我國(guó)城市建設(shè)早期污水收集多采用合流制，而新建城區(qū)均采用分流制，但在老城區(qū)的分流制改造以及新城區(qū)的不斷擴(kuò)建過程中，由于管網(wǎng)底帳不清、 管道私接等原因，雨污管網(wǎng)混接現(xiàn)象嚴(yán)重，很多城市污水管網(wǎng)均呈現(xiàn)典型混流制特征[1, 2]. 混流特征污水管網(wǎng)存在著復(fù)雜的多源入流入滲、 CSO/SSO等問題，尤其是在雨季條件下，污水管網(wǎng)和污水處理廠的運(yùn)行均要面對(duì)極大的挑戰(zhàn).
針對(duì)管網(wǎng)混接問題的檢測(cè)與維護(hù)，目前主要還以人工非連續(xù)方法為主，主要包括直接的人工直觀感官排查法[3, 4]和基于CCTV(閉路電視)視頻排查法[5]，以及基于特征物質(zhì)的示蹤檢測(cè)法[6, 7]，如營(yíng)養(yǎng)鹽監(jiān)測(cè)法[8]、 特征有機(jī)物監(jiān)測(cè)法[9, 10, 11, 12]、 細(xì)菌濃度監(jiān)測(cè)法[13, 14]等. 而近年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和GIS技術(shù)的推廣應(yīng)用，也發(fā)展了基于管網(wǎng)模型模擬的診斷評(píng)估法[15, 16]，但由于受到成本投入、 工作效率及人員要求等因素的限制，這些技術(shù)均還不足以解決我國(guó)目前所面臨的復(fù)雜管網(wǎng)混流問題.
然而，近年隨著在線監(jiān)測(cè)技術(shù)[17, 18]、 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的集成發(fā)展，其在排水系統(tǒng)的運(yùn)行管理方面也開始有一些嘗試和應(yīng)用[19, 20]，基于物聯(lián)網(wǎng)的在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步、 多指標(biāo)的在線同步網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)，大大提高了監(jiān)測(cè)信息的數(shù)量和效率; 而基于大數(shù)據(jù)的全樣本數(shù)據(jù)分析方法[21, 22]，也能夠更有效解析復(fù)雜多源排放過程的污水水量水質(zhì)波動(dòng)所反映的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行問題. 基于物聯(lián)網(wǎng)高密度在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)分析診斷將會(huì)給復(fù)雜污水管網(wǎng)混流問題的解決提供一個(gè)新的途徑.
本研究以某城市典型混流制污水管網(wǎng)區(qū)域?yàn)閷?duì)象，通過建立多點(diǎn)同步在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水管網(wǎng)液位、 流量等水力指標(biāo)和電導(dǎo)率等水質(zhì)指標(biāo)的多點(diǎn)在線同步監(jiān)測(cè)，并結(jié)合連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，解析混流制污水管網(wǎng)復(fù)雜多源漏滲情況下的基本運(yùn)行特征，識(shí)別關(guān)鍵的參數(shù)指標(biāo)和變化規(guī)律，以期為污水管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行管理提供技術(shù)基礎(chǔ)支持.
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)域概況
選擇典型混流制污水管網(wǎng)區(qū)域，區(qū)域服務(wù)面積約為0.63 km2，服務(wù)人口約為0.41萬人，上游有一個(gè)一級(jí)泵站，下游有一個(gè)二級(jí)泵站. 該地區(qū)多為居住、 商業(yè)用地，地勢(shì)較低，區(qū)域污水管道干管管徑為600 mm，支管管徑為500 mm，由于管道使用年限長(zhǎng)破損程度不明、 老城區(qū)管道改造混亂等原因，雨污混接情況嚴(yán)重，雨天管道經(jīng)常處于超載狀態(tài).
1.2 污水管網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)方案
如圖 1所示，為了獲取小區(qū)域管網(wǎng)多點(diǎn)同步運(yùn)行特征，在研究區(qū)域管網(wǎng)的污水干管上游、 主要支管各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，污水干管下游設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，建立了區(qū)域小尺度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)液位、 流量、 電導(dǎo)率、 雨量進(jìn)行實(shí)時(shí)同步在線監(jiān)測(cè)，液位、 流量是直觀的水力指標(biāo)，而電導(dǎo)率受居民用水習(xí)慣、 降雨初期效應(yīng)和入流效應(yīng)影響大，對(duì)旱流水質(zhì)波動(dòng)和降雨影響有靈敏的響應(yīng)，并且測(cè)量迅速方便，可作為水質(zhì)表征指標(biāo). 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為15 min，監(jiān)測(cè)時(shí)間2 a.
圖 1 研究區(qū)域及監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意
1.3 基于連續(xù)監(jiān)測(cè)的管網(wǎng)運(yùn)行特征解析方法
本研究采用了時(shí)間序列季節(jié)分析法、 頻率分布統(tǒng)計(jì)、 相關(guān)性分析、 多點(diǎn)耦合解析等數(shù)據(jù)解析方法，對(duì)反映管網(wǎng)運(yùn)行特征的參數(shù)波動(dòng)規(guī)律、 水量水質(zhì)變化速率等進(jìn)行研究. 季節(jié)變動(dòng)分析法[21]是對(duì)于每一周期相應(yīng)的單元取平均，即基于時(shí)間序列連續(xù)變化觀察平均值，進(jìn)而獲得一個(gè)周期內(nèi)的季節(jié)波動(dòng)，并以一天為周期，觀察日內(nèi)各時(shí)刻液位、 流量、 電導(dǎo)率的連續(xù)變化規(guī)律. 同時(shí)基于多點(diǎn)同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行參照點(diǎn)位間隔的差值比較分析，挖掘不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的同步特征與管網(wǎng)問題的對(duì)應(yīng)關(guān)系. 按照季節(jié)特征將一年分為降雨量大、 中、 小這3個(gè)時(shí)期，分別統(tǒng)計(jì)分析管網(wǎng)液位、 電導(dǎo)率波動(dòng)的頻率分布特征[22]，比較雨天、 晴天分布特征差異.
2 結(jié)果與討論
2.1 污水管網(wǎng)旱流多點(diǎn)同步日變化規(guī)律
典型旱季各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水量水質(zhì)變化特征如圖 2所示，結(jié)果表明管網(wǎng)不同點(diǎn)位的液位、 流量變化規(guī)律相似，均在夜間04:00左右達(dá)到谷值，一天內(nèi)兩個(gè)峰值分別位于10:00-12:00和21:00-22:00，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)間同步性好，不同位置間的波動(dòng)傳導(dǎo)特征不明顯，個(gè)別點(diǎn)位波動(dòng)幅度略有變化. 分析以電導(dǎo)率為代表的水質(zhì)變化特征，結(jié)果表明不同點(diǎn)位間的水質(zhì)變化特征也呈現(xiàn)較好的同步特征，但峰值谷值時(shí)間略有差異，水質(zhì)濃度谷值出現(xiàn)在夜間04:00-06:00，而峰值則與流量波動(dòng)特征差異較大，最大峰值出現(xiàn)在12:00-16:00，夜間小峰值出現(xiàn)在晚間24:00左右. 水量水質(zhì)波動(dòng)特征的差異主要體現(xiàn)了區(qū)域用水規(guī)律和排放污水類別特征，與深圳老城區(qū)混流制管網(wǎng)的研究結(jié)果[23]相比，水質(zhì)變化規(guī)律一致，本研究水量晚間高峰更為明顯. 而與合流制管網(wǎng)相比，旱季水量、 水質(zhì)變化規(guī)律相似，均主要受居民用水習(xí)慣影響，而波動(dòng)幅度則主要受區(qū)域用水特性影響，本研究中流量平均時(shí)變化系數(shù)為1.42，峰值谷值比為1.92-5.56，電導(dǎo)率峰值谷值比為1.18-1.52，與合流制管網(wǎng)研究結(jié)果[24]相比，流量波動(dòng)幅度相似、 水質(zhì)波動(dòng)幅度更小.
圖 2 旱流液位、 流量、 電導(dǎo)率日變化規(guī)律
該區(qū)域管網(wǎng)經(jīng)常處于高液位旱流運(yùn)行狀態(tài)，高液位旱流日變化規(guī)律分析結(jié)果如圖 3所示，與正常旱流日變化規(guī)律相比，液位谷值和晚高峰值依然明顯，但午間液位升高后無退峰變化，液位持續(xù)保持較高水平. 高液位旱流狀態(tài)在高液位時(shí)段會(huì)出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，這是因?yàn)橐何惠^高時(shí)，由于下游雍水作用，管道過流能力減弱，致使倒流現(xiàn)象發(fā)生，當(dāng)液位降低到一定程度，流量則恢復(fù)為正值. 而高液位情況下電導(dǎo)率較正常旱流情景波動(dòng)范圍收窄，規(guī)律性變得不明顯，這可能是因?yàn)楦咭何磺闆r下管道污水滯留時(shí)間長(zhǎng)，使得水質(zhì)變化幅度變小，并且多點(diǎn)同步性降低，A點(diǎn)全天保持穩(wěn)定，B點(diǎn)在早間08:00左右達(dá)到峰值，晚間00:00左右達(dá)到谷值，C、 D點(diǎn)全天波動(dòng)較為頻繁.
圖 3 高液位、 流量、 電導(dǎo)率旱流日變化規(guī)律
2.2 旱流波動(dòng)分布特征
研究全年的旱流波動(dòng)特征發(fā)現(xiàn)，雨季和旱季對(duì)旱流均值影響很大，尤其是持續(xù)降雨時(shí)間和強(qiáng)度對(duì)季節(jié)平均旱流影響較大，雨季持續(xù)滿管流時(shí)間較長(zhǎng)，呈現(xiàn)出較顯著的合流管網(wǎng)特征. 結(jié)合不同季節(jié)降雨強(qiáng)度對(duì)水量水質(zhì)波動(dòng)的影響情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述，結(jié)果表明各時(shí)期的液位均值與降雨量成正比，從圖 4還可以看出若降雨量小，則液位右偏態(tài)分布明顯，較小液位值出現(xiàn)概率高; 若降雨量中等，液位分布集中在左右兩側(cè)，較小液位值占比略大于較大液位值; 若降雨量大，則左偏態(tài)分布明顯，較大液位值出現(xiàn)概率高，分布非常集中，這表明降雨量大會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)長(zhǎng)期處于高液位狀態(tài).
圖 4 不同時(shí)期液位、 電導(dǎo)率統(tǒng)計(jì)分布
從圖 4水質(zhì)波動(dòng)變化結(jié)果可以看出，降雨量小時(shí)電導(dǎo)率左偏態(tài)分布明顯，這一特征與管網(wǎng)低液位旱流特征一致，體現(xiàn)了低液位運(yùn)行情況下生活污水水質(zhì)波動(dòng)特征，不存在明顯入流問題; 降雨量中等時(shí)，電導(dǎo)率呈平均分布，說明這種情況下管網(wǎng)既會(huì)出現(xiàn)高液位運(yùn)行狀態(tài)，也可能保持低液位運(yùn)行狀態(tài)，存在較高的入流現(xiàn)象發(fā)生概率; 降雨量大時(shí)，電導(dǎo)率出現(xiàn)主要集中分布在750-1 000 μS ·cm-1的現(xiàn)象，這說明此時(shí)管道長(zhǎng)期高液位狀態(tài)導(dǎo)致生活污水長(zhǎng)期滯留，并且存在高概率管道倒流和溢流問題，而波動(dòng)較大的現(xiàn)象說明區(qū)域管段受到降雨初期沖刷與稀釋效應(yīng)影響顯著.
2.3 降雨過程對(duì)管網(wǎng)瞬時(shí)運(yùn)行特征影響
降雨過程對(duì)管網(wǎng)液位、 流速、 電導(dǎo)率的瞬時(shí)變化特征影響如圖 5所示，可以發(fā)現(xiàn)每次降雨事件中，液位都會(huì)顯著上升，污水流速會(huì)顯著降低，下游雍水作用明顯，甚至?xí)霈F(xiàn)倒流現(xiàn)象; 電導(dǎo)率正常旱流變化趨勢(shì)受到影響，由于雨水的稀釋作用，使污水電導(dǎo)率下降或者原有上升趨勢(shì)減弱，這說明該區(qū)域雨污混接問題嚴(yán)重，入流、 溢流問題發(fā)生概率高. 對(duì)于混流制管網(wǎng)，降雨后整體特征與合流制管網(wǎng)類似，但由于雨污混接點(diǎn)位不確定，導(dǎo)致不同點(diǎn)位的變化特征存在差異，降雨后C、 D兩點(diǎn)流量梯度變?yōu)樨?fù)值(流量差變?yōu)樨?fù)值)，表明兩點(diǎn)之間存在雨水入流點(diǎn)，同時(shí)水力坡度變?yōu)樨?fù)值(下游D點(diǎn)液位反而高于上游C點(diǎn)液位)，說明兩點(diǎn)之間出現(xiàn)倒流情況. 此外，降雨中C、 D點(diǎn)電導(dǎo)率由于雨水稀釋作用迅速下降，但是C點(diǎn)下降速率高于D點(diǎn)，這也同樣說明兩點(diǎn)之間存在高概率入流問題.
圖 5 降雨瞬時(shí)影響特征
2.4 雨天動(dòng)態(tài)波動(dòng)分布特征
比較晴天、 雨天相鄰時(shí)刻水量水質(zhì)的變化率分布差異，結(jié)果如圖 6所示. 晴天液位變化速率相對(duì)平緩，而雨天受雨水入流影響明顯，雨后短時(shí)間內(nèi)管網(wǎng)液位迅速變化，因此雨天較高液位變化率出現(xiàn)概率較高，這一結(jié)果受降雨過程對(duì)管網(wǎng)液位瞬時(shí)影響所致. 同樣選取晴天水質(zhì)變化率較高的兩個(gè)最有代表性的時(shí)段14:00-17:00和22:00-24:00進(jìn)行水質(zhì)變化率分布特征解析，結(jié)果表明晴天時(shí)的污水電導(dǎo)率變化率較大，這是因?yàn)樘卣鲿r(shí)段內(nèi)電導(dǎo)率常表現(xiàn)為每日的規(guī)律性的波動(dòng)，而雨天時(shí)由于雨水入流稀釋效應(yīng)以及液位升高，使得污水電導(dǎo)率變化速率較慢，這與高液位時(shí)電導(dǎo)率波動(dòng)分布特征一致，體現(xiàn)了雨天比較明顯的管網(wǎng)入流問題特征，旱流明顯的水質(zhì)波動(dòng)特征被減弱.
圖 6 液位和電導(dǎo)率變化率分布
2.5 雨量雨型對(duì)動(dòng)態(tài)波動(dòng)特征影響
管網(wǎng)工況條件、 雨量雨型不同均會(huì)對(duì)水量水質(zhì) 波動(dòng)產(chǎn)生顯著影響[25]，考察響應(yīng)液位(液位開始顯 著上升時(shí)的臨界)、響應(yīng)時(shí)間(降雨開始至指標(biāo)響應(yīng)的時(shí)間間隔)、 累積雨量(降雨開始至指標(biāo)響應(yīng)此段時(shí)間內(nèi)的累積降雨總量)之間的相關(guān)性，結(jié)果如圖 7(監(jiān)測(cè)點(diǎn)C)所示. 從中可以看出低液位時(shí)降雨后響應(yīng)液位分布集中在240 mm附近，響應(yīng)時(shí)間分散，并均在200 min以上，主要受雨型影響，而響應(yīng)累積雨量在4 mm以上，主要與降雨強(qiáng)度和雨型有關(guān)，結(jié)果說明在液位達(dá)到240 mm之前，管網(wǎng)調(diào)蓄能力發(fā)揮作用，液位緩步上升，當(dāng)液位達(dá)到240 mm臨界值時(shí)，管網(wǎng)調(diào)蓄能力達(dá)到極限，如果繼續(xù)發(fā)生入流，液位就會(huì)迅速上升，導(dǎo)致雍水、倒流現(xiàn)象發(fā)生，雨量雨型直接影響液位上升速率和響應(yīng)時(shí)間的變化. 低液位時(shí)電導(dǎo)率響應(yīng)較靈敏，響應(yīng)時(shí)間也均在200 min以下，響應(yīng)累積雨量介于2-4 mm之間，表明低液位時(shí)雨水入流量對(duì)水質(zhì)影響的響應(yīng)更加靈敏. 而高液位時(shí)的液位響應(yīng)更為靈敏，響應(yīng)時(shí)間非常短，均在30 min以下，響應(yīng)累積雨量分布在5 mm以下，這是因?yàn)楦咭何粫r(shí)管網(wǎng)已超負(fù)荷運(yùn)行，失去調(diào)蓄能力，發(fā)生入流就會(huì)很快發(fā)生響應(yīng). 但高液位狀態(tài)電導(dǎo)率的響應(yīng)時(shí)間較液位長(zhǎng)，均在200 min以下，響應(yīng)累積雨量也較液位大，介于3-4 mm之間，這表明高液位時(shí)管網(wǎng)可入流容量受限，雨水入流對(duì)水質(zhì)影響也減弱.
圖 7 響應(yīng)時(shí)間、 累積雨量與響應(yīng)液位相關(guān)分析
2.6 基于大數(shù)據(jù)解析的管網(wǎng)運(yùn)行特征庫構(gòu)建
基于長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)，結(jié)合連續(xù)數(shù)據(jù)解析方法處理得到不同指標(biāo)分布特征、 動(dòng)態(tài)波動(dòng)特征和不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)特異性特征，構(gòu)建混流制管網(wǎng)運(yùn)行特征庫(表 1)，為管網(wǎng)運(yùn)行管理和故障診斷工作提供數(shù)據(jù)和信息支持. 基于多指標(biāo)、 多點(diǎn)協(xié)同分析的方法表征了不同情景的特征，對(duì)液位、 流速、 電導(dǎo)率的變化值、 變化率、 長(zhǎng)期分布特征以及多點(diǎn)同步特征進(jìn)行了總結(jié)，并據(jù)此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)存在的入流、 倒流問題的定性診斷.具體參見 污水處理技術(shù)資料或污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。
?表 1 混流制管網(wǎng)運(yùn)行特征庫
3 結(jié)論
基于多點(diǎn)協(xié)同連續(xù)在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)解析可以獲得更加深入的混流制管網(wǎng)運(yùn)行特征，混流制管網(wǎng)旱流低液位時(shí)日變化規(guī)律明顯、 多點(diǎn)同步性較好，旱流高液位時(shí)流量日變化規(guī)律依然明顯，而水質(zhì)多點(diǎn)同步性差異較大. 晴雨天液位、 電導(dǎo)率變化率分布特征差異明顯. 雨天較晴天時(shí)的液位變化率顯著增大，而特定時(shí)段電導(dǎo)率變化率顯著減小. 降雨過程對(duì)管網(wǎng)瞬時(shí)運(yùn)行特征影響顯著，多點(diǎn)同步特征差異可以反映出入流位置以及管段倒流發(fā)生情況，低液位時(shí)電導(dǎo)率響應(yīng)更靈敏，高液位時(shí)液位響應(yīng)更靈敏，低液位時(shí)管網(wǎng)調(diào)蓄能力達(dá)到極限時(shí)的臨界液位存在規(guī)律性，雨量雨型、 旱季基礎(chǔ)流量對(duì)降雨時(shí)的液位響應(yīng)時(shí)間影響顯著. 采用多指標(biāo)多點(diǎn)協(xié)同在線監(jiān)測(cè)，通過建立混流制管網(wǎng)不同情景下的運(yùn)行特征庫，能夠?qū)崿F(xiàn)管網(wǎng)運(yùn)行特征的實(shí)時(shí)在線診斷.（來源及作者：清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院 程珣 張明凱 劉艷臣 施漢昌）
