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導(dǎo) 讀

雨水管網(wǎng)是緩解城市內(nèi)澇、改善水環(huán)境質(zhì)量的重要市政基礎(chǔ)設(shè)施，受管材老化腐蝕和施工過程不當(dāng)?shù)扔绊?，我國城市雨水管網(wǎng)建成后普遍存在地下水入滲和污水混接問題，制約著雨水管網(wǎng)功能高效發(fā)揮。排水管網(wǎng)入流入滲診斷技術(shù)可為雨水管網(wǎng)混接入滲問題的識別和定位提供支持。綜述了排水管網(wǎng)入流入滲診斷技術(shù)（物探檢測技術(shù)、流量分析技術(shù)、特征因子分析技術(shù)、水動力反演模型技術(shù)）的基本原理、研究進展、應(yīng)用特征等，對比分析了不同技術(shù)應(yīng)用于雨水管網(wǎng)混接入滲診斷的適用性、實施要點、診斷水平和發(fā)展階段等，并提出未來雨水管網(wǎng)混接入滲診斷技術(shù)的發(fā)展方向。結(jié)果表明：


1）特征因子分析技術(shù)可在不干擾雨水管網(wǎng)正常運行條件下識別和量化混接入滲問題、提供治理優(yōu)先級，因此經(jīng)濟和環(huán)境效益顯著；


2）光纖分布式測溫（FDTS）技術(shù)和水動力模型反演技術(shù)在無干擾定位雨水管網(wǎng)混接入滲方面優(yōu)勢顯著，前者易于實施且定位精 準(zhǔn)度高，后者具有成本低且可評級混接入滲等級特點，可根據(jù)場景特征因地制宜選用；


3）未來雨水管網(wǎng)混接入滲診斷技術(shù)將朝著低成本、無干擾、可量化、可定位的方向發(fā)展。通過評估不同技術(shù)在當(dāng)前和未來的綜合應(yīng)用效果，明確了單一診斷技術(shù)難以具備期望特征，而特征因子分析技術(shù)耦合FDTS技術(shù)或水動力模型反演技術(shù)的分級診斷體系具有實現(xiàn)未來技術(shù)發(fā)展目標(biāo)的優(yōu)勢潛力。


研究可為雨水管網(wǎng)混接入滲診斷技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用和優(yōu)化創(chuàng)新提供參考。


1 | 前言

雨水管網(wǎng)是城市的生命線，對降低城市內(nèi)澇風(fēng)險和改善水環(huán)境質(zhì)量意義重大。近10年來，我國城市化進程發(fā)展迅速，雨水管道規(guī)模以10.1%年均增長率快速增加，截至2021年底已達37.9萬km，其中約四成服役期超過10年。受施工過程不當(dāng)、管材老化腐蝕和地面載荷等因素影響，我國城市雨水管網(wǎng)建成后普遍存在污水混接、高地下水位地區(qū)地下水入滲問題，其能夠?qū)λh(huán)境健康與公共安全造成顯著的風(fēng)險脅迫。


目前，我國城市的平均污水集中收集率僅為69%，意味著將近31%的污染物未經(jīng)處理直接排放至河湖水體，從而引發(fā)嚴重的水環(huán)境污染問題。調(diào)查表明，污水通過混接至雨水管道直接排入河湖水體，是導(dǎo)致污水從收集系統(tǒng)流失和集中收集率偏低的主要原因之一。例如，在我國東部城市通過混接至雨水管道流失的污水量可達污水總量的26.0%~80.7%。然而，上述問題在我國分流制排水系統(tǒng)中普遍存在。2018年，上海市在1.9萬km雨污水管道中查出20290處混接點；2021年，武漢東湖高新區(qū)在2550km雨污水管道中發(fā)現(xiàn)600處混接點。混接污水往往具有高出地表水環(huán)境承載力的污染物濃度，嚴重者甚至與市政污水相當(dāng)。因此，雨水管網(wǎng)中存在污水混接問題是造成城市受納水體返黑返臭、黑臭水體治理成效功虧一簣的主要原因之一。2021年11月，中 共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》，強調(diào)城市黑臭水體縱深治理要強化污水收集效能，而探明污水混接位置是污水收集處理提質(zhì)增效的關(guān)鍵著力點。


在我國地下水位較高的南方地區(qū)，雨水管道普遍存在地下水入滲問題，通過文獻數(shù)據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，地下水入滲量可達82.8~524.2 m3/（d·km）。入滲地下水能夠通過擠占雨水管道的收集輸送容量，損害其防洪排澇功能，導(dǎo)致地面積水無法通過雨水管道被及時排干，從而引發(fā)城市內(nèi)澇問題；加劇雨水管道堵塞進而產(chǎn)生壅水問題，造成的管道水壓增大可促使窨井蓋發(fā)生移位，嚴重時釀成“井蓋吃人”的悲劇。此外，在地下水入滲雨水管道的過程中還可能將管道周邊的土體顆粒沖刷進入管道內(nèi)，導(dǎo)致入滲區(qū)域上方形成侵蝕坑，這會加速管道失穩(wěn)以致爆管，嚴重時甚至引發(fā)地面塌陷災(zāi)害。由此可見，雨水管網(wǎng)存在地下水入滲問題已成為危害人民生命財產(chǎn)安全的重大隱患，及時開展整治工作意義重大，而查明入滲區(qū)域是整治工作高效開展的前提。


在上述背景下，筆者通過綜述國內(nèi)外雨水管網(wǎng)混接入滲診斷技術(shù)的基本原理、應(yīng)用現(xiàn)狀等，旨在為該類技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用和創(chuàng)新發(fā)展提供參考，有助于提升決策者對雨水管網(wǎng)混接入滲問題的治理水平，以及防范化解水環(huán)境污染和公共社會安全風(fēng)險的戰(zhàn)略主動。

2 | 雨水管網(wǎng)混接入滲診斷技術(shù)類型、原理和應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)原理不同，雨水管網(wǎng)混接入滲診斷技術(shù)主要分為物探檢測技術(shù)、流量分析技術(shù)、特征因子分析技術(shù)、水動力反演模型技術(shù)，下面分別進行論述。


2.1 | 雨水管網(wǎng)混接入滲診斷技術(shù)類型、原理和應(yīng)用現(xiàn)狀


物探檢測技術(shù)始于20世紀60年代，其基本原理是采用感知設(shè)備采集管道內(nèi)部的物理參數(shù)，直接或間接為排水管道入流入滲問題的診斷提供分析依據(jù)。目前，物探檢測技術(shù)基本形成了以管道閉路電視成像（CCTV）為主的傳統(tǒng)檢測技術(shù)，以紅外成像技術(shù)和光纖分布式測溫（FDTS）為代表的新型檢測技術(shù)。


2.1.1 | CCTV技術(shù)


現(xiàn)階段，CCTV應(yīng)用最為廣泛，其主要由主控器、操縱線纜架、搭載攝像鏡頭的行進機器人組成。該技術(shù)可通過實地拍攝影像輔助工作人員直觀判斷排水管道存在的入流入滲問題。但為保證機器人在管道中順利行進和鏡頭正常拍攝，CCTV技術(shù)應(yīng)用前需要進行管道斷水、排空、清淤等復(fù)雜操作，不但造成檢測費用昂貴、效率低下，而且在面對流量大、水位高的管道時甚至不能實現(xiàn)斷水檢測。為克服上述難題，國內(nèi)研發(fā)了基于漂浮滾筒螺旋式行進的CCTV帶水檢測技術(shù)，但該設(shè)備易受水流變化影響而較難被 操控，導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量無法保證；對此，蔡兆祝通過解決管道復(fù)雜環(huán)境下機器人運動適應(yīng)性低、檢測方式單一、成像效果差的問題，研發(fā)了能在少水、滿水甚至有水流沖擊環(huán)境下進行檢測的兩棲機器人，然而該技術(shù)尚未實現(xiàn)工程應(yīng)用。


2.1.2 | 紅外成像技術(shù)


紅外成像技術(shù)是采用紅外成像設(shè)備掃描物質(zhì)表面的溫度場，并根據(jù)溫度突變診斷管道的入流入滲問題。例如，Lepot等采用紅外成像設(shè)備對實驗水槽的748次旁側(cè)入流事件進行了記錄，結(jié)果表明，該技術(shù)主要適用于探測導(dǎo)致管道自由水面溫度場發(fā)生變化的入流入滲事件，且檢出限非常低，能夠識別的最 小入流僅為管道水體流量的2.5%，但無法定量入流流量以及識別侵入型、裂縫型、管道底部型入流事件。紅外成像技術(shù)能有效實現(xiàn)不斷水檢測，但在實際應(yīng)用中需將成像設(shè)備固定在漂浮裝置上采集數(shù)據(jù)，導(dǎo)致設(shè)備易受水流流速變化影響而無法獲得精 準(zhǔn)數(shù)據(jù)。當(dāng)前該技術(shù)尚無應(yīng)用于實際管道檢測的案例報道。


2.1.3 | FDTS技術(shù)


FDTS技術(shù)能基于沿管道鋪設(shè)的光纖高頻率感知空間溫度變化，并根據(jù)溫度變化特征診斷管道的入流入滲問題，其原理如圖1所示。近年來，F(xiàn)DTS技術(shù)已在國內(nèi)外形成許多試驗場景。例如，Hoes等在2009年率 先采用FDTS技術(shù)對荷蘭Korendijk州和Groningen州雨水管網(wǎng)中存在的生活污水間歇性接入事件進行了有效追蹤，并指出該技術(shù)主要適用于對大流量入流水體的探測，然而該研究未給出FDTS技術(shù)識別混接事件的溫度變化閾值；隨后，Kessili等在實驗室條件下分析了FDTS技術(shù)的溫度變化閾值對管道充滿度、混接污水溫度和體積、混接路徑長度的響應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)管道充滿度、混接污水和管道環(huán)境之間的溫度差異、混接路徑長度是影響混接事件被成功識別的主要因素，并綜合確定FDTS技術(shù)識別污水混接事件的溫度變化閾值為0.15 ℃，然而該研究未分析溫度變化閾值的時變化特征；對此，尹海龍等在2022年以1條50 m長的污水管道為例開展了基于FDTS技術(shù)的污水和雨水入流實時監(jiān)控，并基于統(tǒng)計學(xué)理論分析了FDTS技術(shù)識別入流事件時在空間和時間上的溫度變化閾值（分別為±0.2和±0.5 ℃）。然而，當(dāng)入流入滲水體流量小、與管道原生水體之間溫差不明顯時，F(xiàn)DTS技術(shù)不適用。

圖1 基于FDTS技術(shù)的排水管道入流入滲診斷示意

2.1.4 | 技術(shù)適用條件


物探檢測技術(shù)是診斷雨水管網(wǎng)混接入滲的有效手段，其中，CCTV技術(shù)主要適用于水深較淺、淤積較輕等無需實施降水、清淤操作的情形，否則將面臨高昂的檢測成本；紅外成像技術(shù)和FDTS技術(shù)均支持帶水檢測，前者應(yīng)用時要求混接入滲引起的溫度變化能夠在管道水體自由水面顯現(xiàn)以及管道水流流速平穩(wěn)，后者主要適用于混接入滲水量大以及與管道原生水體之間溫差顯著的情形，同時還應(yīng)盡可能保持光纖漂浮于水體自由表面并避免光纖彎曲引發(fā)定位誤差和激光信號損失等。然而，上述方法均難以量化混接入滲的水量信息，以至于無法通過評級問題嚴重程度，實現(xiàn)治理效果與經(jīng)濟效益的統(tǒng)一。


2.2 | 流量分析技術(shù)


流量分析技術(shù)是實現(xiàn)排水管道入流入滲定量解析的重要方法，其基本原理：基于排水管網(wǎng)節(jié)點的流量監(jiān)測數(shù)據(jù)和污染源的污水排放數(shù)據(jù)，構(gòu)建封閉區(qū)域內(nèi)排水系統(tǒng)的水量平衡方程，并通過方程求解量化排水管網(wǎng)中不同來源類型水體的水量輸入情況。例如，Almeida等采用37臺管道流量計對Costa do Estoril的污水管網(wǎng)進行了節(jié)點流量監(jiān)測，并結(jié)合用水戶的用水量數(shù)據(jù)、水質(zhì)指標(biāo)分析、夜間最 小流量法等，分析了污水管網(wǎng)的地下水入滲量、工業(yè)廢水排放量、雨水混接量，在此基礎(chǔ)上提出了污水管網(wǎng)的優(yōu)化改造方向；Xu等綜合運用管道流量監(jiān)測數(shù)據(jù)、污染源調(diào)查數(shù)據(jù)、泵站運行數(shù)據(jù)、地下水入滲模型，構(gòu)建了上海市某分流制排水系統(tǒng)的水量平衡方程（圖2），通過方程聯(lián)立求解，定量解析了旱季期間雨水管網(wǎng)中的污水混接、地下水入滲和河水倒灌情況，從而為雨水管網(wǎng)混接入滲問題治理提供了科學(xué)指導(dǎo)。然而，流量分析技術(shù)需要通過獲取大量管道流量數(shù)據(jù)明確水量平衡方程的邊界條件，具有成本高、人員投入大的問題。對此，肖濤提出了基于管道液位演算流量的“軟測量”模型——單井模型和雙井模型。單井模型是以上游檢查井液位監(jiān)測數(shù)據(jù)為模型輸入條件演算流量，適用于下游管道順坡、水力狀態(tài)良好的檢查井；雙井模型是以上下游檢查井的液位監(jiān)測數(shù)據(jù)為模型輸入條件演算管道流量，在順坡、平坡和逆坡管道中均適用。然而，在實際應(yīng)用中，測量誤差或管道淤積常導(dǎo)致演算流量與實測數(shù)據(jù)之間存在較大誤差。

圖2 基于水量平衡分析的雨水管網(wǎng)混接入滲量化模型

除上述不足外，流量分析技術(shù)還存在無法識別水體來源類型的缺陷，導(dǎo)致在開展排水管網(wǎng)入流入滲定量解析時，易將未監(jiān)測到的水體錯誤納入已知來源類型水體中，引發(fā)解析結(jié)果的較大偏差。對此，工程實踐中常引入水質(zhì)指標(biāo)進行輔助分析，以提升診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，在《城鎮(zhèn)排水管道混接調(diào)查及治理技術(shù)規(guī)程》中給出了通過監(jiān)測雨水管道水體污染物濃度和負荷量的沿程變化診斷污水混接的技術(shù)路線。然而，該類方法仍無法精細化定量不同來源類型水體的水量。


綜上可知，流量分析技術(shù)是定量解析雨水管網(wǎng)混接入滲的有效手段，主要適用于水量平衡模型邊界條件較少的情形，否則需要安裝大量管道流量計，導(dǎo)致診斷成本顯著增加；此外，該技術(shù)對監(jiān)測節(jié)點水體的流速和水深大小具有特定要求，在測量過程中還需避免傳感器被垃圾纏繞或淤泥淤積引發(fā)數(shù)據(jù)測量誤差。與物探檢測技術(shù)相比，流量分析技術(shù)無需深入管道內(nèi)部獲取數(shù)據(jù)，因此操作易于實現(xiàn)，且能夠通過評級問題嚴重等級明確混接入滲區(qū)域治理的優(yōu)先級，提高治理工作的經(jīng)濟和環(huán)境效益。然而該技術(shù)不能識別水體來源類型，導(dǎo)致解析結(jié)果的不確定性較大，易誤導(dǎo)工程治理方向；另外，其診斷精度主要為區(qū)域水平，為實現(xiàn)定位還需在各檢查井開展流量監(jiān)測，成本較高。 

2.3 | 特征因子分析技術(shù)

2.3.1 | 基本原理


特征因子分析技術(shù)是精細化識別和定量排水管網(wǎng)入流入滲的有效手段。該技術(shù)是美國國家環(huán)境保護局（US EPA）開展雨水管網(wǎng)混接調(diào)查的核心方法之一，由于該技術(shù)允許帶水操作且能夠定量解析不同來源水體的貢獻比例，近年來不斷受到重視。特征因子分析技術(shù)的基本思想：篩選針對不同來源類型水體的特異性和保守性特征因子，在此基礎(chǔ)上建立涉及特征因子指標(biāo)和貢獻比例的化學(xué)質(zhì)量平衡（CMB）模型，并通過CMB模型求解，定量解析排水管網(wǎng)中不同來源類型水體的接入比例，在此基礎(chǔ)上進一步結(jié)合流量監(jiān)測數(shù)據(jù)可量化評估入流入滲水平。該方法架構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于特征因子的排水管網(wǎng)入流入滲診斷技術(shù)架構(gòu)

（1）CMB模型原理


CMB模型的數(shù)學(xué)表達如式（1）~式（2）所示。

式中：

圖片為第 1個特征因子在排水管網(wǎng)上游監(jiān)測節(jié)點入流水體中、旁側(cè)第 1,…,k種來源類型水體中的指標(biāo)值；圖片為第k+1個特征因子在排水管網(wǎng)上游監(jiān)測節(jié)點入流水體中、旁側(cè)第 1,…,k種來源類型水體中的指標(biāo)值；圖片為排水管網(wǎng)上游監(jiān)測節(jié)點入流水體、旁側(cè)第 1,…,k種來源類型水體對下游監(jiān)測節(jié)點出流水體的貢獻比例，滿足圖片；圖片為排水管網(wǎng)下游監(jiān)測節(jié)點出流水體中第 1,…,k+1種特征因子的指標(biāo)值。

不同來源類型水體的入流入滲水量大小為：

式中：圖片為排水管網(wǎng)旁側(cè)第i種來源類型水體的日均入流入滲量，m3/d；圖片為排水管網(wǎng)下游監(jiān)測節(jié)點出流水體的日均流量值，m3/d；圖片為排水管網(wǎng)旁側(cè)第i種來源類型水體對下游監(jiān)測節(jié)點出流水體的貢獻比例，i取圖片。


（2）特征因子篩選準(zhǔn)則和常用類型


特征因子分析技術(shù)的實施關(guān)鍵之一是選擇合適的特征因子，理論上特征因子應(yīng)具有以下基本特征：1）在不同來源類型水體之間具有顯著的指標(biāo)值差異；2）在排水管道的生物地球化學(xué)作用過程中能保持較好的穩(wěn)定性；3）檢測限、測試精度、安全性和重現(xiàn)性較理想。參考上述原則，國內(nèi)外學(xué)者篩選出能夠表征生活污水、不同行業(yè)廢水、地下水的濃度型特征因子（表1），并廣泛用于排水管網(wǎng)入流入滲診斷。例如，徐祖信等以上海市某雨水管網(wǎng)為研究對象，分別采用總氮、氟化物、硬度作為表征生活污水、半導(dǎo)體工業(yè)廢水和地下水的特征因子，結(jié)合CMB模型耦合不確定性算法量化了3種水體的貢獻比例；王詩婧以巢湖市城區(qū)污水管網(wǎng)為研究對象，采用安賽蜜作為區(qū)分生活污水和地下水的特征因子，并通過CMB模型求解明確了局部管段的嚴重入滲是導(dǎo)致污水廠進水濃度偏低的主要原因，并提出通過識別和修復(fù)局部嚴重破損管段提升污水處理效能的技術(shù)思路。

表1 不同來源類型水體的特征因子及其濃度分布范圍

2.3.2 | 傳統(tǒng)濃度型特征因子的時空非保守性問題


研究表明，同一來源類型水體的濃度型特征因子指標(biāo)值常表現(xiàn)出顯著的時空波動性，是造成CMB模型解析結(jié)果出現(xiàn)較大誤差的主要原因之一。表2統(tǒng)計分析了在同一點位連續(xù)監(jiān)測的濃度型特征因子指標(biāo)值的變異系數(shù)（CV），結(jié)果表明，約46%監(jiān)測數(shù)據(jù)的CV大于閾值15%，反映了數(shù)據(jù)離散程度較大，特征因子保守性偏低。同一來源類型水體的濃度型特征因子指標(biāo)值在空間上表現(xiàn)出的顯著性差異主要與人類活動、區(qū)域環(huán)境特征等有關(guān)，例如生活污水的濃度型特征因子指標(biāo)值大小與居民生活水平、居住區(qū)建成年代、排放污水中黑水和灰水混合比例等因素相關(guān)，地下水的濃度型特征因子指標(biāo)值易受不同區(qū)域含水層物理化學(xué)性質(zhì)的影響等。

表2  在同一點位連續(xù)監(jiān)測的濃度型特征因子指標(biāo)的CV值

2.3.3 | 新型指紋型特征因子的優(yōu)勢前景


為克服濃度型特征因子指標(biāo)值的時空非保守性，國內(nèi)外學(xué)者將穩(wěn)定同位素、三維熒光光譜、傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜等指紋技術(shù)引入該領(lǐng)域中。例如，Houhou等采用水體中氫原子和氧原子的穩(wěn)定同位素（分別表示為δ2H和δ18O）對法國大南錫地區(qū)的自來水、市政污水、河水進行了識別，根據(jù)δ2H-δ18O指紋圖譜可知，不同來源類型水體之間的δ2H-δ18O指紋圖譜的差異性顯著，同一來源類型水體的δ2H-δ18O指紋圖譜的穩(wěn)定較高，這為基于δ2H-δ18O指紋圖譜揭示污水管網(wǎng)水量平衡過程創(chuàng)造了有利條件。然而，該研究未從統(tǒng)計學(xué)角度給出δ2H和δ18O保守性的解釋；Kracht等在利用δ2H-δ18O指紋圖譜區(qū)分生活污水和地下水的研究中發(fā)現(xiàn)，δ2H-δ18O的CV分別小于-2.0%和-1.8%，表明其保守性較高，可作為精 準(zhǔn)量化污水管網(wǎng)中地下水入滲的特征因子。在熒光指紋應(yīng)用方面，Chen等率 先采用三維熒光光譜耦合平行因子分析法表征了雨水管網(wǎng)雨天出流水體、地表徑流和生活污水中的溶解性有機物熒光組分，并通過蛋白質(zhì)類熒光峰識別了雨水管道中的生活污水接入。然而，該研究未對熒光指紋信息進行數(shù)值化表征，因此無法明確其保守性。對此，Liao等構(gòu)建了三維熒光光譜指紋的衍生指標(biāo)——降解指數(shù)，并采用顯著性檢驗證明了其對地表徑流（0.047）和生活污水（0.46）的特異性指示功能，然而該指標(biāo)存在保守性不足問題（CV≤32%）。除上述方法外，傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜也是識別排水系統(tǒng)入流入滲的潛在指紋手段，由于該技術(shù)能從分子式、元素組成和群組成分的角度刻畫水體中溶解性有機物的來源信息，近年來已有效用于區(qū)分污水廠出水和天然水體、地表徑流和生活污水。通過將分子指紋信息數(shù)值化，該技術(shù)可進一步用于定量解析混合體系中不同來源類型水體的組成比例，但相關(guān)研究鮮有報道。

2.3.4 |  技術(shù)適用條件


綜上可知，特征因子分析技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對雨水管網(wǎng)混接入滲水體的精細化定量解析，但主要適用于不同來源類型水體的特征因子之間存在顯著性差異的場景。由于該技術(shù)僅需開展特征因子檢測和部分點位流量監(jiān)測，因此其診斷成本較低。然而，該技術(shù)的診斷精度一般為區(qū)域水平，為實現(xiàn)對混接入滲問題的定位還需在各檢查井開展水質(zhì)監(jiān)測，成本較高。


2.4 | 水動力反演模型技術(shù)


為提高對排水管網(wǎng)入流入滲問題的定位效率同時降低成本，水動力反演模型技術(shù)被提出。根據(jù)水動力學(xué)理論，水體在管道上游的時空輸入特性和在管道內(nèi)的匯流傳輸過程決定了未來在下游點位的動力學(xué)形態(tài)（流量、水位等）?；谠撽P(guān)聯(lián)機制，國內(nèi)率 先發(fā)展了融合排水管網(wǎng)水動力模型和反問題理論的水動力反演模型技術(shù)，用于追蹤入流入滲問題。例如，2020年Zhao等采用圖4中的方法架構(gòu)開展了巢湖市城區(qū)污水管網(wǎng)的地下水入滲定位和定量解析。具體地，首先采用特征因子分析技術(shù)識別出存在嚴重地下水入滲問題的污水管網(wǎng)子系統(tǒng)，同時給出該區(qū)域的水動力學(xué)邊界；其次通過耦合排水管網(wǎng)水動力模型（SWMM）和微生物遺傳算法構(gòu)建子系統(tǒng)的地下水入滲反演模型，并用于推演地下水入滲的空間分布和水量大小，從而為嚴重入滲管道的優(yōu)先修復(fù)提供靶點。隨后，Xu等在2021年綜合采用特征因子分析技術(shù)和“軟測量”方法識別了XiaoHecha雨水管網(wǎng)中存在嚴重混接入滲問題的子系統(tǒng)，并明確了其水動力邊界條件；在此基礎(chǔ)上，進一步通過耦合SWMM和粒子群算法構(gòu)建了子系統(tǒng)的水動力反演模型，進而為存在嚴重混接入滲問題管道的優(yōu)先修復(fù)提供了診斷技術(shù)支持。然而，上述研究均未開展反演模型定位效果對水動力（如曼寧粗糙系數(shù)、管道坡度）和算法（迭代次數(shù)、種群大小等）參數(shù)變化的響應(yīng)機制分析，導(dǎo)致解析結(jié)果的不確定性較大；此外，當(dāng)排水管網(wǎng)復(fù)雜度增加時，水動力模型運算效率以及尋優(yōu)算法對解空間的全局遍歷性將隨之下降，成為制約該方法推廣應(yīng)用的重要瓶頸。

圖4  基于特征因子和水動力反演模型的污水管網(wǎng)地下水入滲定位方法架構(gòu)

綜上可知，水動力模型反演技術(shù)是開展雨水管網(wǎng)混接入滲問題診斷的新型手段，主要適用于水動力邊界明確和物理參數(shù)完整、準(zhǔn)確的雨水管網(wǎng)，其實施關(guān)鍵是精細化、精 準(zhǔn)化構(gòu)建雨水管網(wǎng)水動力過程模擬系統(tǒng)。與水量分析技術(shù)和水質(zhì)特征因子分析技術(shù)相比，該方法無需逐檢查井開展水量或水質(zhì)監(jiān)測即可實現(xiàn)對混接入滲問題的定位，因此具有投資少、工作效率高的優(yōu)點。此外該技術(shù)還支持對混接入滲水量定量的功能，因此能夠突破物探檢測技術(shù)難以評級問題等級的技術(shù)瓶頸。然而，如何解決反演模型的“異參同效”效應(yīng)是當(dāng)前該技術(shù)主要面臨的難題。


3 | 雨水管網(wǎng)混接入滲診斷技術(shù)對比及發(fā)展趨勢


綜合2節(jié)所述，總結(jié)了不同技術(shù)應(yīng)用于雨水管網(wǎng)混接入滲診斷的適用場景、實施要點、診斷水平和發(fā)展階段等（表3），在此基礎(chǔ)上提出未來雨水管網(wǎng)混接入滲診斷技術(shù)將朝著低成本、無干擾、可量化、可定位的方向發(fā)展。根據(jù)表3可知，單一診斷技術(shù)均不具備未來預(yù)期特征，而通過技術(shù)組合并遵循分級診斷路線有望實現(xiàn)目的。

表3  不同技術(shù)應(yīng)用于雨水管網(wǎng)混接入滲診斷的特征、水平和發(fā)展階段對比

根據(jù)表3可知，流量分析技術(shù)和特征因子分析技術(shù)是針對大范圍雨水管網(wǎng)分區(qū)開展混接入滲診斷的有效手段，可通過快速量化不同分區(qū)雨水管網(wǎng)的混接入滲情況、評級嚴重問題區(qū)域，為后續(xù)采用CCTV技術(shù)、紅外成像技術(shù)、FDTS技術(shù)、水動力反演模型技術(shù)開展問題定位提供靶區(qū)。然而，構(gòu)建何種分級診斷技術(shù)組合路線是當(dāng)前面臨的重要難題。綜合考慮技術(shù)成本、診斷精度、診斷水平、發(fā)展階段4個評價因子，對不同分級診斷技術(shù)組合路線在當(dāng)前和未來的應(yīng)用特征進行綜合分析，結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5可知，針對大范圍雨水管網(wǎng)分區(qū)開展混接入滲診斷時，特征因子分析技術(shù)整體優(yōu)于流量分析技術(shù)，且前者未來仍具有優(yōu)化提升空間。通過對比兩組分級診斷技術(shù)組合路線可知，不論是當(dāng)前還是未來預(yù)期，組合路線①~④的綜合性能整體優(yōu)于組合路線1~4，表明采用特征因子分子技術(shù)耦合混接入滲定位技術(shù)更符合未來發(fā)展趨勢。分級診斷技術(shù)組合路線①~④在當(dāng)前和未來的綜合評分分別遵循以下順序：④>③=①>②和④>③=②>①。上述結(jié)果表明，分級診斷技術(shù)組合路線③和④的綜合性能較高，且符合成本低、無干擾、可量化、可定位的預(yù)期優(yōu)勢特征，因此二者有望成為未來雨水管網(wǎng)混接入滲診斷的核心方法。雖然技術(shù)組合路線②與③未來具有相同的綜合性能，但前者達到預(yù)期效果所需優(yōu)化提升的程度較大。此外，現(xiàn)階段當(dāng)考慮診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性時，分級診斷技術(shù)組合路線①將是首 選。

圖5  不同分級診斷技術(shù)路線的綜合評價

4 | 結(jié)語


雨水管網(wǎng)存在污水混接和地下水入滲問題可對水環(huán)境健康和公共安全產(chǎn)生風(fēng)險脅迫，因此及時掌握雨水管網(wǎng)混接入滲的準(zhǔn)確信息將有助于提升防范化解水環(huán)境污染和公共社會安全風(fēng)險的戰(zhàn)略主動。通過綜述國內(nèi)外雨水管網(wǎng)混接入滲問題診斷技術(shù)的基本原理、研究進展、技術(shù)特征等，旨在為該類技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用和創(chuàng)新發(fā)展提供借鑒，并得出以下主要結(jié)論：


1）特征因子分析技術(shù)是開展雨水管網(wǎng)混接入滲診斷的有效手段，其可在不影響雨水管道正常運行情況下分區(qū)識別和量化混接入滲問題。通過進一步評估問題等級，該技術(shù)可為問題嚴重區(qū)域管道的優(yōu)先修復(fù)提供靶區(qū)，因此具有實現(xiàn)治理效果與經(jīng)濟效益統(tǒng)一的優(yōu)勢特征。


2）FDTS技術(shù)和水動力模型反演技術(shù)在無干擾定位雨水管網(wǎng)混接入滲問題方面均展現(xiàn)出了優(yōu)勢前景，其中前者易于實施且診斷結(jié)果的不確定性小，后者具有診斷成本低、可量化混接入滲水量的優(yōu)勢，因此決策者可根據(jù)應(yīng)用場景特征因地制宜選擇診斷方法。


3）研究認為未來雨水管網(wǎng)混接入滲診斷技術(shù)將朝著低成本、無干擾、可量化、可定位的方向發(fā)展，而單一診斷技術(shù)難以滿足要求，采用特征因子分析技術(shù)耦合FDTS技術(shù)或水動力模型反演技術(shù)的分級診斷體系有望實現(xiàn)目的。



文章來源：

趙志超,黃曉敏,尹海龍等.雨水管網(wǎng)混接入滲診斷技術(shù)研究進展[J/OL].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報:1-15[2023-11-15].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.5972.X.20231009.1427.002.html.



來源：城市智慧水務(wù)

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