污水管網(wǎng)典型混流制區域水量水質(zhì)波動(dòng)特征解析

我國城市建設早期污水收集多采用合流制，而新建城區均采用分流制，但在老城區的分流制改造以及新城區的不斷擴建過(guò)程中，由于管網(wǎng)底帳不清、 管道私接等原因，雨污管網(wǎng)混接現象嚴重，很多城市污水管網(wǎng)均呈現典型混流制特征[1, 2]. 混流特征污水管網(wǎng)存在著(zhù)復雜的多源入流入滲、 CSO/SSO等問(wèn)題，尤其是在雨季條件下，污水管網(wǎng)和污水處理廠(chǎng)的運行均要面對極大的挑戰.

　　針對管網(wǎng)混接問(wèn)題的檢測與維護，目前主要還以人工非連續方法為主，主要包括直接的人工直觀(guān)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(yíng)養鹽監測法[8]、 特征有機物監測法[9, 10, 11, 12]、 細菌濃度監測法[13, 14]等. 而近年隨著(zhù)計算機技術(shù)發(fā)展和GIS技術(shù)的推廣應用，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雜管網(wǎng)混流問(wèn)題.

　　然而，近年隨著(zhù)在線(xiàn)監測技術(shù)[17, 18]、 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數據分析技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的集成發(fā)展，其在排水系統的運行管理方面也開(kāi)始有一些嘗試和應用[19, 20]，基于物聯(lián)網(wǎng)的在線(xiàn)監測網(wǎng)絡(luò )，可以實(shí)現多點(diǎn)同步、 多指標的在線(xiàn)同步網(wǎng)絡(luò )監測，大大提高了監測信息的數量和效率; 而基于大數據的全樣本數據分析方法[21, 22]，也能夠更有效解析復雜多源排放過(guò)程的污水水量水質(zhì)波動(dòng)所反映的管網(wǎng)結構和運行問(wèn)題. 基于物聯(lián)網(wǎng)高密度在線(xiàn)監測數據的連續分析診斷將會(huì )給復雜污水管網(wǎng)混流問(wèn)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)區域為對象，通過(guò)建立多點(diǎn)同步在線(xiàn)監測系統，實(shí)現對污水管網(wǎng)液位、 流量等水力指標和電導率等水質(zhì)指標的多點(diǎn)在線(xiàn)同步監測，并結合連續監測數據的分析，解析混流制污水管網(wǎng)復雜多源漏滲情況下的基本運行特征，識別關(guān)鍵的參數指標和變化規律，以期為污水管網(wǎng)的優(yōu)化運行管理提供技術(shù)基礎支持.

　　1 材料與方法

　　1.1 研究區域概況

　　選擇典型混流制污水管網(wǎng)區域，區域服務(wù)面積約為0.63 km2，服務(wù)人口約為0.41萬(wàn)人，上游有一個(gè)一級泵站，下游有一個(gè)二級泵站. 該地區多為居住、 商業(yè)用地，地勢較低，區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(cháng)破損程度不明、 老城區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(xiàn)監測方案

　　如圖 1所示，為了獲取小區域管網(wǎng)多點(diǎn)同步運行特征，在研究區域管網(wǎng)的污水干管上游、 主要支管各設置一個(gè)監測點(diǎn)，污水干管下游設置兩個(gè)監測點(diǎn)，建立了區域小尺度監測系統，對液位、 流量(HACH AV9000)、 電導率(中宜PLOC-100)、 雨量(HACH 950)進(jìn)行實(shí)時(shí)同步在線(xiàn)監測，液位、 流量是直觀(guān)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(zhì)波動(dòng)和降雨影響有靈敏的響應，并且測量迅速方便，可作為水質(zhì)表征指標. 數據實(shí)時(shí)傳輸，監測時(shí)間間隔為15 min，監測時(shí)間2 a.

　　圖 1 研究區域及監測點(diǎn)示意

　　1.3 基于連續監測的管網(wǎng)運行特征解析方法

　　本研究采用了時(shí)間序列季節分析法、 頻率分布統計、 相關(guān)性分析、 多點(diǎn)耦合解析等數據解析方法，對反映管網(wǎng)運行特征的參數波動(dòng)規律、 水量水質(zhì)變化速率等進(jìn)行研究. 季節變動(dòng)分析法[21]是對于每一周期相應的單元取平均，即基于時(shí)間序列連續變化觀(guān)察平均值，進(jìn)而獲得一個(gè)周期內的季節波動(dòng)，并以一天為周期，觀(guān)察日內各時(shí)刻液位、 流量、 電導率的連續變化規律. 同時(shí)基于多點(diǎn)同步監測數據，進(jìn)行參照點(diǎn)位間隔的差值比較分析，挖掘不同監測點(diǎn)的同步特征與管網(wǎng)問(wèn)題的對應關(guān)系. 按照季節特征將一年分為降雨量大、 中、 小這3個(gè)時(shí)期，分別統計分析管網(wǎng)液位、 電導率波動(dòng)的頻率分布特征[22]，比較雨天、 晴天分布特征差異.

　　2 結果與討論

　　2.1 污水管網(wǎng)旱流多點(diǎn)同步日變化規律

　　典型旱季各監測點(diǎn)水量水質(zhì)變化特征如圖 2所示，結果表明管網(wǎng)不同點(diǎn)位的液位、 流量變化規律相似，均在夜間04:00左右達到谷值，一天內兩個(gè)峰值分別位于10:00-12:00和21:00-22:00，不同監測點(diǎn)間同步性好，不同位置間的波動(dòng)傳導特征不明顯，個(gè)別點(diǎn)位波動(dòng)幅度略有變化. 分析以電導率為代表的水質(zhì)變化特征，結果表明不同點(diǎn)位間的水質(zhì)變化特征也呈現較好的同步特征，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，最大峰值出現在12:00-16:00，夜間小峰值出現在晚間24:00左右. 水量水質(zhì)波動(dòng)特征的差異主要體現了區域用水規律和排放污水類(lèi)別特征，與深圳老城區混流制管網(wǎng)的研究結果[23]相比，水質(zhì)變化規律一致，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)變化規律相似，均主要受居民用水習慣影響，而波動(dòng)幅度則主要受區域用水特性影響，本研究中流量平均時(shí)變化系數為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(wǎng)研究結果[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、 電導率日變化規律

　　該區域管網(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律分析結果如圖 3所示，與正常旱流日變化規律相比，液位谷值和晚高峰值依然明顯，但午間液位升高后無(wú)退峰變化，液位持續保持較高水平. 高液位旱流狀態(tài)在高液位時(shí)段會(huì )出現倒流現象，這是因為液位較高時(shí)，由于下游雍水作用，管道過(guò)流能力減弱，致使倒流現象發(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(dòng)范圍收窄，規律性變得不明顯，這可能是因為高液位情況下管道污水滯留時(shí)間長(cháng)，使得水質(zhì)變化幅度變小，并且多點(diǎn)同步性降低，A點(diǎn)全天保持穩定，B點(diǎn)在早間08:00左右達到峰值，晚間00:00左右達到谷值，C、 D點(diǎn)全天波動(dòng)較為頻繁.

　　圖 3 高液位、 流量、 電導率旱流日變化規律

　　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，雨季和旱季對旱流均值影響很大，尤其是持續降雨時(shí)間和強度對季節平均旱流影響較大，雨季持續滿(mǎn)管流時(shí)間較長(cháng)，呈現出較顯著(zhù)的合流管網(wǎng)特征. 結合不同季節降雨強度對水量水質(zhì)波動(dòng)的影響情況進(jìn)行統計描述，結果表明各時(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，較大液位值出現概率高，分布非常集中，這表明降雨量大會(huì )導致管網(wǎng)長(cháng)期處于高液位狀態(tài).

　　圖 4 不同時(shí)期液位、 電導率統計分布

　　從圖 4水質(zhì)波動(dòng)變化結果可以看出，降雨量小時(shí)電導率左偏態(tài)分布明顯，這一特征與管網(wǎng)低液位旱流特征一致，體現了低液位運行情況下生活污水水質(zhì)波動(dòng)特征，不存在明顯入流問(wèn)題; 降雨量中等時(shí)，電導率呈平均分布，說(shuō)明這種情況下管網(wǎng)既會(huì )出現高液位運行狀態(tài)，也可能保持低液位運行狀態(tài)，存在較高的入流現象發(fā)生概率; 降雨量大時(shí)，電導率出現主要集中分布在750-1 000 μS ·cm-1的現象，這說(shuō)明此時(shí)管道長(cháng)期高液位狀態(tài)導致生活污水長(cháng)期滯留，并且存在高概率管道倒流和溢流問(wèn)題，而波動(dòng)較大的現象說(shuō)明區域管段受到降雨初期沖刷與稀釋效應影響顯著(zhù).

　　2.3 降雨過(guò)程對管網(wǎng)瞬時(shí)運行特征影響

　　降雨過(guò)程對管網(wǎng)液位、 流速、 電導率的瞬時(shí)變化特征影響如圖 5所示，可以發(fā)現每次降雨事件中，液位都會(huì )顯著(zhù)上升，污水流速會(huì )顯著(zhù)降低，下游雍水作用明顯，甚至會(huì )出現倒流現象; 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(shuō)明該區域雨污混接問(wèn)題嚴重，入流、 溢流問(wèn)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(lèi)似，但由于雨污混接點(diǎn)位不確定，導致不同點(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)樨撝?流量差變?yōu)樨撝?，表明兩點(diǎn)之間存在雨水入流點(diǎn)，同時(shí)水力坡度變?yōu)樨撝?下游D點(diǎn)液位反而高于上游C點(diǎn)液位)，說(shuō)明兩點(diǎn)之間出現倒流情況. 此外，降雨中C、 D點(diǎn)電導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(shuō)明兩點(diǎn)之間存在高概率入流問(wèn)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(shí)間內管網(wǎng)液位迅速變化，因此雨天較高液位變化率出現概率較高，這一結果受降雨過(guò)程對管網(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，結果表明晴天時(shí)的污水電導率變化率較大，這是因為特征時(shí)段內電導率常表現為每日的規律性的波動(dòng)，而雨天時(shí)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(shí)電導率波動(dòng)分布特征一致，體現了雨天比較明顯的管網(wǎng)入流問(wèn)題特征，旱流明顯的水質(zhì)波動(dòng)特征被減弱.

　　圖 6 液位和電導率變化率分布

　　2.5 雨量雨型對動(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 )對水量水質(zhì) 波動(dòng)產(chǎn)生顯著(zhù)影響[25]，考察響應液位(液位開(kāi)始顯 著(zhù)上升時(shí)的臨界)、響應時(shí)間(降雨開(kāi)始至指標響應的時(shí)間間隔)、 累積雨量(降雨開(kāi)始至指標響應此段時(shí)間內的累積降雨總量)之間的相關(guān)性，結果如圖 7(監測點(diǎn)C)所示. 從中可以看出低液位時(shí)降雨后響應液位分布集中在240 mm附近，響應時(shí)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(guān)，結果說(shuō)明在液位達到240 mm之前，管網(wǎng)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(shí)，管網(wǎng)調蓄能力達到極限，如果繼續發(fā)生入流，液位就會(huì )迅速上升，導致雍水、倒流現象發(fā)生，雨量雨型直接影響液位上升速率和響應時(shí)間的變化. 低液位時(shí)電導率響應較靈敏，響應時(shí)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(shí)雨水入流量對水質(zhì)影響的響應更加靈敏. 而高液位時(shí)的液位響應更為靈敏，響應時(shí)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(shí)管網(wǎng)已超負荷運行，失去調蓄能力，發(fā)生入流就會(huì )很快發(fā)生響應. 但高液位狀態(tài)電導率的響應時(shí)間較液位長(cháng)，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(shí)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 響應時(shí)間、 累積雨量與響應液位相關(guān)分析

　　2.6 基于大數據解析的管網(wǎng)運行特征庫構建

　　基于長(cháng)期在線(xiàn)監測，結合連續數據解析方法處理得到不同指標分布特征、 動(dòng)態(tài)波動(dòng)特征和不同監測點(diǎn)特異性特征，構建混流制管網(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據和信息支持. 基于多指標、 多點(diǎn)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(cháng)期分布特征以及多點(diǎn)同步特征進(jìn)行了總結，并據此可以實(shí)現對管網(wǎng)存在的入流、 倒流問(wèn)題的定性診斷.

表 1 混流制管網(wǎng)運行特征庫

　　3 結論

　　基于多點(diǎn)協(xié)同連續在線(xiàn)監測的數據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(shí)日變化規律明顯、 多點(diǎn)同步性較好，旱流高液位時(shí)流量日變化規律依然明顯，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(zhù)增大，而特定時(shí)段電導率變化率顯著(zhù)減小. 降雨過(guò)程對管網(wǎng)瞬時(shí)運行特征影響顯著(zhù)，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)電導率響應更靈敏，高液位時(shí)液位響應更靈敏，低液位時(shí)管網(wǎng)調蓄能力達到極限時(shí)的臨界液位存在規律性，雨量雨型、 旱季基礎流量對降雨時(shí)的液位響應時(shí)間影響顯著(zhù). 采用多指標多點(diǎn)協(xié)同在線(xiàn)監測，通過(guò)建立混流制管網(wǎng)不同情景下的運行特征庫，能夠實(shí)現管網(wǎng)運行特征的實(shí)時(shí)在線(xiàn)診斷.