基于在线监测技术的雨污混接精准定位方法研究

桂丽娟，王伟伟，李舒，李旋，汪正兴

清华大学合肥公共安全研究院，安徽合肥，230088

0 引言

城市污水管网日趋庞大和复杂，但同时也暴露出越来越多的管网问题，其中之一就是雨污错接或混接。污水管网有雨水入流会导致管道和污水处理厂负荷增加，且有冒溢和水质污染风险。而由于管线错综复杂且埋于地下，雨污错接或混接问题发现难、排查难、修复难。因此，有效辨识诊断出管网的错接和混接，对保障污水管网正常运行，防范管网冒溢，预防雨季内涝，防治水质污染等有重大意义[1]。

传统的雨污混接诊断方法为对照图纸开挖管网，不仅耗费大量人力财力，且效果甚微；新兴的CCTV探测技术价格昂贵且对雨污混接点位的判定不够准确。而近年来，基于物联网传感技术、移动互联传输技术、GIS技术等管网在线监测技术，实现了对城市雨量、污水管网液位、水质等实时监测的城市污水管网智慧化管理，但基于此的数据分析方法还缺乏规律性和系统性，很难为管网问题排查和日常维护提供数据支持和作业指导。因此，本文旨在解决精确定位污水管网雨水入流点的问题，提出一套规律性和系统性的分析诊断方案，从根本上及时防范和化解城市内涝、水质污染等灾害。

1 污水系统及在线监测技术概况

1.1 污水系统概况

经开区污水处理厂现状总规模为30万m3/d，其中生活污水量占比63%。经开区内现状污水管道长度约360km，污水主干管主要沿蓬莱路、青鸾路、云谷路进入污水处理厂，管径为d1000～d1800。该片区目前采用的是混流制，即合流制、分流制并存的状态。由于局部管网雨污混接甚至管网状况不明，雨水截流效率和控制水平受条件约束等原因，导致雨水进入污水系统，污水厂处理量超过污水厂处理能力，污水厂进水水质指标明显降低，且水量难以控制造成管网高水位甚至管网节点发生溢流污染。

1.2 在线监测技术概况

在经开区布设雨量计1台，实时监测雨量并通过积分得出累积雨量。在污水厂进水口设置水量和水质在线监测仪，可获知日处理量及日均进水浓度。在该区污水管网主干管沿线上布设了管网液位计及水质液位一体机对污水管网的液位和水质进行监测。液位计和水质液位一体机安装在污水井中。液位计的测量原理为压力传感器。水质液位一体机主要测量指标为COD、氨氮及液位，其中COD的测量原理为光谱法，氨氮的测量原理为参比电极电位差法。监测数据通过NB网络传输到污水管网监测平台。监测平台自动生成监测曲线，曲线的横坐标是时间，纵坐标是监测指标。

2 雨量分析

以2022年1月份为例进行雨量分析。1月共发生3次明显集中降雨，时间段分别为1月4-5日，1月22-24日，1月26-28日。见图1。

图1 2022年1月份降雨实时监测曲线

1月份总累积雨量为79.5mm。其中，1月4-5日的累积降雨量为28.0mm，1月22-24日的累积降雨量为38.0mm，1月26-28日的累积降雨量为13.5mm。具体见表1。

表1 2022年1月份降雨量统计

3 污水处理厂进水分析

通过对污水处理厂进水水量及水质的分析，判定经开区污水处理厂在降雨时期受到了水量和水质冲击[2]，具体分析如下。

3.1 降雨时期日处理量增加

从1月份污水厂日处理量（图2）可以看出，本月降雨期间，经开区污水厂日处理量上涨。

图2 经开区污水厂日处理量

通过对日处理量进行分析，可以发现，相比于非降雨时期，降雨时期的日处理量最大上涨幅度为27%（表2）。经开区污水处理厂在降雨时期受到了水量冲击，证实该污水系统存在雨水入流。

表2 降雨时期与非降雨时期日处理量对比表

3.2 降雨时期污水厂进水氨氮浓度降低

从1月份污水厂进水氨氮浓度（图3）可以看出，本月降雨期间，经开区污水厂进水氨氮浓度降低。

图3 经开区污水厂进水氨氮浓度

通过对进水氨氮浓度进行分析，可以发现，相比于非降雨时期，降雨时期的进水氨氮浓度最大下降幅度为44%（表3）。经开区污水处理厂在降雨时期受到了水质冲击，雨水稀释了进水氨氮浓度[3]，再次证实该污水系统存在雨水入流。

表3 降雨时期与非降雨时期氨氮浓度对比表

3.3 降雨时期污水厂进水COD浓度下降

从1月份污水厂进水COD浓度（图4）可以看出，本月降雨期间，经开区污水厂进水COD浓度降低。

图4 经开区进水COD浓度

通过对进水COD浓度进行分析，可以发现，相比于非降雨时期，降雨时期的进水COD浓度最大下降幅度为62%（表4）。表明经开区污水处理厂在降雨时期受到了水质冲击[4]，雨水稀释了进水COD浓度，再次证实该污水系统存在雨水入流。

表4 降雨时期与非降雨时期COD浓度对比表

4 管网实时监测数据分析

通过对云谷路主干管的监测曲线进行分析，研判得出点位合掌路与云谷路交口东与点位云谷路与蓬莱路交口东之间的污水管有雨水入流。

4.1 降雨时期液位及氨氮浓度变化分析

云谷路主干管上布设了2台管网液位计，1台水质液位一体机（图5）。从上游至下游梳理出设备名称和地址见表5。

表5 云谷管路设备晴雨天液位对比表

图5 云谷管路上3台设备示意图

从监测平台的液位曲线上可以看出，降雨期间，云谷路主干管污水井中的液位均出现了大幅度上涨（图6），且在雨季结束后液位下降。三个点位的液位保持同涨同落的趋势[5]，证实存在雨水入流。

图6 云谷管路设备液位曲线

另外，从氨氮浓度曲线上显示出，降雨期间，随着液位的上升，氨氮浓度出现明显的下降（图7），雨水对氨氮浓度的稀释作用非常明显，再次证实云谷路主干管存在雨水入流。

图7 云谷管路设备液位及氨氮曲线

对此三处设备所在的污水管管径、晴雨天液位进行梳理，三处污水井连接的主干管的管径均为1.8m，这为后续分析提供了基础[6]。取晴天液位平均值为H晴，雨天液位同一时刻最大值为H雨，具体见表5。

4.2 上下游的晴雨天液位差分析

利用公式H雨-H晴可以得出晴雨天的液位差。通过具体计算可以发现，上游点位云谷路与翡翠路交口东比之下游点位云谷路与合掌路交口东的晴雨天液位差基本不变，在管径一致的情况下，说明此两点位间未有新的雨水流入[7]。

而下游点位云谷路与蓬莱路交口东比其上游点位云谷路与合掌路交口东的晴雨天液位差要大得多。说明此两点位之间有雨水流入，才导致雨季时下游液位增长更多[8]。因此判定点位云谷路与蓬莱路交口东跟点位云谷路与合掌路交口之间的污水管有雨水入流。详见表6。

表6 云谷管路上下游晴雨天液位差对比表

5 雨污错接系统性诊断方案

综上所述，可以得出具体点位的雨污错接系统性诊断方案。具体流程见图8。

图8 污水管网雨水入流系统性诊断方案

首先，对污水厂进水水量、水质进行分析。若出现降雨时期水量增大、氨氮或COD浓度降低的情况[9]，则判定该污水管网系统存在雨水入流。

第二，对某管道中的污水井液位及水质进行分析。如若出现降雨时期液位上涨，氨氮或COD浓度降低的情况，则判定该路管道存在雨水入流。

最后，对某管道中的污水井液位进行上下游联动分析[10]，即通过上下游晴雨天液位差的对比，得出具体的雨水入流管段位置。若上下游点位的晴雨天液位差相差不大时，则判定此两点位之间的管段未进入雨水[11]。相反，若下游点位比上游点位的晴雨天液位差大，则判定此两点位之间的管段有雨水进入[12]。

6 结论

（1）污水系统存在雨水入流的主要曲线特征为降雨时期水量增大、氨氮或COD浓度降低。

（2）污水管路存在雨水入流的主要曲线特征为降雨时期液位上升、氨氮或COD浓度降低。

（3）雨污错接系统性诊断方案分为三步，首先，根据曲线特征判定污水系统是否存在雨水入流。其次，根据曲线特征判断管路是否存在雨水入流。最后，通过上下游晴雨天液位差的对比，得出具体的雨水入流管段位置。