基于水下声呐的沿河截污干管运行现状探查与分析

宋振豪，陈思宇，潘辉，张治

（1.深圳市宝安排水有限公司，广东 深圳 518101；2.南京水利科学研究院，南京 210029；3.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明 650051）

1 引言

沿河截污干管是用平行并靠近河道岸边线的污水管，将排水区域内所有直接向水体排放污水的干管或支管截流，使污水沿该干管汇流到污水处理厂进行处理的一种管道[1-2]。 这种沿河截污干管一般具有管径大、运行水位高、受地形变化影响大、施工困难、造价较高的特点。

由于沿河截污干管所处环境复杂， 又受到各种因素的影响，管道状况无法一直保持完好，而传统内窥检测技术普遍难以适用于截污干管运行现状的探查， 使得管道内部出现缺陷后不能及时发现并维护，导致缺陷逐渐积累放大，最终引发严重的管道问题[3]，因此，适用于沿河截污干管运行现状探查的新兴检测技术的引进（如水下声呐探查技术），并针对沿河截污干管运行现状与缺陷分析的探索十分必要且重要。

2 水下声呐探查

2.1 水下声呐

水下声呐通过激发换能器发射固定频率的声波， 波束在水中传播到达物体表面后反射，接收换能器接收到反射信号，并将其转化为电信号， 最终通过地面控制端将扫描到的信息以图像的形式进行显示。 针对沿河截污干管运行现状探查，水下声呐通过发射声脉冲分别形成扫描断面及扫描扇区 （见图1），即可得到管道内壁的界面数据及空间数据，再通过水平方向和垂直方向多个角度的扫描， 即可实现截污干管管段内壁的360°扫描探查[4]。

图1 水下声呐探查效果示意图

2.2 水下无人潜航器

针对沿河截污干管探查工作，有缆水下无人潜器（Remote Operated Vehicle,ROV）作为水下声呐的载体装备，主要由甲板控制单元、脐带缆、潜航器单元、脐带缆绞车电力供应单元组成。

甲板控制单元由计算机控制、 视频记录机以及手持控制台组成，其中，计算机控制单元具备实时监测潜器单元状态，包括潜器单元所在位置、深度、倾向、倾角、方位角等信息的功能； 保障操作员实时对潜器单元的空间位置及姿态进行及时调整，并对水下探查成果进行实时显示；手持控制台单元则是完成对潜器单元运动的控制， 控制信号以及视频信号通过脐带缆实现控制端和水下潜器单元的实时传输[5]。

水下声呐与艏向传感器、深度传感器、姿态传感器、水下定位设备等传感器在水下无人潜航器上同时搭载（见图2），形成了沿河截污干管运行现状调查的探查装备。

图2 水下无人潜航器示意图

3 探查与分析技术思路

针对沿河截污干管运行现状进行探查与分析， 不仅面临着水体能见度低、高水流速、水体悬浮杂质多、作业通道狭小的复杂环境，并且对污水转输效率有要求，现场工作需在极有限的工作窗口期内高效完成，因此，采用水下声呐开展沿河截污干管运行现状探查与分析， 宜分为综合探查及分析两个阶段[6-7]。

1）综合探查阶段。 采用水下无人潜航器搭载水下声呐开展干管内壁的断面扫描及扇形扫描，实现管段三维数字化全覆盖探查。 在此基础上，结合管道内部环境，联合应用包括光学探查、电法探测等多种技术协作，完成沿河截污干管多参数探查数据采集。 管道探查过程中，水下无人潜航器以平行于管道中轴线的方式进行测线布置，完成多参数实测数据采集与解译， 精确标记并划分管道内壁缺陷的分布部位以及规模。

2）综合分析阶段。 根据综合探查阶段获得多参数实测资料的解译成果， 结合市政排水管道主要结构性缺陷及功能性缺陷的特征开展综合分析，确定管道内壁缺陷的类型，并从截污干管及附属设施、水质净化厂、输水泵站、毗邻河道多个维度开展沿河截污干管运行现状问题的系统分析， 为沿河截污干管系统亟待整改的关键问题及决策提供信息支撑及决策依据。

4 应用实例

4.1 项目概况

深圳市某沿河截污干管，探查范围内全长10.5 km，作为该片区重要的行洪通道，且临近交通要道，与周边市民的生活息息相关。 该截污干管系统由于附近区域的施工改造，截污干管存在迁改、地面检查井覆盖等系列问题（见图3）。 其日常管养工作困难重重，加上长期处于高水位运行状态，污水冒溢以及河堤坍塌等突发情况频出。

图3 沿河截污干管示意图

围绕该沿河截污干管运行现状的调查， 采用水下声呐作为主要探查技术手段，并结合管道内部的环境，联合应用包括光学探查、电法探测等多种技术协作，完成沿河截污干管多参数探查数据采集，并在此基础上，综合截污干管及附属设施、水质净化厂、输水泵站、毗邻河道多个维度开展了沿河截污干管运行现状问题的系统分析。

4.2 综合探查成果统计

通过应用包括水下声呐在内的措施对沿河截污干管现状探查，共发现缺陷管段126 段，管段缺陷率为85.71%。 共发现缺陷328 处，其中，结构性缺陷177 处，功能性缺陷151 处；1 级缺陷160 处、2 级缺陷114 处、3 级缺陷33 处、4 级缺陷21处。 其综合分析成果如下。

1）“厂”维度分析。 污水处理厂（二期）未建成投入运行之前，一期工程无法及时处理进入前池的污水量，致使前池囤积污水，使得上游来水管水位上升，导致了沿河截污系统水位抬高。

2）“网”维度分析。 输水能力方面，截污管主要转输河道左右岸雨污分流无法改造的区域及排涝泵站临时抽排来水，现状管径满足污水流量输送要求， 不会导致管内高水位运行或冒溢；管道逆坡方面，发现多处逆坡管段，其中，下游末端过河管逆坡现象较为明显；管道缺陷方面，共发现缺陷328 处，可见管段变形（Ⅱ级）及渗漏（Ⅲ级）等重大缺陷；外水入污方面，发现多处错接，包括雨篦接入污水管、截留溢流井等。

3）“河”维度分析。 沿河截污管上下游，以及沿河截污管结构性三、四级缺陷临近位置的河道水质氨氮值均低于1.5 mg/L，达到地表水环境质量Ⅳ级标准，未见明显污水入河现象。 但河道断面显示，管内水面标高基本高于河水面标高，存在污水入河隐患，建议加强巡视与监测。

4）“站”维度分析。 排涝泵站来水范围仍有污水未完全剥离，导致污水通过连通管经泵站进入截污管，增加了截污干管的污水转输负荷。 建议进一步将未剥离完全的污水接入市政污水管网，恢复泵站排涝的主要功能。

5 结语

沿河截污干管运行现状调查，受运行条件的限制，必须克服水位高、水体悬浮杂物多、作业通道小等复杂环境，通过采用水下无人潜航器作为水下工作载体，搭载水下声呐等，以综合探查及分析为工作思路，开展运行现状探查与分析。 该方案弥补了传统技术在高水位沿河截污干管缺陷探查中的不足，同时为截污系统关键问题及整治措施的制定提供了信息支撑及决策依据，具有良好的拓展应用前景。