基于DWDS平臺的城市給排水管網系統優化技術

潘泓佑

（深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

在當今快速城市化的背景下，城市給排水管網系統的有效管理對于確保公共衛生、環境保護及可持續城市發展至關重要[1]。隨著城市規模的不斷擴大和居民需求的日益增長，傳統的給排水系統管理方法面臨諸多挑戰[2]。這些系統常常受限于老化的基礎設施，缺乏實時監控和預測能力，以及效率低下的資源分配。結果不僅導致水資源的浪費和不均衡分配，還有對環境和公共健康的潛在風險。傳統方法的主要不足在于其對復雜和動態變化的城市水需求反應遲緩，且維護成本高昂。這些系統往往依賴于定期的物理檢查和人工干預，缺乏實時數據支撐的決策機制[3]。因此，泄漏和故障的檢測通常被延遲，緊急維修需求頻繁，造成了巨大的經濟負擔和資源浪費。因此，研究引入了基于數字排水平臺（Drinking Water Distribution System，DWDS）的城市給排水管網系統優化技術，旨在通過實施先進的監測和分析工具來克服傳統方法的局限。DWDS 平臺的創新之處在于其綜合利用了傳感器網絡、實時數據監控、智能分析和自動化控制系統。研究期望能夠對促進城市的智能化、綠色化和可持續發展做出貢獻。

2 基于DWDS平臺的城市給排水系統分配管理策略與實施流程分析

2.1 基于DWDS平臺的城市給排水管網分配與管理系統優化研究

DWDS 是一種數字化集成管理系統，它通過集成先進技術和數據處理手段，致力于提高城市給排水系統的效率和可靠性。這個系統的核心功能包括高度精密的數據集成和實時監控，利用遍布整個排水管網的傳感器和物聯網技術收集關鍵數據，并將這些數據實時傳輸至一個中央數據庫。在此基礎上，平臺利用大數據處理和人工智能算法進行深入分析，以預測水需求變化，并據此自動調整水流量和壓力。這種預測和自動調控系統不僅優化了資源分配，還增強了系統對緊急情況的響應能力。

平臺的用戶界面設計直觀易用，使運營人員能夠輕松監控整個系統的運行狀態，并根據系統提供的數據和分析結果進行有效決策。技術架構方面，DWDS 平臺不僅采用了云計算和大數據技術來處理和存儲海量數據，還特別強調了數據安全和網絡安全，確保所有信息的安全可靠。此外，系統的可擴展性設計允許它靈活適應不同規模城市的需求和未來技術發展的挑戰。

應用DWDS 平臺可以顯著提升水資源管理的效率，例如，通過精確的數據分析和監控排水管道漏損率，同時優化運行模式和預防性維護策略降低能源消耗和緊急維修需求。此外，實時的水質監控系統確保了供水的安全性，能夠及時發現并處理任何潛在的污染問題。盡管如此，DWDS 平臺的部署和運行也面臨著挑戰，包括需要專業的技術支持、對運營人員的持續培訓以及較高的初始投資成本。未來發展方向可能包括集成更高級的數據分析工具、更加智能的預測算法，以及更為用戶友好的操作界面，以進一步提高系統的性能和適應性。

2.2 城市給排水系統面臨的挑戰與優化策略

目前的排水管道系統面臨著多個緊迫問題。首先，基礎設施老化是主要問題，許多城市的排水管道經過數十年使用后，出現了腐蝕、泄漏和破裂等問題，導致水資源浪費，同時可能威脅水質安全。其次，隨著城市擴張和人口增長，現有排水系統的承載能力日益不足，尤其是在新興住宅區和城市邊緣地區，排水設施跟不上需求增長的速度。此外，面對極端天氣事件如洪水和干旱，現有系統常常力不從心，增加了城市的洪澇風險。環境污染也是一個嚴重的問題，管網泄漏可能導致污水和化學物質滲入土壤和地下水，危害生態環境和公共健康。最后，排水系統在監測和管理方面存在缺陷，缺乏有效的監控系統和管理機制，導致問題處理滯后，影響了整體的管理效率和響應速度。

為了應對這些問題，一系列具體且有針對性的優化策略需要被采納。首先，更新和升級基礎設施是關鍵，使用耐腐蝕和長壽命材料替換老舊管道，并擴建排水系統以提高其處理和輸送能力。其次，引入智能監控系統，比如，利用傳感器和實時數據分析來快速定位泄漏和破損，同時采用物聯網技術進行管網的實時監控和管理。此外，綠色基礎設施和低影響開發（LID）技術如雨水花園和滲透性鋪裝可以增強地表水吸收和污水處理能力，減少雨水徑流，從而減輕排水系統的負擔。為應對氣候變化帶來的挑戰，需要設計能夠適應不同氣候情景的排水系統，并加強極端天氣事件的預測與應急準備。同時，社區參與和公眾教育也至關重要，提高公眾對排水系統重要性的認識，并鼓勵居民參與雨水收集和節水措施。最后，制定和執行嚴格的排水系統維護和更新規范，并提供財政和政策支持以鼓勵新技術和可持續實踐的采用，這些都是確保排水系統優化和持續性能的關鍵步驟。

2.3 基于DWDS平臺的城市給排水管網系統優化流程

在基于DWDS 平臺的城市給排水系統優化中，首先對現狀進行全面評估，包括管網的物理結構、技術狀態和運行效率，識別優化關鍵領域。DWDS 平臺利用傳感器監控關鍵指標，如水流量和壓力，通過大數據和機器學習分析數據，預測需求變化和及時發現泄漏。平臺還可預估未來水需求，自動調節水資源分配，并提供直觀的用戶界面和決策支持工具，助力運營團隊做出數據驅動的決策。

另外，在水質檢測方面，DWDS 平臺運用高級分析技術，加入了光譜分析和化學傳感器，來持續監測排水中的化學和生物成分。通過這些數據，平臺能夠識別特定的污染物和不正常的變化。結合地理信息系統和歷史數據，平臺能精確定位污染源頭，并通過聯動精準截污設施，如智能閥門和調節泵，及時進行截污處理。這種方法可以有效控制污水和工業排放，減少對環境和水體的影響。此外，平臺利用大數據和機器學習技術，深入解讀數據，識別消費模式，預測需求變化，并及時發現泄漏或其他潛在問題。通過復雜的預測模型，平臺預估未來水需求，自動調節泵站和閥門，以高效分配水資源。在用戶界面方面，直觀易用地設計展示實時數據和運行指標，并輔以決策支持工具，幫助運營團隊做出數據驅動的決策。同時，平臺通過優化水泵和閥門的運行，降低能源消耗，提高能效，實現可持續運營。在數據安全和系統可靠性方面，DWDS 平臺采取了嚴格措施，確保數據安全和系統穩定性。

3 基于DWDS平臺的給排水系統優化成效分析

在深圳市的研究中，1 號區域的給排水系統通過部署DWDS 平臺進行了優化，而2 號區域保持傳統管理作為對照。DWDS 平臺包含了全面的傳感器網絡、實時數據監控和智能分析系統，專注于監測關鍵指標如水流量、壓力和水質。中央處理系統利用高級數據分析技術識別泄漏和潛在問題，智能控制系統自動調整水泵和閥門，以優化水流分配和壓力管理。與之相比，對照區域未使用先進監測或自動化控制技術。

圖1a 顯示，在應用DWDS 平臺之前，城市給排水系統因管網老化和效率低下導致高達15%的水資源損失。DWDS 平臺通過傳感器實現實時水流量、壓力和水質監控，運用機器學習識別泄漏。智能控制水泵和閥門后，水資源損失率顯著降低，從最初的14%下降到6 個月后的約5%。圖1b 表明，DWDS 平臺的高精度監測和實時數據分析提升了水質管理，確保水質達標，從而增強公共健康保障。

圖1 優化前后水資源損失率和水質合格率對比

圖2a 展示了在應用DWDS 平臺之前，小型泄漏的識別和維修部署需要超過5 h，而優化后這一流程縮短至最快40 min。圖2b 指出，優化前緊急維修需求高昂且頻繁，導致成本增加和運營中斷。采用DWDS 平臺后，緊急維修次數大幅減少，年運營成本從原先的47 萬元降至20 萬元左右，節約率達10%~30%。

圖2 優化前后響應時間和運營維護成本對比

如圖3a 所示，優化后的設備故障率變化不明顯，總體來說控制在2.0%以內，可以看出截污設施的設備運行相對穩定，維護和故障情況均在可接受的范圍內。如圖3b 所示，截污設施的化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）去除率隨著系統投入使用逐漸升高，可以看出截污設施在處理水體中的COD 方面表現出較高的效率，并且在評估期內取得了穩定的效果。

圖3 優化后的設備故障率和化學需氧量去除率對比

4 結語

在當前快速城市化和環境變化的背景下，有效管理城市給排水系統成為一個緊迫的挑戰。本文采用了基于DWDS 平臺的方法對某市的給排水系統進行了優化，重點在于通過傳感器網絡、實時數據監控和智能分析系統提高系統的效率和可靠性。研究結果表明，DWDS 平臺的實施在優化區域顯著提升了水資源損失率和水質合格率，水資源損失率從14%降至約5%，水質合格率顯著提高，同時系統響應時間和運營維護成本均有顯著下降，設備故障率和COD 去除率表現優異。這些成果不僅展示了DWDS 平臺在提升給排水系統性能方面的有效性，也證明了其在節約成本和提高水資源可持續方面的潛力。未來研究需要在更廣泛的區域和更長的時間尺度上驗證DWDS 平臺的效果。