“問題導(dǎo)向”排水管網(wǎng)智慧平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用

陳澤鵬 繆程武 朱 敏 張尚中 康瑞鵬

（1.中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川成都 610081；2.中交（汕頭）東海岸新城投資建設(shè)有限公司，廣東汕頭 515000；3.東清合創(chuàng)（深圳）環(huán)境科技有限公司，廣東深圳 518004）

城市排水系統(tǒng)作為城市的重要組成部分，是城市居民生活、工業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，影響城市的正常運(yùn)行。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快，城市化水平日漸提高，城市基礎(chǔ)建設(shè)中的排水管網(wǎng)系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，管理不當(dāng)可能造成內(nèi)澇、面源污染等問題，影響城市正常安全運(yùn)行[1-4]。地下城市管網(wǎng)設(shè)計(jì)、建設(shè)資料保存方面，沿用傳統(tǒng)的人工管理模式，已經(jīng)形成相對(duì)成熟的管理體系，但排水管網(wǎng)中的管線分屬不同的管理部門，缺乏信息共享平臺(tái)，且各地建設(shè)水平不一，需要尋找在線監(jiān)督管理措施。實(shí)現(xiàn)精細(xì)化和動(dòng)態(tài)管理是當(dāng)前城市排水管網(wǎng)智慧化建設(shè)中迫切需要解決的問題。目前，已構(gòu)建的排水管網(wǎng)智慧管控平臺(tái)多以管網(wǎng)基礎(chǔ)信息儲(chǔ)存、管網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析為主要功能，內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)及面源污染評(píng)估等功能并未納入平臺(tái)[5-7]。因此，有必要針對(duì)排水管網(wǎng)的痛點(diǎn)問題，以“問題導(dǎo)向”構(gòu)建智慧管控平臺(tái)。本研究以汕頭市東海岸新津片區(qū)新建智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)為例，介紹基于排水管網(wǎng)問題診斷及內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的智慧管網(wǎng)平臺(tái)構(gòu)建。

1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于汕頭市東海岸新城。汕頭市位于廣東省東部，屬亞熱帶海洋性氣候，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，年平均氣溫21.3 ℃，年降雨量1 672 mm，濕度82%，適宜居民居住，是海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要城市之一。研究區(qū)域雨量充沛，位于沿海區(qū)域，可能存在內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)；區(qū)域周邊設(shè)置重要港口，沿海區(qū)域開發(fā)了旅游資源，提供親水活動(dòng)空間，但地勢(shì)較低，可能存在內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)；受海水潮汐影響，入海部分排水管網(wǎng)鹽度高，污染物與一般內(nèi)陸城市不同。因此，有必要建立沿海區(qū)域特征需求的智慧管網(wǎng)系統(tǒng)。

2 智慧管網(wǎng)功能模塊構(gòu)建

構(gòu)建智慧管網(wǎng)平臺(tái)可以減少人工現(xiàn)場(chǎng)巡查次數(shù)，提高日常運(yùn)營、管網(wǎng)巡檢維護(hù)效率，預(yù)測(cè)預(yù)警排水系統(tǒng)引起的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，控制管網(wǎng)溢流造成的環(huán)境污染，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)漏損溯源、異常排污等問題[8-9]。智慧管網(wǎng)平臺(tái)已實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警功能采用排水管網(wǎng)模型（SWMM、InfoWorks、Mike Urban等）進(jìn)行模擬分析，構(gòu)建的模型與線上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)互相獨(dú)立，不利于有效分析和實(shí)時(shí)在線決策[2,10]。本研究從管網(wǎng)核心問題出發(fā)，構(gòu)建“以問題為導(dǎo)向的子模塊”，通過設(shè)計(jì)友好的平臺(tái)界面，內(nèi)嵌內(nèi)澇模型，二次加工數(shù)據(jù)，方便工程人員使用。

2.1 沿海管網(wǎng)漏損指標(biāo)

沿海區(qū)域地下水位高，受潮汐、海水倒灌影響，存在海水滲漏可能性。管網(wǎng)漏損可能造成面影響，海水入侵會(huì)稀釋管網(wǎng)污染物，大量污水進(jìn)入污水廠，對(duì)處理工藝造成沖擊，消耗處理能源和藥劑，降低處理效率，增加碳排放[11-13]；污水外滲造成海口區(qū)域水質(zhì)污染，海口區(qū)域水動(dòng)力不足，污染物降解自凈能力差，易造成赤潮等污染現(xiàn)象，影響近海養(yǎng)殖和沿海旅游資源開發(fā)[14-15]。因此，需要基于水質(zhì)、水量雙因子在線監(jiān)測(cè)及耦合分析，建立適宜沿海區(qū)域排水管網(wǎng)的漏損預(yù)警、漏損點(diǎn)溯源指示系統(tǒng)。通過晴天常水量、水質(zhì)長期監(jiān)測(cè)，基于上下游節(jié)點(diǎn)水量平衡、污染物總量守恒原則，將節(jié)點(diǎn)的水量、污染物濃度監(jiān)測(cè)值與理論值進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算差值，差值超過20%則判斷節(jié)點(diǎn)異常，可能存在指示管網(wǎng)滲漏、堵塞等現(xiàn)象，在智慧管網(wǎng)平臺(tái)上進(jìn)行預(yù)警，提示進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)核查溯源。

2.2 內(nèi)澇預(yù)測(cè)預(yù)警

SWMM模型由美國環(huán)境保護(hù)局開發(fā)，用于城市降雨徑流和水質(zhì)情況模擬。與其他軟件相比SWMM模型體積小、速度快、操作簡單易掌握，源代碼開放易于二次開發(fā)，被廣泛用于城市雨水綜合管理和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[16]。本研究基于SWMM模型構(gòu)建區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，分析城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷內(nèi)澇發(fā)生點(diǎn)，在內(nèi)澇發(fā)生時(shí)預(yù)警。將模型嵌入智慧管網(wǎng)平臺(tái)，輸入不同降雨數(shù)據(jù)，在平臺(tái)上顯示內(nèi)澇點(diǎn)積水深度。模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)耦合，生成在線校準(zhǔn)模型，結(jié)果準(zhǔn)確，可以實(shí)時(shí)在線預(yù)測(cè)，通過管網(wǎng)平臺(tái)展示。

2.3 面源污染評(píng)估

點(diǎn)源污染較為有效控制區(qū)域，無大量直排污水時(shí)，面源污染進(jìn)入水體的污染負(fù)荷占比超過50%。面源污染具有短時(shí)、強(qiáng)負(fù)荷沖擊的特點(diǎn)，降雨后水體污染物濃度成倍提高，指示微生物濃度呈指數(shù)級(jí)提高，造成水質(zhì)迅速惡化，嚴(yán)重時(shí)可能造成水體生態(tài)破壞。因此，面源污染控制是排水系統(tǒng)智慧化管控的目標(biāo)之一。面源污染受匯水區(qū)和降雨影響大，其追蹤、評(píng)估、控制存在困難。部分研究在晴天對(duì)地表污染物進(jìn)行干、濕法采樣，分析區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生面源污染的潛在原因，忽略了污染物受降雨沖刷隨地表徑流進(jìn)入管網(wǎng)以及在管網(wǎng)中傳輸?shù)倪^程，評(píng)估結(jié)果存在誤差。本研究以沿河排口水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，結(jié)合雨天水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)，較為準(zhǔn)確地評(píng)估面源污染，為管網(wǎng)截污改造、在線調(diào)度削減排污量提供參考。

2.4 離線水質(zhì)檢測(cè)模板

智慧管網(wǎng)平臺(tái)缺乏部分在線傳感器，一般僅具有在線自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)，但管網(wǎng)漏損水質(zhì)因子評(píng)估、面源污染評(píng)估及控制、沿河區(qū)域海水入侵判別等功能均需要一些關(guān)鍵水質(zhì)數(shù)據(jù)支撐。因此，本研究構(gòu)建的智慧管網(wǎng)平臺(tái)將離線水質(zhì)數(shù)據(jù)納入平臺(tái)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)用，更有效地保存和分析數(shù)據(jù)。基于平臺(tái)功能需求，水質(zhì)數(shù)據(jù)包括SS、COD、BOD、氨氮等常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)和海水指示物Cl-等。

3 內(nèi)澇評(píng)估子模塊構(gòu)建

3.1 內(nèi)澇模型構(gòu)建

基于SWMM模型構(gòu)建區(qū)域管網(wǎng)模型。研究區(qū)域共被劃分為39個(gè)子匯水區(qū)、281個(gè)雨水節(jié)點(diǎn)、281條雨水管段和11個(gè)雨水排放口。

根據(jù)《汕頭市海綿城市建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》，計(jì)算汕頭市暴雨強(qiáng)度。

式中：q——降雨強(qiáng)度[L/(s·Ha)]；t——降雨產(chǎn)生、匯流至排放口排出總歷時(shí)（min）；t1——地面產(chǎn)流、匯流總歷時(shí)（min）；t2——雨水在雨水管段內(nèi)流動(dòng)時(shí)間（min）；P——設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期（年）。

研究區(qū)域概化模型如圖1所示。

圖1 研究區(qū)概化模型

3.2 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

利用國際通用的芝加哥雨型進(jìn)行降雨過程線擬合，根據(jù)汕頭市歷年降雨事件分析降雨的雨峰系數(shù)。本研究選取0.4作為短歷時(shí)降雨（降雨歷時(shí)120 min）過程的雨峰系數(shù)（第48 min）。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021），汕頭市雨水排水管渠需滿足3～5年重現(xiàn)期設(shè)計(jì)，選擇P=0.5、1.0、3.0、5.0年。

不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)降雨如圖2所示。

圖2 不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)降雨

通過模擬分析，降雨重現(xiàn)期P=0.5年時(shí)，內(nèi)澇管段數(shù)為64條，占管段總數(shù)的22.78%；降雨重現(xiàn)期P=1年時(shí)，內(nèi)澇管段數(shù)為70條，占總管段數(shù)的24.91%；降雨重現(xiàn)期P=3年時(shí)，內(nèi)澇管段數(shù)為82條，占總管段數(shù)的29.18%；降雨重現(xiàn)期P=5年時(shí)，管段內(nèi)澇數(shù)與降雨重現(xiàn)期P=3年時(shí)結(jié)果一致。

不同降雨重現(xiàn)期下節(jié)點(diǎn)內(nèi)澇情況如表1所示。

表1 不同降雨重現(xiàn)期下節(jié)點(diǎn)內(nèi)澇情況

大部分發(fā)生內(nèi)澇的雨水管網(wǎng)埋層較深，處于低洼地段，強(qiáng)降雨影響下極易發(fā)生內(nèi)澇，有必要對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

內(nèi)澇節(jié)點(diǎn)不同降雨重現(xiàn)期的內(nèi)澇量如圖3所示。

圖3 內(nèi)澇節(jié)點(diǎn)不同降雨重現(xiàn)期的內(nèi)澇量

隨著降雨重現(xiàn)期增大，超負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的內(nèi)澇溢出量增大，1年重現(xiàn)期條件下，內(nèi)澇最嚴(yán)重節(jié)點(diǎn)J278的內(nèi)澇量為9 551 m3；5年重現(xiàn)期條件下，內(nèi)澇量達(dá)15 028 m3，增加5 477 m3。子匯水區(qū)面積為14.39 ha，積水深度約10 cm，從整個(gè)區(qū)域分析，積水深度不高，但內(nèi)澇不會(huì)均勻分布在子匯水區(qū)，局部可能存在較大隱患。針對(duì)不同節(jié)點(diǎn)，分析各個(gè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)澇量可以發(fā)現(xiàn)，不同降雨條件下，內(nèi)澇量較多的節(jié)點(diǎn)固定不變，表明內(nèi)澇程度由子匯水區(qū)的土地利用情況、坡度和管網(wǎng)結(jié)構(gòu)等固有特性決定。針對(duì)同一節(jié)點(diǎn)，內(nèi)澇量隨降雨增大。降雨重現(xiàn)期達(dá)3年時(shí)，發(fā)生內(nèi)澇的節(jié)點(diǎn)數(shù)不再增加，表明研究區(qū)域其余管網(wǎng)滿足P=5年的設(shè)計(jì)要求，僅需對(duì)存在內(nèi)澇問題的子匯區(qū)域、雨水節(jié)點(diǎn)以及雨水管段進(jìn)行整改。

4 智慧管網(wǎng)平臺(tái)

4.1 平臺(tái)架構(gòu)

智慧管網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 智慧管網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)

智慧管網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)框架由分層支持體系和保障體系構(gòu)成。其中，分層支持體系包括感知層、通訊層、數(shù)據(jù)層、物聯(lián)網(wǎng)層、應(yīng)用層和頂層客戶端；保障體系包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與政策法規(guī)體系、運(yùn)維管理、數(shù)據(jù)更新與安全保障體系。

智慧管網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)每層均圍繞特定功能需求進(jìn)行設(shè)置。以內(nèi)澇為例，數(shù)據(jù)感知層設(shè)備包括基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)設(shè)備、檢查設(shè)備、智能終端設(shè)備，內(nèi)澇模塊的感知層設(shè)備包括雨量計(jì)、液位監(jiān)測(cè)儀、流量監(jiān)測(cè)儀等監(jiān)測(cè)設(shè)備。監(jiān)測(cè)設(shè)備通過集成NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)）標(biāo)準(zhǔn)模組，與NB-IoT基站連接，實(shí)現(xiàn)通信能力，將信息上傳至平臺(tái)，感知層包括攝像頭、水質(zhì)傳感器、離線檢測(cè)設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)特定功能的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)層包括地理信息數(shù)據(jù)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的建立和管理。通訊層指NB-IoT等無線網(wǎng)絡(luò)和光纖網(wǎng)絡(luò)等專用網(wǎng)絡(luò)，是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的通訊基礎(chǔ)，不同的監(jiān)測(cè)設(shè)備和場(chǎng)景使用不同的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)和連接方式。本研究采用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有廣泛連接、低功耗、低成本、廣覆蓋的特點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)層采用基于IoT的平臺(tái)，支持云端數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和傳輸，通過統(tǒng)一的協(xié)議與接口實(shí)現(xiàn)不同終端的接入。IoT平臺(tái)可以提供數(shù)據(jù)管理功能，包括數(shù)據(jù)采集、分類、結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)調(diào)用、使用量分析。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、面源污染核算、管網(wǎng)漏損分析、水量水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)等應(yīng)用功能。客戶端包括手機(jī)端、平板、PC端。

4.2 平臺(tái)可視化

綜合平臺(tái)作為智慧排水管網(wǎng)的應(yīng)用層，基于數(shù)據(jù)采集管理數(shù)據(jù)庫，通過區(qū)域模型建立、模擬運(yùn)行、集成信息以及各類標(biāo)簽分類歸檔等功能，實(shí)現(xiàn)不同權(quán)限管理及單位的日常業(yè)務(wù)。平臺(tái)界面可以分為設(shè)備管理、可視化、數(shù)據(jù)監(jiān)控、智能預(yù)警、保養(yǎng)維護(hù)、系統(tǒng)管理六個(gè)板塊，通過軟件工程架構(gòu)設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)設(shè)備以物聯(lián)接入平臺(tái)，用戶可以根據(jù)自身需求直接查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過界面UI交互方式實(shí)現(xiàn)可視化。

平臺(tái)總界面接入項(xiàng)目研究區(qū)域地圖，支持動(dòng)態(tài)縮放、矢量轉(zhuǎn)化地圖，錄入管網(wǎng)信息，GIS地圖2D和3D可在平臺(tái)界面隨時(shí)切換；通過BIM圖用戶可以隨時(shí)察看區(qū)域管網(wǎng)的基本信息，包括長度、節(jié)點(diǎn)、管材、坡度、監(jiān)控設(shè)備信息等；通過內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖，用戶可以查看模型分析結(jié)果和積水點(diǎn)深度，獲得平臺(tái)發(fā)布內(nèi)澇報(bào)警信息。

用戶可以根據(jù)自身業(yè)務(wù)需要，在平臺(tái)設(shè)置不同監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，形成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一覽表，數(shù)據(jù)分為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和采樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)平臺(tái)內(nèi)設(shè)定的算法分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析，通過區(qū)域建模模擬運(yùn)行，將模型模擬結(jié)果傳入預(yù)警模塊，判定是否需要向相關(guān)部門做出預(yù)警，提前做好對(duì)管網(wǎng)突發(fā)事故的應(yīng)對(duì)措施，最大限度降低突發(fā)事故對(duì)人民日常生活、生產(chǎn)的影響。

5 結(jié)語

智慧水務(wù)、智慧平臺(tái)是智慧城市的重要組成部分。建設(shè)智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)以及管網(wǎng)海水腐蝕模型可以解決沿海城市海水倒灌、城市內(nèi)澇等問題，提高管理效率，實(shí)現(xiàn)城市排水智慧管理。