基于污水空间大数据的城市排水监管模式探索

2022-06-21史梦婷杨先城

科技创新与应用 2022年17期

姚慧，史梦婷，杨先城

（江苏太湖云计算信息技术股份有限公司，江苏无锡 214000）

作为城市的重要基础设施，排水管网的正常运行保障了城市的正常排水，是防止内涝的重要保障。一旦排水管设施发生老化或者连接关系出现复杂化，将会导致排水管网坍塌或漏损，造成污水溢流，甚至发生城市内涝等严重问题。随着GIS技术、大数据技术、物联网技术的迅速发展，监管部门尝试在排水管网中安装监测设备来监测管网的运行情况，同时结合远程控制、内涝预警分析等手段进行智能化控制、漫溢及内涝的应急处置工作，并取得了非常好的应用效果[1-6]。

2019年12月无锡人民政府办公室印发《无锡市城镇污水提质增效三年行动方案（2019-2021年）》（以下简称《方案》），《方案》要求提高信息化管理水平：建立大数据平台，完善GIS系统，建立重点工业排水户自动监控系统，强化智能预警功能水平。文章选取无锡工业企业集中分布的乡镇，作为研究对象，分析无锡工业型乡镇目前污水监管现状，提出智慧排水信息化设计方案。

1 乡镇污水监管现状

随着无锡工业企业型乡镇高速发展，乡镇的人居环境与经济发展之间的矛盾逐渐凸显，其中在重污染工业企业集中的区域企业排水户污水超标排放、私接偷排的情况比较严重，周边河道污染严重，镇生态环境部门多次开展河道整治，河道反复黑臭，往往治标不治本。

目前无锡全市、区、乡镇都已经陆续开展排水管网四位一体排查（测绘、疏通、检测、修复），排水管网测绘基础数据基本具备。

乡镇普遍存在的问题是在开展工作过程中仍旧以纸质方式为主，大量的工作资料和工程资料都以纸质方式保存，在出现应急事件需要资料做支撑时候，消耗时间较长，工作效率较低；特别对于监管业务范围内的历史资料、变更资料缺乏有效管理，无法依靠准确的数据进行分析决策。

2 智慧排水信息化设计方案

2.1 总体设计

针对乡镇现状，综合考虑无锡市对于城镇污水提质增效的具体工作要求，设计乡镇智慧排水信息化总体框架，如图1所示。

如图1所示，智慧排水信息化将从4个层面展开：

图1 总体框架图

2.1.1 物联感知层

设计进行管道液位监测、企业污水排口水质监测、管网低洼点液位监测以及入河排口液位水质监测；同时通过NB-IOT通信技术将采集到的实时监测数据上传到智慧排水信息化数据库中。

2.1.2 数据层

包括乡镇管线测绘成果、河道水系、企业排水户、入河排口、实时监测等数据以及组织机构、应急资源等数据。

2.1.3 技术层

采用地理信息技术、大数据技术、物联网技术以及云计算技术来支撑智慧排水信息化建设。

2.1.4 业务应用层

以排水资源一张图为依托，支撑污水管网动态分析、企业排污行为分析以及巡检养护管理、应急资源调度等应用。

2.2 具体设计

2.2.1 数据部分

排水管线测绘数据：利用排水管线测绘数据成果，将其进行空间化处理。

河道水系数据：包括河道名称、河道长度、河道空间分布信息。

企业排水户数据：包括企业排水户类型、企业名称、企业负责人、排污许可证信息等。

河道入河排口数据：包括所属河道名称、河道排口编号信息等。

实时监测数据：管道液位数据、河道排口液位、河道排口水质（电导率/COD）以及雨量数据。

组织机构：包含监管部门负责人、工作人员以及巡检养护单位等信息。

应急资源：包括移动排水车辆，以及环卫、城管、交通等协同部门负责人。

2.2.2 专业工具

在开展设备监测布点时采用的专业工具支撑主要有CAD专业制图软件和GIS专业地图工具。

（1）CAD专业制图软件

在有些区域还无法提供测绘成果数据的情况下，使用CAD专业制图软件进行布点。CAD专业制图软件是计算机辅助设计领域最流行的CAD软件包，此软件功能强大、使用方便、价格合理，在国内外广泛应用于机械、建筑、家居、纺织等诸多行业，拥有广大的用户群。CAD制图软件具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。

（2）GIS专业地图工具

在具备测绘成果数据的区域，采用GIS专业地图工具进行布点。常用的为ARCGIS软件，该软件是一款专业的电子地图信息编辑和开发软件，它主要应用于GIS访问，提供快速并且使用简单的方式浏览地理信息，无论是2D还是3D的信息。软件内置多种编辑工具，可以轻松地完成地图生产全过程，为地图分析和处理提供了新的解决方案，可以无限地进行数据和地图的共享。同时全面拥抱前沿IT技术，升级平台大数据、三维、影像等核心能力，为使用者打造了一个功能强大、性能卓越、稳定性高的Web GIS平台。

2.2.3 物联感知部分

（1）监测设备选型

因污水管网内环境复杂、恶劣，因此，在污水管道内安装监测设备须具备以下基本技术性能：

a.具备防水防腐性能

地下排水管道运行条件恶劣，水质条件复杂，常有生活污水、工业废水、医药废水等，对排水监测设备具有很强的干扰性和腐蚀性。因此监测设备须具有很高的防腐性能够克服长期高水位浸泡的问题，保证设备运行正常支撑其在地下管进行长期的数据采集监测。同时智能监测设备主机能够支持水下2 m保持72 h稳定运行，符合IP68级别的防水能力。

b.全浸没环境信号正常上传

监测设备整机防护等级要求达到IP68，能够整机浸泡在污水环境下正常工作。能够对长期漫溢的管井进行物联监测。实现对恶劣管点进行数据实时监控，消除人工监控盲区，降低人工开井监测安全风险；同时能够实现水下30 cm信号正常传输，保证数据能够上传至云平台。

c.可多参数监测

智能监测设备支持2路及2路以上RS485传感器接口，支持MODBUS通信协议，具备多传感器自适应功能，传感器即插即用，系统自动识别。支持远程升级，可通过升级支持更多种类传感器。满足同一个管点多参数监测的需求；同时能够基于多参数的事件预警机制，实现城市降雨易涝点检测预警。

d.设备低功耗

监测设备须筛选微功耗处理器、减少外部器件数量、设计低功耗外围电路，如适用于系统的高效电源转换电路等。在软件设计上，选择处理器的最优微功耗功能、配合高度优化的微功耗嵌入式程序；空闲时休眠，进入待机模式；工作时唤醒，高效执行完任务后，立即休眠。

e.设备体积小

监测设备采用内置电池，设备体积小，拿取和安装更灵便；安装过程配合专用支架可直接固定于检查井井壁，占用体积小，不影响后期运维人员下井维护。

（2）监测设备布点

在污水管网安装液位监测设备，设计每公里布设2台；选取制药、印染等重污染工业企业在其污水总排口安装水质（电导率）监测设备；选取周边污染严重的河道在入河排口安装液位、水质一体监测设备。

（3）布点条件

在确定了布点思路后，依据以下布点条件检查安装井是否满足安装条件：

安装井内的垃圾较少；现场评估设备安装后，不能影响日后管网的巡查养护工作；井壁需较牢靠，能确保安装设备后不易脱落；井内液位不能长期满管，保证设备安装后不会一直浸没在水中；安装位置NB信号较强。

（4）布点步骤

依据排水数据的实际情况，一般有3种类型的布点步骤：

a.CAD布点步骤

CAD布点步骤适用于只具备CAD电子成果数据的情况，具体的布点流程如图2所示。

图2 CAD布点流程图

b.GIS地图软件布点步骤

对于已经有的测绘成果基础数据，使用GIS地图软件进行布点，布点流程如图3所示。

图3 GIS地图软件布点流程

c.管线竣工图纸布点步骤

通过管线竣工图纸进行划分布点，流程如图4所示。

图4 管线竣工图纸布点

2.2.4 业务应用部分

（1）排水资源一张图

在互联网地图上选取乡镇行政区域为研究范围，在地图上叠加排水管网空间化数据，制作污水管网、雨水管网、排水设施等图层；同时在一张图上可进行管网空间拓扑检查，如果存在管网走向混乱的情况在一张图上可直观呈现，地图可视化是检验测绘成果是否合格的一个非常有效的验证手段。

（2）污水管网动态分析

基于污水管网的空间分布，结合在污水管网中安装的液位监测设备，将实时液位数据与污水管网进行叠加分析，可辅助监管人员了解地下污水管网内的液位变化情况；同时结合动态分析指标（见表1），可为监管工作提供直观便捷的数据，为监管工作的开展以及污水管网的规划、修复等工作提供参考依据。

表1 污水管网动态分析

（3）企业排污行为分析

基于在重污染工业企业污水总排口监测的企业污水水质数据，结合地图可视化开展企业排污行为分析（分析指标见表2），通过分析重点排查存在超排异常排污的企业，为监管执法工作提供数据支撑，从而规范企业排污行为。

表2 企业排污行为分析

（4）巡检养护管理

以排水资源一张图、数据分析结果，作为指导巡检养护管工作的重要依据，例如：长期满管运行的管段，其遭受的腐蚀肯定较高，就可作为管道更换、修复的重点对象纳入到养护计划中，一方面避免管道老化造成大面积污水外溢，造成路面污染；另一方面，促进巡检养护向精准化、高效化发向发展。

（5）应急资源调度

污水管网一旦破裂或者大面积漫溢，会给周边生活环境造成非常大的影响，因此在实时监测污水管网运行状态的同时，需要做好突发事件的应急方案，包括掌握应急物资的储备情况、分布情况、救援队伍的通信情况、移动排水车辆的活动轨迹情况，结合管网动态分析数据，在异常预警发出后，通过系统直接将预警信息发送到排水、环卫、城管、交通等协同部门负责人手机上，便于各部门提前做好应急部署准备，实现快速响应和及时处理，从而提升排水监管智慧化水平。