排水管網安全監測預警系統的應用

□文 / 林愷迪 廣州市凈水有限公司

依賴主觀判斷的傳統排水管網管理，已經無法滿足安全生產和信息化管理的需求。對此，在本市某流域試點建設城市排水管網安全監測預警系統，通過在管網窨井安裝超聲波液位計，采用無線方式數據集成到數據系統，并進行后臺數據展示和分析，讓管理人員實時掌握管網運行狀況，指導日常管網維護和汛期應急生產調度，實現排水管網的管理決策和水力分析的數據支持，保障流域生產安全。

問題的提出

城市排水管網是城市建設、防洪排澇的城市基礎設施，關系到經濟發展和市民生活的穩定。近年來，我國部分大中型城市相繼遭遇了內澇災害，不同程度地發生了城市內澇，頻頻上演“看海”、“觀瀑”等情景，嚴重影響人們的正常生活和生產。雨果曾說過“下水道是一個城市的智慧與良心”，伴隨著內澇，大城市在外表光鮮的鋼筋水泥之下，一次次暴露出“良心”的脆弱。

原因分析

城市“遇水即澇”，排水建設主要存在三方面問題：1、排水設施建設設計標準偏低；2、市政配套設施建設進程跟城市化發展進程、人口快速膨脹以及城市建設發展等不匹配；3、排水管網的運行管理、養護管理、管理決策以及應急決策缺少必要數據支持，傳統的管理方式不能滿足排水管網的現代化安全管理需要。

為此，本文提出城市排水管網安全監測預警系統，通過遠程獲取管網液位數據，實現排水管網的水力分析和管理決策的數據支持，從而能夠評估管網維護效果，提高排水管網的運行管理水平，對內澇進行預警，保障生產安全。

系統實施方案

現場前端設備選型

城市排水管網內往往包含硫化氫、氨氣等有毒易爆氣體，濕度非常大，內澇點檢查井常常溢流，污水或雨水雜物多，水波干擾大。這種環境下需要液位計具有最高的工業防護等級，本質性防爆和消除水面異物誤差的功能。此外，檢查井常常位于城市道路的中間，高速車輛多，如果采用市電，需要聯系當地供電局和路政，而且施工時需要開挖路面，維護時又需要多部門配合，所耗的時間與成本都偏高。所以監測液位的設備最好能夠自供電，又具有極高的穩定性，在檢查井密閉的環境中，設備的通信能力和抗干擾能力應該要強。

根據以上需求分析，本系統采用針對污水行業特性而設計的液位監測儀。現場液位采集系統主要由液位計、記錄儀、外置電池和天線組成，如圖1所示。外置電池負責對整套采集系統進行供電。整套系統具有高強度工程塑料外殼(IP68)，模塊之間的連接通過軍用接口，具有良好的防水防腐性。系統GPRS通訊模塊，將采集到的數據存貯并通過GPRS方式發送到數據中心。

系統整體框架介紹

圖1 現場液位采集系統圖

圖2 系統結構框圖

系統結構主要分為以下三層：系統應用層、通訊設備層以及數據采集層。系統結構框圖如圖2所示。系統利用超聲波液位計將數據采集并保存，通過專用電纜傳輸到GPRS記錄儀或SMS記錄儀，按照一定的發送頻率，經過天線以GPRS或SMS方式發送到指定的FTP站或SMS調制解調器，系統服務器通過下載FTP站或接收SMS調制解調器中的數據，從而獲取管道中的在線液位數據。在共享服務器中的數據文件夾后，在公司內網或專網中的用戶，可以通過系統軟件瀏覽液位數據。另外，通過導出系統數據后，可以實現管網在線監測系統與地理信息系統的聯動，讓其實現液位數據的顯示功能。

系統試點應用

在線液位安全預警

在沙河涌流域安裝了4個監測點，分別安裝在空軍醫院、寺右新馬路倒虹管上游、寺右新馬路倒虹管下游及臨江大道，用于監測截污管內水位的變化情況。系統監測界面如圖3所示，從界面左側可以了解監測點的分布，右側可以看到管網液位。

系統可設定液位預警值，如果該監測點的液位達到預警值，系統將顯示報警信息，并通過短信和郵件的方式發送到管理人員，從而迅速響應流域內澇預警機制，保障流域管網生產安全。

圖3 系統監測界面

管網過流能力分析

圖4 管網過流能力分析圖

管網過流能力是反映管網運行狀況最直接的方式之一。通過積累一段時間的液位數據，擬合該監測點的管底標高、管頂標高以及地面標高，便可以直觀地觀察該點的管網過流能力。從圖4中可以看到，寺右新馬路監測點所在位置全天基本上都處于滿管運行狀態，臨江大道監測點主渠箱過流能力較好。因此，為了加強管網的過流能力，降低內澇的可能性，需要加強對該監測點管道的維護和清淤工作。

水力坡度分析

系統可以通過計算管道的水力坡度去衡量管道的擁堵情況。水力坡度如圖5所示。空軍醫院監測點到寺右新馬路倒虹管上游監測點的水力坡度的變化范圍在0.000155～0.000245之間，遠小于管道底坡值0.00146，說明從空軍醫院監測點到寺右新馬路倒虹管上游監測點間的管道水力條件較差，其間管道可能存在淤積和堵塞等狀況，需要派人排查問題。

圖5 水力坡度變化曲線

結論

可執行性高。系統前端監測設備無需采用固定供電方式，其通訊也不需要采用有線的方式傳輸，這樣不僅可在偏遠復雜的地區進行監測，而且工期也不需要受供電局與電信商的影響。

穩定性高。前端設備具有IP68、防爆特性，對于在現場環境復雜的管道里，可以穩定運行，并保持良好通訊。

成本性價比高。對比固定供電和網絡，這種自供電無線通訊方案，不僅在費用上有絕對優勢，而且有著可移動性。由于供電和通訊方式均由設備自身提供，所以隨著現場情況的變化，工作人員可以很方便地進行現場監測點轉移，節省相當可觀的費用。

展望。系統目前試點運行成功，能夠實時監測管網液位狀態，讓管理人員迅速響應防內澇機制，起到保障流域安全生產的作用，接下來將繼續部署更多的監測點，并納入防內澇應急響應機制中。本系統將信息技術結合到管理維護當中，為管網安全預警，提供數據支持，不僅改變了傳統的管網維護管理模式，而且提高了生產管理效率。