“问题导向”排水管网智慧平台建设与应用

2022-06-30陈泽鹏缪程武张尚中康瑞鹏

智能城市 2022年5期

陈泽鹏缪程武朱敏张尚中康瑞鹏

（1.中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川成都 610081；2.中交（汕头）东海岸新城投资建设有限公司，广东汕头 515000；3.东清合创（深圳）环境科技有限公司，广东深圳 518004）

城市排水系统作为城市的重要组成部分，是城市居民生活、工业生产、经济发展的基础，影响城市的正常运行。随着我国经济发展速度加快，城市化水平日渐提高，城市基础建设中的排水管网系统错综复杂，管理不当可能造成内涝、面源污染等问题，影响城市正常安全运行[1-4]。地下城市管网设计、建设资料保存方面，沿用传统的人工管理模式，已经形成相对成熟的管理体系，但排水管网中的管线分属不同的管理部门，缺乏信息共享平台，且各地建设水平不一，需要寻找在线监督管理措施。实现精细化和动态管理是当前城市排水管网智慧化建设中迫切需要解决的问题。目前，已构建的排水管网智慧管控平台多以管网基础信息储存、管网在线监测数据采集、数据统计分析为主要功能，内涝风险及面源污染评估等功能并未纳入平台[5-7]。因此，有必要针对排水管网的痛点问题，以“问题导向”构建智慧管控平台。本研究以汕头市东海岸新津片区新建智慧排水管网系统为例，介绍基于排水管网问题诊断及内涝风险评估的智慧管网平台构建。

1 研究区域

研究区域位于汕头市东海岸新城。汕头市位于广东省东部，属亚热带海洋性气候，冬无严寒，夏无酷暑，年平均气温21.3 ℃，年降雨量1 672 mm，湿度82%，适宜居民居住，是海峡西岸经济区的重要城市之一。研究区域雨量充沛，位于沿海区域，可能存在内涝风险；区域周边设置重要港口，沿海区域开发了旅游资源，提供亲水活动空间，但地势较低，可能存在内涝风险；受海水潮汐影响，入海部分排水管网盐度高，污染物与一般内陆城市不同。因此，有必要建立沿海区域特征需求的智慧管网系统。

2 智慧管网功能模块构建

构建智慧管网平台可以减少人工现场巡查次数，提高日常运营、管网巡检维护效率，预测预警排水系统引起的内涝风险，控制管网溢流造成的环境污染，发现管网漏损溯源、异常排污等问题[8-9]。智慧管网平台已实现数据储存、监测数据采集、数据统计等功能。内涝风险预测预警功能采用排水管网模型（SWMM、InfoWorks、Mike Urban等）进行模拟分析，构建的模型与线上监测数据互相独立，不利于有效分析和实时在线决策[2,10]。本研究从管网核心问题出发，构建“以问题为导向的子模块”，通过设计友好的平台界面，内嵌内涝模型，二次加工数据，方便工程人员使用。

2.1 沿海管网漏损指标

沿海区域地下水位高，受潮汐、海水倒灌影响，存在海水渗漏可能性。管网漏损可能造成面影响，海水入侵会稀释管网污染物，大量污水进入污水厂，对处理工艺造成冲击，消耗处理能源和药剂，降低处理效率，增加碳排放[11-13]；污水外渗造成海口区域水质污染，海口区域水动力不足，污染物降解自净能力差，易造成赤潮等污染现象，影响近海养殖和沿海旅游资源开发[14-15]。因此，需要基于水质、水量双因子在线监测及耦合分析，建立适宜沿海区域排水管网的漏损预警、漏损点溯源指示系统。通过晴天常水量、水质长期监测，基于上下游节点水量平衡、污染物总量守恒原则，将节点的水量、污染物浓度监测值与理论值进行比对，计算差值，差值超过20%则判断节点异常，可能存在指示管网渗漏、堵塞等现象，在智慧管网平台上进行预警，提示进一步现场核查溯源。

2.2 内涝预测预警

SWMM模型由美国环境保护局开发，用于城市降雨径流和水质情况模拟。与其他软件相比SWMM模型体积小、速度快、操作简单易掌握，源代码开放易于二次开发，被广泛用于城市雨水综合管理和内涝风险评价[16]。本研究基于SWMM模型构建区域内涝风险评估模型，分析城市内涝风险，结合监测数据判断内涝发生点，在内涝发生时预警。将模型嵌入智慧管网平台，输入不同降雨数据，在平台上显示内涝点积水深度。模拟结果与监测数据耦合，生成在线校准模型，结果准确，可以实时在线预测，通过管网平台展示。

2.3 面源污染评估

点源污染较为有效控制区域，无大量直排污水时，面源污染进入水体的污染负荷占比超过50%。面源污染具有短时、强负荷冲击的特点，降雨后水体污染物浓度成倍提高，指示微生物浓度呈指数级提高，造成水质迅速恶化，严重时可能造成水体生态破坏。因此，面源污染控制是排水系统智慧化管控的目标之一。面源污染受汇水区和降雨影响大，其追踪、评估、控制存在困难。部分研究在晴天对地表污染物进行干、湿法采样，分析区域内产生面源污染的潜在原因，忽略了污染物受降雨冲刷随地表径流进入管网以及在管网中传输的过程，评估结果存在误差。本研究以沿河排口水量监测数据为研究对象，结合雨天水质采样数据，较为准确地评估面源污染，为管网截污改造、在线调度削减排污量提供参考。

2.4 离线水质检测模板

智慧管网平台缺乏部分在线传感器，一般仅具有在线自动采集的数据，但管网漏损水质因子评估、面源污染评估及控制、沿河区域海水入侵判别等功能均需要一些关键水质数据支撑。因此，本研究构建的智慧管网平台将离线水质数据纳入平台数据库，实现在线调用，更有效地保存和分析数据。基于平台功能需求，水质数据包括SS、COD、BOD、氨氮等常规水质指标和海水指示物Cl-等。

3 内涝评估子模块构建

3.1 内涝模型构建

基于SWMM模型构建区域管网模型。研究区域共被划分为39个子汇水区、281个雨水节点、281条雨水管段和11个雨水排放口。

根据《汕头市海绵城市建设技术导则》，计算汕头市暴雨强度。

式中：q——降雨强度[L/(s·Ha)]；t——降雨产生、汇流至排放口排出总历时（min）；t1——地面产流、汇流总历时（min）；t2——雨水在雨水管段内流动时间（min）；P——设计降雨重现期（年）。

研究区域概化模型如图1所示。

图1 研究区概化模型

3.2 内涝风险评估

利用国际通用的芝加哥雨型进行降雨过程线拟合，根据汕头市历年降雨事件分析降雨的雨峰系数。本研究选取0.4作为短历时降雨（降雨历时120 min）过程的雨峰系数（第48 min）。根据《室外排水设计标准》（GB 50014—2021），汕头市雨水排水管渠需满足3～5年重现期设计，选择P=0.5、1.0、3.0、5.0年。

不同重现期设计降雨如图2所示。

图2 不同重现期设计降雨

通过模拟分析，降雨重现期P=0.5年时，内涝管段数为64条，占管段总数的22.78%；降雨重现期P=1年时，内涝管段数为70条，占总管段数的24.91%；降雨重现期P=3年时，内涝管段数为82条，占总管段数的29.18%；降雨重现期P=5年时，管段内涝数与降雨重现期P=3年时结果一致。

不同降雨重现期下节点内涝情况如表1所示。

表1 不同降雨重现期下节点内涝情况

大部分发生内涝的雨水管网埋层较深，处于低洼地段，强降雨影响下极易发生内涝，有必要对其进行风险评估。

内涝节点不同降雨重现期的内涝量如图3所示。

图3 内涝节点不同降雨重现期的内涝量

随着降雨重现期增大，超负荷节点的内涝溢出量增大，1年重现期条件下，内涝最严重节点J278的内涝量为9 551 m3；5年重现期条件下，内涝量达15 028 m3，增加5 477 m3。子汇水区面积为14.39 ha，积水深度约10 cm，从整个区域分析，积水深度不高，但内涝不会均匀分布在子汇水区，局部可能存在较大隐患。针对不同节点，分析各个节点的内涝量可以发现，不同降雨条件下，内涝量较多的节点固定不变，表明内涝程度由子汇水区的土地利用情况、坡度和管网结构等固有特性决定。针对同一节点，内涝量随降雨增大。降雨重现期达3年时，发生内涝的节点数不再增加，表明研究区域其余管网满足P=5年的设计要求，仅需对存在内涝问题的子汇区域、雨水节点以及雨水管段进行整改。

4 智慧管网平台

4.1 平台架构

智慧管网平台架构如图4所示。

图4 智慧管网平台架构

智慧管网平台建设框架由分层支持体系和保障体系构成。其中，分层支持体系包括感知层、通讯层、数据层、物联网层、应用层和顶层客户端；保障体系包括标准规范与政策法规体系、运维管理、数据更新与安全保障体系。

智慧管网平台架构每层均围绕特定功能需求进行设置。以内涝为例，数据感知层设备包括基础的监测设备、检查设备、智能终端设备，内涝模块的感知层设备包括雨量计、液位监测仪、流量监测仪等监测设备。监测设备通过集成NB-IoT（窄带物联网传输技术）标准模组，与NB-IoT基站连接，实现通信能力，将信息上传至平台，感知层包括摄像头、水质传感器、离线检测设备等，实现特定功能的数据采集。数据层包括地理信息数据、管网数据、气象数据、监测数据、业务数据等，实现数据库的建立和管理。通讯层指NB-IoT等无线网络和光纤网络等专用网络，是整个物联网的通讯基础，不同的监测设备和场景使用不同的网络接入技术和连接方式。本研究采用NB-IoT网络通信技术，具有广泛连接、低功耗、低成本、广覆盖的特点。物联网平台层采用基于IoT的平台，支持云端数据储存和传输，通过统一的协议与接口实现不同终端的接入。IoT平台可以提供数据管理功能，包括数据采集、分类、结构化存储，数据调用、使用量分析。应用层实现内涝风险评估、面源污染核算、管网漏损分析、水量水质在线监测等应用功能。客户端包括手机端、平板、PC端。

4.2 平台可视化

综合平台作为智慧排水管网的应用层，基于数据采集管理数据库，通过区域模型建立、模拟运行、集成信息以及各类标签分类归档等功能，实现不同权限管理及单位的日常业务。平台界面可以分为设备管理、可视化、数据监控、智能预警、保养维护、系统管理六个板块，通过软件工程架构设计，监测设备以物联接入平台，用户可以根据自身需求直接查看实时数据、历史数据等监测数据，通过界面UI交互方式实现可视化。

平台总界面接入项目研究区域地图，支持动态缩放、矢量转化地图，录入管网信息，GIS地图2D和3D可在平台界面随时切换；通过BIM图用户可以随时察看区域管网的基本信息，包括长度、节点、管材、坡度、监控设备信息等；通过内涝风险图，用户可以查看模型分析结果和积水点深度，获得平台发布内涝报警信息。

用户可以根据自身业务需要，在平台设置不同监测数据的统计分析，形成监测数据一览表，数据分为实时监测数据和采样监测数据，可以根据平台内设定的算法分析进行统计和相关性分析，通过区域建模模拟运行，将模型模拟结果传入预警模块，判定是否需要向相关部门做出预警，提前做好对管网突发事故的应对措施，最大限度降低突发事故对人民日常生活、生产的影响。