排水管网检测技术与分析方法研究进展

智国铮，戴勇华，马 艳

(1.上海城市水资源开发利用国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)

城市排水管网是重要的基础性设施，承担着城市排水的收集、运输和处理。在长期使用过程中，由于管道冲刷腐蚀、地基变形、道路负荷加重以及施工影响等，造成排水管道存在结构性和功能性缺陷，其运行情况直接影响道城市的安全。同时，排水系统中普遍存在雨污混接以及地下水渗入问题，对于污水输送和处理效率也有较大影响。近年来，国家和地方政府对于排水管网越来越重视。2019年，住房和城乡建设部、生态环境部、国家发展改革委联合发布了《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019—2021年)》。提出了污水管网全覆盖、全收集、全处理目标相适应的工作机制，对提高排水管网提高输送效率提出了明确要求，包括建立污水管网排查和周期性检测制度，全面排查污水管网等设施功能状况、错接混接等基本情况及用户接入情况，实施管网混错接改造、管网更新、破损修复改造等工程，落实排水管网周期性检测评估制度等要求。对管道进行科学合理的检测，不仅能够提高管道寿命，同时，有利于减少管道病害情况的发生。目前，排水管网检测技术主要包括以“管账”为主的物探检测技术和以“水帐”为主的水量水质检测技术，在应用范围和应用场景上存在差异，同时优缺点也不同。

1 排水管网物探检测技术

1.1 CCTV检测技术

管道闭路电视检测系统(CCTV)是使用最久的检测系统之一，应用最为普遍。该系统开始于20世纪50年代，成熟于80年代，主要由3个部分组成，包括主控器、操纵线揽架、带摄像镜头的爬行器。

一般在进行CCTV检测前，需排空或降低管道内水位，并进行管道疏通，以保证拍摄效果。在检测作业时，由地面操作人员远程控制CCTV爬行器行走，进行管道内录像拍摄，将影像传输到地面。为了保证摄像清晰，摄像镜头移动轨迹需保持在管道中轴线上，且行进速度不超过0.15 m/s。在检测过程中发现异常情况，需在异常点位置停留，将位置、方位、时间等各类信息，以及异常现象，存储后再继续前进。由相关技术人员根据视频录像，对管道内部状况进行分级评价与分析，包括混接、腐蚀、渗漏、破裂等。目前，在管道检测方面的应用已较为普遍。雷芳芳[1]应用该技术对福州市某路段的排水管道进行了结构性检测，结果显示，研究区域内管道总体破裂和变形较严重，对管网系统影响很大，主要由于该路段的淤泥层土质较差，造成管道外部压力超过自身承受力。

通过CCTV检测技术，直观反映和清晰认识管道内部的真实情况，对管道缺陷精准定位，适用于水位较低、底泥较少的管道。当充满度较高、管道内存在杂物时，可能导致爬行器镜头浸入水中，或者在管道内无法行走，无法有效检测水下情况，影响检测质量，同时检测成本较高[2]。

1.2 声纳检测技术

声纳检测技术是近年来兴起的较为先进的排水管道检测方法，利用声波对水下状况进行扫描探测和定位识别，主要由主控制器、探头和电缆盘组成。具体通过将声纳探头安装在漂浮装置上并向水中发射声波，接收水下物体的反射回波发现目标，目标的距离可通过发射脉冲和回波到达的时间差进行测算，并将排水管道中各种沉降、错位、断裂、淤堵等情况反映到操控器屏幕上[3]。在检测过程中应根据被检测管道的规格，在规定采样间隔和管道变异处停止探头行进，定点采集数据，停顿时间应大于一个扫描周期。一般情况下探头行进速度不宜超过0.1 m/s。

与CCTV检测技术相比，管道声纳检测技术无需对排水管道进行预处理，对排水系统运行的配合度要求低，适用于充满度高(管涌、满管或半满管)、流量大的管道。王永涛等[4]在市政排水管道的声纳成像设计中指出，声纳技术能够实时测量显示管道轮廓，准确定位管道内部缺陷，具有能耗低、准确率高、装置简易便携等优点，并在多个排水管道中得到了成功应用。然而，该技术也存在一定缺陷，成本较高，且只能查看水面以下的管道，在实际应用中需结合CCTV技术进行全部管道检测[5]。

1.3 QV检测技术

管道潜望镜检测(QV)技术通过潜望镜设备对管道进行检测，主要由高清晰度可潜水摄像机、主控制器、伸缩控制杆、存储器等组成[6]。操作人员通过调节操作杆长度，将摄像机置于检查井内管口处，通过调整灯光、焦距等方式，获取管道内部影像等相关数据，并进行传输和存储。该技术具有操作简便快捷，检测效果高的优点，同时适用于DN150～DN2000 mm的管道，具有较大的检测范围，检测深度可达80 m，适用于检查井深度较深、充满度高、流量大管道。与CCTV、声纳检测技术相比，QV技术的的摄像头不能深入管道内部，因此，检测距离有限，最远为100 m左右，对于间距较大的检查井检测效果不理想，当管道距离超过QV系统的最大检测距离时，无法进行全面检测[7]。

1.4 小结

排水管网物探检测技术可以准确判断问题管网所在位置，然而单一技术往往不能很好的满足检测要求。近年来，开始将多种技术结合使用，以做到优势互补，获得更加准确的检测数据[8]。排水管网物探检测技术只能对管道的结构性情况进行检测，无法对管道内来水的水量、水质情况进行定性或定量的分析，需与水量水质检测技术相结合，以加强对于排水管网管理和运行调度的指导性。

2 水量水质检测技术

与排水管网物探检测技术不同，水量水质检测技术主要通过监测管道流量和水质，判断管道中不同来水情况，包括生活污水、工业污水、地下水、雨水等，进而分析管道混接以及地下水渗入情况，反映管道状况。

2.1 排水管网流量检测技术

管道流量检测技术主要通过在管网节点或潜在混接点安装流量计，监测管道流量，并根据水量平衡，计算混接水量情况。需针对研究区域的排水管网进行前期现场调查，在管道内安装流量计，压力损失应尽可能好，同时测量范围应较大，以适应不同时间段的流量差别，防护等级也要满足所处环境的要求。

2.1.1 流量计

流量计类型主要包括电磁流量计、超声波流量计、转子流量计等。其中，超声波流量计应用最为广泛，主要基于超声波在流动介质中的传播速度，等于被测介质平均流速与声波在静止介质中速度矢量和的原理进行开发，分为多普勒超声波流量计和时差法超声波流量计。

其中，多普勒超声波流量计的应用较多，配备有超声波发射器和水深压力传感器。其中，超声波发射器利用相位差法测定流速，通过探头斜向上发出超声波并在流体中传播。由于流体中含有气泡或颗粒等杂质(认为杂质和水流速度一致)，当超声波接触到流体中杂质时，导致其在2个接收器(或发射器)之间的频率或相位发生相对变化，产生多普勒频移，从而测量出流体的流速。水深压力传感器可以通过水压，测量水体液位，获得过水面积。进一步利用速度面积流量法，获得瞬时流量，如式(1)和式(2)[9]。

(1)

(2)

其中：f0——超声波发射的固定频率，Hz；

Δf——超声波发射与接受换能器频率差，Hz；

A——被测管道截面积，m2；

θ——超声波与流体流速方向夹角；

c——超声波在流体中的传播速度，m/s；

v——流体速度，m/s。

对于时差法超声波流量计，其利用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差，间接测量流体流速，进一步计算流量。

冯沧等[10]在上海市长宁区采用多普勒超声波流量计，开展了重点区域雨、污管道水位、水量的调查工作，结果表明，雨水管道旱天流量存在与生活用水量逐时变化规律一致的变化过程，较好说明了雨污混接现象的存在。王东辉[11]采用多普勒超声波流量计对杭州市玉古路-西溪路交叉口管道进行了流量监测，获得了旱天和雨天的水量、充满度、水位、流速等数据，准确度较高。同时，该技术还可以对地下水渗入情况进行分析，主要包括用水量折算法和夜间最小流量法。

2.1.2 用水量折算法

用水量折算法根据旱天时排水系统内水量由原生污水和地下水渗入组成的原理，通过服务范围内的供水量数据估计排水系统内的原生污水，包括生活用水、工业用水、商业用水等，根据流量计数据与原生污水量的差额，估算进入管道系统内的外来水量，如式(3)。

Qi=Qa-P×TW-Qin

(3)

其中：Qi——区域地下水入渗量，m3；

Qa——晴天污水量，m3；

P——区域人口数；

TW——人均日污水定额，m3/d；

Qin——区域内工业废水日排放量，m3。

用水量折算法简单易用，评估费用少，适用于排水系统边界明确，统计水量方便的区域。然而，该方法较为粗略，准确性较低。

2.1.3 夜间最小流量法

夜间最小流量法根据污水排放量变化与人们生活规律密切相关的原理，进行流量分析。通常认为早晨7∶00—9∶00、中午11∶00—13∶00、晚上19∶00—21∶00为用水量高峰，夜间2∶00—4∶00最小。在人口较少的区域，夜间2∶00—4∶00的流量可作为地下水渗入量，人口稠密的地区需考虑一定的夜间污水排放量。

时珍宝等[12-13]应用用水量折算法和夜间最小流量法，对上海市2个生活小区的地下水渗入量进行了分析，结果表明，古北新区的地下水渗入比例为10%～15%，程桥污水系统的为25%～29%，2种方法得到的结果具有较好的一致性。

然而，随着城市规模的不断扩大，夜间用水量比例也呈现出升高的趋势，在一些特大城市这种方法的误差较高。同时，夜间最小流量法的准确性受到泵站前池水位变化幅度、服务范围大小等因素影响，适用于小范围的居民生活区。李岚等[14]研究表明，各地夜间最小流量出现的时间存在差异，通用型方法适用性较差，需选择较大的时间区间1∶00—5∶00，进行连续多日监测，根据流量频率分布的统计学方法，精确确定研究区域的夜间最小流量发生的时间区间，提高结果准确度。

图1 流程图法Fig.1 Method of Flow Chart

排水管网流量检测技术具有测量精度高、实时性好的优点，可以对排水系统进行雨污混接量分析。然而由于大量安装流量计也会产生许多人力成本，同时，由于排水管道内存在垃圾，也会造成流量计垃圾缠绕，导致测定数据存在问题，在管理维护上具有较大困难。因此，适用于进行短期流量监测，以及易于流量计安装和维护的管道系统。

2.2 示踪剂检测技术

示踪剂检测技术通过在需调查的管网系统起端投加示踪剂，通过开启检查井观察是否有示踪剂存在，判断管道混接情况。Jewell[15]采用该方法，对波士顿Stony Brook排水系统、混接管段进行了逐级溯源。该方法适用于小范围内某一管道混接情况的精确判别，如果判别大范围区域的混接，成本较高，存在需投入较大人力物力的问题。

2.3 水质特征因子检测技术

水质特征因子技术是美国EPA在1993年颁布的雨污混接调查技术指南中提出的方法，主要根据各来源水体的水质特征不同，包括生活污水、工业污水、地下水等，选取能够表征不同来水的水质特征因子，通过监测排水管网旱天和雨天出流的水量和水质，以区分不同来水。主要包括流程图法和化学质量平衡方法。

2.3.1 流程图法

流程图法根据各种可能来源水体的水质特征，确定能够区分不同来水的示踪水质指标，对管道进行分析判断[16]，如图1所示。该方法选取的水质指标及取值范围与地域特点密切相关，适用于排水管网来水成分的定性分析。

2.3.2 化学质量平衡法

化学质量平衡法是一种定量分析方法，由于对于一个泵站受纳范围的排水系统来说，其系统是相对封闭的，旱天污染物的输入、输出具有平衡关系，其中，输入主要包括生活污水、工业污水、地下水渗入等。该方法根据旱流污水实测结果，初步判断管道中的主要来水，选取表征不同来源的示踪水质参数，根据排水系统输入-输出物料守恒原理，对各种来水建立联立方程组，从而定量判断各种来水比例[17]，如式(4)～式(6)，其中式(6)为约束条件。该方法适用于排水系统来水成分的定量分析。

(4)

(5)

(6)

其中：Pi——第i个水质特征因子；

Cii——第i个来水的第i个水质特征因子质量浓度，mg/L；

Ai——第i个来水的水量比例；

Qi——第i个来水的旱天水量，m3；

Q——旱天总流量，m3；

n——水量来源的数量。

水质指标数据具有波动性，导致排水系统来水解析存在很大不确定性，因此，研究区域不同来水水质特征因子本底值数据库的建立，以及末端水质检测，对于来水解析特别重要，同时，可以采用一些不确定性数据分析方法，如蒙特卡罗方法[18]等，提高解析准确性。对于水质特征因子的选取，应具有以下特征：包括不同混接源中该物质的浓度差异显著，属于保守型物质，具有良好的检出限、灵敏度及重现性，且易测定[16]。根据已有研究，对于地下水来说，降雨在向地下含水层的下渗过程中，会溶解石灰岩，导致含水层中的钙、镁离子浓度偏高[19]。因此，硬度是表征浅层地下水的水质特征因子指标。对于生活污水来说，传统的水质特征因子主要包括微生物、总氮、氨氮、表面活性剂等，近年来，又开始出现了一些新型水质特征因子，如柠檬酸、安赛蜜等。这些物质是广泛应用于食品、饮料、药物和个人护理品的人工合成或半合成的有机化合物，随人体排泄物排出，不易降解，因此，可用于表征生活污水[20-21]，但是指标测定过程较为复杂，如表1所示。对于工业污水的水质特征因子，主要根据不同工业类型的特点进行选取，美国EPA推荐了诸多行业的水质特征因子[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，该方法在国内外的应用已较多，Irvine等[22]在对雨水管网排口旱天调查的基础上，现场监测废水pH、温度、电导率，并选取硝氮、氨氮、氟化物、钾、阴离子表面活性剂、总氯、磷、浑浊度和大肠杆菌等12个指标作为水质特征因子，成功对纽约西部地区排水系统进行了污染溯源。Lilly等[23]以氨氮、表面活性剂、钾、氟化物等为特征因子，利用流程图法对切萨皮克湾2个子流域进行雨污混接水量来源解析，结果表明，2个子流域的雨水管网旱天出流量分别为5 110 m3/d及946 m3/d，主要混接类型有3种，包括生活污水、清洗废水、自来水。徐祖信等[24]将水质特征因子技术和蒙特卡洛不确定性分析方法结合，分别采用安赛蜜、总氮表征生活污水，硬度表征地下水，氟化物表征工业污水，解析了排水管道中3种来水的水量比例，对地下水渗入情况进行了分析。

2.4 三维荧光光谱检测技术

目前，排水系统中污染物质来源解析方法多以水质指标分析的方法为主，该方法由于是浓度指标，测试工作量较大，且耗时较长。因此，需开发一种快捷、灵敏、高效的排水系统污染物质来源解析方法。

已有一些研究通过采用三维荧光光谱法测定水体中溶解性有机物的方式，指示污染物的不同来源。

表2 工业污水特征污染因子Tab.2 Characteristic Pollution Factors of Industrial Wastewater

首先，对于DOM来说，是指能够通过0.45 μm的滤膜，且在后续分析过程中不因挥发而损失的有机物，是一种具有复杂化学结构的多元成分混合物[25-26]。城市排水系统污染主要是有机污染，而DOM是有机物污染物的最主要成分，通常占据总有机物含量的80%～90%[27]。因此，利用DOM表征城市排水系统污染具有代表性和普遍意义。

在城市排水系统中，DOM受到来源因素和地理化学作用影响，与在自然水文循环存在很大差别。通过三维荧光光谱扫描检测，根据荧光峰强度和波长位置的变化，能够反映DOM组分的浓度和结构变化，可以获取反映DOM中所含大多数有机结构体的复杂指纹矩阵图谱。由于不同荧光团之间存在相互干扰和重叠的现象，需通过PARAFAC模型，将荧光图谱分解为若干个典型组分的单一指纹矩阵[28]。DOM的组分性质及其对应的指纹图谱特征，主要由其来源和传输过程中所受到的生物、地理、化学作用决定。因此，解析结果能够反映DOM各组分的来源和传输过程信息，实现有机污染特征的分析和污染来源的指示，包括陆源、人为源等。同时，检测和解析速度较快。

目前，在国内外的研究中，该方法主要集中于地表径流和自然水体的污染物解析过程。Williams等[29]、Yamashita等[30]通过EEM-PARAFAC模型拟合分析，获得了特定自然水体DOM的主要组分，并以此为基础研究了对DOM性质和浓度产生主要影响的来源和过程因素。Inamdar 等[31]利用EEM-PARAFAC模型，配合主成分分析等统计方法，在长期监测的基础上研究了森林流域水体DOM的浓度和性质，结果显示，各来源输出DOM的浓度和质量差异显著。祝鹏等[32]对太湖水体DOM的研究，证明EEM-PARAFAC方法可以快速有效地实现对DOM组分和种类的识别。

在排水系统领域，生活污水、地下水等来源水体具有不同的荧光特征，生活污水表现为蛋白质的荧光组分，地下水为腐植酸类荧光组分较为强烈。因此，可以根据排水系统不同来源水体以及末端水体的荧光特征，解析溯源系统的来水情况。陈浩[33]将EEM-PARAFAC方法，应用于排水系统溢流污染来源解析的研究中，根据不同来源水体以及溢流水体的荧光特征，快速定性解析了溢流污染的来源。根据上述原理，三维荧光光谱检测技术具有快速解析排水系统来水情况的适用性，以进一步诊断管网状况。与水质特征因子方法相同，不同来水荧光特征的识别，对于来水情况解析至关重要。

3 排水管网检测技术对比及发展趋势

不同排水管网检测技术具有各自的特点和适用性，本文根据目前不同技术在排水管网检测过程中的应用，以及上述分析，对不同检测技术进行对比和总结，如表3所示。不同管道物探检测技术的适用范围不同，目前在实际应用过程中，多为不同物探检测技术之间相互结合运用，可以准确判断问题管网所在位置，但是具有耗时长、人力物力成本较高、无法区分来水成分等缺点。流量检测技术通过在管道内安装流量计，可以获取管道内的流量情况和变化规律，为判断管网状况，以及管网运行和管理提供数据支持。水质特征因子和三维荧光光谱检测技术能够定量和快速定性分析管道的不同来水情况。目前，在排水管道检测领域，物探检测技术和水量水质检测技术的结合较少，无法在很大程度上充分发挥不同方法具有的优势。在未来的应用中，可以将2种方法有效结合，通过运用水量水质检测技术，能够快速溯源解析管道的来水情况。根据解析结果，可以在很大程度上缩小物探检测范围，聚焦重点研究区域，进一步结合物探检测技术，获取管道破损等情况，从而节省人力物力财力以及时间成本，充分发挥不同方法具有的优势。这将是未来排水管网检测的发展方向。

表3 不同排水管网检测技术对比Tab.3 Comparison of Different Detection Technologies of Drainage Network

4 结论

由于排水管网错综复杂，管道调查成本较高，耗时较长。传统的物探检测技术逐渐显现出一些弊端，在未来的应用过程中，应将“管账”与“水帐”结合，利用三维荧光方法快速定性解析排水系统来水情况；以及运用水质特征因子-化学质量平衡方法定量解析来水比例，反映管道状况，从而聚焦重点研究区域；缩小物探检测范围，充分发挥各种方法具有的优势，以在最大程度节省人力、物力、时间成本的基础上，获取全面可靠的管道检测数据。