浅谈在城市水环境治理行业中流域一体化管控平台的应用研究

王晓梁

（中电建生态环境集团有限公司）

1 概述

城市水环境治理流域一体化管控平台是结合所在城市的流域具体情况，从平台架构设计、硬件支撑平台搭建、平台数据库集合、平台数字化模型、平台应用子系统等五大部分构建覆盖所在城市全流域的立体感知体系，实现流域水质、管网、工情、内涝、水情、视频等信息要素的实时采集、传输与存储，有针对性地提供各类业务服务和应用。

2 基本组成结构

2.1 平台架构设计

流域一体化管控平台采用云计算典型架构，包括基础设施服务层（IaaS）、数据服务层（DaaS）、平台服务层（PaaS）、软件应用服务层（SaaS）和展示层。一体化管控平台在此架构之下，技术路线遵循基于微服务的理念和RESTful API的架构风格及3D GIS+倾斜摄影+管网快速建模技术的融合应用。

本平台中心承载着海量数据存储要求，同时还需提供河道、管网日常管理与实时预警、应急决策支持、对外信息发布等功能。实时分析预警、应急会商等业务应用均对计算时效要求较高，且均依赖于不断增长的运行数据，随着数据量的增长，平台计算能力的需求也会快速增加。开发具有排水设施资产维护及管理、运行监控、辅助决策、信息发布、防汛抢险及应急指挥调度等业务功能的数字管网管理系统，将为城市排水管网系统的管理调度和规划决策提供科学的手段，从而全面提高城市排水管网系统运行管理效率，保障城市安全。城市排水管网数字化基础平台应综合运用当前先进的信息化管理手段，包括GIS、在线监测、工业自动化控制、网络通信等，建立一个能够长期、有效、动态管理排水管网大量空间数据和属性数据的基础平台，并逐步开发排水管网数字化管理过程中所需的各种业务处理和专业分析模块，最终形成一个具有连接涉水管理部门各业务单元信息、数据存储管理和决策分析等多种功能于一体的“数字管网综合管理平台”。因此，“数字管网综合管理平台”是一个集大型数据库、复杂专业模型和先进的软硬件系统于一体的综合性平台，其建设的主要内容包括：立体感知体系的建立，综合数据库的建设，排水管网模型的构建，应用软件的开发和相关硬件平台的搭建[1]。

2.2 硬件支撑平台搭建

通过合理部署一系列硬件监测设备，流域在线测控系统可以及时掌握河道水质状况、排水管网负荷情况、厂站闸阀运行状态。网络系统设备的主要作用是对各类数据进行实时传输，建立有效数据的通信方式，是一体化管控硬件平台最基础的支撑条件。随着流域数据规模越来越大，管理手段越来越复杂，只有通过建立合理的服务器、存储及展示平台，才能有效支持一体化管控平台的高效运行。

在一体化管控平台硬件设备选型和硬件系统设计中，应特别注意在满足系统稳定运行要求的同时，充分考虑硬件发展和更新的速度，搭建具有适用性和可扩充性的硬件支撑平台，以减少重复建设，从整体上控制管控平台的建设成本并提升其应用水平。

2.3 平台数据库集合

流域一体化管控平台综合数据库从总体结构上分为两部分，即属性数据库和空间数据库。属性数据库和空间数据库在物理部署上可以分开，但在逻辑上是紧密相关的，尤其是管网的空间数据与各类属性参数需要通过外键关联模式建立有效联系，以保持管网数据的一致性和关联关系。空间数据库部分由支持查询统计与建模分析的管网空间数据库和用于地图查询显示的基础地理信息数据库构成，属性数据库部分由与模拟分析紧密相关的参数数据库、存储属性信息的业务相关数据库与管网普查数据库构成。

另外，排水管网系统是一个数据量大、拓扑连接复杂的网络系统，大多埋藏于地下，具有隐藏性，数据较难获取和更新。同时，排水管网系统是一个不断变化的系统，具有动态性，保持管网数据的现势性、准确性与有效性难度较大。基于数字化管理的目的，城市地下综合管网数据库必须完整、准确反映管网现状，这就需要建立一个动态、可维护的数据库结构，对地下管网涉及的海量数据进行存储，对管网历史数据进行有效统一的管理，并形成高效率、低冗余的动态存储机制。

2.4 平台数字化模型

首先，基于综合数据库集合对地理信息、综合管网大数据进行广泛的收集整理，为模型构建提供了必要的基础数据支持；然后，利用GIS技术开展强大的空间数据管理和分析功能开展复杂数字模型的构建，可以大幅提高模型构建的效率以及具有物理意义的模型参数的获取精度，提高模型构建的准确性。

2.5 平台应用子系统

通过相关节点监测监控，结合数字模型、大数据云计算分析、仿真模拟技术建立流域面源污染模型、河道水质模型、排水管网水力模型、洪水预报模型、水资源调配模型等分析计算工具，对关键节点的数据信息进行逻辑加工，使知识、经验的应用化成专业系统软件，实现流域内水循环过程的预报预警，生成智能调度综合方案，为监督管理、决策支持提供服务。一体化管控平台主要包括水环境监测预警与应急处置子系统、数字管网及监测预警子系统、防洪治涝监测预警与调度子系统、水资源利用与调度管理子系统、工程建设管理子系统、运营维护管理子系统共计六大应用子系统。

2.6 综合数据库建设

城市空间的数字化建设分为两个部分，地上数字化可以通过倾斜摄影、遥感影像等技术手段实现城市面貌的还原，打造地上数字三维模型；城市地下管网可通过地理信息技术结合建筑信息模型构建地下综合管网拓扑数字模型。对各类排水设施的基础空间数据、属性数据与运行管理数据进行统一的存储和管理，需要建立统一的数据库管理系统。排水管网综合数据库是整个数字化系统的重要支撑，是各类型数据存储、管理和共享的基础[2]。

2.7 运营维护措施

水环境监测预警与应急处理体系构建需与流域一体化管控平台提供的水环境保护业务服务模块（模型应用+水污染应急调度管理）相结合，由项目调度中心的各专业技术人员根据平台监测发出的预警信息，针对流域出现的各种水环境紧急事件作出应急调度决策，并负责执行和实施。

主要内容包括：当发生水质污染事件时，进行面源污染预警预报、河道水体污染预警预报、水库水源污染预警、企业污染源预警、污染影响评估分析、污染源定位分析、调蓄池调度、引水活源调度、闸泵联调、生物处理、监督考核、事故责任分析。

2.8 构建数字管网及监测预警体系

数字管网及监测预警体系构建需与流域一体化管控平台提供的管网运维业务服务模块（数字管网平台应用、仿真计算模型应用）相结合，由项目调度中心的各专业技术人员根据平台服务输出的预警信息，针对流域出现的各种管网紧急事件作出应急处理决策，并负责执行和实施。

主要内容包括：当发生管网指标异常时，进行水质超标预警，泄漏监测预警（流量、液位），堵塞监测预警（流量、液位），异常定位分析，责任分析，管网检查、清掏、维修。

3 感知体系建设

在五大基础架构的基础上，通过测控数据掌握考核断面水质状况、重点污染源企业管网排口水质水量情况、流域关键节点厂站闸阀运行状态、城市内涝积水深度等，分析城市主要断面水质目标可达性，为水污染事件应急调度提供决策支持，分析截污干管溢流、淤积、渗漏等状况，监控工业企业的偷排漏排行为，还可通过厂站闸阀的监测监控，实现流域智能调度，提质增效[3]。

基于以上需求，感知体系建设包括8项内容，具体的目标为：对区划功能为饮用水的水库进行水质水量监测；对国控和省控断面、行政交接断面、标段交接等断面进行水质在线监测；重点污染源企业排污监测；管网水质、流量、液位监测；厂站、闸阀监测监控系统工情接入；内涝等级严重和较严重的易涝点监测；高清视频监控；购置水质监测无人船、水质应急监测车等辅助检测设备。

利用物联网等技术，实现“空天水地”全方位对排水管网、水源水库、河湖水系、企业排污口、污水厂、污水泵站、闸阀进行水量、管压、水质、工情、内涝、水位、雨量、视频的监测监控；利用数据共享交换技术，实现与其他相关行业的数据共享交换；利用互联网数据爬取技术，自动爬取权威部门共享的相关信息；利用APP、微信公众号等，获取社会大众反馈信息。健全城市全域涉水领域感知体系，数据采集自动化、信息化、多元化，为数字管网管理系统提供数据和信息来源的支撑。

4 结语

①通过建设该系统可实现对施工过程的进度、质量、安全、档案等内容的管理，使施工工作能够更加有序、高效的开展。②对水环境保护采用多参数水质自动监测，实现对河涌重要监测断面、入河排污口的水质情况的实时在线监测，提供河涌水质趋势分析和水质超标预警信息发布。③利用倾斜摄影、地理信息系统、管网快速建模等数字化手段构建地上地下通透的数字管网平台，在工程建设期及运维期可进行运行情况管理，做出科学预警。④管网辅助设计模块主要为排水管网系统辅助规划、布局优化等工作提供计算、分析及评估的支撑，在一体化管控平台上充分利用排水管网模型并结合GIS的数据管理和空间分析能力进行设计开发。⑤实现对区域内洪涝情况进行预报，对超过警戒条件情况系统自动报警，采取措施，保证区域水安全，包含水情监测、洪水预报、防洪调度、汛情预警等主要功能。⑥通过水雨情监测系统实时采集水位、流量等监测数据，掌握河道、水库的运行状况，通过水质监测系统实现对河道不同断面水质的在线监测与预警。⑦该模块可实现水雨工情信息的自动采集、传输、存储和应用，实现对污水厂、水闸、泵站水情、工情的实况监测、监视和工程排水、自动化控制和自动化调度，并能实现闸（泵）群及远程图像监控和远程调度。