編者按：德國的排水系統(tǒng)歷史悠久，在防洪、排水系統(tǒng)修復方面處于世界領先水平。為了對排水系統(tǒng)不斷優(yōu)化，減少因強降雨天氣形成洪災，截至2020年，德國用水管理、廢水和垃圾注冊協會（DWA）對德國的排水系統(tǒng)共進行了8次調查。調查內容涉及分流制合流制系統(tǒng)、管齡、管道材料、排水管網監(jiān)測評價機制、管道安全級別評估、管網修復趨勢、管網修復關鍵技術、管網損害根源和雨水池等情況。了解德國排水系統(tǒng)研究進展，對于緩解我國某些城市內澇頻發(fā)狀況，具有一定借鑒意義。此文完整版將在《中國給水排水》2024年第6期發(fā)表。2024年3月29—31日《中國給水排水》雜志社擬在武漢舉辦智慧水務融合創(chuàng)新技術論壇（鏈接），有較多最新排水管網方向的優(yōu)質內容，歡迎參會關注了解。
喬永祥（1992-），男，德國波鴻大學在讀博士生，德國IKT地下空間研究院研究員，研究方向為排水系統(tǒng)和非開挖管網修復技術。
E-mail：yongxiangqiao@gmail.com。
江源（1987- ），女，德國亞琛工業(yè)大學碩士，柏林水務資深土木工程師，主要從事排水系統(tǒng)采購及運營工作。
E-mail：yuan4forever@gmail.com。
引用格式：喬永祥，江源.智慧水務背景下德國排水系統(tǒng)研究進展[J].中國給水排水，2024,40（6）：39-45.
QIAO Yongxiang,JIANG Yuan.Research progress of German drainage system in the context of smart water[J].China Water & Wastewater,2024,40(6):39-45（in Chinese）.
德國水、污水、廢棄物協會（DWA）自1984年起對德國排水狀況共進行了8次調查和統(tǒng)計，旨在為后續(xù)排水系統(tǒng)的統(tǒng)籌規(guī)劃和優(yōu)化管理提供依據，以確保排水系統(tǒng)以最經濟、安全高效的方式維護和運行。DWA的第8次調查于2018年進行，調查了423座城鎮(zhèn)，涉及人口占總人口的34.7%，管道長度約126161km，調查結果充分揭示了德國排水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和存在的問題。以此次調查結果為主開展分析，以期為排水系統(tǒng)優(yōu)化和決策提供參考。
目前，德國國土面積357600km2，截至2016年德國人口8235萬人，公共排水管網總長為594334km，由此可推算人均公共管道長約7.2m。2016年德國合流制管道總長246699km，污水管道總長214280km，雨水管道總長133355km，其中污水納管率總體為97.1%。參與調研的排水管網及德國所有管網按城市人口量劃分5個城市等級：一級（﹤1萬人），二級（1～5萬人）、三級（5～10萬人）、四級（10～25萬人）、五級（﹥25萬人），其中四級和五級城市為大城市。德國排水管道發(fā)展趨勢如圖1所示。1995年—2016年德國管道總長度增長約195132km，平均每年增長9200km。其中合流管增加33208km，污水管增加104908km，雨水管增加57016km。1995年—2016年德國分流制管道占比由49%增至59%，并呈持續(xù)增加趨勢。因近年來合流制的問題管道逐步凸顯出來，新建管道傾向采用分流制。1995年—2016年隨著人口的增加和城市的發(fā)展，對下水道需求相應增大，各城市依據《德國城市綜合排水系統(tǒng)指導方針》和《德國建筑物外排水系統(tǒng)：下水道管理》規(guī)范，結合管網模擬軟件如SWWM進行管網運行測試，以減少因管網超負荷運行而造成的內澇現象發(fā)生。此外，通過分流制排水系統(tǒng)不但能對雨水進行再利用，達到水資源的良性循環(huán)，還在一定程度上減少了管道排水壓力。
圖1 德國排水管道發(fā)展趨勢
德國不同規(guī)模城市的管網長度情況見圖2�？芍�，五級城市所鋪設的管道約占德國管道總長度的9.1%。而實際參與調查的數據中，五級城市管道長度占比約81.2%。因此，參與調查占比較高的五級城市管道對此次調查結果產生了一定影響。
圖2 德國不同規(guī)模城市的管網長度情況
表1展示了德國管網年齡大致分布情況。德國管齡平均為36.9年，而參與調查的管網平均年齡為45.3年，其中一、二、三級小城市管網趨于年輕化。筆者現場見到，在德國諸多城市中100多年前管道的檔案和規(guī)劃圖紙仍然保存完好，并作為管網修復的重要參考資料。100多年前的管道多采用磚砌墻材料，上邊寬下邊窄的形狀，至今運行良好無需修復。
表1 德國管齡統(tǒng)計結果
第8次調查對管材的統(tǒng)計結果（見圖3）表明，德國排水管材以陶土管和混凝土管為主，近年來HDPE等管材在管徑較小的管道中應用較多；一、二、三級小城市塑料管材占比均高于四五級城市，一級城市采用塑料管材的比例最高，約22.6%。原因可能在于一級城市排水管道趨于“年輕化”，且在過去幾十年城市人口較少，人口密集程度相對較低，排水管徑相對較小。
圖3 德國排水管道材料情況
德國在新建小管徑（內徑﹤500mm）的管道管材選擇上，主要采用HDPE（高密度聚乙烯）管道。這種選擇有其合理性：首先，HDPE管材具有耐磨性，能夠抵御外界因素的侵蝕，保障管道的長期使用；其次，HDPE管道的建造和安裝不受極端天氣影響，且具備較高的機械化程度和可操作性，提高了施工效率；此外，在管道的接口處，HDPE管道相較于水泥管道具有更高的嚴密性，能在一定程度上防止樹根長入管道，降低管道堵塞的風險。這些特性使得HDPE管道成為新建小管道時的首選材料。
德國《水平衡管理法》第61條《管網監(jiān)測法規(guī)》要求排水裝置使用者依法對其設備定期進行監(jiān)測和檢修。根據《管網監(jiān)測法規(guī)》，城市內所有管道每年都需要由業(yè)主進行監(jiān)測，監(jiān)測方法可由業(yè)主進行抉擇，如對監(jiān)測井的堵塞排查，可初步了解管道的堵塞情況。與此同時，業(yè)主也可結合所在城市實際情況，按照需要每兩年對管網進行一次沖刷；每15年對整個管網完成一次CCTV檢測分析并由注冊管網修復工程師進行評估和決策。因此，德國的管網通常不存在大幅清淤問題。此外，德國大部分采用分流制排水系統(tǒng)，且路面相對清潔，進水箅堵塞現象不明顯，因強降雨天氣進入下水道的雨水所含泥沙量不足以造成淤塞。如圖4所示，德國的管缺陷評估機制通常按以下幾種模式進行：ATV-M 143-2 （1999年）；DIN EN 13508-2（2003年版本）結合DWA-M 149-2（2006年版本）；DIN EN 13508-2（2011年版本）結合DWA-M 149-2（2013年版本）；ISYBAU（1991/1996年版本）和ISYBAU（2001年版本）等。德國最早根據ATV-M 143-2（1999）規(guī)范對管道缺陷進行描述，該規(guī)范使用損害名稱的首字母進行縮寫。然而，隨著研究的深入，發(fā)現存在諸多問題，例如管道缺陷種類繁多，單一縮寫無法滿足需求，或者多種缺陷共享相同的縮寫等。因此，隨后推出了多種更加完善的管道缺陷描述規(guī)范，以應對這些問題。目前大部分城市主要用第二、三種規(guī)范對管道缺陷進行描述，并通過累積得分估算管網損壞狀況，并進行評估、預測和評級。德國約1/3的管網由排水部門自行評估，而2/3的管網則外包給注冊管網修復工程師的公司。如果采用不恰當的修復方案，可能導致更大的經濟損失。
此次調查中管網損壞涉及3方面：排水管道結構性損壞、功能性損壞和檢查井損壞情況，調查結果見圖4�？芍潘艿澜Y構損壞包括管體裂縫、表層損壞、接口損壞、接頭不密封、形變、土壤空洞及維修不專業(yè)等。管道缺陷主要表現在管體裂縫、密封移位、接口損壞和腐蝕（表層損壞）。管體裂縫危害比較嚴重，如不及時處理將導致管體破裂或塌陷。
圖 4 管道結構性損壞發(fā)生的頻率情況
排水管道功能性損壞主要體現在植物根部生長、地下水內滲和管道堵塞（見圖5），其中植物根部長進管道的約占1/3，因此在今后管網規(guī)劃中應盡量將管網鋪設在離樹木較遠的位置，并采用密實材料保護管道。圖6則展示了德國管網常見損壞情況。由于管道的各種缺陷如漏水、破裂或堵塞等，使得污水處理廠接收到的水源中含有大量無法確定來源的水，以德國雷根斯堡市為例，不明水占比約19%～40%。一方面管道內污水可通過損壞的管網污染土壤和地下水；另一方面地下水進入下水道，不僅浪費水資源，還增大了污水處理廠的處理量。
圖 5 管道功能性損壞發(fā)生的頻率情況
圖6 德國管道常見損害情況
德國排水檢查井通常位于污水管道系統(tǒng)中的關鍵位置，用于檢查、清理和維修污水管道。在污水管道系統(tǒng)中，檢查井被設計為一個具有井蓋的開口，使得工作人員可以進入井內進行檢查和維修。這種設計有助于確保污水管道系統(tǒng)的順暢運行，同時也方便了管道系統(tǒng)的維護和管理。德國檢查井常見損壞情況有井體裂縫、腐蝕、接口損壞和踏步損壞等（見圖7），其中井踏步損壞占比約20%，由此會部分引發(fā)地下水內滲。據統(tǒng)計，約16%的踏步無法保證提供穩(wěn)定的支撐力。因此在安裝踏步后，需持續(xù)對踏步進行安全性檢測。
圖7 檢查井損壞發(fā)生的頻率情況
管網評級的目的是使排水部門掌握其管網的運營狀態(tài)，進而制定未來管網修復方案，如人力結構和財政預算。盡管德國各排水部門持續(xù)對管網修復不斷投入，中短期需進行修復的管網比例仍在增加。DWA-M 149-3對排水管道缺陷的嚴重程度進行了分類和評級，見表2。
表2 管道缺陷等級及嚴重程度情況
根據第8次排水管網調查數據，在239個城市中，0～2級的排水管網占比約24.7%（見圖8）。據此初步推測，2016年德國全部城市中，處于0～2級的排水管網占比約18.7%，而2013年德國全部城市中，0～2級的排水管網比例約19.4%。2013年—2016年，0～2級排水管網的比例僅從19.4%降至約18.7%。這種下降緩慢的原因主要是所有城市都一直在積極修復存在缺陷的管道，然而由于管齡增加，導致管網損壞速度加快。因此，越來越多的排水部門表示將增大管網修復投入。
圖 8 德國管網評估等級情況
排水管網修復的目的是對潛在問題管網及時修復，防止土壤塌陷等重大事故發(fā)生；保證管道良好的水力條件，減緩因強降雨天氣內澇的產生。此外，盡早發(fā)現問題管網并修復，是最高效經濟的模式。歐盟DIN EN 752對管道修復進行了如下定義：①在破損位置進行修復；②在舊管道基礎上進行套管修復；③重新鋪管。
在智慧水務背景下，污水處理廠的運營得到了優(yōu)化。同時，非開挖排水管網修復技術也在不斷發(fā)展，對進入污水處理廠的污水進行了提質增效。此外，隨著管網修復技術的發(fā)展，不但實現了管網損壞評級的可視化管理，還達到了由機器修復管道的階段。以管網修復機器人為例，德國機器人的研究處于較成熟階段，已經實現了管道內行走、檢測和修復一體化。不同公司的機器人功能側重點不同，如有些機器人定點填補以修復破損管道，有些機器人則可修補支管與干管交叉部分等。根據《管網監(jiān)測法規(guī)》要求，業(yè)主需對排水管道進行及時檢測及修復。2014年—2018年德國所修復的排水管道中約1/4采用了新建方式；1/4采用整段修復方式，如紫外光固化修復等；1/2采用了點位修復方式，如短管內襯等。德國管網修復技術應用情況見圖9。
圖9 德國管網修復技術應用情況
德國近20年來管網新建比例從53%下降到24.2%，并將繼續(xù)下降（見圖10）。整段修復比例從17.0%緩慢增至24.7%，并將進一步增加，而得到顯著發(fā)展的是成本最低的點位修復技術，增加了2倍多。
圖10 德國管網修復不同類型的應用趨勢
德國DIN 1986—30要求，新鋪設居民排水管在30年內，居民需提供其管道嚴密性檢測證明；從第30年起，此證明需每20年提供一次。管道嚴密性標準按照DIN EN 1610、DIN 1986—30及ATV—M 143 —6進行，并由管網修復公司進行測試和出具證明。據了解這些公司未來將會被要求通過資質考核后才可為私人出具管道嚴密性證明。因為漏水管道一方面會污染地下水、土壤以及支撐下水管的土力結構，逐步造成空穴和路面坍塌；另一方面會有泥沙隨著污水流入下水管，造成市政排水管網的淤塞，排水能力大幅下降，導致在強降雨天氣出現溢流和內澇現象。調查顯示私有排水系統(tǒng)僅有1/3狀態(tài)良好，剩余2/3均存在問題，其中合流制問題管網占比最大。
自20世紀90年代以來德國除了加強分流制系統(tǒng)的建設，還加強了雨水池的建設，以減少強降雨天氣，尤其是合流制過載情況造成的水體污染。通過分流制系統(tǒng)，雨水直接排入湖泊或河流，減輕了污水處理廠的負擔。截至2016年，德國擁有雨水池共計74454座，總容積達6079×104m3，人均0.74m3。
目前國內排水系統(tǒng)或許可結合現狀，主要借鑒德國以下幾點：我國排水管渠檢測與評估的行業(yè)標準包括：《城鎮(zhèn)排水管渠與泵站運行、維護及安全技術規(guī)程》（CJJ 68—2016）、《城市地下管線探測技術規(guī)程》（CJJ 61—2017）、《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術規(guī)程》（CJJ 181—2012），還有待完善。德國的排水管網立法及規(guī)范具有一定借鑒意義，如DIN EN 1610、DIN 1986-30、DWA各項規(guī)范等。還可參考德國《水平衡管理法》第61條《德國管網監(jiān)測法規(guī)》，逐步要求排水裝置使用者定期對其設備進行監(jiān)測和檢修。以此對排水管道沖洗頻率、檢查井檢查頻率、泵站設備檢修頻率、修復技術規(guī)范和材質等加以規(guī)范。隨著城市的快速發(fā)展，排水系統(tǒng)以及排水設施管理發(fā)展不足。此外，城市街道不能及時清理，導致到處可見落葉和垃圾，進一步堵塞進水箅使排水不暢。若管網沖刷檢修不及時，將在一定程度上堵塞下水道，尤其在強降雨天氣加速內澇現象發(fā)生。德國的管網通常不存在大幅清淤問題，因其路面清潔，大部分采用分流制排水系統(tǒng)，強降雨天氣進入下水管的雨水，經過沖刷路面所含泥沙量不足以造成淤塞。因此，道路保持清潔對減少排水管網堵塞有一定意義。由于我國城市老城區(qū)合改分較難實施，可適當延后處理。但是隨著德國管網進一步老化，合流制凸顯出來的問題日益增大，問題管網中85%為合流制管網。而城市發(fā)展越快，合流制改分流制成本越高。因此，后續(xù)管網建設中應結合到當地地形特點、降雨量、排水系統(tǒng)現狀、老城區(qū)構筑物以及道路等特點，在可行的情況下盡量采用分流制，強降雨天氣可保證污水管道正常流通，溢流的為干凈的雨水，流入水體的是雨水以及被處理過的污水，減輕了水體富營養(yǎng)化和黑臭水體的產生。此外，通過分流制還可減輕污水處理廠負擔。④ 排水管網檢測、評估分析，并及時優(yōu)化和修復排水管網和排水井可結合GIS、SWWM等模塊進行數據儲存，以保證全部管網迅速得到排查、監(jiān)測及維修，對問題管道可查閱對應管道深度、長度、管徑、建造時間、建造材料、接入口以及維修記錄。同時，應用CCTV對管網窺測技術進行可視化管理，通過對整體管網現狀的評價分析，制訂最優(yōu)修復方案，使管網得到及時優(yōu)化和修復。在管網優(yōu)化更新方面，主要目標是尋找管網全生命周期上的成本最低值。管網全生命周期總成本包括維修、修復與新修三部分。管網投入運行之后，隨著持續(xù)老化，管網破損率會越來越高，若得不到及時整治，管網年均維修成本就會越來越高；而修復得越早，則年均修復成本就越高。在生命周期上存在一個最低值，優(yōu)化更新的目標即是尋找該值。其中的核心問題是管網破損率隨管網老化的變化規(guī)律，也即管網破損預測問題。因此，管網優(yōu)化更新可視為管網破損預測的自然延伸。我國的城市管網種類主要包含燃氣、熱力、供水、排水、電力、通信等，而城建、電力、廣電、電信等多個部門相互獨立。由于各種管線上下穿插相互交錯，各部門信息交流耗時長，導致排水管網維護開挖時，獲取目標管道信息的時間和經濟成本高。建立城市管網運營平臺，使分散的各權屬管網單位能夠共享官網信息資料，由專職管理職能部門來統(tǒng)一協調不同部門之間的管理維護工作，最大程度地滿足各管網資源的共建共享，依據管線分布的檔案資料，避免錯挖和破壞其他線路。排水管網修復技術多種多樣，具體技術選擇取決于管道的材質、直徑、深度、損壞程度和地理位置等因素。此外，在應用非開挖修復技術前，需對管道缺陷成因有清晰的認識，分析缺陷機理，從根本上去除缺陷。借鑒國內外先進的管網非開挖修復技術，如管道機器人、紫外光固化等，可促進我國排水領域的進一步發(fā)展。根據德國調查，私有排水管網中僅1/3無需修復，剩余2/3皆存在管體泄漏現象。為此，通過私有排水管網進入公共管網的不明水將進一步增大，造成地下水浪費和地下水污染；進一步造成管網周邊土壤被沖刷，導致土力結構不足以支撐道路負重，出現坍塌。因此，應制定私有排水管網相關法規(guī)，對其嚴密性定期檢測。洪澇災害應急技術涵蓋了一系列用于預防、減輕和管理洪水及其引發(fā)的災害的技術和方法。例如，洪水預警系統(tǒng)使用氣象、水文和地理信息系統(tǒng)，監(jiān)測降雨、河流水位等數據，提前預警可能發(fā)生的洪水，使當地居民和政府能夠做好準備；洪水模擬和預測使用數學模型和計算機仿真技術，預測洪水的發(fā)生和發(fā)展趨勢，幫助政府和救援機構及時決策。采用災害風險評估技術對洪澇災害的潛在風險進行評估，確定受影響區(qū)域和人口，以便在災害來臨前做好應急準備；應急救援設備和人員培訓系統(tǒng)提供應急救援設備，培訓救援人員，提高應對洪澇災害的能力。通過完善排水系統(tǒng)以及海綿城市的協同發(fā)展發(fā)展可一定程度上減緩洪澇災害。但洪水應急避險設施也應得到發(fā)展，如移動承重墻和其對應存儲設施、井蓋預警器、流量計及在必要節(jié)點建立泵站或調蓄池等。⑨ 構建城市地下管網地理信息系統(tǒng)（GIS）全面排查檢測污水管網等設施功能狀況，設市城市重點核查前期已完成排查檢測污水管網結構性、功能性缺陷和錯接混接等基本情況，查缺補漏，補齊部分老城區(qū)、城中村、城鄉(xiāng)結合部及源頭排水單元（居民小區(qū)、公共建筑和企事業(yè)單位、小街巷等）等污水管網基本情況；縣城要系統(tǒng)排查檢測城區(qū)污水管網、檢查井、排水口的結構性、功能性缺陷和錯接混接及用戶接入情況。依托城市地下管網地理信息系統(tǒng)（GIS），將城市污水管網位置、長度、管徑、管材、埋深、建設時間等基本信息，管網檢測發(fā)現的結構性、功能性、錯接混接等缺陷信息，污水檢查井位置、深度、材質等基本信息，污水接入狀況等數據一并錄入，納入城市生命線數據底座，構建排水管網“一張圖”。
制作：文 凱
審核：李德強
