智國錚，戴勇華，馬 艷

(1.上海城市水資源開發(fā)利用國家工程中心有限公司，上海 200082；2.上海市城市排水有限公司，上海 200233)

城市排水管網(wǎng)是重要的基礎性設施，承擔著城市排水的收集、運輸和處理。在長期使用過程中，由于管道沖刷腐蝕、地基變形、道路負荷加重以及施工影響等，造成排水管道存在結構性和功能性缺陷，其運行情況直接影響道城市的安全。同時，排水系統(tǒng)中普遍存在雨污混接以及地下水滲入問題，對于污水輸送和處理效率也有較大影響。近年來，國家和地方政府對于排水管網(wǎng)越來越重視。2019年，住房和城鄉(xiāng)建設部、生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展改革委聯(lián)合發(fā)布了《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案(2019—2021年)》。提出了污水管網(wǎng)全覆蓋、全收集、全處理目標相適應的工作機制，對提高排水管網(wǎng)提高輸送效率提出了明確要求，包括建立污水管網(wǎng)排查和周期性檢測制度，全面排查污水管網(wǎng)等設施功能狀況、錯接混接等基本情況及用戶接入情況，實施管網(wǎng)混錯接改造、管網(wǎng)更新、破損修復改造等工程，落實排水管網(wǎng)周期性檢測評估制度等要求。對管道進行科學合理的檢測，不僅能夠提高管道壽命，同時，有利于減少管道病害情況的發(fā)生。目前，排水管網(wǎng)檢測技術主要包括以“管賬”為主的物探檢測技術和以“水帳”為主的水量水質(zhì)檢測技術，在應用范圍和應用場景上存在差異，同時優(yōu)缺點也不同。

1 排水管網(wǎng)物探檢測技術

1.1 CCTV檢測技術

管道閉路電視檢測系統(tǒng)(CCTV)是使用最久的檢測系統(tǒng)之一，應用最為普遍。該系統(tǒng)開始于20世紀50年代，成熟于80年代，主要由3個部分組成，包括主控器、操縱線攬架、帶攝像鏡頭的爬行器。

一般在進行CCTV檢測前，需排空或降低管道內(nèi)水位，并進行管道疏通，以保證拍攝效果。在檢測作業(yè)時，由地面操作人員遠程控制CCTV爬行器行走，進行管道內(nèi)錄像拍攝，將影像傳輸?shù)降孛?。為了保證攝像清晰，攝像鏡頭移動軌跡需保持在管道中軸線上，且行進速度不超過0.15 m/s。在檢測過程中發(fā)現(xiàn)異常情況，需在異常點位置停留，將位置、方位、時間等各類信息，以及異常現(xiàn)象，存儲后再繼續(xù)前進。由相關技術人員根據(jù)視頻錄像，對管道內(nèi)部狀況進行分級評價與分析，包括混接、腐蝕、滲漏、破裂等。目前，在管道檢測方面的應用已較為普遍。雷芳芳[1]應用該技術對福州市某路段的排水管道進行了結構性檢測，結果顯示，研究區(qū)域內(nèi)管道總體破裂和變形較嚴重，對管網(wǎng)系統(tǒng)影響很大，主要由于該路段的淤泥層土質(zhì)較差，造成管道外部壓力超過自身承受力。

通過CCTV檢測技術，直觀反映和清晰認識管道內(nèi)部的真實情況，對管道缺陷精準定位，適用于水位較低、底泥較少的管道。當充滿度較高、管道內(nèi)存在雜物時，可能導致爬行器鏡頭浸入水中，或者在管道內(nèi)無法行走，無法有效檢測水下情況，影響檢測質(zhì)量，同時檢測成本較高[2]。

1.2 聲納檢測技術

聲納檢測技術是近年來興起的較為先進的排水管道檢測方法，利用聲波對水下狀況進行掃描探測和定位識別，主要由主控制器、探頭和電纜盤組成。具體通過將聲納探頭安裝在漂浮裝置上并向水中發(fā)射聲波，接收水下物體的反射回波發(fā)現(xiàn)目標，目標的距離可通過發(fā)射脈沖和回波到達的時間差進行測算，并將排水管道中各種沉降、錯位、斷裂、淤堵等情況反映到操控器屏幕上[3]。在檢測過程中應根據(jù)被檢測管道的規(guī)格，在規(guī)定采樣間隔和管道變異處停止探頭行進，定點采集數(shù)據(jù)，停頓時間應大于一個掃描周期。一般情況下探頭行進速度不宜超過0.1 m/s。

與CCTV檢測技術相比，管道聲納檢測技術無需對排水管道進行預處理，對排水系統(tǒng)運行的配合度要求低，適用于充滿度高(管涌、滿管或半滿管)、流量大的管道。王永濤等[4]在市政排水管道的聲納成像設計中指出，聲納技術能夠?qū)崟r測量顯示管道輪廓，準確定位管道內(nèi)部缺陷，具有能耗低、準確率高、裝置簡易便攜等優(yōu)點，并在多個排水管道中得到了成功應用。然而，該技術也存在一定缺陷，成本較高，且只能查看水面以下的管道，在實際應用中需結合CCTV技術進行全部管道檢測[5]。

1.3 QV檢測技術

管道潛望鏡檢測(QV)技術通過潛望鏡設備對管道進行檢測，主要由高清晰度可潛水攝像機、主控制器、伸縮控制桿、存儲器等組成[6]。操作人員通過調(diào)節(jié)操作桿長度，將攝像機置于檢查井內(nèi)管口處，通過調(diào)整燈光、焦距等方式，獲取管道內(nèi)部影像等相關數(shù)據(jù)，并進行傳輸和存儲。該技術具有操作簡便快捷，檢測效果高的優(yōu)點，同時適用于DN150～DN2000 mm的管道，具有較大的檢測范圍，檢測深度可達80 m，適用于檢查井深度較深、充滿度高、流量大管道。與CCTV、聲納檢測技術相比，QV技術的的攝像頭不能深入管道內(nèi)部，因此，檢測距離有限，最遠為100 m左右，對于間距較大的檢查井檢測效果不理想，當管道距離超過QV系統(tǒng)的最大檢測距離時，無法進行全面檢測[7]。

1.4 小結

排水管網(wǎng)物探檢測技術可以準確判斷問題管網(wǎng)所在位置，然而單一技術往往不能很好的滿足檢測要求。近年來，開始將多種技術結合使用，以做到優(yōu)勢互補，獲得更加準確的檢測數(shù)據(jù)[8]。排水管網(wǎng)物探檢測技術只能對管道的結構性情況進行檢測，無法對管道內(nèi)來水的水量、水質(zhì)情況進行定性或定量的分析，需與水量水質(zhì)檢測技術相結合，以加強對于排水管網(wǎng)管理和運行調(diào)度的指導性。

2 水量水質(zhì)檢測技術

與排水管網(wǎng)物探檢測技術不同，水量水質(zhì)檢測技術主要通過監(jiān)測管道流量和水質(zhì)，判斷管道中不同來水情況，包括生活污水、工業(yè)污水、地下水、雨水等，進而分析管道混接以及地下水滲入情況，反映管道狀況。

2.1 排水管網(wǎng)流量檢測技術

管道流量檢測技術主要通過在管網(wǎng)節(jié)點或潛在混接點安裝流量計，監(jiān)測管道流量，并根據(jù)水量平衡，計算混接水量情況。需針對研究區(qū)域的排水管網(wǎng)進行前期現(xiàn)場調(diào)查，在管道內(nèi)安裝流量計，壓力損失應盡可能好，同時測量范圍應較大，以適應不同時間段的流量差別，防護等級也要滿足所處環(huán)境的要求。

2.1.1 流量計

流量計類型主要包括電磁流量計、超聲波流量計、轉(zhuǎn)子流量計等。其中，超聲波流量計應用最為廣泛，主要基于超聲波在流動介質(zhì)中的傳播速度，等于被測介質(zhì)平均流速與聲波在靜止介質(zhì)中速度矢量和的原理進行開發(fā)，分為多普勒超聲波流量計和時差法超聲波流量計。

其中，多普勒超聲波流量計的應用較多，配備有超聲波發(fā)射器和水深壓力傳感器。其中，超聲波發(fā)射器利用相位差法測定流速，通過探頭斜向上發(fā)出超聲波并在流體中傳播。由于流體中含有氣泡或顆粒等雜質(zhì)(認為雜質(zhì)和水流速度一致)，當超聲波接觸到流體中雜質(zhì)時，導致其在2個接收器(或發(fā)射器)之間的頻率或相位發(fā)生相對變化，產(chǎn)生多普勒頻移，從而測量出流體的流速。水深壓力傳感器可以通過水壓，測量水體液位，獲得過水面積。進一步利用速度面積流量法，獲得瞬時流量，如式(1)和式(2)[9]。

(1)

(2)

其中：f0——超聲波發(fā)射的固定頻率，Hz；

Δf——超聲波發(fā)射與接受換能器頻率差，Hz；

A——被測管道截面積，m2；

θ——超聲波與流體流速方向夾角；

c——超聲波在流體中的傳播速度，m/s；

v——流體速度，m/s。

對于時差法超聲波流量計，其利用一對超聲波換能器相向交替(或同時)收發(fā)超聲波，通過觀測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時間差，間接測量流體流速，進一步計算流量。

馮滄等[10]在上海市長寧區(qū)采用多普勒超聲波流量計，開展了重點區(qū)域雨、污管道水位、水量的調(diào)查工作，結果表明，雨水管道旱天流量存在與生活用水量逐時變化規(guī)律一致的變化過程，較好說明了雨污混接現(xiàn)象的存在。王東輝[11]采用多普勒超聲波流量計對杭州市玉古路-西溪路交叉口管道進行了流量監(jiān)測，獲得了旱天和雨天的水量、充滿度、水位、流速等數(shù)據(jù)，準確度較高。同時，該技術還可以對地下水滲入情況進行分析，主要包括用水量折算法和夜間最小流量法。

2.1.2 用水量折算法

用水量折算法根據(jù)旱天時排水系統(tǒng)內(nèi)水量由原生污水和地下水滲入組成的原理，通過服務范圍內(nèi)的供水量數(shù)據(jù)估計排水系統(tǒng)內(nèi)的原生污水，包括生活用水、工業(yè)用水、商業(yè)用水等，根據(jù)流量計數(shù)據(jù)與原生污水量的差額，估算進入管道系統(tǒng)內(nèi)的外來水量，如式(3)。

Qi=Qa-P×TW-Qin

(3)

其中：Qi——區(qū)域地下水入滲量，m3；

Qa——晴天污水量，m3；

P——區(qū)域人口數(shù)；

TW——人均日污水定額，m3/d；

Qin——區(qū)域內(nèi)工業(yè)廢水日排放量，m3。

用水量折算法簡單易用，評估費用少，適用于排水系統(tǒng)邊界明確，統(tǒng)計水量方便的區(qū)域。然而，該方法較為粗略，準確性較低。

2.1.3 夜間最小流量法

夜間最小流量法根據(jù)污水排放量變化與人們生活規(guī)律密切相關的原理，進行流量分析。通常認為早晨7∶00—9∶00、中午11∶00—13∶00、晚上19∶00—21∶00為用水量高峰，夜間2∶00—4∶00最小。在人口較少的區(qū)域，夜間2∶00—4∶00的流量可作為地下水滲入量，人口稠密的地區(qū)需考慮一定的夜間污水排放量。

時珍寶等[12-13]應用用水量折算法和夜間最小流量法，對上海市2個生活小區(qū)的地下水滲入量進行了分析，結果表明，古北新區(qū)的地下水滲入比例為10%～15%，程橋污水系統(tǒng)的為25%～29%，2種方法得到的結果具有較好的一致性。

然而，隨著城市規(guī)模的不斷擴大，夜間用水量比例也呈現(xiàn)出升高的趨勢，在一些特大城市這種方法的誤差較高。同時，夜間最小流量法的準確性受到泵站前池水位變化幅度、服務范圍大小等因素影響，適用于小范圍的居民生活區(qū)。李嵐等[14]研究表明，各地夜間最小流量出現(xiàn)的時間存在差異，通用型方法適用性較差，需選擇較大的時間區(qū)間1∶00—5∶00，進行連續(xù)多日監(jiān)測，根據(jù)流量頻率分布的統(tǒng)計學方法，精確確定研究區(qū)域的夜間最小流量發(fā)生的時間區(qū)間，提高結果準確度。

圖1 流程圖法Fig.1 Method of Flow Chart

排水管網(wǎng)流量檢測技術具有測量精度高、實時性好的優(yōu)點，可以對排水系統(tǒng)進行雨污混接量分析。然而由于大量安裝流量計也會產(chǎn)生許多人力成本，同時，由于排水管道內(nèi)存在垃圾，也會造成流量計垃圾纏繞，導致測定數(shù)據(jù)存在問題，在管理維護上具有較大困難。因此，適用于進行短期流量監(jiān)測，以及易于流量計安裝和維護的管道系統(tǒng)。

2.2 示蹤劑檢測技術

示蹤劑檢測技術通過在需調(diào)查的管網(wǎng)系統(tǒng)起端投加示蹤劑，通過開啟檢查井觀察是否有示蹤劑存在，判斷管道混接情況。Jewell[15]采用該方法，對波士頓Stony Brook排水系統(tǒng)、混接管段進行了逐級溯源。該方法適用于小范圍內(nèi)某一管道混接情況的精確判別，如果判別大范圍區(qū)域的混接，成本較高，存在需投入較大人力物力的問題。

2.3 水質(zhì)特征因子檢測技術

水質(zhì)特征因子技術是美國EPA在1993年頒布的雨污混接調(diào)查技術指南中提出的方法，主要根據(jù)各來源水體的水質(zhì)特征不同，包括生活污水、工業(yè)污水、地下水等，選取能夠表征不同來水的水質(zhì)特征因子，通過監(jiān)測排水管網(wǎng)旱天和雨天出流的水量和水質(zhì)，以區(qū)分不同來水。主要包括流程圖法和化學質(zhì)量平衡方法。

2.3.1 流程圖法

流程圖法根據(jù)各種可能來源水體的水質(zhì)特征，確定能夠區(qū)分不同來水的示蹤水質(zhì)指標，對管道進行分析判斷[16]，如圖1所示。該方法選取的水質(zhì)指標及取值范圍與地域特點密切相關，適用于排水管網(wǎng)來水成分的定性分析。

2.3.2 化學質(zhì)量平衡法

化學質(zhì)量平衡法是一種定量分析方法，由于對于一個泵站受納范圍的排水系統(tǒng)來說，其系統(tǒng)是相對封閉的，旱天污染物的輸入、輸出具有平衡關系，其中，輸入主要包括生活污水、工業(yè)污水、地下水滲入等。該方法根據(jù)旱流污水實測結果，初步判斷管道中的主要來水，選取表征不同來源的示蹤水質(zhì)參數(shù)，根據(jù)排水系統(tǒng)輸入-輸出物料守恒原理，對各種來水建立聯(lián)立方程組，從而定量判斷各種來水比例[17]，如式(4)～式(6)，其中式(6)為約束條件。該方法適用于排水系統(tǒng)來水成分的定量分析。

(4)

(5)

(6)

其中：Pi——第i個水質(zhì)特征因子；

Cii——第i個來水的第i個水質(zhì)特征因子質(zhì)量濃度，mg/L；

Ai——第i個來水的水量比例；

Qi——第i個來水的旱天水量，m3；

Q——旱天總流量，m3；

n——水量來源的數(shù)量。

水質(zhì)指標數(shù)據(jù)具有波動性，導致排水系統(tǒng)來水解析存在很大不確定性，因此，研究區(qū)域不同來水水質(zhì)特征因子本底值數(shù)據(jù)庫的建立，以及末端水質(zhì)檢測，對于來水解析特別重要，同時，可以采用一些不確定性數(shù)據(jù)分析方法，如蒙特卡羅方法[18]等，提高解析準確性。對于水質(zhì)特征因子的選取，應具有以下特征：包括不同混接源中該物質(zhì)的濃度差異顯著，屬于保守型物質(zhì)，具有良好的檢出限、靈敏度及重現(xiàn)性，且易測定[16]。根據(jù)已有研究，對于地下水來說，降雨在向地下含水層的下滲過程中，會溶解石灰?guī)r，導致含水層中的鈣、鎂離子濃度偏高[19]。因此，硬度是表征淺層地下水的水質(zhì)特征因子指標。對于生活污水來說，傳統(tǒng)的水質(zhì)特征因子主要包括微生物、總氮、氨氮、表面活性劑等，近年來，又開始出現(xiàn)了一些新型水質(zhì)特征因子，如檸檬酸、安賽蜜等。這些物質(zhì)是廣泛應用于食品、飲料、藥物和個人護理品的人工合成或半合成的有機化合物，隨人體排泄物排出，不易降解，因此，可用于表征生活污水[20-21]，但是指標測定過程較為復雜，如表1所示。對于工業(yè)污水的水質(zhì)特征因子，主要根據(jù)不同工業(yè)類型的特點進行選取，美國EPA推薦了諸多行業(yè)的水質(zhì)特征因子[16]，如表2所示。

表1 生活污水特征污染物Tab.1 Characteristic Pollutants of Domestic Sewage

目前，該方法在國內(nèi)外的應用已較多，Irvine等[22]在對雨水管網(wǎng)排口旱天調(diào)查的基礎上，現(xiàn)場監(jiān)測廢水pH、溫度、電導率，并選取硝氮、氨氮、氟化物、鉀、陰離子表面活性劑、總氯、磷、渾濁度和大腸桿菌等12個指標作為水質(zhì)特征因子，成功對紐約西部地區(qū)排水系統(tǒng)進行了污染溯源。Lilly等[23]以氨氮、表面活性劑、鉀、氟化物等為特征因子，利用流程圖法對切薩皮克灣2個子流域進行雨污混接水量來源解析，結果表明，2個子流域的雨水管網(wǎng)旱天出流量分別為5 110 m3/d及946 m3/d，主要混接類型有3種，包括生活污水、清洗廢水、自來水。徐祖信等[24]將水質(zhì)特征因子技術和蒙特卡洛不確定性分析方法結合，分別采用安賽蜜、總氮表征生活污水，硬度表征地下水，氟化物表征工業(yè)污水，解析了排水管道中3種來水的水量比例，對地下水滲入情況進行了分析。

2.4 三維熒光光譜檢測技術

目前，排水系統(tǒng)中污染物質(zhì)來源解析方法多以水質(zhì)指標分析的方法為主，該方法由于是濃度指標，測試工作量較大，且耗時較長。因此，需開發(fā)一種快捷、靈敏、高效的排水系統(tǒng)污染物質(zhì)來源解析方法。

已有一些研究通過采用三維熒光光譜法測定水體中溶解性有機物的方式，指示污染物的不同來源。

表2 工業(yè)污水特征污染因子Tab.2 Characteristic Pollution Factors of Industrial Wastewater

首先，對于DOM來說，是指能夠通過0.45 μm的濾膜，且在后續(xù)分析過程中不因揮發(fā)而損失的有機物，是一種具有復雜化學結構的多元成分混合物[25-26]。城市排水系統(tǒng)污染主要是有機污染，而DOM是有機物污染物的最主要成分，通常占據(jù)總有機物含量的80%～90%[27]。因此，利用DOM表征城市排水系統(tǒng)污染具有代表性和普遍意義。

在城市排水系統(tǒng)中，DOM受到來源因素和地理化學作用影響，與在自然水文循環(huán)存在很大差別。通過三維熒光光譜掃描檢測，根據(jù)熒光峰強度和波長位置的變化，能夠反映DOM組分的濃度和結構變化，可以獲取反映DOM中所含大多數(shù)有機結構體的復雜指紋矩陣圖譜。由于不同熒光團之間存在相互干擾和重疊的現(xiàn)象，需通過PARAFAC模型，將熒光圖譜分解為若干個典型組分的單一指紋矩陣[28]。DOM的組分性質(zhì)及其對應的指紋圖譜特征，主要由其來源和傳輸過程中所受到的生物、地理、化學作用決定。因此，解析結果能夠反映DOM各組分的來源和傳輸過程信息，實現(xiàn)有機污染特征的分析和污染來源的指示，包括陸源、人為源等。同時，檢測和解析速度較快。

目前，在國內(nèi)外的研究中，該方法主要集中于地表徑流和自然水體的污染物解析過程。Williams等[29]、Yamashita等[30]通過EEM-PARAFAC模型擬合分析，獲得了特定自然水體DOM的主要組分，并以此為基礎研究了對DOM性質(zhì)和濃度產(chǎn)生主要影響的來源和過程因素。Inamdar 等[31]利用EEM-PARAFAC模型，配合主成分分析等統(tǒng)計方法，在長期監(jiān)測的基礎上研究了森林流域水體DOM的濃度和性質(zhì)，結果顯示，各來源輸出DOM的濃度和質(zhì)量差異顯著。祝鵬等[32]對太湖水體DOM的研究，證明EEM-PARAFAC方法可以快速有效地實現(xiàn)對DOM組分和種類的識別。

在排水系統(tǒng)領域，生活污水、地下水等來源水體具有不同的熒光特征，生活污水表現(xiàn)為蛋白質(zhì)的熒光組分，地下水為腐植酸類熒光組分較為強烈。因此，可以根據(jù)排水系統(tǒng)不同來源水體以及末端水體的熒光特征，解析溯源系統(tǒng)的來水情況。陳浩[33]將EEM-PARAFAC方法，應用于排水系統(tǒng)溢流污染來源解析的研究中，根據(jù)不同來源水體以及溢流水體的熒光特征，快速定性解析了溢流污染的來源。根據(jù)上述原理，三維熒光光譜檢測技術具有快速解析排水系統(tǒng)來水情況的適用性，以進一步診斷管網(wǎng)狀況。與水質(zhì)特征因子方法相同，不同來水熒光特征的識別，對于來水情況解析至關重要。

3 排水管網(wǎng)檢測技術對比及發(fā)展趨勢

不同排水管網(wǎng)檢測技術具有各自的特點和適用性，本文根據(jù)目前不同技術在排水管網(wǎng)檢測過程中的應用，以及上述分析，對不同檢測技術進行對比和總結，如表3所示。不同管道物探檢測技術的適用范圍不同，目前在實際應用過程中，多為不同物探檢測技術之間相互結合運用，可以準確判斷問題管網(wǎng)所在位置，但是具有耗時長、人力物力成本較高、無法區(qū)分來水成分等缺點。流量檢測技術通過在管道內(nèi)安裝流量計，可以獲取管道內(nèi)的流量情況和變化規(guī)律，為判斷管網(wǎng)狀況，以及管網(wǎng)運行和管理提供數(shù)據(jù)支持。水質(zhì)特征因子和三維熒光光譜檢測技術能夠定量和快速定性分析管道的不同來水情況。目前，在排水管道檢測領域，物探檢測技術和水量水質(zhì)檢測技術的結合較少，無法在很大程度上充分發(fā)揮不同方法具有的優(yōu)勢。在未來的應用中，可以將2種方法有效結合，通過運用水量水質(zhì)檢測技術，能夠快速溯源解析管道的來水情況。根據(jù)解析結果，可以在很大程度上縮小物探檢測范圍，聚焦重點研究區(qū)域，進一步結合物探檢測技術，獲取管道破損等情況，從而節(jié)省人力物力財力以及時間成本，充分發(fā)揮不同方法具有的優(yōu)勢。這將是未來排水管網(wǎng)檢測的發(fā)展方向。

表3 不同排水管網(wǎng)檢測技術對比Tab.3 Comparison of Different Detection Technologies of Drainage Network

4 結論

由于排水管網(wǎng)錯綜復雜，管道調(diào)查成本較高，耗時較長。傳統(tǒng)的物探檢測技術逐漸顯現(xiàn)出一些弊端，在未來的應用過程中，應將“管賬”與“水帳”結合，利用三維熒光方法快速定性解析排水系統(tǒng)來水情況；以及運用水質(zhì)特征因子-化學質(zhì)量平衡方法定量解析來水比例，反映管道狀況，從而聚焦重點研究區(qū)域；縮小物探檢測范圍，充分發(fā)揮各種方法具有的優(yōu)勢，以在最大程度節(jié)省人力、物力、時間成本的基礎上，獲取全面可靠的管道檢測數(shù)據(jù)。