基于污水空間大數據的城市排水監管模式探索

姚 慧，史夢婷，楊先城

（江蘇太湖云計算信息技術股份有限公司，江蘇 無錫 214000）

作為城市的重要基礎設施，排水管網的正常運行保障了城市的正常排水，是防止內澇的重要保障。一旦排水管設施發生老化或者連接關系出現復雜化，將會導致排水管網坍塌或漏損，造成污水溢流，甚至發生城市內澇等嚴重問題。隨著GIS技術、大數據技術、物聯網技術的迅速發展，監管部門嘗試在排水管網中安裝監測設備來監測管網的運行情況，同時結合遠程控制、內澇預警分析等手段進行智能化控制、漫溢及內澇的應急處置工作，并取得了非常好的應用效果[1-6]。

2019年12月無錫人民政府辦公室印發《無錫市城鎮污水提質增效三年行動方案（2019-2021年）》（以下簡稱《方案》），《方案》要求提高信息化管理水平：建立大數據平臺，完善GIS系統，建立重點工業排水戶自動監控系統，強化智能預警功能水平。文章選取無錫工業企業集中分布的鄉鎮，作為研究對象，分析無錫工業型鄉鎮目前污水監管現狀，提出智慧排水信息化設計方案。

1 鄉鎮污水監管現狀

隨著無錫工業企業型鄉鎮高速發展，鄉鎮的人居環境與經濟發展之間的矛盾逐漸凸顯，其中在重污染工業企業集中的區域企業排水戶污水超標排放、私接偷排的情況比較嚴重，周邊河道污染嚴重，鎮生態環境部門多次開展河道整治，河道反復黑臭，往往治標不治本。

目前無錫全市、區、鄉鎮都已經陸續開展排水管網四位一體排查（測繪、疏通、檢測、修復），排水管網測繪基礎數據基本具備。

鄉鎮普遍存在的問題是在開展工作過程中仍舊以紙質方式為主，大量的工作資料和工程資料都以紙質方式保存，在出現應急事件需要資料做支撐時候，消耗時間較長，工作效率較低；特別對于監管業務范圍內的歷史資料、變更資料缺乏有效管理，無法依靠準確的數據進行分析決策。

2 智慧排水信息化設計方案

2.1 總體設計

針對鄉鎮現狀，綜合考慮無錫市對于城鎮污水提質增效的具體工作要求，設計鄉鎮智慧排水信息化總體框架，如圖1所示。

如圖1所示，智慧排水信息化將從4個層面展開：

圖1 總體框架圖

2.1.1 物聯感知層

設計進行管道液位監測、企業污水排口水質監測、管網低洼點液位監測以及入河排口液位水質監測；同時通過NB-IOT通信技術將采集到的實時監測數據上傳到智慧排水信息化數據庫中。

2.1.2 數據層

包括鄉鎮管線測繪成果、河道水系、企業排水戶、入河排口、實時監測等數據以及組織機構、應急資源等數據。

2.1.3 技術層

采用地理信息技術、大數據技術、物聯網技術以及云計算技術來支撐智慧排水信息化建設。

2.1.4 業務應用層

以排水資源一張圖為依托，支撐污水管網動態分析、企業排污行為分析以及巡檢養護管理、應急資源調度等應用。

2.2 具體設計

2.2.1 數據部分

排水管線測繪數據：利用排水管線測繪數據成果，將其進行空間化處理。

河道水系數據：包括河道名稱、河道長度、河道空間分布信息。

企業排水戶數據：包括企業排水戶類型、企業名稱、企業負責人、排污許可證信息等。

河道入河排口數據：包括所屬河道名稱、河道排口編號信息等。

實時監測數據：管道液位數據、河道排口液位、河道排口水質（電導率/COD）以及雨量數據。

組織機構：包含監管部門負責人、工作人員以及巡檢養護單位等信息。

應急資源：包括移動排水車輛，以及環衛、城管、交通等協同部門負責人。

2.2.2 專業工具

在開展設備監測布點時采用的專業工具支撐主要有CAD專業制圖軟件和GIS專業地圖工具。

（1）CAD專業制圖軟件

在有些區域還無法提供測繪成果數據的情況下，使用CAD專業制圖軟件進行布點。CAD專業制圖軟件是計算機輔助設計領域最流行的CAD軟件包，此軟件功能強大、使用方便、價格合理，在國內外廣泛應用于機械、建筑、家居、紡織等諸多行業，擁有廣大的用戶群。CAD制圖軟件具有良好的用戶界面，通過交互菜單或命令行方式便可以進行各種操作。它的多文檔設計環境，讓非計算機專業人員也能很快地學會使用。在不斷實踐的過程中更好地掌握它的各種應用和開發技巧，從而不斷提高工作效率。

（2）GIS專業地圖工具

在具備測繪成果數據的區域，采用GIS專業地圖工具進行布點。常用的為ARCGIS軟件，該軟件是一款專業的電子地圖信息編輯和開發軟件，它主要應用于GIS訪問，提供快速并且使用簡單的方式瀏覽地理信息，無論是2D還是3D的信息。軟件內置多種編輯工具，可以輕松地完成地圖生產全過程，為地圖分析和處理提供了新的解決方案，可以無限地進行數據和地圖的共享。同時全面擁抱前沿IT技術，升級平臺大數據、三維、影像等核心能力，為使用者打造了一個功能強大、性能卓越、穩定性高的Web GIS平臺。

2.2.3 物聯感知部分

（1）監測設備選型

因污水管網內環境復雜、惡劣，因此，在污水管道內安裝監測設備須具備以下基本技術性能：

a.具備防水防腐性能

地下排水管道運行條件惡劣，水質條件復雜，常有生活污水、工業廢水、醫藥廢水等，對排水監測設備具有很強的干擾性和腐蝕性。因此監測設備須具有很高的防腐性能夠克服長期高水位浸泡的問題，保證設備運行正常支撐其在地下管進行長期的數據采集監測。同時智能監測設備主機能夠支持水下2 m保持72 h穩定運行，符合IP68級別的防水能力。

b.全浸沒環境信號正常上傳

監測設備整機防護等級要求達到IP68，能夠整機浸泡在污水環境下正常工作。能夠對長期漫溢的管井進行物聯監測。實現對惡劣管點進行數據實時監控，消除人工監控盲區，降低人工開井監測安全風險；同時能夠實現水下30 cm信號正常傳輸，保證數據能夠上傳至云平臺。

c.可多參數監測

智能監測設備支持2路及2路以上RS485傳感器接口，支持MODBUS通信協議，具備多傳感器自適應功能，傳感器即插即用，系統自動識別。支持遠程升級，可通過升級支持更多種類傳感器。滿足同一個管點多參數監測的需求；同時能夠基于多參數的事件預警機制，實現城市降雨易澇點檢測預警。

d.設備低功耗

監測設備須篩選微功耗處理器、減少外部器件數量、設計低功耗外圍電路，如適用于系統的高效電源轉換電路等。在軟件設計上，選擇處理器的最優微功耗功能、配合高度優化的微功耗嵌入式程序；空閑時休眠，進入待機模式；工作時喚醒，高效執行完任務后，立即休眠。

e.設備體積小

監測設備采用內置電池，設備體積小，拿取和安裝更靈便；安裝過程配合專用支架可直接固定于檢查井井壁，占用體積小，不影響后期運維人員下井維護。

（2）監測設備布點

在污水管網安裝液位監測設備，設計每公里布設2臺；選取制藥、印染等重污染工業企業在其污水總排口安裝水質（電導率）監測設備；選取周邊污染嚴重的河道在入河排口安裝液位、水質一體監測設備。

（3）布點條件

在確定了布點思路后，依據以下布點條件檢查安裝井是否滿足安裝條件：

安裝井內的垃圾較少；現場評估設備安裝后，不能影響日后管網的巡查養護工作；井壁需較牢靠，能確保安裝設備后不易脫落；井內液位不能長期滿管，保證設備安裝后不會一直浸沒在水中；安裝位置NB信號較強。

（4）布點步驟

依據排水數據的實際情況，一般有3種類型的布點步驟：

a.CAD布點步驟

CAD布點步驟適用于只具備CAD電子成果數據的情況，具體的布點流程如圖2所示。

圖2 CAD布點流程圖

b.GIS地圖軟件布點步驟

對于已經有的測繪成果基礎數據，使用GIS地圖軟件進行布點，布點流程如圖3所示。

圖3 GIS地圖軟件布點流程

c.管線竣工圖紙布點步驟

通過管線竣工圖紙進行劃分布點，流程如圖4所示。

圖4 管線竣工圖紙布點

2.2.4 業務應用部分

（1）排水資源一張圖

在互聯網地圖上選取鄉鎮行政區域為研究范圍，在地圖上疊加排水管網空間化數據，制作污水管網、雨水管網、排水設施等圖層；同時在一張圖上可進行管網空間拓撲檢查，如果存在管網走向混亂的情況在一張圖上可直觀呈現，地圖可視化是檢驗測繪成果是否合格的一個非常有效的驗證手段。

（2）污水管網動態分析

基于污水管網的空間分布，結合在污水管網中安裝的液位監測設備，將實時液位數據與污水管網進行疊加分析，可輔助監管人員了解地下污水管網內的液位變化情況；同時結合動態分析指標（見表1），可為監管工作提供直觀便捷的數據，為監管工作的開展以及污水管網的規劃、修復等工作提供參考依據。

表1 污水管網動態分析

（3）企業排污行為分析

基于在重污染工業企業污水總排口監測的企業污水水質數據，結合地圖可視化開展企業排污行為分析（分析指標見表2），通過分析重點排查存在超排異常排污的企業，為監管執法工作提供數據支撐，從而規范企業排污行為。

表2 企業排污行為分析

（4）巡檢養護管理

以排水資源一張圖、數據分析結果，作為指導巡檢養護管工作的重要依據，例如：長期滿管運行的管段，其遭受的腐蝕肯定較高，就可作為管道更換、修復的重點對象納入到養護計劃中，一方面避免管道老化造成大面積污水外溢，造成路面污染；另一方面，促進巡檢養護向精準化、高效化發向發展。

（5）應急資源調度

污水管網一旦破裂或者大面積漫溢，會給周邊生活環境造成非常大的影響，因此在實時監測污水管網運行狀態的同時，需要做好突發事件的應急方案，包括掌握應急物資的儲備情況、分布情況、救援隊伍的通信情況、移動排水車輛的活動軌跡情況，結合管網動態分析數據，在異常預警發出后，通過系統直接將預警信息發送到排水、環衛、城管、交通等協同部門負責人手機上，便于各部門提前做好應急部署準備，實現快速響應和及時處理，從而提升排水監管智慧化水平。

3 結束語

探索以污水空間大數據為基礎的智慧監管模式，其關鍵是建立地下污水管網感知體系，掌握污水運行動態；其核心是利用可視化、數據分析手段，鎖定目標；其目的是為監管提供技術手段、為執法提供數據依據、為部門協同提供通道。