海绵城市建设中市政排水管网的提质增效策略

时间：2024-07-28

□文/吕耀志赵乐军周天宁王旭阳刘德厚

海绵城市建设又被称为低影响开发（LID技术）[1]，***总书记在中央城镇化工作会议上提出“建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”。国务院办公厅于2015年10月正式出台了《关于推进海绵城市建设的指导意见》，提出了具体工作目标：通过海绵城市建设，综合采取“渗、滞、蓄、净、用、排”等措施，最大限度地减少城市开发建设对生态环境的影响，将70%的降雨就地消纳和利用；到2020 年，城市建成区20%以上的面积达到目标要求；到2030 年，城市建成区80%以上的面积达到目标要求。

2016 年3 月，天津市《海绵城市建设专项规划（2016—2030 年）》通过评审，得到天津市政府的正式批复。2016 年4 月天津入选第二批海绵城市试点，同期入选的还有北京、上海等13 个城市，至此我国四大直辖市全部入选试点城市，说明国家层面十分重视海绵城市建设理念的推广和应用。

近年来，海绵城市建设中十分重视“绿色基础设施”，即绿地、绿色通道、公园和森林等的建设[2]；往往忽略了“灰色基础设施”，即传统意义上的市政基础设施（常规排水系统）的建设[3]。

海绵城市建设既要充分发挥绿色基础设施的作用，更要充分挖掘既有市政基础设施的作用，让灰绿结合成为海绵城市建设的重要理念之一[4]。天津作为沿海城市、高地下水位地区，海绵城市的建设是一个巨大的挑战[5]。海绵城市建设中的“渗、蓄、排”中排水主要依靠既有的城市排水系统，而排水管网作为排水系统的核心设施，在一些老旧城区面临着种种问题。排水管网的健康状况差、运行效率低，是影响城市排水和海绵城市建设的主要瓶颈问题之一。本文从天津解放南路海绵城市建设试点区的排水管网提质增效策略出发，总结出海绵城市建设中关于管网整治方面的经验和措施。

1 排水管提质增效

1.1 面临的问题

1）管网资产台账不全、管网基础信息资料缺失。

2）管网健康状况不明。

3）养护管理手段主要依靠人工，缺乏信息化管理。

1.2 技术路线

首先收集零散存在于养护管理单位、设计单位和档案管理部门的管网基础资料，包括管网的系统关系、管道位置、管径、流向等，制定具有针对性的调查测绘方案；然后对管网的各种属性进行调查测绘，掌握管网的位置坐标、高程、管径等基本属性，形成台账（管网地理信息系统）；再对管网进行系统的检测评估，找出存在的结构和功能性缺陷，对其健康状况进行评价；最后依据以上工作掌握的基础资料通过信息化手段实现对管网的信息化甚至智能化的管理。见图1。

图1 海绵城市建设中管网提质增效技术路线

2 工程概况

天津市解放南路海绵城市建设试点区是中心城区典型的老旧城区，包含天津市14处严重积水点之一的小海地积水点和长泰河，涉及3个雨水泵站和2个污水泵站。市政排水管网按照分流制建设，市政雨污水管道总长约51.2 km，雨、污水管道各占50%。

3 管网排查测绘

在对试点区域排水设施进行资料收集、调查测绘的基础上，形成基于地理信息系统（GIS）的普查数据库，真实反映排水设施的现状，满足模型分析、综合调度的基本要求。

3.1 存在问题

1）排水管网资产台账不完整，区域内的排水管网情况各异，有建设于20 世纪60—70 年代的老旧管网，也有近些年的新建管网，甚至一些废弃管网仍然在通水。

2）没有统一的管理系统或者数据库，大部分资料还是纸质版的施工图或者竣工图，甚至一些管网纸质资料也没有。

3）管网施工图纸与现场实际情况不一致且差别较大。

3.2 测绘方法

针对以上情况，在充分搜集和分析已有资料的基础上，采用实地调查与仪器探查相结合的方法进行地下管线点测量。测量前，收集标有管线点、走向、位置、连接关系和属性的1∶500探查草图。平面控制测量采用全站仪极坐标法、常规RTK 及网络RTK 等技术；高程控制测量采用水准测量、三角高程测量及常规RTK拟合高程测量等方法。

应用新技术前与传统方法施测成果进行比对验证，验证一致后再使用，其测量精度应符合相关规定[6]。除满足相关测绘规范对精度的要求外，地下管线测量还应满足：

1）坐标采用天津坐标系，高程采用大沽高程；

2）电子版的雨污水管线实测图分数据库文件和AutoCAD图形文件（或GIS图层文件）；

3）数据库数据提交以MDB的格式存贮，MDB文件与MS Access 2000以上版本兼容；

4）AutoCAD 图形数据文件以.DWG 格式存贮且与AutoCAD 2000以上版本兼容。

4 管网健康状况检测评估

4.1 检测方法

4.1.1 人工管井普查

检查井检查应在管道检测之前进行。检查的基本内容见表1。

表1 检查井检测项目

4.1.2 内窥机器人检测

排水管道电视检测是采用一个闭路电视系统（Closed Circuit Television），通过控制在管道内行走的机器人摄像头远程采集图像，通过有线传输方式，把图像进行显示和记录的集成系统；是目前国际上用于管道状况检测较为先进和有效的手段。CCTV管道检测技术与传统的管道检测技术相比，安全性高、图像清晰、直观并可反复播放供业内人士研究，为管道修理方案的科学决策提供了有力的帮助。

CCTV管道电视检测系统由主控器、操纵线缆架、带摄像镜头的“机器人”爬行器三部分组成。主控器可安装在汽车上，操作员通过主控器控制“爬行器”在管道内前进速度和方向并控制摄像头，将管道内部的视频图像通过线缆传输到主控器显示屏上，可实时监测管道内部状况，同时将原始图像记录存储下来，做进一步分析。当完成CCTV 的外业工作后，根据检测的录像资料进行管道缺陷的编码和抓取缺陷图片，编写检测报告并根据用户要求对CCTV 影像资料进行处理，提供录象带或者光盘存档，指导未来的管道修复工作。见图2。

图2 面波测线二维波速剖面

当管道直径较小（D＜300 mm）且检查井间距较长，利用CCTV无法准确判断管道内状况时，可用推杆式内窥系统进行检测。推杆式内窥系统由一体化主控制器、柔性推杆电缆盘、高精度摄像头三部分组成，使用柔性推杆电缆将位于其前端摄像头推送入管道内部，对管道内部影像进行预览和录制，从而达到检测目的。见图3。

图3 推杆式内窥系统

4.1.3 管道声呐检测

管道处于满水状态且不具备排干条件时，无法采用视频内窥检测手段取得较好的检测效果。此时，管道声呐成像仪能够对管道较多数结构缺陷（如变形、塌陷、结垢、支管暗接等）和管道功能缺陷（如沉积、漂浮物）进行较为准确的检测和识别。管道剖面声呐成像仪由声呐头、电缆盘、主机等构成；采用爬行器或人工拖拽的方式驱动。主机结合PipeSonar 管道声呐检测成像分析软件实时采集并显示出高分辨率的轮廓图片，通过分析轮廓特征可判定管道内部的沉积、凝结物或管壁的结构性病害。见图4。

图4 声呐检测管道轮廓剖面

根据逐个管段剖面的组合，形成管段的三围立体成像效果，能够真实反映管段的健康状况及内部淤积情况并对淤积量进行较为准确的计算。见图5。

图5 管段剖面三维成像

4.2 检测流程与技术难点

4.2.1 流程

检测工作主要有：搜集资料、实地踏勘；制定调水计划及检测方案；封堵、清淤、降水；CCTV、声呐等现场检测；影像判读、出具检测评估报告。见图6。

图6 检测工作流程

管道进行内窥检测时，需要事先进行管网降水，优先使用雨污水泵站进行整体降水；部分区域无法利用泵站进行降水时，可利用管堵、临时泵进行倒水降水。

4.2.2 技术难点

复杂环境下机器人操控。管内环境复杂，存在淤泥、树根等各种障碍和杂物，训练机器人操作员在保证安全的情况下能够平稳操作爬行器，越过障碍，继续检测。总结出在各种障碍下，机器人行进参数控制的技术经验。

4.3 检测成果

通过内窥检测技术对管道的破损情况进行探查，精准定位缺陷位置并对结构性和功能性缺陷进行统计分析。片区排水管道内部存在结构性、功能性缺陷数百处；其中破裂占24.0%，渗漏占19.6%，障碍物占15.1%，腐蚀占13.7%，错口占7.4%，沉积约6.3%，变形占5.9%，其余缺陷共约8%，见图7。片区管网缺陷以破裂、渗漏为主。

图7 缺陷统计分析

通过声呐典型回波信号采集的数据，对淤积量进行统计。见图8。

图8 管道淤积统计分析

5 管网整治修复

检测的最终目的是为了修复整治，通过修复达到保持管网高质量运行，增加使用效能的目的。根据普查结果，整治修复大致会涉及到以下内容。

1）分流改造。经过多年的市政雨污分流治理，目前存在的雨污混接问题多为企业、商贩、小区私接导致，分流改造将接入雨水检查井的排污管进行封堵截断并敷设新管就近接入污水主干管，将原污水通过新管排入污水管网。

2）破损管道的非开挖修复。非开挖修复最大的优点就是施工期间开挖量非常小，减少了对交通、环境、周边建筑物基础和居民正常生活的影响；有较好的社会效益和经济效益。在相同情况下，非开挖管线修复的综合成本低于开挖施工且管径和埋深越大时越明显。大多数情况下，尤其在繁华的市区或管线埋深较大地区，非开挖施工是开挖施工的极好替代方法。

非开挖修复的方法较多，本工程根据具体情况对多种修复工艺进行经济技术合理性比选后，确定选用CIPP原位固化修复工艺和螺旋缠绕修复工艺。

3）破损管道的开挖修复。开挖修复为传统的修复方法，主要用于严重错口、脱节及坍塌等非开挖修复手段难以完成的病害修复，通过开槽拆除旧管、敷设新管的手段完成修复。与非开挖相比，可从根本上解决管道缺陷问题，但对场地要求较高、工期长，若涉及管线切改或破坏绿化等情况综合造价较高。

4）检查井修复。对于使用时间较长的管网系统，检查井井室存在不同程度的腐蚀渗漏现象，为保证管网正常运行亟需进行修复。检查井井室修复一般采用喷涂法，按不同的喷涂材料可以分为水泥基聚合物涂层、玻璃钢涂层内衬、水泥砂浆喷涂和聚脲喷涂法等，常用的涂层内衬法为水泥基聚合物涂层修复技术。

6 管网管理系统建设

随着信息技术、物联网技术的发展，排水管网的管理必然会从早期的低效人工管理向信息化、智能化发展。因此在试点区前期完成大量基础数据和资料的采集积累后，借助信息化手段，开发建立了管网管理系统，大致包括管网地理信息系统、管网运行监测系统管网模型算法、智慧决策系统、管网业务（资产）管理系统。

6.1 关键环节

管网地理信息系统是整个管理系统的关键和基础，以往管网资料和台账停留在图纸和光盘阶段，通过管网普查测绘和检测形成的成果应进入系统，形成信息化存储，一方面有利于资料的查阅，更有利于后期管网管理系统和智慧水务的建设。管网管理系统建设的基础和关键是管网地理信息系统的建设，基础数据的准确性决定了后续模型算法和智慧决策的质量；而基础数据的采集涉及到诸如外业工作等很多环节，质量把控是关键。管理系统建设的难点是模型和算法，水利学模型和算法力求简洁实用，需要结合仿真试验和实际的验证、修正。

6.2 存在的问题

目前的管理系统或者所谓的“智慧水务”大多由IT公司来主导完成，系统展示和业务管理逻辑相对较好；但是大多基础数据的准确性偏低，数据来源质量没有保障，大多数管理系统缺少给排水和环境工程的系统专业设计，缺乏实际指导意义。由于目前没有统一的系统标准和数据格式，导致系统可持续性和兼容性较差，一般主要开发者的离职和开发公司的变动会导致系统重复建设。因此，建议尽早建立系统标准和基础数据格式，在区域横向上和时间纵轴上，实现系统的横向打通和可持续方面的纵向打通。根据发达国家的相关先进经验，经过若干年的建设和积累，管网系统在基础数据的准确性、模型的先进性和指导实践的实用性上实现跨越，真正实现智慧排水的愿景。