文｜奧格科技股份有限公司智慧水務(wù)事業(yè)部副總經(jīng)理 曹兵

1 城市治水排水管理現(xiàn)狀

現(xiàn)階段城市排水管網(wǎng)高水位運(yùn)行及內(nèi)澇問題是城市治水排水管理中的兩大難題，引起排水管網(wǎng)高水位運(yùn)行的原因有多種因素，如雨污混流、管網(wǎng)堵塞、破損、地下水入滲等原因；而相同的內(nèi)澇場景也可能是由不同的內(nèi)澇成因引起，常見的內(nèi)澇成因有河道水位頂托、倒灌，管道、泵站排水能力不足，雨水口收水能力不足或雨水口堵塞，管道堵塞、閘門關(guān)閉等多種成因。排水設(shè)施大都埋設(shè)在地下，無法直觀的準(zhǔn)確分析出成因，對于這兩大問題的解決，主要采用工程性措施和非工程性措施這兩種方式來處理。

工程性措施主要通過開展堰塘、排水渠、排水溝等整治工程和排水管網(wǎng)的清疏及雨污分流整改工作，提高城市總體防洪排澇能力；通過對排水管網(wǎng)的檢查對結(jié)構(gòu)性缺陷的設(shè)施進(jìn)行修復(fù)、更換，對功能性缺陷的設(shè)施進(jìn)行清疏，提升排水管網(wǎng)的排水能力；改造雨水排口、截流井、閥門等附屬設(shè)施，確保標(biāo)高銜接、過流斷面滿足要求等。非工程性措施主要包括強(qiáng)化日常維護(hù)，及時(shí)維修、養(yǎng)護(hù)城市排水管網(wǎng)設(shè)備實(shí)施；健全城市排水系統(tǒng)，加強(qiáng)市政排水管理與三防管理相輔相成的運(yùn)行管理模式；提升應(yīng)急管理水平，完善城市排水與內(nèi)澇防范相關(guān)應(yīng)急預(yù)案，明確預(yù)警等級內(nèi)涵；加強(qiáng)智慧平臺建設(shè)，在GIS+BIM 數(shù)據(jù)+物聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合的基礎(chǔ)上，融合城市信息模型（CIM），形成CGB 智慧發(fā)展模式。

非工程性措施輔助于管理，加強(qiáng)預(yù)防；工程性措施輔助于治理，完善建設(shè)。不論是從經(jīng)濟(jì)投入、技術(shù)支持，還是從根源治理、長遠(yuǎn)發(fā)展來看，非工程性措施中物聯(lián)監(jiān)測都是排水治水管理中的發(fā)展趨勢。通過在排水設(shè)施運(yùn)行中布設(shè)終端監(jiān)測設(shè)備，利用現(xiàn)場端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型的分析，可遠(yuǎn)程查看與分析出排水管網(wǎng)運(yùn)行狀況。在排水管網(wǎng)監(jiān)測方面，除了信息化系統(tǒng)建設(shè)，監(jiān)測點(diǎn)位的布設(shè)同樣需要重點(diǎn)關(guān)注，在有限的人力、財(cái)力資源下，確保通過最少的監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)，完成最優(yōu)化的有效監(jiān)測。

2 排水物聯(lián)監(jiān)測意義

2014年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部提出海綿城市建設(shè)及雨洪管理要求；2015年對城市排水管網(wǎng)監(jiān)測工作提出了進(jìn)一步的要求，智慧排水要做到信息化、實(shí)時(shí)監(jiān)測、智能化；2019年提出要充分發(fā)揮我國應(yīng)急管理體系特色和優(yōu)勢，提高監(jiān)測預(yù)警、輔助決策能力。智慧排水要做到運(yùn)行信息化、監(jiān)管智能化，其關(guān)鍵要實(shí)現(xiàn)對排水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)有效監(jiān)測。

實(shí)現(xiàn)對排水設(shè)施從源頭到末端運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)有效監(jiān)測，前端感知設(shè)備的布點(diǎn)是關(guān)鍵。物聯(lián)監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)原則要結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素、技術(shù)因素、環(huán)境因素等多方面的考慮，確保在盡量少的監(jiān)測設(shè)備布設(shè)下，完成最優(yōu)化的有效監(jiān)測。通過對目前排水管網(wǎng)物聯(lián)監(jiān)測設(shè)備布設(shè)原則的相關(guān)研究進(jìn)行分析，可從基本原則與定量分析兩個(gè)方面相結(jié)合的原則進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)管現(xiàn)對排水網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的定性分析到定量分析的跨越，從靜態(tài)運(yùn)行監(jiān)測向動(dòng)態(tài)運(yùn)行監(jiān)測和分布式模型動(dòng)態(tài)模擬監(jiān)測發(fā)展，實(shí)現(xiàn)由粗放管理向精細(xì)化、精準(zhǔn)化、智能化管理的跨越。

3 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)原則分析

排水監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)在理想狀態(tài)下是在城市的各個(gè)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域及需要布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)的窨井、閘泵站、污水廠、排水口等地布設(shè)足夠多的傳感器來采集排水設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)。但在實(shí)際應(yīng)用中，需要在通用布點(diǎn)原則的基礎(chǔ)上對監(jiān)測點(diǎn)位及數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，以確?？梢岳幂^少的監(jiān)測點(diǎn)位來實(shí)現(xiàn)城市排水管網(wǎng)運(yùn)行情況及易澇情況的展示。當(dāng)前通用的布點(diǎn)原則如下：

(1)均勻性原則：要確保物聯(lián)監(jiān)測點(diǎn)位監(jiān)測到的數(shù)據(jù)能夠充分代表城市排水管網(wǎng)整體健康情況，就需要監(jiān)測點(diǎn)在城市排水管網(wǎng)區(qū)域內(nèi)分布均勻，這樣獲取到的監(jiān)測信息才能較好的代表整個(gè)城市區(qū)域排水運(yùn)行情況。

(2)實(shí)用性原則：監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)要根據(jù)排水業(yè)務(wù)需求來確定。如排水源頭排水戶處布設(shè)水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，窨井處布設(shè)水位、流量、水質(zhì)設(shè)備，污水廠進(jìn)水口處布設(shè)流量和水質(zhì)設(shè)備，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測目的，科學(xué)合理地布置監(jiān)測點(diǎn)。

(3)可行性原則：監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)位置的選擇應(yīng)充分考慮設(shè)備安裝、運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備安全等因素。設(shè)備類型和選擇也需要考慮監(jiān)測點(diǎn)位的特殊性。

(4)代表性原則：監(jiān)測點(diǎn)要盡量覆蓋各種類型排水區(qū)域，可對各不同排水特征的區(qū)域均有代表性的監(jiān)測，可滿足不同監(jiān)管部門的需要。

(5)重要排水設(shè)施：排水管網(wǎng)設(shè)施除了排水管線和檢查井外，還包括閘門、泵站、調(diào)蓄設(shè)施、溢流設(shè)施等排水設(shè)施。這些設(shè)施一般設(shè)置在特定的位置具有特定的功能，是城市排水工程中的重要環(huán)節(jié)，在這些重要排水設(shè)施處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)可更好的監(jiān)控排水運(yùn)行情況。

(6)地勢低洼處：雨季暴雨頻發(fā)，排水管網(wǎng)運(yùn)行壓力大，常會(huì)造成地勢低洼處形成內(nèi)澇。因此在地勢低洼處、易澇點(diǎn)區(qū)域設(shè)置水位監(jiān)測點(diǎn)十分必要，可在一定程度上代表了該城市的內(nèi)澇狀況。

(7)管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處：在排水單元與市政管網(wǎng)的接駁井處布設(shè)水質(zhì)檢測點(diǎn)，可從源頭上及時(shí)了解排水水質(zhì)情況；在排水主管與支管、主管與河涌的交界處布設(shè)水位監(jiān)測點(diǎn)，可及時(shí)了解排水運(yùn)行狀況。

內(nèi)澇防治和提質(zhì)增效是當(dāng)前排水管理中兩個(gè)重要的工作，在排水監(jiān)測點(diǎn)位的布設(shè)中需要優(yōu)先考慮。內(nèi)澇防治中監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)的目的（如圖1）是及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)澇點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)，做好預(yù)警預(yù)報(bào)，讓一線搶險(xiǎn)隊(duì)伍能快速響應(yīng)并采用正確的應(yīng)急措施來最終解除險(xiǎn)情。

圖1 內(nèi)澇監(jiān)測的布點(diǎn)原則

提質(zhì)增效中監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)的目的（如圖2）是通過對排水管網(wǎng)的水質(zhì)水量監(jiān)測，對管網(wǎng)高水位運(yùn)行情況進(jìn)行評估、診斷，為后續(xù)排水管網(wǎng)的監(jiān)管、養(yǎng)護(hù)、檢修、工程改造提供依據(jù)。

圖2 提質(zhì)增效監(jiān)測的布點(diǎn)原則

4 監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)的方法

上述內(nèi)容從宏觀大方向根據(jù)已有的歷史資料進(jìn)行定性的監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)，現(xiàn)階段的研究利用大數(shù)據(jù)的支撐，通過統(tǒng)計(jì)模型和數(shù)值模型兩種方法進(jìn)行定量優(yōu)化。

4.1 用統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行優(yōu)化

國內(nèi)對排水管理監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)的研究，大多采用統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行研究，相關(guān)研究大多是通過識別監(jiān)測點(diǎn)之間的相關(guān)性進(jìn)行聚類，從而通過優(yōu)化監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)同等效果的監(jiān)測。袁景冬的研究是采用模糊聚類法和動(dòng)態(tài)貼近度法兩種方法分別對排水管網(wǎng)上的監(jiān)測點(diǎn)位置進(jìn)行了優(yōu)化，通過優(yōu)化使23 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)縮減為10 個(gè)具有代表性的監(jiān)測點(diǎn)。秦禮琦利用模糊聚類分析法優(yōu)化了某市排水區(qū)域的排水干管上的監(jiān)測點(diǎn)。李小坤則是通過結(jié)合灰色連度分析和TOPSIS 分析的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種基于灰色關(guān)聯(lián)-TOPSIS 的決策模型，應(yīng)用于城市內(nèi)澇監(jiān)測點(diǎn)的優(yōu)化布置。趙印通過采用模糊聚類算法和改進(jìn)K-means 算法兩種方法分別對河涌流域上的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化布置，并通過兩種方法的對比分析，求得合理監(jiān)測點(diǎn)。

統(tǒng)計(jì)模型大多采用模糊聚類法對排水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化布置，構(gòu)建過程主要是通過監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測指標(biāo)之間的關(guān)系矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)間的距離建立模糊相似矩陣，據(jù)統(tǒng)計(jì)構(gòu)建模糊相似矩陣的方法有13 種，下圖所示的6 類的正確性相對較高。根據(jù)相關(guān)性的大小進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚類，最后通過優(yōu)化置信水平再次進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚類，如圖3 所示。

圖3 基于模糊聚類法優(yōu)化管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)流程

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析的方法對排水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化布置，主要是從監(jiān)測數(shù)據(jù)相似性的角度來反映各監(jiān)測點(diǎn)之間的相似關(guān)系。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，海量監(jiān)測數(shù)據(jù)用于支撐優(yōu)化統(tǒng)計(jì)分析算法計(jì)算，通過與大數(shù)據(jù)的結(jié)合，該方法的準(zhǔn)確度會(huì)逐漸提高。

4.2 以數(shù)值模型進(jìn)行優(yōu)化

隨著互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，加速了數(shù)值模型的發(fā)展，數(shù)值模型應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)分析、醫(yī)藥研究、環(huán)境監(jiān)測等各行各業(yè)，應(yīng)用于城市排水較為典型的數(shù)值模型是暴雨洪水管理模型（SWMM）和InfoWorks ICM 排水管網(wǎng)模型。暴雨洪水管理模型（SWMM）應(yīng)用在排水治水管理中，可以模擬不同時(shí)間步長任意時(shí)刻上每個(gè)子流域的水質(zhì)和水量，以及每個(gè)管道的流量、水深及水質(zhì)等情況。暴雨洪水管理模型（SWMM）在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于城市地區(qū)的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道以及其它排水系統(tǒng)的規(guī)劃、分析和設(shè)計(jì)。InfoWorks ICM 排水管網(wǎng)模型中的水文模型可對降雨產(chǎn)流匯流過程進(jìn)行模擬，水動(dòng)力模型可以對管網(wǎng)中的污染物排放傳輸規(guī)律進(jìn)行模擬。趙琬玉曾通過InfoWorks ICM排水管網(wǎng)模型對內(nèi)澇區(qū)域進(jìn)行模擬，分析了排水管網(wǎng)排水運(yùn)行能力和應(yīng)對內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)能力。

與統(tǒng)計(jì)模型相比，數(shù)值模型不僅利用大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為支持，進(jìn)行參數(shù)率定，可分為不同場景進(jìn)行情景模擬，可充分考慮影響事件的多種因素，還融入了統(tǒng)計(jì)模型的算法及相關(guān)性分析。

5 結(jié)語

市政排水管網(wǎng)運(yùn)行壓力大、內(nèi)澇情況頻發(fā)，使排水管網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測需求逐漸突顯。目前對排水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行篩選優(yōu)化的研究方向主要是統(tǒng)計(jì)算法和模型應(yīng)用兩類，根據(jù)實(shí)際情況，通過對這兩種方式的采用進(jìn)一步研究，有望解決現(xiàn)有的如下問題：一是排水監(jiān)測以人工監(jiān)測為主，信息量不足且時(shí)效性差;二是排水運(yùn)行管理過多依賴于工作人員的主觀判斷和歷史經(jīng)驗(yàn);三是對于大規(guī)模管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)的篩選優(yōu)化不適用。同時(shí)也可使城市治水排水工程監(jiān)測點(diǎn)的選擇更加科學(xué)、簡明，使監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警、指揮決策更加信息化，實(shí)現(xiàn)從精細(xì)化向精準(zhǔn)化，再向智能化逐步邁進(jìn)。