管网在线监测技术在城市排水系统中的应用与分析

王绍贵，周 蓉，姚晨辉，许文卿

（1、广东省冶金建筑设计研究院有限公司 广州 510080；2、广东省环境科学研究院 广州 510045；3、广东环科院环境科技有限公司 广州 510045）

0 引言

污水管网建设是“十四五”期间我国生态环境保护工作的重点，早在2019 年，住建部、生态环境部、发改委等三部委联合发布的《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019-2021年）》中已强调“加快补齐城镇污水收集和处理短板，尽快实现污水管网全覆盖、全收集、全处理”。3年来，我国新建了大量污水管网，由此产生了大量的管网日常维护需求，同时，各地大力推进老旧管网的错接、漏接、混接等问题整改，还催生了大量管网问题排查需求。管网日常维护和管网问题排查都要求对管网运行情况实施监控，此项工作完全依靠人力难以完成，而在线监测相对于常规的人工排查具有响应快、效率高等优势，可成为管网运行情况监控的有力工具，因此，管网在线监测技术具有广阔的应用前景［1-3］。

管网运行中的绝大多数问题均可通过分析水质、水量的变化体现，水质、水量指标也成为管网在线监测的主要监测内容。当前，管网在线监测技术的应用已成为城市排水领域的研究热点，但多数研究主要关注于水量监测［4-7］，少数涉及管网水质变化的研究也主要是针对偷排［5］等问题。

因城市排水箱涵和管网的运行具有较强的关联性，本项目尝试将管网（水质、水量）在线监测技术同时用于市政污水管网和排水箱涵监测，通过综合分析水质、水量数据，多角度描述城市排水系统运行情况特征，展示实际应用中的成果，探索该技术广泛应用的可行性。

1 应用方法

1.1 项目概况

某项目位于广东省某市城区，长期以来，该市排水系统问题突出，管网错接、漏接、混接情况严重，大量生活污水通过雨水管网和箱涵直排河沟，对水生态环境造成极大破坏。近年来，按照水污染防治攻坚战的要求，该市大力推进城区现状管网的排查修复、雨污分流改造和污染源接驳工作，前期的问题排查和后期的整改成效评估，均需对关键位置的管网水质、水量进行监测，为管网水质、水量在线监测技术的应用提供了契机，也提供了良好的应用案例。选取2021年7～8月的监测数据进行分析，该时间段正值雨季，且该时段内排水系统无重大调整，较有利于排水系统存在问题与运行规律的研究与分析。

本文主要展示管网在线监测系统在污水管网运行特征分析、管网淤堵情况分析和污水错接分析等方面的应用。

1.2 监测方法

本项目选取的水质监测指标有COD、氨氮，均采用在线监测设备搭载相应的水质探头测定，其中，COD 检测原理为紫外-可见光双波长补偿法，氨氮检测原理为铵离子选择性电极法；水量采用超声波流速仪（具备流速、水深测量功能）测定，因管网充满度、水体流态、管内垃圾等均可显著影响流量测定数值，为保证数据的准确性，本项目选择水深数据作为反映水量变化的指标，超声波流速仪也被连接到在线监测设备上，选用的在线监测设备具备数据传输功能，能够每小时记录一次检测数据，并将检测结果实时上传至数据平台，本文用到的所有监测数据均从数据平台导出。

1.3 布点原则

本项目所有的在线监测设备都安装在污水管网或箱涵检查井中，依据下列原则选取设备布设位置［9］：

⑴代表性原则。为反映不同管段的水质、水量状况，安装设备，选取监测点位时应优先考虑主管上具备代表性的点位，如在重要的管网接入口前后、污水厂取水口和排水片区末端等关键位置设置监测点位。

⑵便捷性原则。选点应尽可能交通便捷，便于人员到达；操作空间宜尽可能开阔，便于设备安装、维护等操作。

⑶安全性原则。检查井应结构稳固，确保在设备安装、运行工程中不发生坍塌；检查井井盖应完好，确保不发生脱落损坏下方设备。

2 监测结果分析

2.1 污水管网运行特征分析

掌握管网运行过程中的水质、水量变化特征是开展管网问题排查、诊断的基础。本项目在市区污水管网5 个主要排水片区的污水干管末端布设监测点，各监测点每小时的水质、水深数据分别如图1～图3 所示（图中的数据缺失系因设备维护、管网施工等因素造成数据空白），同时分析降雨对管网水质、水量的影响，同期的降雨数据如图4所示。

图1 各监测点COD变化Fig.1 COD of Different Monitoring Points

图2 各监测点氨氮变化Fig.2 Ammonia of Different Monitoring Points

图3 各监测点水深变化Fig.3 Depth of Water at Different Monitoring Points

图4 日降雨量变化（8月1日～8月26日）Fig.4 Daily Rainfall（August 1 to August 26）

2.1.1 污水管网水质浓度特征分析

由图1、图2 可知，各片区管网水质差异及波动较大：COD 最低可至10.1 mg/L（片区2，8 月4 日9∶00），最高可达141.3 mg/L（片区2，8月11日11∶00）；氨氮最低可至3.5 mg/L（片区5，8 月13 日18∶00），最高可达90.6 mg/L（片区4，8月20日20∶00）。因监测时段内有多次降雨，对管网水质有一定的稀释作用，降雨时段的整体水质浓度较非降雨时段会出现一定程度的下降，但下降程度差异明显，此外，还有部分点位在降雨期间出现水质浓度异常升高的情况（降雨对管网水质的影响将在下文讨论）。对监测时间段内各监测点水质数据求均值（见表1），结果表明片区1、片区5 的COD 浓度显著高于其他3 个片区，片区4 的氨氮浓度显著高于其他4个片区。通过对市区各主要排水片区水质浓度的连续监测，可概括市区污水管网雨季整体水质特征为COD浓度较低，氨氮基本正常。

表1 各监测点平均水质（8月1日～8月26日）Tab.1 Mean of Water Quality at Different Monitoring Points

2.1.2 降雨对管网水质、水量影响分析

本项目的管网水质监测时段内，不存在单日完全无降雨的情况，但考虑到降雨量小时，地表不易形成径流，即使少量降雨进入管网，对管网水质影响也有限，故可认为8 月1 日、17 日、22 日、23 日等单日降雨量较小（最大不超过0.11 mm/d）日期的监测数据近似无降雨时的管网水质数据，以8月9日、10日、14日、18日等单日降雨量较大（最小不低于21.45 mm/d）日期的监测数据作为有雨水汇入情况下的管网水质数据，将两组数据作对比，考察降雨对管网水质影响程度，结果如表2 所示，发现降雨时部分片区平均COD 甚至降至40 mg/L 以下，降雨使片区管网COD 降低10.4%～46.3%，氨氮降低6.7%～39.4%，以水质平均浓度降低10%～40%估算，降雨时，进入管网的雨水约占管网原有输水量的11%～67%，监测结果表明各片区雨污分流效果差异较大。虽然降雨整体上使得管网水质浓度降低，但部分点位在降雨时段存在水质浓度短暂异常升高的现象，通过现场排查和调研，居住小区的雨水管错接入化粪池的情况较普遍，雨季易导致化粪池污水量增大，且初始污水浓度较高，但随着降雨持续，污水水质降低。监测结果体现了雨污水管错接普遍、雨水混入污水管、流量大的问题，表明市区雨污分流工作存在明显的缺陷。

表2 降雨/非降雨对管网水质浓度的影响Tab.2 Effect of Rainfall / Non-rainfall on Water Quality of Sewage Pipe Network

降雨期间，各片区均会出现污水管网高水位运行的现象，且雨后水深一般可快速回落至原有水平，但降雨期间水深增加的幅度显示出管网输水能力不足可能引发的风险：如片区1监测点平时水深约1.4 m，降雨时水深可飙升至5.0 m，已接近检查井深度，管网污水溢流风险大。

2.1.3 管网排水时间特征分析

观察在线监测数据可发现：不同片区居民生活污水水质、水量虽有差异，但波动规律高度相似，这主要是因为生活污水排放的时间主要与居民生活作息有关，而同一城市不同片区居民的生活习惯整体上相似，生活污水排放时间在宏观上并无明显差异，因此，在分析管网排水时间特征时，选取某一管段监测数据分析即可。为尽可能降低降雨对水质数据造成的干扰，在市区人口密集区的主干管上设置检测点（主管水质较稳定，降雨等因素对管网污水正常水质、水量波动的干扰较小），并以降雨较少的8月22日～8月30日的数据为例进行分析，结果显示（见图5、图6）管网水位、水质均呈现出较明显的周期性变化，其中水位（排水量）通常在00∶00～01∶00 达到峰值，而COD 和氨氮一般在01∶00～03∶00 期间达到当日峰值，该现象较异常，与居民日常生活用水高峰不匹配，但结合本项目所在地存在大量夜宵摊档的城市特点，可初步推测该特性为夜间餐饮废水排放导致：前半夜排水主要为洗菜水（水量高峰先达到，此时水质浓度不高），后半夜排水含有大量餐厨清洗水（水质浓度升高，而水量高峰已过）。

图5 监测点水深变化Fig.5 Depth of Water at Selected Monitoring Point

图6 监测点水质变化Fig.6 Water Quality of Selected Monitoring Point

2.2 管网淤堵分析

淤堵是市政管网运行中常见的问题，易导致输水不畅，造成污水溢流、城市内涝等严重后果，但因问题较隐蔽，且由于水力冲刷等因素影响，淤积程度往往是动态变化的，难以实时评估。本研究选取输水量最大的污水主管为考察对象，沿程布设5套监测设备，观察8 月4 日～9 月30 日期间各点位单日平均水深，发现8 月20 日前整体上沿程水深逐段增加，降雨可导致各点位水深同步增加，符合主管运行的一般规律，但8 月20 日后，2#、4#监测点水深均出现下降，且分别低于上游监测点位水深，监测数据表明，1#和2#监测点之间、3#和4#监测点之间分别出现了管道淤积，极有可能为8 月上中旬连续降雨，导致大量泥沙、垃圾冲击入管，在主管不同管段沉积所致，监测结果也反映了部分片区管网缺乏维护的问题，如图7所示。

图7 各主管监测点水深变化Fig.7 Depth of Water at Monitoring Points on the Main Municipal Sewer Pipe

2.3 污水错接情况分析

污水错接问题是本研究所在城市排水系统的典型问题，箱涵是该市城市雨水排放系统的重要组成部分，但因污水管网接驳长期缺乏正确的指导，导致大量污水错接进箱涵，并最终排入河沟，造成地表水体黑臭，为开展入涵排污口整改，需对箱涵污水汇入情况作分析。7 月26 日～8 月26 日期间，本项目对市区污水入涵量较大的箱涵中端（1#监测点）和末端（2#监测点）水质、水量进行连续监控。结果如图8、图9 所示，2个监测点水质浓度均较高，具有明显的污水汇入特征，其中，1#监测点水质浓度显著高于2#监测点，表明该箱涵上中游污水汇入情况较严重。由于多数COD＜150 mg/L，氨氮＜30 mg/L，但高于市政污水管的水质浓度，具有一定的居民化粪池出水的特征，同时注意到监测点的水质骤升均与降雨时间对应（降雨期间两监测点出现短暂且同步的水质、水量波动），可基本判断存在周边居民化粪池出水直接接入箱涵，降雨时，雨水将化粪池水冲出，导致短期内入涵污水水质升高。

图8 箱涵监测点水质变化Fig.8 Water Quality at Monitoring Points on the Box Culvert

图9 箱涵监测点水深变化Fig.9 Depth of Water at Monitoring Points on the Box Culvert

3 结论

本项目在城市排水系统开展水质、水量在线监测，展示了管网在线监测技术在管网运行特征分析、管网淤积问题排查、污水错接情况分析等方面的应用案例。实践表明，运用在线监测技术可显著减少排水系统排查的人力投入，在问题发现的时效性上具有巨大的优势，且在线监测能够产生连续的监测数据，有利于保障分析的科学性和系统性，通过监测数据分析有助于隐蔽问题的发现。

通过实时在线监测设施对排水管网的水质、水量等运行监测数据的分析，不仅可以定量分析、评估及诊断排水管网错混接、淤积、渗漏等存在问题，而且可以动态了解排水系统运行状况及规律，为后续排水管网的设计、规划及运营维护等提供科学决策的数据支持［10］。可大幅度提高市政排水管网系统管理效率及水平，具有一定的推广应用价值。