管道沉积物管理与智慧排水应用场景
导 读:基于流域、水文、水力条件的复杂性，排水系统是个随机性很强的巨型网络，传统的认知和管理手段都有局限，管道沉积物管理是智慧排水系统的重要应用场景，对以排水沉积物管理为核心的智慧排水系统的架构和关键技术做了分析。“源-网-厂-河”一体的智慧管理必将为增强排水系统韧性和改善城市水环境创造更好的条件。
引用本文：马念,徐永新,吴欢，等. 管道沉积物管理与智慧排水应用场景研究［J］. 给水排水，2023，49（9）：144-150.
01、排水管道沉积物是污染物的
“汇”和“源”
1.1 对管道沉积物的基本认识
排水管道沉积物是指排水管道里面，以悬浮态被水输移或沉积于管底的固体物质，是管道内有可能沉积的所有物质的总和。相对的非沉积物指管道内不可析出的溶解性物质及不可能沉积（Never settle）的微小颗粒物质。
管道沉积物主要有3种类型：A类，底层粗颗粒沉积物 (Gross bed sediment,GBS)：粗糙、松散的颗粒物, 对水力冲击有很强的抵抗能力；C类，有机层(Organic layer,OL)：位于水-沉积物交界面处，表现很强的生化特性；D类，位于管道壁上的生物膜(Bio-film)：由覆盖在有机质上的微生物层构成，具有很强的活性。
管道沉积物有两大来源。一是来自地表径流，地表沉积物经径流冲刷后进入排水管道，主要是泥沙和携带的污染物；二是来源于污水系统，由冲厕、洗浴、洗涤等生活活动产生，包括各种大型固体、各种卫生弃物和微小的有机或无机颗粒，富含有机物物质并具有粘滞性。
沉积物整体呈无机特性，GBS表现无机性，OL和 Biofilm表现有机性，大多数污染物（约87%~98%）存在于GBS中，OL（2%~13%）和Biofilm中（1%）污染物含量很小，但OL层易于被冲刷悬浮，雨天的溢流污染主要来源于OL。
1.2 沉积物在排水管道中的运移及反应
研究发现，管道沉积物一般分布在管道系统中一些水力不连续点（Points of discontinuity，如转弯变坡点、管道交汇点、障碍物或检查井附近等），由于流态变化、能量耗散，水流携带能力剧烈下降，这些位置沉积物大量积累。
受降雨等季节性水文条件或污水排放等影响，排水管道水力条件（流量、流速等）会经常性变化，导致管道内沉积（Deposition）和冲刷（Erosion）作用周期性交替发生。临界剪切力（Critical shear stress）包括临界沉降剪切力（τcd）和临界冲刷剪切力（τce）：当管内流体剪切力（Bed shear stress）τ≤τcd时，沉积物形成；当τ≥τce时，沉积物被冲刷悬浮；而当τcd≤τ≤τce，沉积物处于稳定状态，既不发生沉积也不发生冲刷。沉积物耐冲刷性取决于旱季时长、形成的环境条件等因素；而冲刷效果取决于冲刷频率、冲刷开始的时间等冲刷特性。
在排水管道内还存在着絮凝、沉淀等物理化学作用以及微生物过程。微生物过程同时发生在水体悬浮微生物、管壁生物膜和管底沉积物之中，且以沉积物（管壁生物膜、底床沉积物）中的反应为主，微生物过程促进有机物去除或生物降解，同时可能产生硫化氢或甲烷等有害气体。因此，排水管道不仅是输送水和各种物质的通道，也是物理、化学、生物过程的反应器。
1.3 管道沉积物的环境影响
1.3.1 对管道系统的影响
排水管道沉积物在欧美较早被研究，国内近年也开始关注。不同排水体制下沉积物形成的机理和运移规律有差异，水文、水力条件（管道特性）的影响也非常大。对北京部分城区、广州市排水管道的调研发现分别有60%、75%排水管道中存在不同程度的沉积物, 沉积量较大到堵塞占15%、17%以上。金鹏康等对9个典型城市区域抽样调查表明，80%管道有沉积现象，合流制排水管道86.8%有沉积物，分流制污水管这一比例是71.4%。
管道沉积物在管道底部构成一个固定底床，减小了过水断面，同时会成倍增加水流阻力，使管道过水能力大大降低，增加了合流制管网或污水管网溢流机会或造成城市内涝；产生的有毒有害气体（如H2S）不但腐蚀管道，降低管道的使用寿命、增加漏损机会，也对管养工作造成威胁。
1.3.2 对污水处理厂的影响
沉积物中微生物作用和物理过程，使污水中有机污染物和N、P等浓度发生变化，使污水处理厂实际处理水质与按用户出水确定的设计参数存在差别，特别是影响污水处理厂的碳源，进而降低城市污水处理厂的处理效率。加上水力波动本身，对污水处理厂的工艺参数选择和运行稳定性也相当不利。长距离输送的污水管网影响更大。
1.3.3 对水体的影响
管道沉积物增加了污水系统溢流（SSO）或合流制系统溢流（CSO）向水体释放污染物沉积物中的污染物在暴雨流量冲刷下大量释放并在短时间内进入水体，会对受纳水体会造成冲击负荷。据CHEBBO估计，积存于沉积物的污染物通过CSO造成的年污染负荷的20%左右，而在一次平均水平或强降雨中，再悬浮的沉积物贡献了30%~45%的SS和40%~80%的有机污染物；GROMAIRE对巴黎30场雨的研究表明，流域下游30%~80%的SS、VS、COD、BOD5源自管内污染物。徐尚玲对北京市某区域管道沉积物在降雨期间的污染物贡献率的研究，结果为：TN 20.9%～44.6%，TP 35.66%～47.3%，COD 46.2%～48.8%，SS 35.7%～79.7%。大量污染物进入水体，短时间内消耗水中溶解氧，使水质急剧恶化，对水生生态系统造成极大破坏，造成水体雨天黑臭等现象。
1.4 排水管道沉积物是污染物“汇”和“源”
可见，排水管道既是污染物的输送通道，也是污染物的存储器和反应器。从年度周期规律看，管道沉积物在雨季的某几场暴雨后开始迅速形成，进入旱季沉积速度减慢并逐步形成稳定底床，但污染物在旱季却开始大量积累；等到下一个雨季之初，积存于沉积物中的污染物会被冲刷释放出来。因此管道沉积物既是污染物的“汇”，又是污染物的“源”。管道沉积物改变了排水系统污染物的时空分布，给排水系统的管理带来巨大的挑战。
02、管道沉积物的管理框架
2.1 管道沉积物的认知与管理现状
2.1.1 沉积物问题的复杂性
掌握沉积物的来源、形成和迁移规律、分布特征和沉积物特性等信息是管理的基本条件。城市排水系统是一个结构复杂、规模庞大的巨型网络，各种复杂性使管道沉积物问题随机性很强。流域或汇水区、水文条件复杂性、管道特性和水力条件造成沉积物来源与总量、径流特征和沉积物地表过程、管道沉积物的构成和特性以及分布差异非常大。
山地城市排水管道坡度较大、平均流速快，一般认为不容易沉积。但实际调查中仍然发现大量的沉积物，主要集中在平缓段和水力条件改变的管段。尽管其机理有待进一步研究，但可以确定高流速形成高冲刷能力的同时也形成高携带能力，沉积物的来源量更大；管道水力条件变化幅度大，流速降低或能量耗散后，沉积物就会形成。因此，水力条件的变化幅度可能是沉积物形成的主要原因。
2.1.2 现有的认知方法
欧洲20世纪90年代已经开始进行广泛、系统、持续的研究，2010年之后国内高校和学者关注到排水管道沉积物问题。研究方法总体上有三类：
（1）实地研究（Field research），多区域、长时间、大范围实地调查和现场试验。比如布鲁塞尔研究会通过现场研究对管道沉积物来源、产生和管道过程进行了全面的研究，具有里程碑式的意义；对沉积物管控设施的试验也是现场研究的重点。国内的现场研究成果主要集中在不同背景下对沉积物污染特性的取样调查，对管道沉积物溯源及环境影响认知有重要意义。
（2）实验室模拟（Laboratory simulation）。采用各种管渠试验（Flume experiment）模拟实际排水管道系统。用实际污水研究沉积物的管道过程、微生物作用及其对水质的影响；或以各种单一或复合替代物（Surrogate）模拟沉积物，研究各种材质和断面条件下的沉积、冲刷、运行规律。管渠试验能够避免实际系统中复杂的水文、水力条件干扰，但环境及试验条件较理想化。
（3）数学模型模拟（Model simulation）。利用数学模型和排水系统或管渠试验数据，对沉积物行为进行定量研究，模拟沉积物的污染释放及其对环境的影响。MIKE+ST、Infowork CS、SWMM等一些商用模型工具被应用于不同的水文、水力条件和沉积物特性条件。
近年来，机器学习、人工智能等新方法也被用作决策工具以提高模型的能力，简化输入条件，或者提高精度或可信度，也为智慧化管理探索道路。
2.1.3 管理现状
（1）规范与标准。发达国家对管道沉积物管理有系统的研究和成文的管理规范或指南。国家标准《室外排水设计标准》5.1.7、5.2.7 4、5.4.16等条文中提及管道沉积物问题，对解决淤积或清淤措施也做了一定的要求，但相关的理论基础、技术体系、设计参数等并不详细。总体来说国内工程界及管理部门对管道沉积物的认知尚不够系统、全面，规范、标准和制度均不完善。设计标准也没有将沉积物作为工程计算的因素；标准、规程涉及沉积物的相关规定也多是出于管道系统自身功能的考虑而没有考虑,环境影响，因而管理目标有局限性。
（2）各城市的实践。一些城市为防止排水管道淤积，每年要对排水管道开展两次或以上清淤工作，并针对不同管道有不同的清淤要求，近年来，国内一些城市对管道沉积物的处理、处置方法也做了一些探讨和尝试。但总体上对排水管道沉积物及其规律认知不够，管理体系不够系统，管理缺少数据支撑。
2.2 山地城市排水管道沉积物管理框架
2.2.1 概念模型
埋于地下的排水管道系统并不是一个孤立的“黑箱”，排水管道和其上游的汇水区（Catchment）和下游的污水处理厂（WWTP）和受纳水体（Receiving water）构成一个完整的系统。可对排水管道沉积物的管理体系建立如图1概念模型。
图1 管道沉积物管理概念模型
概念模型中包括3个过程：源头（地表及室内）过程，管道过程，出流过程。不同排水体制的排水系统中，沉积物在3个过程中表现有较大差异。
2.2.2 管理的目标
（1）针对排水管道系统的目标。保证系统排水能力和管道耐久性。减少沉积物形成条件，减少沉积物在管道中停留时间以减少管道内各种反应。从污染总量控制考虑，应适时清除管道内沉积物。
（2）针对污水处理厂的管理目标。管道沉积物通过影响系统水量、水质来影响污水处理厂进水水量、水质（特别是碳源）的变化。建立一套污水处理厂预警、应对和反馈机制，以避免或减少进厂溢流、确保运行稳定和出水水质达标。
（3）针对接纳水体的管理目标。是管道沉积物管理的主要目标和最终目标。对水体来说，通过控制沉积物来避免或减少CSO或SSO，一方面要避免冲击负荷对水生生态系统的致命威胁，同时也要控制进入水体的污染总负荷。
2.2.3 “源-管-厂-河”全过程管理框架
排水管道沉积物管理的最终目标是保证系统能力，并最大程度减小沉积物对环境的不利影响。根据概念模型，应当在空间上形成“源-管-厂-河”的完整管理体系，时间上符合管道沉积物规律的季节全覆盖。这个管理框架由几个环节构成。
源头环节控制是基础，由于山地城市特殊的地形地貌、下垫面特征和水文、水力条件，地表过程环节值得特别关注。重庆城区有200余座大大小小的山体，首先要控制山体和城区水土流失；国家倡导建设以径流总量和径流污染（以SS为代表）控制为核心的海绵城市系统，通过管控地表沉积物输入可以减少管道沉积物的供给量。但需采用适应山地城市条件的工法、参数和LID设施来对水文过程和雨水水质进行控制。
管道过程环节是管理的重点。在山地城市水文和排水管道特性下，管内流态、流速等水力条件变化较大，沉积物携带和冲刷能力都较强，沉积物有其特殊的沉积、运移规律。通过自清（Self-cleansing）不淤（Non-deposit）的管道设计为管理提供基本条件；采用防淤或冲刷的措施来减少沉积物的积存；在易于沉积的交汇、缓坡管段设置沉泥槽之类设施（如，Invert traps）来捕捉沉积物，使沉积物“定点”沉积，便于将沉积物从系统中清除；根据沉积物特性进行合理的处理、处置，达到无害化、资源化，使沉积物管理形成闭环。
控制对污水处理厂和水体的冲击，控制污染总负荷是最终目标。对进厂污水实施调节及对CSO进行收集处理是常用的措施；建立污水厂和水体监测系统，将其作为沉积物管理措施的响应和反馈，从而使整个管理过程形成闭环（见图1）。
03、作为智慧排水应用场景的
管道沉积物管理
智慧排水是基于新一代信息技术（物联网、大数据、云计算和移动互联网等）和相关决策模型应用的排水管理模式。国内一些城市针对不同的管理目标，搭建了智慧排水系统管理平台，其基本架构差异不大，一般包括基础层、感知层、网络层和应用层。但普遍对智慧排水系统的具体应用场景研究不够，特别是如何将管道沉积物这一重要因素纳入智慧排水系统尚待探讨。这需要水专业工程师根据管理目标和工艺要求拟定具体应用场景，通过数据获取及信息化，利用管理平台来实现管理决策。
确定应用场景要明确：主体、问题、目标和需求。即，解决“5个W”的问题：谁（Who）在什么时候（When）利用什么信息（What information）用什么方法（method）做什么（What）。关注参与运行主体（运维管理者、城市管理者和公众）的不同需求。
系统通过地表过程、管道过程到水体、污水厂等不同环节来实现管理目标，而不同的主体在不同环节中信息需求和采取的行动也不一样。
场景实现包括的关键技术及要求：
（1）基于“源-网-厂-河”的基础数据。沉积物的管理涉及流域框架下源头、管道系统、污水处理厂和水体等环节，需要获取包括描述气象特征、流域特征、管网特征和水体特征等方面的基础数据。有的城市建立了地理信息（GIS）或城市信息模型（CIM）系统，为智慧排水系统管理创造了很好的条件。
（2）基于物联网的感知技术。包含沉积物在内的排水系统数据的实时感知和传输。涉及流域、管网和水体各环节水文、水力、沉积物、水质等的反映空间和时间过程数据及实时影像资料都需要全面、实时获取，需要强大的硬件设施来支撑。物联网智能感知平台，可以实现在线、实时的数据采集、信息集成和智能感知，确保数据的实时性、安全性、准确性、完好性及稳定性。
（3）集成各种模型的决策分析。动态模拟和分析技术。通过集成水文模型、水力模型和沉积物（沉积、冲刷及运移）模型及各种算法，建立基础数据到管理决策之间联系，帮助管理人员对包含管道流量、沉积物量及水质变化等内容的排水系统工况进行计算、分析；对未来的趋势进行预测、预判；针对的预案进行模拟。
（4）面向业务的应用决策。在管理目标的前提下，应用决策是一个协调和调度的场景规划（Scenario planning）和动态管理过程。这需要与其它智慧系统（如智慧海绵城市、智慧河湖等）的数据共享，以及不同部门在“源—厂—网—河”一体的思维层面来协同决策，也要对不同层级的利益相关者（监管者、决策者、调度指挥、执行者、公众等）的权限进行管理，辅之采取不同的行动，并向公众进行信息发布。
物联网智能感知平台，基于大数据和机器学习的智能决策等技术工具将为管控不确定性提供巨大的支持。
04、结论与展望
（1）城市发展对基础设施应对的“韧性”的要求越来越高，具有韧性的排水系统是韧性城市的重要方面。鉴于其对管道排水能力的影响，以及对环境带来的冲击，沉积物是排水系统最敏感的因素：通过管理沉积物来管理排水系统可以大大减小系统不确定性。
（2）排水系统的复杂性和其作为地下系统的隐蔽性，需要智慧化管理系统来实现其韧性。需要先进的管理平台和明确具体的应用场景，还可使智慧系统的精准性、高效性得以发挥。借助AI等新技术来管理复杂性和不确定性。
（3）需要在认知和观念建立“源-厂-网-河一体”的大系统观。需要关注不同利益相关者的关切建立机制；需要技术标准与规范、制度与规程的建立；需要相应的清除、处理、处置工艺、参数及其装备的配套完善，使沉积物管理形成闭环。
（4）排水管道沉积物是不可消除的, 设计目标是实现“可以接受的”“具有韧性的”管道系统。建议对排水系统设计方法进行优化：将沉积物控制纳入设计条件，系统设计需对沉积风险进行预测，以重新评估和设计管道的能力，以保证排水系统足够的冗余度；需要进一步研究山地城市管道沉积物的沉积、运移规律，以确定沉泥井等设施的设计参数和管理要点。平原地区管道沉积物规律会有很大差异，但管道非恒定流下水力条件改变带来的沉积、冲刷机理仍然是重要因素。
