基于水位監測的雨水系統管道運行狀態診斷研究

沈偉康，滕嚴婷

（1.上海市自由貿易試驗區保稅區城市建設管理事務中心,上海市200131；2.同濟大學 環境科學與工程學院,上海市 200092）

防洪排水

基于水位監測的雨水系統管道運行狀態診斷研究

沈偉康1，滕嚴婷2

（1.上海市自由貿易試驗區保稅區城市建設管理事務中心,上海市200131；2.同濟大學 環境科學與工程學院,上海市 200092）

提出了一種基于檢查井水位在線監測進行雨水系統管道運行狀態診斷研究的方法。通過在一定距離管道上下游檢查井安裝在線液位設備,監測上下游檢查井液位,并推算相應管道的充滿度,進而通過管道水力學分析推算上下游管道流量。根據上下游管道流量差和所掌握的管道現狀拓撲關系,可以判斷該段管道上是否存在未知的流量接入或滲漏情況,為進一步通過CCTV等設備檢查管道健康狀況提供決策支持,減少運行維護成本,并提供異常狀況預警的及時性。通過設計流量監測和現場設備安裝,經對研究實例所采集數據的初步分析,證明了本方法的有效性。

雨水系統;水位監測;狀態診斷；檢查井；安全運行

1 概述

在城市建設進程中,雨污水管網系統的不斷擴建和完善,同時也導致了排水系統的結構日趨復雜,出現管網拓撲結構、管道物理狀況不明,泵站水廠服務邊界不清等系列問題[1],影響了排水系統的合理高效運行。造成排水管網系統問題的主要因素如下:

（1）雨污混接。雨污混接是現階段我國城市排水管網運行管理中存在的典型問題。城市的排水系統經過多年建設,特別是老城區改造過程中,排水管網連接復雜,容易導致混接現象發生,造成城市污水收集系統產流來源及關系復雜,污水量波動較大。同時,在污水管網建設過程中,施工單位并未嚴格按圖紙施工,致使雨污管道施工接入混亂。此外,一些較早建成的生活小區,雨污混流情況則更加嚴重[2,3]。

（2）地下水和內河入滲。上海地處長江入海口,地下水位較高,內河密布。由于建設周期不同,排水管道狀況存在較大差異,且存在眾多過河倒虹管道,部分老舊管道由于地面沉降、管節爆裂、土體穩定性等問題,引起管道產生裂縫或破損,致使地下水和內河滲入雨水管道,對雨水泵站的調度運行產生較大影響[4]。

由于目前排水管網系統的結構及運行狀態等問題,仍以主區域分階段普遍排查為主要方式,人力物力資源投入較大。大范圍流量計在線監測,可為進一步提高管網運行管理效率[5],形成更為科學的管網運行診斷技術體系。因此,以在線水位監測結合水力分析為主要手段,開展污水管網運行狀態系統診斷與對策研究。

2 方法原理介紹

2.1 檢查井水位與其上下游管道水深的關系分析

從圖1中可以看出,檢查井水位與其上下游管道水深存在如下關系:

式中:h1為上游管道水深,m；h2為下游管道水深, m；H為檢查井水深,m；a為上游管道偏移量,m；b為下游管道偏移量,m。

圖1 檢查井水位與其上下游管道水深關系示意圖

通過安裝窨井液位計對檢查井水位進行監測,得到檢查井水深,由檢查井水深減去其上下游管道偏移量即可求得其上下游管道的水深。

2.2 管道水深與流量的關系

在測算獲得上下游管道水深后,可根據非滿流管渠水力計算原理[6],由排水圓管（直徑為d）水深h推求管道流量Q:

式中:Q為管道流量,m3/s；n為管道粗糙系數；A為過水斷面面積,m2；I為水力坡度；R為水力半徑,m。

2.3 基于管道上下游檢查井水位的管道漏損分析

通過建立檢查井水位與管道流量之間的數學關系Q=f（H）,即可由監測直接獲取的檢查井水位值,通過上述計算式求得各檢查井上下游管道的流量。圖2為管道上下游檢查井示意圖。

圖2 管道上下游檢查井示意圖

根據流量連續性方程,管道上游進流量Q1與管道下游出流量Q2的差值應等于管道中蓄水量的變化速率,即:

式中:Q1為管道上游進流量,m3/s；Q2為管道下游出流量,m3/s；S為管道的蓄水量,m3；t為時間,s。

旱流情況下,若管道中無支管接入,則引起管道蓄水量變化的因素有:管道滲漏量、地下水滲入量、雨水滲入量（雨季）等。根據式（4）:

若計算值為負,則管道滲入量大于滲出量；若計算值為正,則管道滲入量小于滲出量。

若管道中有支管接入,則引起管道蓄水量變化的因素除管道滲漏量、地下水滲入量、雨水滲入量（雨季）以外,還有支管的流量。

式中:Σq為所有接入支管流量之和。

支管流量可通過24 h流量監測獲取水量變化規律,以此計算得到24 h累計流量。

基于上述原理,對于無支管接入的管道,當通過設備測得上下游檢查井水位后,即可通過水力分析,推算該段管道內的流量變化,從而判斷該段管道的健康狀況是否正常,即是否存在地下水的滲入或者不明流量的接入等。

3 水位監測設備安裝

根據雨水檢查井的埋深情況,可分別選擇在檢查井壁安裝超聲波液位計（見圖3）和壓力式液位計（見圖4）進行檢查井水位監測。結合排水管道施工竣工圖紙,以一定長度（本研究中設為300 m）的排水管道作為一個基本監測單元開展漏損監測,同時配備2臺窨井液位計和一名操作人員,監測周期為24 h。

圖3 超聲波窨井液位計現場安裝圖

4 研究實例

以SH市某區域雨水管網為研究對象,該區域雨水管道總長為20.19 km,最終匯入WGQ第四雨水泵站,最大雨水管渠管徑為1 500 mm。基于上述原理,制定了雨水系統監測方案,并針對其中富特東二路沿線雨水管線實施了設備安裝與監測（見圖5、圖6）。

圖5 試驗區排水監測方案

圖6 監測設備安裝點位示意圖

2017年4月7 日11:00至4月9日 10:30期間,監測點74#（對應31#檢查井）、73#（對應28#檢查井）的水位數據及據此推算的上下游管道流量如圖7、圖8所示。由圖中可以明顯看出兩場降雨期間（4月7日23:00至4月8日06:00;4月9日3: 00-9:40）,上下游管道中流量具有較明顯的差異。經調查,造成這種流量差異的因素除兩個監測點之間的雨水口匯入外,尚存在一個雨水支管接入31#與28#檢查井,導致降雨時下游流量有明顯增加。以上實例說明了利用檢查井水位監測推算上下游流量差異的有效性,從而可以據此方法查找未能明確的流量接入或者地下水滲入等情況。

圖7 檢查井監測液位變化

圖8 管道流量變化

5 結論與建議

雨水管網系統隨著運行時間的增加,出現破損、滲漏等狀況的可能性也隨之增大。此外,由于目前我國排水系統普遍存在基礎資料不夠完善、錯接混接等現象普遍的情況,如何及時監控管網中水位變化,并據此診斷分析出雨水管渠中可能存在的管道破損或混接等問題,從而采取及時有效的措施進行處理和修復,對于維護地下排水系統運行安全、避免因污水錯接經雨水系統外排,從而保護水體環境具有重要意義。本研究提出基于雨水檢查井液位在線監測的管道運行狀態診斷方法,可以初步判斷兩監測檢查井之間的管道的流量變化關系,避免了耗時耗力的大面積排查,為診斷管道健康狀況尤其是及時發現運行過程中管道內部可能的異常流量提供有效的決策支撐。

[1]張厚強,尹海龍,金偉,等.分流制雨水系統混接問題的調研技術體系[J].中國給水排水,2008(14):95-98.

[2]李田,周永潮,馮倉,等.分流制雨水系統雨污混接水量的模型分析[J].同濟大學學報:自然科學版,2008(9):1226-1231.

[3]李田,周永潮,李賀,等.基于流量調查的分流制雨水系統診斷研究[J].中國給水排水,2007(7):1-5.

[4]吳文俊.老城區排水管網收集技術研究[D].北京:清華大學, 2010.

[5]雷景峰.水位監測信息系統在排水管網管理中的應用[J].中國給水排,2010(20):45-48.

[6]嚴煦世,劉遂慶.給水排水管網系統（第三版）[M].北京:中國建筑工業出版社,2014.

TU990.3

B

1009-7716（2017）07-0084-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.025

2017-03-16

沈偉康（1962-）,男,浙江寧波人,工程師,從事市政設施建設管理工作。