城市排水管网诊断评估技术讨论

何巍伟

(合肥中科国禹智能工程有限公司 安徽 合肥 230088)

随着城市化的快速发展，城市排水系统的问题不断累积和爆发。水体黑臭、排口排污、外来水入渗、管网错接混接、污水厂进水浓度低等问题是一个涉及源头、管网、泵站、污水厂、受纳水体、截流调蓄设施等全要素、全过程的系统性问题，亟须通过加强排污源头控制、完善城镇排水管网收集系统、排水设施缺陷修复以及专业化维护管理等一整套全方位的措施实，现城市水环境治理，保障城市排水系统安全稳定运行。

2019 年4 月三部委联合印发《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019—2021年）》，要求全国各地要加快解决城镇污水系统管网收集与处理设施的短板问题，努力实现城市污水系统“提质增效”和完成城镇污水全收集、全处理的目标，并且针对排水管网这一核心问题，明确指出要建立周期性检测排查制度，及时发现管网问题、及时处置管网问题，建立起专业化的管网运行维护管理机制。因此，需要优先开展排水管网排查与诊断评估研究，查明排水管网存在的各种缺陷和雨污混接情况，定量识别入流入渗、雨污混接等问题严重的区域，是采取有针对性措施的前提，是为制订系统化提质增效整治方案的先决条件。

1 管网检测技术

排水管网检测技术主要有人工法、闭路电视检测（Closed Circuit Television Inspection，CCTV）、管道潜望镜检测（Pipe Quick View Inspection，QV）、声呐检测、水质采样检测等[1-5]，这些管道检测技术在实际的应用中都是互补互用的，这样可以弥补每种方法各自的缺点，以确保能够准确评估管道内部问题。

1.1 人工法

人工法主要是专业人员根据经验，直接对检查井内部和管道进出口进行测量与观察判断，或通过下井观察和人工测量，来评估排水管网基本情况。如管网拓扑关系、管网混接错接情况、管网上下游埋深、检查井底部和地面高程等相关内容。

1.2 闭路电视检测（CCTV）

闭路电视检测（CCTV）是利用带有摄像头录像和照明功能的管道机器人，将其放入排水管道内部，工作人员通过在地面控制管道机器人的前进方向和行进速度，对管道内部进行照明、拍照和录像，并将管道内部画面实时展现在地面显示器终端，实现排水管网内部结构与运行状态的检测评估。CCTV 检测技术适用于管网低水位运行状态，若水位超过高管道机器人则无法正常工作，一般可通过封堵上下游管道，将管道来水引流或抽送至他处来降低水位实现管道CCTV检测。

1.3 管道潜望镜检测（QV）

管道潜望镜检测（QV）是利用可调节伸缩杆将带有高放大倍数的摄像头与光源放入检查井或排水管道口处，获取排水管道内部清晰图像，并在地面显示器终端进行实时显示和储存。相对CCTV 检测来说，其优点是可便捷快速检测，成本较低；但缺点是一次性检测距离太短，不能深入管道内部连续检测。

1.4 声呐检测

声呐检测技术是以水为介质利用声呐设备对管道内壁进行扫描。声呐检测探头从管道一端进入，从另一端牵引而出，在此过程中连续采集信号，对管道空间及内壁进行扫描探测和定位。探测数据利用计算机配套专业软件进行分析处理获得排水管道的问题点与过水断面情况，包括识别排水管内堵塞淤积、管内异物等，但对管道结构性缺陷检测存在一定局限性，一般不作为缺陷准确判定和修复的依据。

1.5 水质采样检测

水质采样检测是通过在排水设施关键节点（如管网主干节点、排口、泵站进水口、污水厂进出水口等）对水样进行人工取样并送至第三方实验室进行化验，获取水样的相关水质指标来评估管网运行状态。水质指标一般以化学需量（COD）、氨氮（NH3-N）为主，根据实际情况可增加悬浮颗粒物（SS）、总氮（TN）、总磷（TP）及重金属离子等指标。通过水质指标浓度来分析管网地下水入渗、雨水入流、雨污混接、污染物负荷等情况。

2 在线监测技术

城镇排水管网在线监测技术在我国已有较长时间的研究，尤其是近些年随着大数据、物联网等技术的快速发展以及传统排水行业的数字化转型，在线监测技术得到了大量应用。赵冬泉等人[6]将在线监测技术和排水模型进行结合，系统性评估和预测了某市老城区合流制排水系统的整体运行状态；盛平等人[7]以镇江市排水管网和污水泵站为研究对象，建立了一套在线监测体系；陈小龙等人[8]介绍了城镇排水管网分区监测诊断的方法；何人杰等人[9]对无锡市污水系统进行在线监测，研究评估其污水运行规律；盛政等人[10]针对某市排水管网入流入渗问题，利用流量在线监测技术进行了分析诊断；余黎等人[11]利用水量和水质相结合的监测技术，实现了污水处理厂低浓度进水问题的快速诊断评估；叶婉露[12]以某市排水系统为例建立了一套标准化的在线监测分析流程。

在线监测可以自主、持续、实时地收集排水系统的运行信息，实现排水设施某些问题的定量分析和诊断。例如：通过对排污企业进行源头在线监测，可有效监管和发现其偷排漏排问题；通过在排水管网关键性节点进行水量在线监测，获取长期连续的在线监测数据，可有效识别排水管网的运行规律，还能对排水管网入流入渗、水量平衡核算等问题进行定量诊断分析；通过对河道排口进行在线监测，可定量分析排口入河的污染负荷，实现排口的动态预警与监管。

当前，城市排水管网在线监测指标以液位、流量为主，由于水质在线监测系统较为复杂，且设备价格昂贵，目前很少应用于市政排水管网，更多的还是以人工取样送至有资质的实验室进行水质化验。液位在线监测技术主要有电子水尺、压力式、超声波、红外光、雷达和激光等测量技术，电子水尺（电极式）主要是利用电极来感应水位高度变化并输出不同的电信号达到测量的目的。压力式传感器是利用静水压力与水位高度的换算关系来获得水位高度数据，具体又可分为投入式和气泡式，前者固定于水下测量静水压力，后者则安装在液面以上利用气管进行水下固定位置水压力的测量。超声波、雷达、激光和红外光等非接触式传感器测量原理类似，均是利用某一发射对象（如声波、电磁波、激光等）对不同介质中的反射或散射现象进行测距。其中超声波和雷达传感器因有更好的适用性和经济性，在城市内涝监测中得到较广泛的应用。流量监测技术主要有超声波、雷达、电磁等测量技术，其中电磁流量计多用于排水主干管满管条件下的测量，如泵站出水管。在市政排水管网中当前应用较多的是多普勒超声波流量计。多普勒超声波流量计安装于管网中，可通过声信号反射时的多普勒效应测量仪器所在深度的水中颗粒物流速，得到该水深处的水流流速，再利用速度面积法，根据水深与排水管网的截面积来计算获得流量。

3 排水管网综合诊断评估技术

在进行城镇排水设施补短板，实现城镇污水处理提质增效的系统性工程之前，首先要摸清排水管网现状、明晰排水管网存在的问题，开展城镇排水管网的排查与诊断评估工作，只有这样才能采取科学有效的工程性措施和管理机制。目前，传统的排水管网排查与诊断评估方法，主要是通过现场调查、勘查测绘、CCTV、QV、声呐检测、水质采样化验等多种技术方法。不同技术方法也各有优势与局限，同一技术方法在不同情况、不同操作下所取得的效果也有很大差别。特别是采用CCTV、QV 等检测技术大面积检测城市排水管网时，检测费用巨大，排查效率较低，时效性不强。尤其是对于“建立污水管网排查和周期性检测制度”来说，若每次管网排查或检测都全面铺开，其花费的人力、物力可能造成巨大的浪费。

针对上述问题，本文提出在线监测、管网检测相结合的综合诊断评估技术方案。首先，充分利用在线监测诊断技术进行管网分区诊断，实现关键问题区域的初步筛选和定位。通过分析现有管网资料，根据管网拓扑关系划定监测分区单元，合理布设在线监测点位，以相对较低成本开展长期或短期水量在线监测，获取大量连续的监测数据，并可根据需要辅以人工水质取样检测。通过水质、水量数据，对排水管网水量平衡、运行负荷等进行分析评估，对错接混接、入流入渗等管网问题进行初步识别，快速诊断并缩小排水管网问题存在范围，客观评估排水系统现有运行效能，同时为下一步CCTV、QV等管网定点检测提供重要依据。其次，根据在线监测诊断分析结果，对发现问题的管网片区，利用CCTV、QV 等传统检测技术进行关键问题区域的局部快速排查，精确诊断管网破损、错接混接、堵塞、腐蚀、渗漏等问题，并实现管网问题的精确定位。为后续的管网运维、管网改造以及修复工程性措施提供专业化支撑。

在线监测、管网检测相结合的综合诊断评估技术，一般包括基础数据调查、在线监测诊断、局部检测排查、综合诊断评估这几个环节。

3.1 基础数据调查

基础数据调查即对现场踏勘调研成果、管网数据及相关资料进行收集、整理和初步分析，为后续工作提供基础数据支撑。主要资料包括排水管网及附属设施的位置分布及属性信息，排口、截流调蓄设施、泵站、污水厂等关键节点信息，河流水系与发展规划等涉水资料。重点分析管网拓扑关系结构，排口、泵站、污水厂等关键节点进、出水情况，并根据管网研究诊断目标和范围，按层级合理划分排水分区，为下一步科学制订在线监测方案与后续监测检测奠定基础。

3.2 在线监测诊断

在线监测诊断工作首先需要制订在线监测方案，这将直接影响投资费用以及最终管网诊断评估结果的准确性。在基础数据调查的基础上，根据管网诊断评估目标、管网拓扑关系、划分好的排水分区以及相关现状资料，制订合理可行的在线监测方案，科学设置在线监测点位置与数量密度，明确在线监测对象的数据采集指标、时间以及频率等参数。

在线监测诊断实施过程中，要重点把握排水分区内的管网汇流点、排口、截流调蓄设施、泵站、污水厂、典型排水户等关键性节点，紧紧围绕管网监测诊断评估目标，分区域、分层级设置在线监测点位，以获取高质量有代表性的监测数据。并且在实施过程中要根据现场实际情况、监测数据质量以及管网诊断目标的变化和新出现的问题，及时优化完善在线监测方案，灵活调整监测点位置及数量。另外，在线监测诊断过程中可根据实际需要同时辅以人工水质检测作为对比和完善，以保证在线监测诊断评估结果的准确性。

根据在线监测所获得的管网液位、流量数据以及人工水质采样获得的水质检测数据，可对研究片区进行初步的诊断分析评估。主要包括管网负荷分析、排污变化规律分析、入流入渗分析、区域污水量核算等，可初步确定排水管网问题目标区域位置及问题严重程度，指导后续管网局部检测排查工作，缩小排查范围和明确重点工作方向，实现管网问题的快速排查和精确定位。

3.3 局部检测排查

根据在线监测诊断评估结果，对于初步判定的排水管网问题目标区域与问题严重程度，可利用CCTV、QV 等传统管网监测方法在问题目标区域开展局部排查，对各类排水管网问题实现快速精确排查和精确定位，详细查明排水管网的腐蚀、破损、接口错位、淤积、结垢、雨污混接、排水不畅等问题现状，为后续精确评估排水管网结构性、功能性缺陷以及系统性综合诊断评估提供支撑。

3.4 综合诊断评估

根据在线监测诊断成果与局部检测排查结果，开展排水管网综合诊断评估，对排水管网存在的问题进行系统性的分析和诊断。基于排水管网在线监测数据与局部检测数据，可相互对比验证，准确发现排水管网问题和指导管网综合诊断评估工作的优化调整；可快速、高效地对不同排水分区的排水规律、水量平衡核算、运行负荷、入流入渗等进行定量化分析评估，判断排水管网雨污混接、管网拥堵、管网渗漏以及其他管网问题所在位置与严重程度；系统性诊断识别管网问题与区域排水系统的问题，提出管网问题整治建议；并且可针对以上问题，编制系统化的排水系统治理方案，为区域排水系统的整体发展规划、工程设计、运维管理等工作提供支撑，实现城市污水系统“全覆盖、全收集、全处理”的目标，保障城市排水系统稳定、高效地运行，有效治理城市水环境污染问题。

4 结语

城镇排水管网的综合诊断评估，是了解城镇排水系统现状、发现排水系统问题的重要手段，也是开展城市排水系统综合治理、工程设计规划和日常管理维护的重要基础。随着物联网、大数据、云计算等新一代信息技术的快速发展，在线监测技术在城市污水提质增效工作中起到健康诊断的重要作用。通过排水管网在线监测诊断，能够快速、低成本地获取片区管网健康情况，再结合局部管网检测手段，迅速定位发现管网问题所在，为管网修复、改造等工程性措施提供先决条件。

基于可靠的片区在线监测诊断结果，以及局部管网快速检测排查结果，实现排水管网快速、有效的综合诊断评估，可作为一种有效的管网周期性排查技术手段。不仅避免了因全面开展CCTV、QV 检测而费用巨大、时间周期长、检测普查成果时效性不高等问题，还大大提高了排水管网排查与诊断评估的工作效率。另外，在有条件的地区，可长期保留在线监测点位，作为排水系统的常规管理手段，实现排水系统监测点位的常规化监测诊断评估，定量分析评估排水管网运行状态。同时，可配套建立监测分析与预警调度系统，与日常排水管理业务紧密结合，有效指导排水管网的日常运行维护及应急处置。又或者，可实行分区轮换在线监测诊断，并配合局部快速检测排查，周期性逐步覆盖和实现所有排水管网的综合诊断评估，有效保障“建立污水管网排查和周期性检测制度”的落实和实施。