我國城市建設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)的不斷擴建過程中，由于管網底帳不清、 管道私接等原因，雨污管網混接現(xiàn)象嚴重，很多城市污水管網均呈現(xiàn)典型混流制特征[1, 2]. 混流特征污水管網存在著復雜的多源入流入滲、 CSO/SSO等問題，尤其是在雨季條件下，污水管網和污水處理廠的運行均要面對極大的挑戰(zhàn).
針對管網混接問題的檢測與維護，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]，以及基于特征物質的示蹤檢測法[6, 7]，如營養(yǎng)鹽監(jiān)測法[8]、 特征有機物監(jiān)測法[9, 10, 11, 12]、 細菌濃度監(jiān)測法[13, 14]等. 而近年隨著計算機技術發(fā)展和GIS技術的推廣應用，也發(fā)展了基于管網模型模擬的診斷評估法[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，這些技術均還不足以解決我國目前所面臨的復雜管網混流問題.
然而，近年隨著在線監(jiān)測技術[17, 18]、 物聯(lián)網技術和大數(shù)據(jù)分析技術在各個領域的集成發(fā)展，其在排水系統(tǒng)的運行管理方面也開始有一些嘗試和應用[19, 20]，基于物聯(lián)網的在線監(jiān)測網絡，可以實現(xiàn)多點同步、 多指標的在線同步網絡監(jiān)測，大大提高了監(jiān)測信息的數(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雜多源排放過程的污水水量水質波動所反映的管網結構和運行問題. 基于物聯(lián)網高密度在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)分析診斷將會給復雜污水管網混流問題的解決提供一個新的途徑.
本研究以某城市典型混流制污水管網區(qū)域為對象，通過建立多點同步在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對污水管網液位、 流量等水力指標和電導率等水質指標的多點在線同步監(jiān)測，并結合連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，解析混流制污水管網復雜多源漏滲情況下的基本運行特征，識別關鍵的參數(shù)指標和變化規(guī)律，以期為污水管網的優(yōu)化運行管理提供技術基礎支持.
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區(qū)域，區(qū)域服務面積約為0.63 km2，服務人口約為0.41萬人，上游有一個一級泵站，下游有一個二級泵站. 該地區(qū)多為居住、 商業(yè)用地，地勢較低，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，雨污混接情況嚴重，雨天管道經常處于超載狀態(tài).
1.2 污水管網在線監(jiān)測方案
如圖 1所示，為了獲取小區(qū)域管網多點同步運行特征，在研究區(qū)域管網的污水干管上游、 主要支管各設置一個監(jiān)測點，污水干管下游設置兩個監(jiān)測點，建立了區(qū)域小尺度監(jiān)測系統(tǒng)，對液位、 流量(HACH AV9000)、 電導率(中宜PLOC-100)、 雨量(HACH 950)進行實時同步在線監(jiān)測，液位、 流量是直觀的水力指標，而電導率受居民用水習慣、 降雨初期效應和入流效應影響大，對旱流水質波動和降雨影響有靈敏的響應，并且測量迅速方便，可作為水質表征指標. 數(shù)據(jù)實時傳輸，監(jiān)測時間間隔為15 min，監(jiān)測時間2 a.
圖 1 研究區(qū)域及監(jiān)測點示意
1.3 基于連續(xù)監(jiān)測的管網運行特征解析方法
本研究采用了時間序列季節(jié)分析法、 頻率分布統(tǒng)計、 相關性分析、 多點耦合解析等數(shù)據(jù)解析方法，對反映管網運行特征的參數(shù)波動規(guī)律、 水量水質變化速率等進行研究. 季節(jié)變動分析法[21]是對于每一周期相應的單元取平均，即基于時間序列連續(xù)變化觀察平均值，進而獲得一個周期內的季節(jié)波動，并以一天為周期，觀察日內各時刻液位、 流量、 電導率的連續(xù)變化規(guī)律. 同時基于多點同步監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行參照點位間隔的差值比較分析，挖掘不同監(jiān)測點的同步特征與管網問題的對應關系. 按照季節(jié)特征將一年分為降雨量大、 中、 小這3個時期，分別統(tǒng)計分析管網液位、 電導率波動的頻率分布特征[22]，比較雨天、 晴天分布特征差異.
2 結果與討論
2.1 污水管網旱流多點同步日變化規(guī)律
典型旱季各監(jiān)測點水量水質變化特征如圖 2所示，結果表明管網不同點位的液位、 流量變化規(guī)律相似，均在夜間04:00左右達到谷值，一天內兩個峰值分別位于10:00-12:00和21:00-22:00，不同監(jiān)測點間同步性好，不同位置間的波動傳導特征不明顯，個別點位波動幅度略有變化. 分析以電導率為代表的水質變化特征，結果表明不同點位間的水質變化特征也呈現(xiàn)較好的同步特征，但峰值谷值時間略有差異，水質濃度谷值出現(xiàn)在夜間04:00-06:00，而峰值則與流量波動特征差異較大，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. 水量水質波動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)混流制管網的研究結果[23]相比，水質變化規(guī)律一致，本研究水量晚間高峰更為明顯. 而與合流制管網相比，旱季水量、 水質變化規(guī)律相似，均主要受居民用水習慣影響，而波動幅度則主要受區(qū)域用水特性影響，本研究中流量平均時變化系數(shù)為1.42，峰值谷值比為1.92-5.56，電導率峰值谷值比為1.18-1.52，與合流制管網研究結果[24]相比，流量波動幅度相似、 水質波動幅度更小.
圖 2 旱流液位、 流量、 電導率日變化規(guī)律
該區(qū)域管網經常處于高液位旱流運行狀態(tài)，高液位旱流日變化規(guī)律分析結果如圖 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)在高液位時段會出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，這是因為液位較高時，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，當液位降低到一定程度，流量則恢復為正值. 而高液位情況下電導率較正常旱流情景波動范圍收窄，規(guī)律性變得不明顯，這可能是因為高液位情況下管道污水滯留時間長，使得水質變化幅度變小，并且多點同步性降低，A點全天保持穩(wěn)定，B點在早間08:00左右達到峰值，晚間00:00左右達到谷值，C、 D點全天波動較為頻繁.
圖 3 高液位、 流量、 電導率旱流日變化規(guī)律
2.2 旱流波動分布特征
研究全年的旱流波動特征發(fā)現(xiàn)，雨季和旱季對旱流均值影響很大，尤其是持續(xù)降雨時間和強度對季節(jié)平均旱流影響較大，雨季持續(xù)滿管流時間較長，呈現(xiàn)出較顯著的合流管網特征. 結合不同季節(jié)降雨強度對水量水質波動的影響情況進行統(tǒng)計描述，結果表明各時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，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，這表明降雨量大會導致管網長期處于高液位狀態(tài).
圖 4 不同時期液位、 電導率統(tǒng)計分布
從圖 4水質波動變化結果可以看出，降雨量小時電導率左偏態(tài)分布明顯，這一特征與管網低液位旱流特征一致，體現(xiàn)了低液位運行情況下生活污水水質波動特征，不存在明顯入流問題; 降雨量中等時，電導率呈平均分布，說明這種情況下管網既會出現(xiàn)高液位運行狀態(tài)，也可能保持低液位運行狀態(tài)，存在較高的入流現(xiàn)象發(fā)生概率; 降雨量大時，電導率出現(xiàn)主要集中分布在750-1 000 μS ·cm-1的現(xiàn)象，這說明此時管道長期高液位狀態(tài)導致生活污水長期滯留，并且存在高概率管道倒流和溢流問題，而波動較大的現(xiàn)象說明區(qū)域管段受到降雨初期沖刷與稀釋效應影響顯著.
2.3 降雨過程對管網瞬時運行特征影響
降雨過程對管網液位、 流速、 電導率的瞬時變化特征影響如圖 5所示，可以發(fā)現(xiàn)每次降雨事件中，液位都會顯著上升，污水流速會顯著降低，下游雍水作用明顯，甚至會出現(xiàn)倒流現(xiàn)象; 電導率正常旱流變化趨勢受到影響，由于雨水的稀釋作用，使污水電導率下降或者原有上升趨勢減弱，這說明該區(qū)域雨污混接問題嚴重，入流、 溢流問題發(fā)生概率高. 對于混流制管網，降雨后整體特征與合流制管網類似，但由于雨污混接點位不確定，導致不同點位的變化特征存在差異，降雨后C、 D兩點流量梯度變?yōu)樨撝?流量差變?yōu)樨撝?，表明兩點之間存在雨水入流點，同時水力坡度變?yōu)樨撝?下游D點液位反而高于上游C點液位)，說明兩點之間出現(xiàn)倒流情況. 此外，降雨中C、 D點電導率由于雨水稀釋作用迅速下降，但是C點下降速率高于D點，這也同樣說明兩點之間存在高概率入流問題.
圖 5 降雨瞬時影響特征
2.4 雨天動態(tài)波動分布特征
比較晴天、 雨天相鄰時刻水量水質的變化率分布差異，結果如圖 6所示. 晴天液位變化速率相對平緩，而雨天受雨水入流影響明顯，雨后短時間內管網液位迅速變化，因此雨天較高液位變化率出現(xiàn)概率較高，這一結果受降雨過程對管網液位瞬時影響所致. 同樣選取晴天水質變化率較高的兩個最有代表性的時段14:00-17:00和22:00-24:00進行水質變化率分布特征解析，結果表明晴天時的污水電導率變化率較大，這是因為特征時段內電導率常表現(xiàn)為每日的規(guī)律性的波動，而雨天時由于雨水入流稀釋效應以及液位升高，使得污水電導率變化速率較慢，這與高液位時電導率波動分布特征一致，體現(xiàn)了雨天比較明顯的管網入流問題特征，旱流明顯的水質波動特征被減弱.
圖 6 液位和電導率變化率分布
2.5 雨量雨型對動態(tài)波動特征影響
管網工況條件、 雨量雨型不同均會對水量水質 波動產生顯著影響[25]，考察響應液位(液位開始顯 著上升時的臨界)、響應時間(降雨開始至指標響應的時間間隔)、 累積雨量(降雨開始至指標響應此段時間內的累積降雨總量)之間的相關性，結果如圖 7(監(jiān)測點C)所示. 從中可以看出低液位時降雨后響應液位分布集中在240 mm附近，響應時間分散，并均在200 min以上，主要受雨型影響，而響應累積雨量在4 mm以上，主要與降雨強度和雨型有關，結果說明在液位達到240 mm之前，管網調蓄能力發(fā)揮作用，液位緩步上升，當液位達到240 mm臨界值時，管網調蓄能力達到極限，如果繼續(xù)發(fā)生入流，液位就會迅速上升，導致雍水、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時間的變化. 低液位時電導率響應較靈敏，響應時間也均在200 min以下，響應累積雨量介于2-4 mm之間，表明低液位時雨水入流量對水質影響的響應更加靈敏. 而高液位時的液位響應更為靈敏，響應時間非常短，均在30 min以下，響應累積雨量分布在5 mm以下，這是因為高液位時管網已超負荷運行，失去調蓄能力，發(fā)生入流就會很快發(fā)生響應. 但高液位狀態(tài)電導率的響應時間較液位長，均在200 min以下，響應累積雨量也較液位大，介于3-4 mm之間，這表明高液位時管網可入流容量受限，雨水入流對水質影響也減弱.
圖 7 響應時間、 累積雨量與響應液位相關分析
2.6 基于大數(shù)據(jù)解析的管網運行特征庫構建
基于長期在線監(jiān)測，結合連續(xù)數(shù)據(jù)解析方法處理得到不同指標分布特征、 動態(tài)波動特征和不同監(jiān)測點特異性特征，構建混流制管網運行特征庫(表 1)，為管網運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、 多點協(xié)同分析的方法表征了不同情景的特征，對液位、 流速、 電導率的變化值、 變化率、 長期分布特征以及多點同步特征進行了總結，并據(jù)此可以實現(xiàn)對管網存在的入流、 倒流問題的定性診斷.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關技術文檔。
表 1 混流制管網運行特征庫
3 結論
基于多點協(xié)同連續(xù)在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)解析可以獲得更加深入的混流制管網運行特征，混流制管網旱流低液位時日變化規(guī)律明顯、 多點同步性較好，旱流高液位時流量日變化規(guī)律依然明顯，而水質多點同步性差異較大. 晴雨天液位、 電導率變化率分布特征差異明顯. 雨天較晴天時的液位變化率顯著增大，而特定時段電導率變化率顯著減小. 降雨過程對管網瞬時運行特征影響顯著，多點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，低液位時電導率響應更靈敏，高液位時液位響應更靈敏，低液位時管網調蓄能力達到極限時的臨界液位存在規(guī)律性，雨量雨型、 旱季基礎流量對降雨時的液位響應時間影響顯著. 采用多指標多點協(xié)同在線監(jiān)測，通過建立混流制管網不同情景下的運行特征庫，能夠實現(xiàn)管網運行特征的實時在線診斷.
