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基于在线监测的管网运行风险分析识别—智慧排水之乱弹（130）

作者：杨婷婷 李志一来源：清环智慧水务
如何基于在线监测数据识别排水管网运行风险

小编按：在发生排水事故后再去被动处理，不仅造成了损失，也影响了城市环境卫生和正常运行。如何基于液位、流速、流量数据开展管网运行风险的分析与识别，本文结合案例进行分析，供大家参考。

近几年，城市内涝积水、污水溢流、水环境污染等问题频频发生。排水管网作为城市的“良心工程”，对城市的环境保护和排涝安全起着至关重要的作用。若排水管网系统容量不足，则无法处理高强度降雨带来的大量径流雨水，从而增加内涝风险；若管道发生堵塞和淤积，则会引起过流能力的降低，带来内涝风险的同时增加溢流风险。因排水管网具有地下隐蔽性强、分布广泛、结构复杂等特性，在存在运行风险时难以察觉，往往只有在风险演变成为了严重问题后才能被动地被发现，不能提前分识别运行风险。
因此，在排水管理中需要采用定量化的可靠动态监测数据与科学的分析方法，才能及时发现管网的运行风险，修复和整治管道的病害，降低排水管网的运行风险，提高管网的可靠性和运行效率，保障排水管网的正常运行。而基于在线监测的分析识别就是一种科学有效的排水管理支撑技术。
本文将结合实际案例数据，讨论如何基于在线监测数据识别排水管网的运行风险。

1.监测网络构建

1.1.监测区域   

案例区域总面积190km2，总管长1500km，管径范围为DN400至DN3500。区域内排水体制为分流制，共有5座污水处理厂，分别对应5个排水分区，区域内无污水提升泵站。现状管网的主要问题为高水位运行、外水入渗、雨污混流等。

1.2.布点方案   

根据点位的重要程度差异及出于经济性的考虑，在研究区域内对5个分区开展3个层次的分级监测。沿河截污干管为一级监测点，各片区出口点及片区内重要干管/管渠节点为二级监测点，进一步溯源的支次管段为三级监测点。【分级分区分类监测很重要，参见：排水管网监测点设置与分级监测理论—智慧排水之乱弹（36）、监测布点的典型错误认识与正确打开方式—智慧排水之乱弹（103）】   
本次监测布点满足以下原则：①覆盖全系统，涵盖全要素，监测布点覆盖整个区域，对5个排水分区全覆盖监测；②保证经济性的同时兼顾技术性，需根据排水分区面积、人口密度、管线长度等要素，合理的布置监测点，降低一次性投入；③突出重点区域，应结合前期管网普查结果，针对性监测布点。
综上，共布设在线监测点位277个，分别为：一级监测点位22个、二级监测点位76个、三级监测点位179个，详情如表所示。
表 1   监测点位汇总表
片区
监测类型
合计
1级
2级
3级
1
0
7
11
18
2
0
4
7
11
3
0
9
32
41
4
22
44
97
163
5
0
12
32
44
总计
22
76
179
277

2.数据分析  

在线监测数据的获取包含流量、流速、液位以及雨量4个指标，结合现状管网管径、检查井深、地面高程等数据，可实现对排水管网中最大液位、最大充满度、外溢风险和淤积风险等的分析与识别，以进行排水管道运行状态的评估。

2.1.液位数据  

（1）分析思路
以液位为主的排水管网运行分析中，应忽略管段本身允许的基础入渗液位，然后根据管网不同日期下和相同日期不同时段的24小时液位对比，定性识别出管网存在的问题和风险。
（2）案例分析
以2023年4月3日JW-1截污干管点位为例，降雨持续时间约1200min，降雨总量15.6mm，降雨发生时管道液位基本无变化；在降雨持续一段时间后，雨量骤增，管道出现第一个液位峰值，此时管道已存在过载运行风险，但由于此时雨量累积不多，管道过流较好，风险很快消除。然而，随着降雨持续进行，在第二次雨量骤增后，管道出现第二个峰值，峰值液位1.21m，根据液位变化可知，已发生溢流现象，如图所示。   
图片
图 1   降雨入流液位变化图
液位数据还能判断排水泵站的抽排作业对管道液位的影响及相关风险。以P-1污水泵站出水监测点为例，正常运行阶段管道均值液位为1.01m，泵站强排期间，由于下游管道排水能力不足，出现顶托滞流现象，管道液位急剧上升，强排期结束后滞流水逐渐向下游排放，管道液位恢复至正常值，如图所示。

图片

图 2   泵站强排液位变化图

2.2.流速数据分析

（1）分析思路
管内流速的突增，一般是由污水短时偷排、强降雨入流、排水设施抽排等引起，往往有迹可循。而流速的过低现象，通常无法用肉眼判断，难以发现。通过流速在线监测数据的动态分析，可快速准确地发现问题症结所在，以便进行相关现场作业，保障管道的正常运行。   
（2）案例分析
以某二级污水监测点B2-1为例，管段在晴天时满管，流速几乎为零，远距离的上游管段液位呈规律性的日变化，流速正常。经现场诊断，监测点所处管段存在严重的堵塞、淤积问题。待市政养护单位利用清淤车进行吸淤，清除管道中淤积的杂物垃圾后，流速迅速恢复正常，液位在短时间内降至正常水平，如图所示。

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图 3   管道清淤流速&液位变化图

2.3.流量数据分析

（1）分析思路
与液位和流速的定性分析不同，流量数据能够定量计算出监测点位的外水入渗量。降雨时的外水入渗（RDII）计算方法一般采用晴、雨天的流量差值法。对于旱天的外水入渗，目前常用的定量计算方法为夜间最小流量法与物料守恒法，每种方法有其通常的适用条件，在面对具体案例时要根据实际情况具体分析。【参见：污水管网分区入流入渗分析多种方法对比与案例解析—智慧排水之乱弹（88）、污水管网入流入渗分析不同指标的关系及选择—智慧排水之乱弹（83）、污水管网雨天入流监测分析—智慧排水之乱弹（54）】
（2）案例分析
案例监测点位在监测期内24小时瞬时流量波动性较大，且流量曲线具有明显的波峰与波谷的情况，符合夜间最小流量法的适用条件，如图所示。【参见：再议夜间最小流量法适用范围—智慧排水之乱弹（108）】     

图片

图 4   24h瞬时流量变化图

3.管网风险判别  

以最大充满度、最大液位、平均流速、RDII值等为特征数据，可以统计分析排水管网的运行状态，识别运行风险。其中，最大充满度与最大液位主要评价管网的过载及外溢风险，平均流速衡量管道淤积风险。在案例中，经统计分析，存在运行风险的管段总长度为59.75km，占现状管网总长度的3.98%。从风险类型来看，管网运行的风险以旱天的外水入渗和管道的淤积风险为主，如表所示。
表 2   管网运行风险统计
排水分区
管网风险长度/km
淤积风险
过载风险
外溢风险
降雨入流风险
外水入渗风险
1
9.27
2.14
2.14
2.82
4.10
2
1.30
0.30
1.17
0.87
1.74
3
1.50
0.38
0.08
1.50
2.55
4
6.94
1.93
1.23
2.31
5.79
5
1.23
0.65
0.26
1.59
4.97（工、企业水）

4.小结

排水管网是城市排水的通道，管网运行状态直接决定了城市排水的能力。由于管网系统的隐蔽性、复杂性和时变性等特点，管网运行过程中存在的风险很难由人工进行快速识别，需要多点位、连续的数据支持风险识别，如果不采用在线监测分析就会导致排水管网的运行风险无法预防，管网系统存在的问题往往在出现之后才会被发现，被动采取措施，只能“亡羊补牢”，而无法“未雨绸缪”。
基于在线监测方法，可以有效识别排水管网运行风险，在未发生大的问题前及时处理风险，避免溢流、淤积、混流等问题的积累和出现。本文对液位数据、流速数据、流量数据的分析方法进行了讨论，提出了分析思路，并以案例进行说明，希望能对工程实践提供参考。【参见：排水在线监测预警预报怎么做—智慧排水之乱弹（128）】   

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