近些年来,随着监测技术的发展,利用大量排水管网监测设备对城市排水系统的运行进行动态监测、实时管理的数字化管理模式已初步形成。我国已有部分城市开始了排水系统监测技术的研究和应用,并利用监测数据对排水系统存在的问题进行探索与分析。盛平等对镇江市排水管网和污水泵站的监测要求、监测数据的传输方式、在线监测设备的选用等作了介绍^[1] ;叶婉露对某市排水系统的流量监测技术进行研究和分析,建立了标准化的监测流程^[2] ;盛政等利用监测数据对某市排水管道入流入渗问题进行了分析^[3] ;何人杰等利用在线流量监测技术对无锡市排水系统污水排放规律进行了研究^[4] 。

　　 赵冬泉等指出由于监测设备成本较高,难以一步到位做到全管网覆盖,一般城市都采取逐步完善监测体系的方式进行排水系统监测,但是由于缺乏监测布点经验,如何科学合理地进行监测布点,利用有限的监测设备获取更为有效的监测数据,以及如何基于监测数据深入挖掘和识别排水系统的规律及问题,以支撑排水系统的科学有效管理,成为在线监测在排水系统管理中有效应用的研究重点^[5] 。同时指出大部分地区的监测数据分析方法过于简单,未将监测数据与排水管网模型进行紧密结合,不能利用有限的监测数据识别排水系统的规律及问题,为排水系统的科学有效管理提供决策信息^[6] 。

　　 因此针对上述问题,本文以典型片区为例,通过对该片区的问题分析和识别,结合模型分析等手段,制定监测方案,并基于获取的在线监测数据,进行排水系统运行负荷分析,识别区域流量液位变化规律,并实现管网运行负荷、雨水入流入渗、地下水入渗等问题诊断,从而研究探索如何科学制定监测方案以及基于监测数据如何支撑排水系统的更有效运行。

　　 研究区域位于该市老城区,面积约为6.9km²,区域内排水设施建设较为完善且具有一定的复杂性,排水管道共计104.3km,涵盖了污水管、合流管以及雨水管。区域现状排水系统存在雨污混接、雨天污水系统运行负荷加重等问题,该问题在老城区较为普遍,因此从区域排水系统的完整性、问题具有代表性等方面考虑,选择该片区作为研究区域,具有一定典型性和参考价值。

　　 由于排水管网埋藏于地下,是一个复杂的巨型网络系统,具有很强的隐蔽性和不确定性,管网数量多、范围广,且管道内部水力条件复杂,环境恶劣,排水管网监测通常具有较高的成本和实施风险,因此如何科学合理进行监测布点,以有限的监测设备反映更全面的排水管网问题显得非常重要。

　　 本研究首先通过搭建区域排水管网模型,对区域排水管网问题进行系统性分析,识别区域排水系统问题,主要包括:①存在局部管道缺陷,雨污混接严重,约43处;②局部管道排水能力不足,在1年一遇设计降雨情景下,满管运行的排水管道已占比23.05%,主要集中在区域主干道,5年一遇设计降雨时,上升到50.62%,延伸到区域内主要支、次干道;③积水情况严重,5年一遇设计降雨情景时,最大积水深度为0.87m,区域1.95%面积存在积水,30年一遇设计降雨时,扩大到4.09%面积存在积水,主要积水原因包括地势较低、排水能力不足等。

　　 针对本区域存在管道排水不畅、局部区域积水严重等问题,制定了如图1所示的监测方案,主要包括3个部分,首先是布置4个流量计(F1~F4)用于识别区域的整体污水排放长期变化规律及特征,其中F1、F2在截污干管上,F3位于典型居民区下游,主要用于识别典型的居民区污水排水规律,F4主要除用于识别区域排水特征外,通过结合上游监测点可以进行上下游污水管道的水力关联性分析。其次,主要针对内涝高风险、雨污混接点或其他重要节点等位置,布置11个液位计(编号为L1~L11),主要用于对该处管道的运行负荷和漫溢风险分析,为防汛应急和管网维护提供依据。最后,通过区域内上述不同监测点的关联性分析和规律分析,识别偷排、破损等异常事件,以支持管网的安全有效运行。

　　 基于长期连续监测数据,可以识别监测管段的流量液位变化规律,为进一步分析和问题识别提供依据。如图2所示为监测点F1的降雨-流量-液位连续两个月变化曲线,可以看出该监测点所在管道旱天工况下处于非带压运行状态,最大流量为0.924m³/s,最大液位为1.14m(管径为1.2m),而通过与降雨叠加分析可知,该污水管道在降雨后存在明显液位升高,管网负荷加大的情况,可能存在管网破损或者雨污混接等问题,如2月5~7日降雨工况,累积降雨量为59.7 mm,当降雨量达到6 mm时,管道运行负荷加重并处于带压运行状态,液位最高达2.57m,距路面仅13cm,极易发生漫溢事件。

　　 同时通过分析还能识别典型的排水规律曲线,为模型分析提供数据输入,如F3监测点上游为典型的居民区,通过选取旱天工作日数据进行叠加及聚类分析,得到该监测点旱天工作日的典型排放规律。

　　 如图3所示,工作日存在早晚高峰,高峰时段分别为10:30~15:30,19:30~24:00,峰值流量最大为0.24m³/s,典型日污水排放量约1.6万m³。

　　 基于监测数据另一个重要的应用就是评估管网运行负荷,及时进行预警预报。本文采用过载倍数和漫溢指数2个指标进行评估[见式(1)和式(2)]。过载倍数是判断排水系统中管道是否满管运行的重要依据,过载倍数是指检查井液位超过管顶的倍数,大于0,则为过载;其中,管底超高是指管底高程与井底高程的差值。漫溢指数是重点针对满负荷运行管段,通过划分漫溢风险指数等级,识别高风险漫溢点。0.8<R、0.5<R<0.8、0<R<0.5、R≤0分别表明检查井液位高于管顶的距离占地面到管顶距离的80%以上、50%以上、50%以下及检查井液位未达到管顶,分别视为高风险、中风险、低风险以及无风险。

　　 分析结果如表1所示,在旱天情景下,8个污水监测点所在管段仅F1、L11所在管段过载倍数大于零,出现过载,但漫溢风险指数较低;而在典型降雨情景下,有10个点位所在管段出现不同程度过载和漫溢风险,其中F1、F2、L8监测点所在管段的漫溢风险指数均大于0.8,属于漫溢高风险点。同时10个点位中有7个是污水监测点所在管段,主要原因可能是由于该区域存在雨污混接、老旧管道破损等原因导致大量雨水汇入污水管道造成的。

　　 针对运行负荷高的区域可进一步分析区域存在的问题,定量分析降雨的影响以及地下水入渗情况,并识别异常事件的发生,从而为排水系统管理提供依据。

　　 降雨引起的入流(RDII)是指降雨事件发生时,雨水下渗形成壤中流,由管道基础或裂缝进入管道系统的水量,响应较快,发生在降雨事件后的几小时或几天^[3] ,这不但削减了排水系统的既定水力传输能力,而且会污染水体,增加污水处理厂的水力负荷。通过上述分析可知,区域内污水管道存在降雨响应情况较为严重的问题,因此对F3和F4监测点10次典型降雨事件的降雨量、入流量和降雨入渗量分别进行计算,并对降雨入渗量和降雨量进行回归拟合,拟合曲线如图4所示。

　　 结果表明降雨入渗量与降雨量存在明显的线性关系,回归系数达0.987和0.979,而通过计算上游服务范围内每100 mm降雨量增加2.6万m³和2.1万m³的额外水量,相当于有9.5mm的雨水进入污水系统,为典型旱季污水量的1.62和2.7倍,该区域年平均降雨量1 088mm,估算得出监测点上游年平均增加污水处理量26万m³,相当于每平方米区域入流入渗量为0.098 m³/年,年平均增加污水量约67.5万m³,导致降雨事件下污水处理厂满负荷甚至超负荷运行。

　　 我国《室外排水设计规范》(GB 50014-2006)对于地下水位较高地区的污水管道,明确提出应适宜考虑地下水渗入情况,研究区域的地下水位埋深在0.5~60m,而污水系统的管道埋深在0~5m之间,存在一定的地下水入渗风险,因此本研究采用夜间最小流量法对F4监测点所在管段进行地下水入渗计算,夜间用水量比例取日平均流量的26%^[7] 。分析结果如表2所示,F4监测点所在管段夜间最小流量(ADF)和平均流量(MDF)分别为0.066m³/s和0.089m³/s,折算得到的日入渗量为3 700m³,根据该区域内现状敷设管道数据,可以推算出F4所在区域的基础入渗量为197m³/(km·d)或494L/(km·mm·d),大约是新管道验收规范要求的3.2~6.5倍,目前我国对使用期限内管段内允许渗入水量没有制定标准,对照美国土木工程协会与水环境协会(ASCE/WEF)统计了美国128座城市的排水管道在设计使用年限内的渗入量允许值^[8] 以及日本26个排水区域的实际入渗量统计结果^[9] ,F4所在区域入渗量远大于美国城市允许渗入量。影响管道渗入量因素众多,最重要因素为管材、施工工艺、管道使用年限以及地下水水位等。而区域建设年代较早,同时地下水位较高,造成区域管段基础渗入量总体偏大。

　　 通过监测点的上下游关联性和长期规律分析,可对排水系统存在的异常情况或事件进行初步识别和判断,为排水系统的有效管理提供依据。以本研究区的F3和F4监测点为例,其属于上下游关系,通过对其流量数据变化趋势分析可知,两个监测点变化趋势一致,存在明显的相关性(通过皮尔逊相关性分析,相关系数为0.94)。而通过流量数据对比分析却发现,处于管道下游的F4流量低于上游的F3,尤其1月份平均差达到了0.14m³/s(如图5所示)。

　　 如图6所示,F4除了收集F3所在区域污水外还收集南侧的污水,因此可初步判断两个监测点之间可能存在偷排,为进一步确定问题所在,通过现场详细排查和走访,发现在F3所在污水管道并行有一条2m×6.4 m的雨水涵,为前期施工过程中临时修建的一根顶管,将该污水管与雨水涵连通,后期未能及时拆除,从而导致F3所在管段部分污水通过该顶管进入雨水涵中排走。

　　 本文通过对典型区域研究,为其他城市监测体系的逐步完善和数据应用提供重要参考和依据。一方面为城市监测方案的科学制定提供流程和方法参考,可以通过模型分析等手段初步确定区域存在的问题,并基于问题有针对性地确定监测目的和初步布点方案,同时结合现场情况,确定科学、经济、有效的监测方案,从而使保证获取的监测数据具有一定代表性和分析价值;另一方面,基于获取的监测数据,通过分析和挖掘,可以识别排水系统的运行负荷情况,为内涝预警提供依据,并针对运行负荷高的区域可进一步分析降雨的影响、地下水入渗情况、异常事件等,从而为监测数据在排水系统管理中的应用提供参考。