基于排水分区识别划分的城镇污水系统在线流量监测点优化布局方法研究

段淑璇 蔡俊楠 许 佶

（云南省设计院集团有限公司，云南 昆明 650000）

我国大部分城镇污水系统由于管网内部长期存在严重的清水入流入渗、雨水混流等问题，导致污水处理厂进水浓度低下、进水负荷较高，污水收集处理效能低下，同时城市黑臭水体未明显消除[1]。污水管网在线监测系统基于长期连续动态的监测数据，可实时掌握管网运行状态，评估污水系统内清水入流入渗、雨污混流情况，是系统动态评估和实时监管污水系统健康状况、保障污水收集处理系统正常运行的重要手段[2]，同时也可为污水系统运营考核付费提供数据支撑，是城镇排水管理信息化和智慧化的重要体现。

在线监测点位的布置与优化是排水管网监测系统建立的前提，如何用尽量少的监测点来全面反映片区污水收集处理系统总体情况是关键[3]。目前，排水管网的在线流量监测布点设置原则尚无统一标准，国内对排水管网监测点布局优化的研究还较比较有限，主要分为以统计学理论为基础和以运筹学理论为基础共两大类[4]，但内容侧重于理论研究，实际工程中情况差异较大，影响因素较多，上述方法在实际工程应用有一定局限性，本研究从工程应用角度出发，建立一套基于排水管网拓扑关系排水分区识别划分的分布式在线流量监测点位优化布局方法，可为分布式在线监测的优化布局和智慧排水系统的建设提供科学依据。

1 区域概况

研究案例为南方某高原湖泊流域城镇，区域总面积约18km2，其中建设用地5.87km2，其余用地主要为农田，区域内水系丰富，共有6 条溪和多条沟渠穿城而过。区域人口约1.45 万人，排水系统以合流制为主，受区域“地广人稀”的客观因素限制，区域具有管网分布广战线长的特点，管道主要呈现枝状布置，现状管网总长度约77.3km，其中主干管10.7km、干管24.4km、次干管及支管42.2km，管径范围为DN300～DN1000。当前由于污水系统内存在严重的农田灌溉水、山箐水、地下水等清水入流入渗和雨水混流现象，导致下游污水处理厂进水浓度低下，雨季进水负荷偏高，据统计，2021 年全年进水CODcr 均值仅为75.67mg/L。目前，该城镇排水系统的运营管理主要依靠“人海战术”，体现出相当程度的劳动密集属性，工作效率低且无法精准发现问题，片区污水系统的监管模式亟需升级。

为实时评估区域污水系统运行效能，高效诊断区域污水管网健康状况，提高管理效率，实现片区污水系统的信息化和智慧化监管，有必要建立一套污水系统智慧化监测与诊断系统，在污水管网上安装在线流量监测设备，为污水系统运行维护提供科学决策。

2 监测点位布置

本研究基于片区管网拓扑关系和排水分区的划分，采用“3 级监测布点体系”，在管网拓扑结构关键节点上布置监测点，接下来将以研究区域实际布点案例进行说明。

在研究区域内初步构建覆盖排水主干管、干管、次干管、泵站及污水处理厂的管网拓扑关系图，划定排水分区。本片区共10 个排水分区，按照“末端-过程-源头”逐级布点的思路，主干管、干管及次干管上分别布置1 级、2级和3 级监测点。

由于截污管网埋设于地下，管网数量多、范围广，且管道内部水力和水质条件复杂，环境恶劣，同时外部安装环境复杂，在初步确定系统布点方案后，需对管网实际情况进行现场踏勘，根据现场情况，对监测点位置进行选取和确定。本研究监测设备选用超声波多普勒流量计。经现场初步筛查后，初步确定共布置监测点22 个，其中1 级监测点4 个，2 级监测点11 个，3 级监测点布置7 个。研究区域管网拓扑关系及初步确定的监测点布置情况见图1 所示。

图1 研究区域管网拓扑关系及监测点布置示意图

3 数据分析

3.1 监测周期

为系统评估监测点位布局合理性，本研究选取旱天和雨天两种条件开展水量监测，分别分析旱天和雨天运行状态，评估监测点位布置对整个区域污水收集系统提质增效和长期运维监管的必要性。

本研究选取的监测周期为2021 年6 月1 日-2021 年7 月31 日，覆盖旱天及雨天，其中旱天定义为前48h 无降雨。结合片区雨量站提供的雨量数据分析，选取2021年6 月15 日-2021 年6 月27 日为旱天分析周期，共计13 天，雨天分析周期为2021 年7 月22 日-2021 年7 月26 日，共计5 天，累计降雨厚度为77.5mm。本次监测周期范围内，需定期对监测点进行巡检和维护，确保设备正常运行，保证监测数据的真实性和可靠性。

3.2 监测数据统计

分别对旱天和雨天运行数据进行统计分析，详见表1。

表1 研究区域监测数据统计表

3.2.1 旱天数据分析

研究区域污水处理厂前排水主干管末端节点1-1 旱天流量为4262.2m3/d，推算得到的人均综合污水排放量约294L/人.d，远远超过通过区域理论人均综合污水排放量100L/人.d。接入排水主干管的干管末端2 级监测节点流量累计1487.3m3/d，远小于排水主干管末端流量，推测排水主干管上存在大量的清水入流入渗情况。目前，排水主干管总长约10km，共布置4 个监测点，依据初步判断结果，由于排水主干管上的清水分流对整个研究区域提质增效贡献占比较大，根据实际需求，下一步将对排水主干管上的监测点位进一步加密布控。

2 级和3 级监测点普遍具有低充满度、低流速、低流量的特点，部分监测点旱天无水流，管网流态不好对监测数据的准确性产生一定的干扰，下一步将结合片区排查，对该部分监测节点进行优化和调整。

3.2.2 雨天数据分析

监测期间雨天排水主干管末端监测点流量为4845.2m3/d，较旱天提升13.7%，2 级监测节点流量累计5218.2m3/d，较旱季增加约两倍多，且超过排水主干管末端流量约8%，说明雨水混流主要是由于区域源头造成的，且排水主干管上可能已发生溢流现象，下一步建议对排水主干管监测节点加密开展动态监管。

3.2.3 代表性监测点数据分析

本研究选取部分代表性监测点开展周期内水量变化情况分析，主干管（节点1-1）、干管（节点2-9）和次干管（节点3-4、3-5），水量变化曲线详见图2 所示。

图2 代表性监测点位数据水量监测数据变化曲线

通过分析可知排水主干管监测流量在整个监测周期长期处于较高水平，降雨时水量有一定上升趋势，但总体变化不大；而排水次干管和支管监测点流量变化与降雨情况相关性较强，旱天流量基本处于较低水平，降雨后水量有大幅提升，说明片区内部旱天清水入流入渗不明显，但雨污混流情况相对严重。

3.3 在线监测点布局优化建议

通过上文监测数据分析可知，研究区域监测点情况总结如下：（1）排水主干管监测节点流量较大，旱季清水入流入渗量大，对旱季污水系统提质增效贡献占比较大，雨天管网上可能存在溢流现象，但监测节点密度不足；（2）超声波多普勒流量计流速监测范围为0.02-10m/s，最低监测液位0.03m，部分排水干管和次干管上旱天流态不佳，液位、流速和流量较小，监测数据准确性不足；（3）局部排水次干管和支管上旱天监测流量为0 或接近于0，推测服务范围内管网拓扑关系不清或存在污水管网短板。针对以上问题，本研究提出以下监测点位布局优化建议：（1）新增监测点：排水主干管上新增3 个监测点（1-5 号、1-6 号、1-7 号）；（2）取消监测点：2-2号、2-3 号、2-6 号、2-8 号、2-10 号、3-2 号。优化调整后，研究区域在线流量监测系统布局图如图3 所示。

4 结论及建议

本研究以南方某城镇为例，建立了一套基于排水管网拓扑关系排水分区识别划分的分布式在线流量监测点优化布局方法，初步确定的监测点位为22 个，通过2个月的监测数据诊断分析后，对监测点位布局进行了优化调整，排水主干管上新增监测点3 个，干管及次干管取消监测点6 个，优化后监测点为19 个，并对部分片区提出下一步排查建议。本方法以实际工程应用需求出发，建立了一套分布式在线流量监测点优化布局方法，可为智慧排水系统的建设与定量化排查提供监测点分布式布设的科学依据，具有推广意义。