综述：污水系统中的外来水分：关于污水渗漏、流入量量化、定位及缓解措施的综合性研究

《Water Research X》：Extraneous water in sewer systems: A Comprehensive Review on Sewer Infiltration and Inflow Quantification, Localization and Mitigation

渗流和流入（I/I）是城市排水系统的重大挑战，本研究通过系统综述提出量化、定位及缓解方法，并建立数据驱动模型预测不同维修部分（主干管、支管、检查井）对I/I减少的效果。摘要：研究综述了I/I的来源、量化、定位及缓解措施，提出基于维修程度的数据驱动模型，评估主干管、支管和检查井的维修效果，指出I/I减少存在阈值效应，并强调未来需开发更精准的I/I量化方法和决策框架。

　　### 管道系统中的渗漏与流入问题及其应对策略

在城市基础设施中，卫生下水道系统的设计目的是将家庭和工业产生的污水输送至污水处理厂（WWTPs）。然而，这些系统在大多数情况下还会收集大量额外的水，这些额外的水通常来自地下水渗透（GWI）和雨水流入（RII），也被称为“渗漏和流入”（I/I）。这种额外的水不仅增加了输送和处理的负担，还可能对下水道溢流和地面塌陷构成威胁。由于I/I的来源多样，以及下水道系统中不同组件（如主干管道、支管和维护井）之间的复杂相互作用，I/I的检测、分析和缓解在实践中面临诸多挑战。

### 渗漏与流入的来源及其影响

I/I的来源可以分为主要和次要两类。主要来源包括地下水渗透和雨水流入，它们通常占渗漏和流入总量的绝大部分。地下水渗透主要通过破裂或损坏的管道、损坏的家庭支管、连接故障、根系侵入以及维护井的劣化进入下水道系统。雨水流入则主要来源于屋顶排水管的连接故障、维护井的损坏、未封堵的清洁口以及暴雨交叉连接。此外，还有一些次要来源，如海水入侵、饮用水网络泄漏、融雪以及直接地表水侵入等，虽然发生频率较低，但在特定条件下也可能产生显著影响。

I/I的大量存在对城市污水处理系统造成了一系列问题。在输送方面，这些额外的水会占据下水道空间，从而降低其输送能力和水力性能，增加了下水道溢流的风险。在污水处理厂，由于I/I导致的水量增加和污染物浓度稀释，会引发一系列操作问题，如初级和次级澄清器超负荷运行，以及生物处理过程无法有效去除氮和磷等。此外，这些额外的水会显著增加泵送和处理成本，并且对地面结构造成潜在威胁。

### I/I的量化方法

为了有效减少I/I，首先需要对其来源进行量化。目前，I/I的量化方法主要包括基于流量的方法和基于示踪剂的方法。基于流量的方法，如干天流量法、最小夜间流量法和三角法，虽然操作简便，但提供的信息量有限。这些方法通常假设卫生污水流量是恒定的，通常基于区域内的居民用水量估算。然而，这些方法在湿天条件下无法区分I/I的不同来源，且其精度受到流量监测设备和数据传输频率的限制。

相比之下，基于示踪剂的方法，如同位素法和污染物时间序列分析，提供了更高的空间和时间分辨率，并能够有效区分渗漏和流入。这些方法利用同位素或污染物作为示踪剂，通过水平衡和质量平衡来量化I/I及其来源。然而，这些方法也有其局限性，例如采样和化学分析过程较为繁琐，且示踪剂在下水道中的行为可能受到多种因素的影响，如生物降解和环境变化。

### I/I的定位方法

在量化I/I之后，下一步是确定其具体位置。传统的物理检测方法，如烟雾测试、染色测试和闭路电视（CCTV）检查，仍然是常用的手段。然而，近年来一些新兴技术也逐渐被引入，如基于传感器的方法（如分布式光纤温度传感技术DTS）、基于影响因素的方法以及结合水力模型的定位方法。这些方法在定位精度和效率上有所提升，但其应用仍面临数据需求、技术复杂性和成本等方面的挑战。

DTS方法利用温度差异来检测和定位I/I，这种方法在实时监测和定位方面具有优势。然而，由于其对数据采集和设备成本的高要求，目前的应用仍较为有限。基于影响因素的定位方法通过分析地下水位、管道年龄和周围土壤条件等参数来识别潜在的I/I区域，这种方法相对简便，但需要详细的管道数据，且参数的选择和赋值具有一定的主观性。结合水力模型的定位方法则通过模拟水力条件和逆向分析来识别I/I的具体位置，这种方法在定位精度上较高，但需要复杂的模型构建和算法编码，对实际操作提出了较高的要求。

### 管道系统的修复与I/I减少效果

为了有效减少I/I，管道系统的修复工作是关键。修复措施通常包括主干管道、支管和维护井的更新和维护。然而，修复的效果并不总是显著，这可能与修复的比例和方法有关。例如，在某些情况下，即使对管道进行了大规模的修复，I/I的减少幅度仍然有限，这表明修复工作需要更加系统化和科学化的规划。

基于对相关文献的回顾，研究者提出了一种数据驱动的模型，用于预测修复对I/I减少的效果。该模型结合了主干管道、支管和维护井的修复比例，并通过历史数据进行验证。结果显示，主干管道和支管的修复效果在一定比例后趋于平稳，而维护井的修复效果则在达到一定比例后显著提升。这一发现为未来修复工作的规划提供了重要的参考，即在修复主干管道和支管时，应控制在一定比例内以达到最佳效果，而在维护井的修复方面，需要达到更高的比例才能显著减少I/I。

### 修复效果的评估方法

为了评估修复对I/I减少的效果，研究者总结了三种主要的评估方法：前后对比法、目标与对照法以及前后修复模型法。前后对比法通过比较修复前后I/I的减少比例来评估效果，这种方法简单易行，但其结果可能受到修复后周围环境变化的影响。目标与对照法则通过比较目标区域和对照区域的I/I减少情况来评估修复效果，这种方法在某些情况下更为可靠，但需要找到具有相似条件的对照区域。前后修复模型法则通过建立修复前后的水力模型来模拟和评估I/I的减少效果，这种方法虽然能够提供更详细的评估指标，但其实施过程较为复杂，需要大量的数据和计算资源。

### 修复策略的建议

基于研究结果，建议在规划修复工作时，应综合考虑修复比例、资本投入、产权归属以及实施难度等因素。对于主干管道和支管的修复，建议控制在一定比例内以达到最佳效果，而对于维护井的修复，则需要达到更高的比例才能显著减少I/I。此外，研究者还指出，未来需要进一步研究修复对不同管道组件的具体影响，并开发更精确和可靠的示踪剂技术，以提高I/I的量化和定位精度。

### 未来研究方向

未来的研究应重点关注以下几个方面：首先，需要进一步探索基于I/I减少率估算模型的决策框架，以提高修复工作的科学性和系统性。其次，开发更明确和持久的示踪剂技术，以提高I/I的量化精度。此外，还需要对DTS等新兴技术进行更多的验证和应用研究，以确认其在不同条件下的适用性。最后，应加强对不同地区和环境条件下I/I问题的综合分析，以制定更加针对性和有效的修复策略。