我國城市建設(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)和污水處理廠的運行均要面對極大的挑戰(zhàn).

　　針對管網(wǎng)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(zhì)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(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)在各個領(lǐng)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(yīng)用[19, 20]，基于物聯(lián)網(wǎng)的在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)多點同步、 多指標的在線同步網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜多源排放過程的污水水量水質(zhì)波動所反映的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行問題. 基于物聯(lián)網(wǎng)高密度在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)分析診斷將會給復(fù)雜污水管網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)液位、 流量等水力指標和電導(dǎo)率等水質(zhì)指標的多點在線同步監(jiān)測，并結(jié)合連續(xù)監(jiān)測數(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行特征，識別關(guān)鍵的參數(shù)指標和變化規(guī)律，以期為污水管網(wǎng)的優(yōu)化運行管理提供技術(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(jīng)常處于超載狀態(tài).

　　1.2 污水管網(wǎng)在線監(jiān)測方案

　　如圖 1所示，為了獲取小區(qū)域管網(wǎng)多點同步運行特征，在研究區(qū)域管網(wǎng)的污水干管上游、 主要支管各設(shè)置一個監(jiān)測點，污水干管下游設(shè)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(dǎo)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(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，對旱流水質(zhì)波動和降雨影響有靈敏的響應(yīng)，并且測量迅速方便，可作為水質(zhì)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(wǎng)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(guān)性分析、 多點耦合解析等數(shù)據(jù)解析方法，對反映管網(wǎng)運行特征的參數(shù)波動規(guī)律、 水量水質(zhì)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(yīng)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(nèi)的季節(jié)波動，并以一天為周期，觀察日內(nèi)各時刻液位、 流量、 電導(dǎo)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(wǎng)問題的對應(yīng)關(guān)系. 按照季節(jié)特征將一年分為降雨量大、 中、 小這3個時期，分別統(tǒng)計分析管網(wǎng)液位、 電導(dǎo)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(jié)果與討論

　　2.1 污水管網(wǎng)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(zhì)變化特征如圖 2所示，結(jié)果表明管網(wǎng)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(nèi)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(dǎo)特征不明顯，個別點位波動幅度略有變化. 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(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，流量波動幅度相似、 水質(zhì)波動幅度更小.

　　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(fù)為正值. 而高液位情況下電導(dǎo)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(zhì)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(dǎo)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(wǎng)特征. 結(jié)合不同季節(jié)降雨強度對水量水質(zhì)波動的影響情況進行統(tǒng)計描述，結(jié)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(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，這表明降雨量大會導(dǎo)致管網(wǎng)長期處于高液位狀態(tài).

　　圖 4 不同時期液位、 電導(dǎo)率統(tǒng)計分布

　　從圖 4水質(zhì)波動變化結(jié)果可以看出，降雨量小時電導(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)了低液位運行情況下生活污水水質(zhì)波動特征，不存在明顯入流問題; 降雨量中等時，電導(dǎo)率呈平均分布，說明這種情況下管網(wǎng)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(dǎo)率出現(xiàn)主要集中分布在750-1 000 μS ·cm-1的現(xiàn)象，這說明此時管道長期高液位狀態(tài)導(dǎo)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(yīng)影響顯著.

　　2.3 降雨過程對管網(wǎng)瞬時運行特征影響

　　降雨過程對管網(wǎng)液位、 流速、 電導(dǎo)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?xí)�出現(xiàn)倒流現(xiàn)象; 電導(dǎo)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(dǎo)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(wǎng)，降雨后整體特征與合流制管網(wǎng)類似，但由于雨污混接點位不確定，導(dǎo)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(dǎo)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(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平緩，而雨天受雨水入流影響明顯，雨后短時間內(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)果受降雨過程對管網(wǎng)液位瞬時影響所致. 同樣選取晴天水質(zhì)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(zhì)變化率分布特征解析，結(jié)果表明晴天時的污水電導(dǎo)率變化率較大，這是因為特征時段內(nèi)電導(dǎo)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(yīng)以及液位升高，使得污水電導(dǎo)率變化速率較慢，這與高液位時電導(dǎo)率波動分布特征一致，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 雨量雨型對動態(tài)波動特征影響

　　管網(wǎng)工況條件、 雨量雨型不同均會對水量水質(zhì) 波動產(chǎn)生顯著影響[25]，考察響應(yīng)液位(液位開始顯 著上升時的臨界)、響應(yīng)時間(降雨開始至指標響應(yīng)的時間間隔)、 累積雨量(降雨開始至指標響應(yīng)此段時間內(nèi)的累積降雨總量)之間的相關(guān)性，結(jié)果如圖 7(監(jiān)測點C)所示. 從中可以看出低液位時降雨后響應(yīng)液位分布集中在240 mm附近，響應(yīng)時間分散，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，主要與降雨強度和雨型有關(guān)，結(jié)果說明在液位達到240 mm之前，管網(wǎng)調(diào)蓄能力發(fā)揮作用，液位緩步上升，當液位達到240 mm臨界值時，管網(wǎng)調(diào)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(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)時間的變化. 低液位時電導(dǎo)率響應(yīng)較靈敏，響應(yīng)時間也均在200 min以下，響應(yīng)累積雨量介于2-4 mm之間，表明低液位時雨水入流量對水質(zhì)影響的響應(yīng)更加靈敏. 而高液位時的液位響應(yīng)更為靈敏，響應(yīng)時間非常短，均在30 min以下，響應(yīng)累積雨量分布在5 mm以下，這是因為高液位時管網(wǎng)已超負荷運行，失去調(diào)蓄能力，發(fā)生入流就會很快發(fā)生響應(yīng). 但高液位狀態(tài)電導(dǎo)率的響應(yīng)時間較液位長，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，這表明高液位時管網(wǎng)可入流容量受限，雨水入流對水質(zhì)影響也減弱.

　　圖 7 響應(yīng)時間、 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)運行特征庫構(gòu)建

　　基于長期在線監(jiān)測，結(jié)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(gòu)建混流制管網(wǎng)運行特征庫(表 1)，為管網(wǎng)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(dǎo)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(jié)，并據(jù)此可以實現(xiàn)對管網(wǎng)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.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

表 1 混流制管網(wǎng)運行特征庫

　　3 結(jié)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(wǎng)運行特征，混流制管網(wǎng)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(zhì)多點同步性差異較大. 晴雨天液位、 電導(dǎo)率變化率分布特征差異明顯. 雨天較晴天時的液位變化率顯著增大，而特定時段電導(dǎo)率變化率顯著減小. 降雨過程對管網(wǎng)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(dǎo)率響應(yīng)更靈敏，高液位時液位響應(yīng)更靈敏，低液位時管網(wǎng)調(diào)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(chǔ)流量對降雨時的液位響應(yīng)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(wǎng)不同情景下的運行特征庫，能夠?qū)崿F(xiàn)管網(wǎng)運行特征的實時在線診斷.