基于分布式传感器在线监测数据的排水管网安全运行问题识别与分析

　　摘 要：城市排水管网埋藏于地下，存在混接、错接、渗漏、淤堵、溢流、井盖移位、有毒有害气体聚集等安全运行问题。通过对复杂的排水管網建立一套完整、稳定的安全运行监测系统，依托长期可靠的在线监测数据，可以定量的分析、评估及诊断管网的安全运行问题，有效的识别预警雨污混接、污水溢流、管道淤积、城市内涝和可燃气体聚集爆炸等事故，提高市政排水工作的管理效率，具有一定的实用价值和推广意义。

　　关键词：排水管网;分布式传感器;监测数据;安全运行

　　《灌溉排水学报》(双月刊)于1982年创刊，是由水利部中国农科院农田灌溉研究所，中国国家灌溉排水委员会主办的学术类刊物，该刊为中文核心期刊。

　　1 概况

　　我国的2007～2017年全国新增排水管道长度36.9万千米，年均增长率在5.6～12%之间，截止到2017年底，我国城市排水管道长度总量达到 63.0万千米，其中超过27万千米排水管网的使用年龄在十年以上[1]。而城市排水管网多是隐蔽工程，埋于路面以下，拓扑结构复杂，运行工况多样，出现安全运行问题后不易被发现。因排水管网运行异常而造成的雨污水溢流、路面塌陷、城市内涝、地表水污染和沼气聚集爆炸等事故，严重影响了城市安全和居民生活(图1)。

　　排水管网的运行安全问题主要包括混接、错接、渗漏、淤堵、溢流、井盖移位伤人、有毒有害气体聚集爆炸及在车流人流密集路段因排水管网渗漏可能产生路面塌陷等。这些风险隐患与管网运行的主要指标及参数，如流速、流量、水位、可燃有毒气体浓度等都密切相关。通过对复杂的排水管网建立一套完整、稳定的安全运行监测系统，实时获取管网运行在线监测数据，一方面可以了解排水管网整体运行的动态规律以及风险情况，使各种风险隐患关口前移，降低安全事故的发生的几率;另一方面通过长期监测数据的积累，为排水管网的科学研究、设计、规划改造及运行维护提供数据支撑。

　　2 分布式传感器

　　为了实时获取排水管网的主要运行参数，如水位、流速、流量、可燃有毒气体气体浓度和井盖移位等，以识别排水管网在运行过程中存在的安全问题，需要在排水管网的主干及关键节点布设流量计、液位计、可燃气体监测仪和智能井盖等传感器，形成一套覆盖全面的安全运行监测网。

　　2.1 流量计

　　排水管道中的流量测量多采用多普勒超声波流量计，可实现排水管网或明渠等场合的满管、非满管流量在线长期稳定监测与积水及溢流预警报警。其测量工作原理是使用速度面积法，液位测量使用压力测量原理，速度测量使用多普勒超声波测量原理，当超声波入射到水中，水中存在着不均体(如悬浮物等)将对声波产生不规则散射，散射声波的一部分被接收换能器接收，由于水流存在，散射体与发射器、接收器之间有相对运动，据多普勒效应原理，接收到的反射信号频率有一定偏高，即多普勒频移。根据多普勒频移方程，频移的大小：

　　式中：△Fd-多普勒频移;F0-发射超声波频率，Hz;C-水中声速，m/s;V-水中流速，m/s;θ-发射波速和接收波速相对于水流方向的夹角。

　　超声波发射频率为常数，换能器夹角安装后固定不变，所以K为常数。由式(3)可见，流速V和多普勒频移△Fd及水的声速C成正比，只要检测出多普勒频移△Fd和水的声速C，即可计算出流速(图2)。

　　①流速测量传感器;②压力水位测量传感器(可选);③传感器本体;④接地板;⑤电缆;⑥电缆压盖

　　2.2 液位计

　　排水管道或检查井的液位测量多采用液位静压式传感器，可设置报警点，当液位高于或低于设定值时，发生报警。其利用液体静压力进行测量，当测量探头放入液体中时，设大气压为P0，液面到测量元件高为h，液体密度为ρ，当地重力加速度为g，则变送器探头上所受压力为：P1=P0+ρ×g×h，敏感元件的负侧通过导气电缆与大气相通所受压力为：P2=P0。所以测量元件所测到的压强差值为：P=P1-P2=ρ×g×h，对于特定的液体介质和确定的地区，ρ和g均为常数，所以P与h呈线性关系，即可得到液体深度(图3)。

　　2.3 可燃气体监测仪

　　可燃气体监测仪是对单一或多种可燃气体浓度响应的探测器。通过检测排水管网内可燃气体浓度，辅助监测井内温度，防止当达到爆炸极限或遇到明火发生爆炸的情况发生。

　　雨污水检查井或密闭箱涵内的可燃气体浓度(一般为甲烷)测量多采用红外光学型传感器，其是利用红外传感器通过红外线光源的吸收原理来检测现场环境的碳氢类可燃气体，一般选用具有低功耗、节电、防爆、寿命长、易维护等优点的可燃气体监测设备(图4)。

　　2.4 智能井盖

　　在排水系统检查井的井盖上安装智能井盖传感器，通过全轴倾角传感技术，监控井盖状态，当井盖姿态、形态发生改变时，即时发出井盖异常报警信号，可在第一时间得知井盖异常信息，及时进行调度处置，提前发现并消除安全隐患(图5)。

　　3 排水管网安全运行问题识别

　　基于多个试点海绵城市监测项目和合肥市城市生命线安全运行监测项目等部署的大量分布式传感器，对相关的监测数据进行分析研判，可以有效识别排水管网的安全运行问题，主要针对雨污混接、错接、淤积、溢流、入流入渗、可燃气体爆炸等管网安全运行问题进行分析识别。

　　3.1 雨污混流

　　部分地区排水系统建设不完善，污水管道设计标准低，口径偏小无法容纳大量污水;老住宅区化粪池和街坊内部下水道仍采用合流制，未达到分流制的排水要求;工厂的排放设施和必要的污水预处理工程未按要求进行改造与实施，企业及工厂偷排偷放;施工单位在进行雨污分流改造时，审核不严，未按照标准图纸进行施工，造成污水错接至雨水井。这些原因导致了大量的雨污混接现象，造成了污水处理厂的污水量不足，大量未经处理的污水随雨水进入河道造成水体污染。

　　通过在排水系统的入河排口、管网主干节点、企业/工厂/住宅小区雨水总排口等处布设流量计，通过判读是否存在旱季流量及分析旱季流量的排放规律即可识别雨污混接、企业偷拍等现象。例如：图6-a为某河道雨水排口的流量过程线，该排口非降雨时段长期有流量且排放曲线较为规律，存在两个排放峰值，即每天的早晨8-10点及晚上9-11点，与生活污水排放规律基本一致，判断为住宅小区污水管错接雨水管;图6-b为某市政道路雨水管网主干节点的流量过程线，非降雨时段连续多天均有短时排水，但排放无规律，经现场核实为绿化洒水;图6-c为某企业雨水排口的流量过程线，该排口非降雨时段有流量且排放曲线较为规律，每天的凌晨2-5点左右开始排水，判断为企业处理污水排水(水质未知);图6-d为某雨水管网主干节点的流量过程线，11月14号出现流量，但前后数天均无排水，为突发性临时排水，排放原因较难核实。

　　3.2 淤积

　　由于设计不合理、施工不规范、垃圾随意倾倒、施工泥浆水直排、管养不及时、疏浚不彻底等各方面的原因，都会导致排水管道的淤积。当排水管道淤积到一定程度时，其排水能力急剧下降，最终会造成管道堵塞，进而引发内涝积水或污水溢流污染等事件。同时管道的过度淤积还会对地下水环境造成影响，淤积物中的有机物在微生物的作用下会产生有毒害气体，并最终转化成酸性物质腐蚀破坏管道，导致管道渗漏进而污染地下水。

　　通过在淤积高风险区域的排水管道的上、下游节点布设流量及液位等监测设备，通过长时间序列的监测数据分析可以有效识别管道的淤积和上下游管道坍塌或阻塞等问题。

　　(1)监测段淤积识别

　　图7为某市政污水管道2017年10月至2018年5月之间的多条日液位变化过程线，通过对比分析可以看出日液位有明显的上升趋势，平均液位上升0.05～0.12m左右，判断该监测段管道淤积深度在0.05～0.12m之间。

　　(2)下游坍塌或阻塞识别

　　图8为某污水管道2017年9月至2018年2月的液位变化过程线，通过分析可知该管道的下游某处在2017年10月2号凌晨1点左右发生坍塌或阻塞，导致上游液位壅高，由液位上升的平均高度判断堵塞高度为0.53m左右;2018年1月18号上午10时，经过清淤后，管道液位迅速降低，并趋于正常。

　　图9为某雨水管道的流量及液位变化过程线，通过分析可知自2018年1月7号上午9点以后，虽降雨持续，但流量却迅速减少，而管道液位持续升高，判断为因管道下游发生坍塌或阻塞，水流无法排出，导致流量减少，液位持续壅高。

　　(3)上游坍塌或阻塞识别

　　图10为某污水管道的流量及液位变化过程线，通过分析可知自2017年10月25号23点以后，流量和液位都急剧降低，并趋于零，判断为因上游发生坍塌或阻塞，上游无来水，导致流量减少，液位降低。

　　3.3 溢流

　　当城市出现强降雨天气时，随着降雨量的不断增加，局部地区由于管道设计标准低，会导致排水不及时，雨水检查井发生溢流进而造成积水内涝;同时部分区域的雨水也会混入污水系统，当混合流量超过了污水管网的输送能力就会出现污水溢流，从而产生城市溢流污染。

　　通过在排水系统设计标准低或地势低洼区域的检查井内布设液位计，通过设置报警值判断管道是否发生溢流。例如：图11为某污水管道检查井的液位变化过程线，2018年1月31号14：00～15：00发生溢流，测量的液位最高值为3.693m，高于地面0.193m;图12为某雨水管道检查井的液位变化过程线，2019年1月8号13：00～22：00發生溢流，测量的液位最高值为2.695m，高于地面0.095m。