浙江臺州椒江區城市智慧排水體系構建“三步法”研究

孫云鵬，洪昌直，鮑俊杰

[1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092；2.臺州市椒江區綜合行政執法局，浙江 臺州 318099]

1 研究背景

“十四五”規劃指出：“要以數字化助推城鄉發展和治理模式創新，全面提高運行效率和宜居度。分級分類推進新型智慧城市建設，將物聯網感知設施、通信系統等納入公共基礎設施統一規劃建設，推進市政公用設施、建筑等物聯網應用和智能化改造”[1]。城市市政排水系統作為城市公共服務的重要環節，其智慧化建設是智慧城市建設中不可缺少的組成部分，是體現城市智慧水平的重要標桿。浙江省臺州市椒江區積極響應國家“十四五”規劃，提出采用智慧水務數字孿生手段，分期構建區級智慧排水統一管控平臺，以促進當地排水行業發展，提升行業多跨協同能力。

本研究以浙江省臺州市椒江區為試點，探索并提出了城市排水智慧水務體系構建“三步法”，進行了實證應用探索，構建了“椒江區智慧排水一體化管控平臺”，并分析其建設成效，研究成果可為類似城市提供參考。

2 研究方法

本研究試點區地處浙江省沿海中部，瀕臨東海，自然水系發達，屬亞熱帶季風氣候，雨量充沛，年平均降水量1519.0mm，有2個月臺風期（8—9月）。針對試點區基礎條件，本研究構建了城市排水智慧水務體系“三步法”研究總體框架（見圖1）。

圖1 城市排水智慧水務體系框架構建步驟

（1）第一步：基礎資料收集與需求分析

城市排水智慧水務系統建設應基于排水系統實際，以滿足業務主體的需求為首要目的。此步驟要求收集項目建設區域范圍內包括地形地貌、水文氣象、社會經濟、土地利用、人口分布、雨污水系統規劃與建設資料等在內的各類基礎資料，并進行部門走訪調研，聽取排水系統相關各方（如涉水政府部門、排水運營企業等）對所構建的智慧水務系統的需求，進行需求分析。

（2）第二步：智慧水務體系層級設計

城市智慧水務體系框架主要分為四個層級，自上而下分別為業務應用體系、應用支撐體系、數據資源體系、基礎設施體系。四個層級在設計時應自上而下逐層級進行。由于排水行業建設與管理過程涉及的部門多（如住建、城管、執法、環保、水務、交通及排水公司等多部門），橫跨領域廣（供水、排水、環保、氣象等多領域），在體系框架設計時要尤其注意框架結構的開放性，采用標準化的信息交換端口，確保智慧水務系統與外界進行數據交流過程暢通無阻。

（3）第三步：各層級建設任務細化與開展

智慧水務系統框架龐大復雜，第三步需要依據各個層級設計方案，細化建設內容，采取分期分步方式實施。

3 試點區研究方法探索

3.1 基礎資料收集與需求分析

就本研究所選試點區域情況而言，在充分梳理資料與走訪當地水環境治理辦公室、排水系統監管部門、排水管理公司等的監管領導與一線業務人員后，確定本研究內容主要包括試點區內雨水、污水、再生水系統。總結得出現狀排水行業與管理需求的主要問題：頻繁的降水與臺風等極端天氣造成該區內澇問題嚴重，而該區雨水排水系統運行主要通過人工調度，機動性和應急性較差；污水排水系統建成年代較久，存在管網破損滲漏、雨污合流混接等問題，造成污水直接入河、污水處理廠超負荷運轉；現存的排水行業信息管理系統數量少、功能單一，系統間信息割裂，缺乏行業全局總覽工具與窗口；排水設施養護缺乏標準化、線上化管理平臺，造成運維工作不到位、過程難監管等。下一步將針對現狀問題與實際需求進行智慧水務體系的設計。

3.2 智慧水務體系層級設計

3.2.1 業務應用體系

業務應用體系，主要包括智慧水務系統具備的實際應用功能及其實現形式。業務應用應面向排水監管與運營主體，基于當下排水系統運行存在的問題與需求，進行針對性設計。

本研究所構建的智慧水務系統具備的業務應用功能主要包括排水系統平穩運行監管、排水防澇管理、溢流監測與入流入滲分析、綜合運行調度、管網養護運維管理等，涉及多部門跨行業協同處理。針對不同業務場景，重塑事件上報縱向反饋機制，形成標準化閉環協同管理流程。以上業務應用實現形式為“一張圖”式綜合管控，最終以PC、Web與具有當地特色的移動端（面向政府監管人員的“浙政釘”平臺與面向社會公眾的“浙里辦”平臺）三種形態呈現，提供統一的信息服務入口和個性化信息服務。

3.2.2 應用支撐體系

應用支撐體系，包括排水模型系統、數據分析方法與通用組件。通過提取數據資源體系中的數據，結合排水系統實際建設情況，本研究建立了內澇防治數學模型和污水管網水動力模型。排水模型的建立需要經過基礎資料收集、數據檢查、模型拓撲校驗、模型測試、率定與驗證等步驟，模型成果可用于現狀分析評估、規劃設計及運行調度方案支撐[2-6]、預案模擬與結果分析、實時預報與災情風險評估等方面。通過感知硬件實時發現問題，結合模型算法，提供輔助決策，全程跟蹤處置流程，可以有效提升排水系統運行風險事件處置效率與安全決策效率。

3.2.3 數據資源體系

排水行業系統復雜、管理多元，行業數據既包括廠、站、網、戶等靜態設施，也有運行監測、統計報表、養護檔案等各類動態數據。本研究中，數據資源體系的核心是行業信息數據庫，主要包括基礎信息數據庫、運行監測數據庫、運維管理數據庫（見圖2）。數據庫對諸如工單、巡檢、養護、基礎設備等平臺運營數據，地理環境、監測指標、視頻信息等平臺運行數據，以及通過其他主體、渠道、平臺等獲取的三方數據，進行交換、脫敏、脫密、匯聚、清洗、轉換、開發、運維處理。

圖2 數據庫構建內容

3.2.4 基礎設施體系

基礎設施體系，主要包括兩張網與一系列服務，即物聯感知網——包括排水全過程中各種用于對液位、水質、流量、雨量等數據進行采集與控制的感知設備，基礎通信網——包括公共互聯網、NB-IoT/4G/5G網絡、光纖專網、VPN專網等基礎網絡設，與包括計算、網絡、存儲、安全、容災、備份等在內的一系列基礎服務。

物聯感知網絡以排水管網監測為主，基于排水系統拓撲結構的分析，根據監測目標，考慮監測區域的現狀和滿足排水管網運行安全管理的數據需求，分別對雨水、污水系統進行了監測點位布設。本研究雨水系統監測點位主要包含7座雨水泵站（含排江、排澇兩類）、8個易澇積水點、4處排澇閘和5個主要排水閘門井。在雨水泵站、排澇閘等設置水量、水質監測設備；在易澇積水點設置積水尺。污水系統監測點位主要包含5座污水泵站、1個污水處理廠接入點和10處重要管網節點，均進行水量與水質監測（主要指標為COD，TP，氨氮等）。

基礎通信網絡包括公共互聯網、物聯網絡、公有云和政務云等四部分（見圖3）。用戶可以通過PC端、移動端，使用公共互聯網訪問系統平臺，實現信息查看、系統作業和平臺運維等功能。

圖3 基礎通信網絡拓撲結構圖

4 各層級建設任務細化與開展

依據各個層級設計方案，細化建設內容，并分期分步驟實施。在業務應用體系層級確定智慧水務系統應具有的主要功能模塊，以及各功能實現的形式；在應用支撐體系層級確定涉及的水務業務邏輯、采用模型與分析算法等；在數據資源體系層級確定需要采集的數據類型、數據內容、數據來源與采集頻率，數據庫結構、容量等；在基礎設施體系層級確定感知網絡監測點位布設方案、設備選型、網絡傳輸方式、拓撲結構設計等。

現在椒江區正在采用本研究所述方法進行智慧水務體系的實際建設，構建了“智慧排水一體化管控平臺”。截止目前，系統已成功對接280km污水管網、31座污水泵站、2座污水處理廠、1座再生水廠、1400余家排水戶的硬件設施及數據集成，并計劃新布設、改造各類液位、流量、水質監測站點及PLC控制柜等智能設備150余臺；初步構建了浙江省首創的水動力模型，并計劃結合排水系統物聯感知網絡實時數據不斷迭代完善，為識別外水入侵、管網淤堵、重點排水戶超排、識別區域內澇風險時空分布等問題打下基礎，向“定量分析、預測預報”的精細化、智慧化管理方向前進；融合GIS、BIM、IoT技術，打造集在線互聯、數據共享、業務協同、決策支持等多種功能于一體的高標準智慧排水一體化管控平臺框架，并繼續進行不斷完善。

5 結 語

本研究提出了城市排水智慧水務體系先基礎資料收集與需求分析，再智慧水務體系層級設計，最后各層級建設任務細化與開展的構建“三步法”，并以浙江省某市區為試點，進行了實證應用探索，研究成果可為類似城市提供參考。下一步將根據建設過程中總結的心得體會對本研究結論進行回顧性評估，使得本研究成果更具適用性。