器（见图2）集成配备4K高清特写影像、红外热成像传感、全角度激光测绘以及流线数据传感等多功能模块，通过激光测量数据及SLAM算法处理，提供精准的三维点云数据，从而提取暗涵内部基本结构、排口、缺陷等基础勘测数据。

图2 智能三维扫描飞行器

智能飞行器检测系统的主要特点是安全性好、工作效率高。智能飞行器检测作业中，人员不用下涵，只需在岸上操作方向手柄和调动各扫描模块即可完成检测，极大限度地保证了人员的安全。

2.4 智能暗涵检测系统技术

针对水深＞0.5m且净空高度＜1.8m的暗涵采用智能暗涵检测系统，智能暗涵检测系统是进行管道及暗涵高水位综合检测的一种方法，采用特制船体搭载闭路视频系统、淤积量化模块、数据采集模块和排口定位模块等四大系统，检测人员通过地面控制站对检测船进行实时操纵，对暗涵和排口的基本尺寸、排口、缺陷、定位、淤积、污染源等信息进行综合采集。（图3）

图3 检测船及工作原理

智能暗涵检测系统适用于横向范围0.6-6m，水深≥0.3m以上的暗涵。当现场水位条件无法满足时，可采取蓄水措施，使管道内水位高度不低于0.3m；一次最大检测距离应不超过150m，当检查井间距超过150m并小于300m时，可采用相邻两检查井从两边向中间检测的方法，当检查井间距超过300m时，需要定制线缆及信号放大器等模块。

智能暗涵检测系统的主要特点是安全性好、实用性强、工作效率高。智能暗涵检测系统工作时，人员不用下涵，只需在岸上操作方向手柄和控制站即可完成检测，极大限度地保证了人员的安全；智能暗涵检测系统功能齐全，搭载系统功能完善，具有一站式暗涵检测解决方案；在检测时，无需清淤、封堵倒排，有效地节省工程投资，并减少对排水系统的影响。

在检测时，检测人员通过地面控制站对检测船进行实时操纵，对暗涵和排口的基本尺寸、排口、缺陷、定位、淤积、污染源等信息进行综合采集。

采用专用闭路电视系统实现管线内窥检测及实时工程视频录制，激光雷达测量排口、结构、缺陷的基础尺寸，剖面声呐扫描仪探测暗涵底部淤积分布曲线、淤积量等信息，采用管道传感器结合地面管线仪探测的方式确定排放口及缺陷的定位信息。

2.5 远距离爬行式检测机器人

针对水深≤0.3m，且净空高度＜1.8m的长距离暗涵，采用远距离爬行式检测机器人。远距离爬行检测机器人采用防水设计，可在暗涵及管道内通行；机体搭载高清闭路电视系统可用于暗涵及管道内的视频检测，对暗涵内排污口、结构缺陷及功能性缺陷进行检测排查300m长距离检测，有效解决暗井分布分散的河道及市政暗涵。

3 暗涵调查实施及成果整理

涵体内作业由持证作业人员携带三维激光扫描设备，完成暗涵本体尺寸的测量、暗涵排口信息采集、判定涵体内有无坍塌及明显障碍物、主要排口水质水量检测、涵体内截污管现状的调查工作。

涵外作业主要包括安全生产保障措施，涵外特征点定位测量，测量工作采用GNSS接收机、全站仪完成主要特征点坐标的测量。

采用三维激光扫描设备专用处理软件对实测三维数据处理与分析，获取暗涵本体尺寸统计成果、排污口空间位置统计成果，同时，完成涵体内、渠内已发现排口的光学摄像资料以及水质检测、水量监测的整理与统计。

4 暗涵调查实施案例

佛山市南海区北村水系综合治理项目是保障北村水系流域排水防涝安全、全面落实广佛跨界流域水污染防治的“重点民生”工程，项目重点改善流域排涝压力、河涌水体流动性不足、水污染负荷日益严峻、水环境恶化和水生态退化等问题。其中一标段包含16条主干支流河涌，117条支毛涌，项目前期组织500余人开展现场踏勘、摸查、调研、收资、测绘等外业工作。2020年度摸查管网长度总计1042.4km；完成河涌排口摸查6117个，完成暗涵调查30.36km，暗涵排口611个，完成水文大断面测量800多条。

中国电建集团江西省水电工程局有限公司采用三维激光扫描仪、CCTV检测机器人等设备对十米涌、公路坑涌、谢边梁边涌等5.33km暗涵开展调查时，投入场技术员1人，数据处理人员1人，测量工程师2人，定位辅助工程师2人，设备操纵人员2人，内业处理人员2人，大大降低了暗涵有限空间作业风险，提高了工作效率，仅用20天完成全部调查工作，7天完成所有暗涵排口成果资料整理（见表1），较传统暗涵人工调查，直接成本降低约18万元，间接成本降低约30万元，取得了良好的效果。

表1 十米涌排口调查成果表（WS01）

5 结语

随着目前经济社会的快速发展，人类赖以生存的水资源受到严重污染，河涌水质质量越来越差，已成为当今亟需解决的难题。地下暗涵作为城市中重要的排水设施，对其进行整治也是未来水环境改善的重要发展方向。目前地下暗涵整治还存在很多政策和规范方面的不完善，国内暗涵整治中仍处于起步阶段。未来城市地下暗涵的整治有较大的市场发展潜力，同时也面临各种风险与挑战，相信随着整治技术的不断发展和成熟，城市水环境的质量也会不断提高，建设美丽中国的目标也会早日实现。