基于分布式傳感器在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的排水管網(wǎng)安全運(yùn)行問題識(shí)別與分析

周標(biāo) 董毓良

摘? 要：城市排水管網(wǎng)埋藏于地下，存在混接、錯(cuò)接、滲漏、淤堵、溢流、井蓋移位、有毒有害氣體聚集等安全運(yùn)行問題。通過對(duì)復(fù)雜的排水管網(wǎng)建立一套完整、穩(wěn)定的安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，依托長(zhǎng)期可靠的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以定量的分析、評(píng)估及診斷管網(wǎng)的安全運(yùn)行問題，有效的識(shí)別預(yù)警雨污混接、污水溢流、管道淤積、城市內(nèi)澇和可燃?xì)怏w聚集爆炸等事故，提高市政排水工作的管理效率，具有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。

關(guān)鍵詞：排水管網(wǎng);分布式傳感器;監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);安全運(yùn)行

中圖分類號(hào)：TU992 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）25-0001-06

Abstract： The urban drainage pipe network is buried in the ground， and there are some problems in safety operation， such as mixed connection， misconnection， leakage， clogging， overflow， manhole cover displacement， accumulation of toxic and harmful gases and so on. Through the establishment of a complete and stable safety operation monitoring system for complex drainage networks， and relying on long-term and reliable online monitoring data， it is possible to quantitatively analyze， evaluate and diagnose the safety operation problems of drainage network， and effectively recognize and early warn the accidents such as rain-sewage mixing， sewage overflow， pipeline siltation， urban waterlogging and combustible gas explosion. It can improve the management efficiency of municipal drainage work， and has certain practical value and promotion significance.

Keywords： drainage pipe network; distributed sensor; monitoring data; safety operation

1 概況

我國(guó)的2007～2017年全國(guó)新增排水管道長(zhǎng)度36.9萬(wàn)千米，年均增長(zhǎng)率在5.6～12%之間，截止到2017年底，我國(guó)城市排水管道長(zhǎng)度總量達(dá)到 63.0萬(wàn)千米，其中超過27萬(wàn)千米排水管網(wǎng)的使用年齡在十年以上[1]。而城市排水管網(wǎng)多是隱蔽工程，埋于路面以下，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行工況多樣，出現(xiàn)安全運(yùn)行問題后不易被發(fā)現(xiàn)。因排水管網(wǎng)運(yùn)行異常而造成的雨污水溢流、路面塌陷、城市內(nèi)澇、地表水污染和沼氣聚集爆炸等事故，嚴(yán)重影響了城市安全和居民生活（圖1）。

排水管網(wǎng)的運(yùn)行安全問題主要包括混接、錯(cuò)接、滲漏、淤堵、溢流、井蓋移位傷人、有毒有害氣體聚集爆炸及在車流人流密集路段因排水管網(wǎng)滲漏可能產(chǎn)生路面塌陷等。這些風(fēng)險(xiǎn)隱患與管網(wǎng)運(yùn)行的主要指標(biāo)及參數(shù)，如流速、流量、水位、可燃有毒氣體濃度等都密切相關(guān)。通過對(duì)復(fù)雜的排水管網(wǎng)建立一套完整、穩(wěn)定的安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取管網(wǎng)運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，一方面可以了解排水管網(wǎng)整體運(yùn)行的動(dòng)態(tài)規(guī)律以及風(fēng)險(xiǎn)情況，使各種風(fēng)險(xiǎn)隱患關(guān)口前移，降低安全事故的發(fā)生的幾率;另一方面通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的積累，為排水管網(wǎng)的科學(xué)研究、設(shè)計(jì)、規(guī)劃改造及運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

2 分布式傳感器

為了實(shí)時(shí)獲取排水管網(wǎng)的主要運(yùn)行參數(shù)，如水位、流速、流量、可燃有毒氣體氣體濃度和井蓋移位等，以識(shí)別排水管網(wǎng)在運(yùn)行過程中存在的安全問題，需要在排水管網(wǎng)的主干及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)布設(shè)流量計(jì)、液位計(jì)、可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀和智能井蓋等傳感器，形成一套覆蓋全面的安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

2.1 流量計(jì)

排水管道中的流量測(cè)量多采用多普勒超聲波流量計(jì)，可實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)或明渠等場(chǎng)合的滿管、非滿管流量在線長(zhǎng)期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)與積水及溢流預(yù)警報(bào)警。其測(cè)量工作原理是使用速度面積法，液位測(cè)量使用壓力測(cè)量原理，速度測(cè)量使用多普勒超聲波測(cè)量原理，當(dāng)超聲波入射到水中，水中存在著不均體（如懸浮物等）將對(duì)聲波產(chǎn)生不規(guī)則散射，散射聲波的一部分被接收換能器接收，由于水流存在，散射體與發(fā)射器、接收器之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，據(jù)多普勒效應(yīng)原理，接收到的反射信號(hào)頻率有一定偏高，即多普勒頻移。根據(jù)多普勒頻移方程，頻移的大?。?/p>

式中：△Fd-多普勒頻移;F0-發(fā)射超聲波頻率，Hz;C-水中聲速，m/s;V-水中流速，m/s;θ-發(fā)射波速和接收波速相對(duì)于水流方向的夾角。

超聲波發(fā)射頻率為常數(shù)，換能器夾角安裝后固定不變，所以K為常數(shù)。由式（3）可見，流速V和多普勒頻移△Fd及水的聲速C成正比，只要檢測(cè)出多普勒頻移△Fd和水的聲速C，即可計(jì)算出流速（圖2）。

①流速測(cè)量傳感器;②壓力水位測(cè)量傳感器（可選）;③傳感器本體;④接地板;⑤電纜;⑥電纜壓蓋

2.2 液位計(jì)

排水管道或檢查井的液位測(cè)量多采用液位靜壓式傳感器，可設(shè)置報(bào)警點(diǎn)，當(dāng)液位高于或低于設(shè)定值時(shí)，發(fā)生報(bào)警。其利用液體靜壓力進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)測(cè)量探頭放入液體中時(shí)，設(shè)大氣壓為P0，液面到測(cè)量元件高為h，液體密度為ρ，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，則變送器探頭上所受壓力為：P1=P0+ρ×g×h，敏感元件的負(fù)側(cè)通過導(dǎo)氣電纜與大氣相通所受壓力為：P2=P0。所以測(cè)量元件所測(cè)到的壓強(qiáng)差值為：P=P1-P2=ρ×g×h，對(duì)于特定的液體介質(zhì)和確定的地區(qū)，ρ和g均為常數(shù)，所以P與h呈線性關(guān)系，即可得到液體深度（圖3）。

2.3 可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀

可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀是對(duì)單一或多種可燃?xì)怏w濃度響應(yīng)的探測(cè)器。通過檢測(cè)排水管網(wǎng)內(nèi)可燃?xì)怏w濃度，輔助監(jiān)測(cè)井內(nèi)溫度，防止當(dāng)達(dá)到爆炸極限或遇到明火發(fā)生爆炸的情況發(fā)生。

雨污水檢查井或密閉箱涵內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度（一般為甲烷）測(cè)量多采用紅外光學(xué)型傳感器，其是利用紅外傳感器通過紅外線光源的吸收原理來(lái)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的碳?xì)漕惪扇細(xì)怏w，一般選用具有低功耗、節(jié)電、防爆、壽命長(zhǎng)、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)的可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)設(shè)備（圖4）。

2.4 智能井蓋

在排水系統(tǒng)檢查井的井蓋上安裝智能井蓋傳感器，通過全軸傾角傳感技術(shù)，監(jiān)控井蓋狀態(tài)，當(dāng)井蓋姿態(tài)、形態(tài)發(fā)生改變時(shí)，即時(shí)發(fā)出井蓋異常報(bào)警信號(hào)，可在第一時(shí)間得知井蓋異常信息，及時(shí)進(jìn)行調(diào)度處置，提前發(fā)現(xiàn)并消除安全隱患（圖5）。

3 排水管網(wǎng)安全運(yùn)行問題識(shí)別

基于多個(gè)試點(diǎn)海綿城市監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和合肥市城市生命線安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)項(xiàng)目等部署的大量分布式傳感器，對(duì)相關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研判，可以有效識(shí)別排水管網(wǎng)的安全運(yùn)行問題，主要針對(duì)雨污混接、錯(cuò)接、淤積、溢流、入流入滲、可燃?xì)怏w爆炸等管網(wǎng)安全運(yùn)行問題進(jìn)行分析識(shí)別。

3.1 雨污混流

部分地區(qū)排水系統(tǒng)建設(shè)不完善，污水管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，口徑偏小無(wú)法容納大量污水;老住宅區(qū)化糞池和街坊內(nèi)部下水道仍采用合流制，未達(dá)到分流制的排水要求;工廠的排放設(shè)施和必要的污水預(yù)處理工程未按要求進(jìn)行改造與實(shí)施，企業(yè)及工廠偷排偷放;施工單位在進(jìn)行雨污分流改造時(shí)，審核不嚴(yán)，未按照標(biāo)準(zhǔn)圖紙進(jìn)行施工，造成污水錯(cuò)接至雨水井。這些原因?qū)е铝舜罅康挠晡刍旖蝇F(xiàn)象，造成了污水處理廠的污水量不足，大量未經(jīng)處理的污水隨雨水進(jìn)入河道造成水體污染。

通過在排水系統(tǒng)的入河排口、管網(wǎng)主干節(jié)點(diǎn)、企業(yè)/工廠/住宅小區(qū)雨水總排口等處布設(shè)流量計(jì)，通過判讀是否存在旱季流量及分析旱季流量的排放規(guī)律即可識(shí)別雨污混接、企業(yè)偷拍等現(xiàn)象。例如：圖6-a為某河道雨水排口的流量過程線，該排口非降雨時(shí)段長(zhǎng)期有流量且排放曲線較為規(guī)律，存在兩個(gè)排放峰值，即每天的早晨8-10點(diǎn)及晚上9-11點(diǎn)，與生活污水排放規(guī)律基本一致，判斷為住宅小區(qū)污水管錯(cuò)接雨水管;圖6-b為某市政道路雨水管網(wǎng)主干節(jié)點(diǎn)的流量過程線，非降雨時(shí)段連續(xù)多天均有短時(shí)排水，但排放無(wú)規(guī)律，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)為綠化灑水;圖6-c為某企業(yè)雨水排口的流量過程線，該排口非降雨時(shí)段有流量且排放曲線較為規(guī)律，每天的凌晨2-5點(diǎn)左右開始排水，判斷為企業(yè)處理污水排水（水質(zhì)未知）;圖6-d為某雨水管網(wǎng)主干節(jié)點(diǎn)的流量過程線，11月14號(hào)出現(xiàn)流量，但前后數(shù)天均無(wú)排水，為突發(fā)性臨時(shí)排水，排放原因較難核實(shí)。

3.2 淤積

由于設(shè)計(jì)不合理、施工不規(guī)范、垃圾隨意傾倒、施工泥漿水直排、管養(yǎng)不及時(shí)、疏浚不徹底等各方面的原因，都會(huì)導(dǎo)致排水管道的淤積。當(dāng)排水管道淤積到一定程度時(shí)，其排水能力急劇下降，最終會(huì)造成管道堵塞，進(jìn)而引發(fā)內(nèi)澇積水或污水溢流污染等事件。同時(shí)管道的過度淤積還會(huì)對(duì)地下水環(huán)境造成影響，淤積物中的有機(jī)物在微生物的作用下會(huì)產(chǎn)生有毒害氣體，并最終轉(zhuǎn)化成酸性物質(zhì)腐蝕破壞管道，導(dǎo)致管道滲漏進(jìn)而污染地下水。

通過在淤積高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的排水管道的上、下游節(jié)點(diǎn)布設(shè)流量及液位等監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過長(zhǎng)時(shí)間序列的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可以有效識(shí)別管道的淤積和上下游管道坍塌或阻塞等問題。

（1）監(jiān)測(cè)段淤積識(shí)別

圖7為某市政污水管道2017年10月至2018年5月之間的多條日液位變化過程線，通過對(duì)比分析可以看出日液位有明顯的上升趨勢(shì)，平均液位上升0.05～0.12m左右，判斷該監(jiān)測(cè)段管道淤積深度在0.05～0.12m之間。

（2）下游坍塌或阻塞識(shí)別

圖8為某污水管道2017年9月至2018年2月的液位變化過程線，通過分析可知該管道的下游某處在2017年10月2號(hào)凌晨1點(diǎn)左右發(fā)生坍塌或阻塞，導(dǎo)致上游液位壅高，由液位上升的平均高度判斷堵塞高度為0.53m左右;2018年1月18號(hào)上午10時(shí)，經(jīng)過清淤后，管道液位迅速降低，并趨于正常。

圖9為某雨水管道的流量及液位變化過程線，通過分析可知自2018年1月7號(hào)上午9點(diǎn)以后，雖降雨持續(xù)，但流量卻迅速減少，而管道液位持續(xù)升高，判斷為因管道下游發(fā)生坍塌或阻塞，水流無(wú)法排出，導(dǎo)致流量減少，液位持續(xù)壅高。

（3）上游坍塌或阻塞識(shí)別

圖10為某污水管道的流量及液位變化過程線，通過分析可知自2017年10月25號(hào)23點(diǎn)以后，流量和液位都急劇降低，并趨于零，判斷為因上游發(fā)生坍塌或阻塞，上游無(wú)來(lái)水，導(dǎo)致流量減少，液位降低。

3.3 溢流

當(dāng)城市出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣時(shí)，隨著降雨量的不斷增加，局部地區(qū)由于管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，會(huì)導(dǎo)致排水不及時(shí)，雨水檢查井發(fā)生溢流進(jìn)而造成積水內(nèi)澇;同時(shí)部分區(qū)域的雨水也會(huì)混入污水系統(tǒng)，當(dāng)混合流量超過了污水管網(wǎng)的輸送能力就會(huì)出現(xiàn)污水溢流，從而產(chǎn)生城市溢流污染。

通過在排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低或地勢(shì)低洼區(qū)域的檢查井內(nèi)布設(shè)液位計(jì)，通過設(shè)置報(bào)警值判斷管道是否發(fā)生溢流。例如：圖11為某污水管道檢查井的液位變化過程線，2018年1月31號(hào)14：00～15：00發(fā)生溢流，測(cè)量的液位最高值為3.693m，高于地面0.193m;圖12為某雨水管道檢查井的液位變化過程線，2019年1月8號(hào)13：00～22：00發(fā)生溢流，測(cè)量的液位最高值為2.695m，高于地面0.095m。

3.4 入流入滲

入流和入滲是城市污水管道普遍存在的問題，是城市污水管道和合流制管道雨天發(fā)生過載甚至溢流的主要原因之一，對(duì)于污水管網(wǎng)運(yùn)行危害較大。大量的入流入滲不但會(huì)造成檢查井溢流，影響交通和環(huán)境衛(wèi)生等，同時(shí)還增加了污水處理廠的負(fù)荷和運(yùn)行費(fèi)用。另外，滲漏也會(huì)造成管路周圍土體的空洞化，引起塌陷而損壞管道和路面[2]。

通過在污水管道的主干節(jié)點(diǎn)布設(shè)流量計(jì)，利用旱天流量識(shí)別生產(chǎn)生活污水排放規(guī)律，將其和雨天流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，便可以得到降雨時(shí)的入流入滲量。例如：圖13為單場(chǎng)降雨時(shí)，某進(jìn)污水處理廠的主干管道的流量變化過程線，通過擬合的旱天流量排放過程線，即可求得此次降雨時(shí)該片區(qū)的污水管道入流入滲量，經(jīng)計(jì)算約為10047m3;圖14為連續(xù)多場(chǎng)降雨時(shí)，某污水管道支管的流量變化過程線，通過擬合的旱天流量排放過程線，即可求得連續(xù)多場(chǎng)降雨時(shí)，該支管控制片區(qū)的污水管道入流入滲量，經(jīng)計(jì)算約為3517m3。

3.5 可燃?xì)怏w爆炸

由于排水管網(wǎng)地下空間環(huán)境復(fù)雜，檢查井長(zhǎng)期封閉，排水箱涵或管道因淤積易導(dǎo)致淤泥發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣;同時(shí)相鄰的燃?xì)夤芫W(wǎng)發(fā)生燃?xì)庑孤┮矘O易擴(kuò)散至排水管網(wǎng)中，大量的可燃?xì)怏w聚集，一旦遭遇明火時(shí)，會(huì)引發(fā)大空間爆炸。

沼氣和燃?xì)獾闹饕煞荻际羌淄?，通過在易淤積的污水井或靠近燃?xì)夤芫W(wǎng)的雨污水井布設(shè)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)檢查井內(nèi)甲烷濃度和溫度的變化情況，即可判別并提前預(yù)知爆炸風(fēng)險(xiǎn)，從而將排水管網(wǎng)可燃?xì)怏w的爆炸風(fēng)險(xiǎn)消除在萌芽狀態(tài)。例如：圖15為合肥某小區(qū)門口的污水檢查井的可燃?xì)怏w濃度變化過程線，自2018年3月7日07時(shí)03分，甲烷濃度報(bào)警值上升至5.1%，此后該井內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度持續(xù)上升，到2018年3月12日11時(shí)01分，報(bào)警濃度值達(dá)到9.93%。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，報(bào)警為污水檢查井內(nèi)的沼氣聚集導(dǎo)致的。

4 結(jié)論

通過對(duì)復(fù)雜的排水管網(wǎng)建立一套完整、穩(wěn)定的安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)的獲取管網(wǎng)的流速、流量、水位、可燃?xì)怏w濃度及井蓋移位等在線運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，依托這些長(zhǎng)期可靠的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，一方面可以定量的分析、評(píng)估及診斷排水管網(wǎng)的雨污混接、淤積、溢流、可燃?xì)怏w超標(biāo)、井蓋移位等安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，使各種風(fēng)險(xiǎn)隱患關(guān)口前移，降低安全事故的發(fā)生的幾率;另一方面也可以了解排水管網(wǎng)整體運(yùn)行的動(dòng)態(tài)規(guī)律，為排水管網(wǎng)的科學(xué)研究、設(shè)計(jì)、規(guī)劃改造及運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

基于分布式傳感器的排水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用，可以有效的提高市政排水工作的管理效率和精細(xì)化管理水平，具有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。

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