水安全视角下的市政给排水系统信息化建设的探讨

梅子凡，韩晨曦，冯圆欣

［1.武汉市规划研究院（武汉市交通发展战略研究院），湖北 武汉 430014；2.北京清华同衡规划设计研究院有限公司，北京 100085］

0 引言

城市水安全是智慧水务中的重要议题，2003 年水利部正式发布《全国水利信息化规划（“金水工程”规划）》，同年召开了第一次全国水利信息化工作会议，促进了水利行业信息化基础建设的发展，为“智慧水务”的建设奠定了基础[1]。

现阶段我国城市水务工作还存在短板弱项，与城市发展需求不匹配、不协调，亟须通过信息化手段提升现代化水务治理能力。在供水方面，部分城市存在供水管网质量差，二次供水的水质安全难以保障，供水管网的漏失率高等问题，保障源头水质安全，强化终端水质防护，降低管网漏失率，提升饮用水品质已成为供水行业和城市管理的一项紧迫任务[2]。排水方面，部分城市存在排水设计标准低、排水设计方法落后、排水系统缺乏整体协调等问题，导致城市内涝严重[3]；同时城市排水系统对公共安全卫生有着密切的联系，历史上的重大公共卫生安全事故基本都与病原菌污水的不当排放有关，及时了解污水厂运行工况和终端污水水质对于应对现在的疫情和未来的公共卫生安全面临的挑战均具有十分重要的意义[4]。因此，对城市老旧管道的水位监测、河道信息管控、城市易涝点监控重要性也日益凸显。

综上所述，加强给排水信息化系统建设已成为城市高质量发展的重要支撑，给排水信息化建设必须充分利用现代信息技术手段，明确管理范围及监测内容，选择科学适宜的信息监测设备，为科学、规范、高效的城市给排水管理提供决策支撑服务。

1 信息化系统建设原则

1.1 统筹规划、分步实施

围绕各地智慧水务信息化项目建设的总体目标统筹规划，根据各地供水系统和排水系统的风险环节、脆弱敏感度和重点区域，进行分期建设和实施安排。

1.2 互联互通、资源共享

充分整合涉水部门相关信息系统资源，集约建设，为涉水部门单位提供供水系统和排水系统安全运行监测、预警和应急辅助决策支持服务，实现资源共享，避免重复建设。

1.3 突出重点、注重实效

着重解决涉及供水系统和排水系统安全的薄弱环节和共性问题，重点提高供水系统和排水系统安全管控能力，提高应急响应时效，提高预防和处置跨部门、跨行业涉水业务部门突发事件的综合能力。

1.4 技术先进、经济可行

采用创新管理理念和技术，并充分兼顾智慧水务信息化项目成本效益，确保本项目的技术和经济可行性。

1.5 严格标准、强化保障

遵循国家和行业相关标准规范，确保系统上下贯通、左右互联、运行顺畅可靠、高效稳定。

2 信息化系统监测内容

2.1 重点监测范围

（1）管网老化的区域。管网建设年代久远，通常管网发生破损问题较大，根据管网属性和历史事件的发生概率进行统计分析，优先选择管网老化区域的管段所在区域进行监测。

（2）人口密集的区域。发生在人口密集区域的供排水管道，一旦发生供排水事故，可能会对居民正常生活造成较大影响，或者位于重要路段，管网事故将带来较大的次生灾害，需要对该区域内因管道异常而带来可能的爆管、路面塌陷、溢流、内涝等事件进行提前预警监测。

（3）城市重要敏感的区域。针对政府机关等重要的敏感区域，需要重点保障供水和排水安全，需对以上重点区域的周边供水和排水管网进行动态监测，确保其安全稳定运行。

（4）环境风险较大的区域。针对位于快车道路下，因地面压力和震动影响而易损坏管道的区域、酸碱土壤环境下的碳钢材质管道易受腐蚀的区域、土质脆弱而易引发管道沉降等区域，需要针对潜在的环境风险，进行对应的安全监测。

（5）生态环保要求高的区域。结合城市的资源环境承载能力和水质功能保护要求，对重点保护湖泊、河流等水体的排口、周边截污管网和雨水管网等进行动态监测，保障流域水环境安全。

2.2 给水信息化系统监测内容

（1）供水水厂水质。水质安全是供水安全的重要内容。结合《城市供水水质标准》中对出厂水检测参数的要求和淮北市供水水质实际状况，可通过监测出厂水水质指标进行水质健康状况的动态评估，包括浊度、余氯、pH、硬度和高锰酸盐指数等参数，综合保障出厂水水质安全和提高水质突发事件预警能力。

（2）供水管网流量。管网流量大小与管网的运行状态、用户使用情况以及企业运营情况密切相关，在用水、管网泄漏等不同场景下会有较大变化。通过管道流量的实时监测，可对供水管网运营情况进行预警，并为企业日常运营管理提供大量的基础数据支撑。

（3）供水管网压力。供水管网压力的大小是反应管网运行稳定性和健康状态的重要指标。压力过大会增加供水管道的泄漏和爆管概率，同时增加供水企业的能耗，压力过低会影响居民用水的稳定性。因此通过监测管道的压力，将为供水管网的监测报警和预测预警提供依据，为供水企业的降耗管理和精细化管理提供基础数据。

（4）供水管网漏失。供水管道是压力管道，当管道发生泄漏时，泄漏口会发出特定频率的声波。通过监测漏失声波，可以直接判断出管道是否漏水，结合数据相关性分析，还可以实现漏点的精准定位。对供水管网的漏失信号进行监测，可以指导管道维护和应急处置工作，防止持续泄漏导致爆管或地下空洞等事故的发生。

2.3 排水信息化系统监测内容

（1）管网运行状态。针对由于管道老化、管道淤堵、负荷过大、地面沉降等因素导致的排水管网运行故障，可以通过对管网流量和水位进行动态监测，进而对可能出现或已发生的管道入渗、泄漏、溢流、淤堵、错接等问题进行预测预警与研判分析。

（2）入河排口水质。针对老城区雨污合流在汛期溢流至河道污染水体等水环境问题，通过对入河排口水质进行在线监测，实现雨天对入河排口污染排放情况进行在线监测，结合入河排口流量监测数据计算雨天入河污染当量。水质监测的主要参数包括：pH、浊度、化学需氧量、氨氮和总磷。

（3）泵站运行状态。通过接入泵站电流电压信号，实时掌握泵站运行状态，辅助解决排水泵站缺乏信息化监测管理、设备故障等问题导的致排涝、调度不及时的问题，为泵站正常运行提供安全保障。监测泵站集水池液位信息可实时掌握泵站运行需求和状态，为泵站启闭和排水调度提供数据支持。实时掌握雨水泵站集水池内水质监测数据可实现雨天对雨水泵站入河污染排放情况进行在线监测，并可结合雨水泵站入河流量监测数据计算雨天入河污染当量。通过对污水泵站集水池内水质进行在线监测，为污水处理厂污水安全处理提供数据基础。监测泵站排出口处流量数据可实现对排出口处流量进行报警、预测预警与分析，为防洪指挥调度和污水输送调度提供基础数据，并为防洪指挥调度提供支持。

（4）河道水位、水质。因河道包括河涌、调蓄湖水位高所导致的内涝问题、河涌水倒灌问题，将水文局内涝预警系统中已有的河涌水位信息接入平台，同时补充部分河道水位，实时获取河道水位信息，对河道水位过高导致的城市内涝现象进行及时报警，并为防汛指挥调度提供基础数据。通过对河道水位进行在线监测，实现汛期对河道水位进行报警、预测预警与分析，并为防洪指挥调度提供基础数据。

（5）易涝点水位、视频。针对城市地势低洼点、铁路下穿桥等易发生内涝积水的内涝点，通过设置易积水点水位、视频在线监测，实时掌握路面积水深度、现场情景，辅助城市日常的防洪排涝管理工作，并为城市暴雨内涝模型校验提供基础数据。

（6）雨量。针对汛期极端强降雨导致的城市内涝问题，可以将气象局提供的城市暴雨预警信息以及水文局补充的雨量计在线监测数据接入平台，同时考虑增设部分雨量计，对易涝区域内的雨量进行在线监测，实时获取降雨量，为防汛指挥调度提供基础数据。

3 常用监测设备

3.1 水质监测仪

水质监测仪用来实时监测供水的水质情况，在供水管道上取水后自动输送到检验室进行检验，对不同地区的水质情况，可选择pH、余氯、硬度、浊度、氨氮含量、COD 等水质参数进行监测。常用水质检测仪有高精度浊度仪、微量余氯/总氯分析仪、高精度pH 计、硬度分析仪、氨氮分析仪等。

3.2 流量计

流量计用来监测给排水管网某一节点处的瞬时流量和累计流量，按照流量监测原理可以分为电磁流量计和超声波流量计两类。按设备安装方式又可分为外夹式、插入式、管段式等形式。

3.3 高频压力计

压力计用来监测压力管道节点的实时压力，按数据采集频率分为普通压力计和高频压力计两种，高频压力计具有采集传输频率更高，响应速度更快的特点，并可根据监测需求，预设传感器的采集频率和数据上传频率。

3.4 漏失监测仪

漏失监测仪是基于声音信号检测的漏失监测常用设备，即将记录仪器设备置于管道上，捕捉管道上因为漏失而产生的噪声强度，进而分析噪声强度并定时采集带宽信号，通过带宽信号的分布情况来判断管道的漏水情况。

3.5 液位计、河道水位计

液位计用来对泵站集水池、雨污水管道及易涝点水位进行实时监测，可实现对泵站工况的实时掌控，并对提前做好积涝预警具有重要意义。河道水位计的应用便于实时掌握河道水位变化信息，可对排水防涝的整体规划提供指导依据。

4 信息化系统体系架构

给排水安全信息系统的体系架构的建立应基于“感知、传导、分析、应用”的总体思路，可以细分为感知层、数据层、支撑层、应用层和展示层。

4.1 感知层

“感知层”建设前端感知系统，包括供水、排水物联网前端感知系统，同时接入政务网和互联网等数据信息。

4.2 数据层

前端接入的海量监测数据，通过物联网采集平台的高性能处理框架，满足日均数亿至数十亿条传感器数据的接入。大数据平台负责存储海量传感数据，包括城市水务信息化物联网实时监测数据、城市水务信息化平台应急基础数据和相关社会数据，通过大数据机器学习及数据挖掘技术，完成传感设备状态跟踪、动态阈值设置、数据清洗、告警预测等核心功能；向业务系统及时推送告警信息，并提供预警分析能力。信息综合处理系统通过链接信息采集端与大数据平台进行信息传递和分析，为各子系统提供数据分析和事件预警功能，实现各个系统之间的有效衔接，并把实时分析出的告警数据推送给业务系统，及时在展示端进行展示。

4.3 支撑层

支撑层将通用技术组件和业务组件进行封装，满足各专项及综合应用系统开发需要。GIS 平台结合三维地理信息模型、建筑信息模型，实现从宏观水务系统空间分布情况，到微观管网设备设施的实景化和可视化的全面展示和数据档案管理系统，可提供三维模拟现实、游览、地下模式、透明模式、测量与标注、地形开挖、空间查询与检索、全文检索、空间计算与分析、辅助决策分析、三维制图及输出等，为所有专项提供通用的GIS 基础服务。数据共享服务平台支持把公共业务和公共数据资产作为公共的资源池，开放给应用系统、异构系统、合作伙伴和第三方应用，以实现多业务系统共享资源池，挖掘业务模式、提高服务水平。

4.4 应用层

应用层建设供水专项和排水专项两个安全专项应用系统，包括水务系统的全生命周期的生产、运营、调度的数据管理和动态监测，城市供水和排水管网模型的综合分析和预警监测等功能。

4.5 前端展示层

展示层以大屏、桌面端、移动终端形式对应用系统进行展示。

5 结语

随着智能技术的发展和应用，给排水行业的信息化革命和智能升级也越来越受到重视，将信息化技术应用于城市给排水管网、给水厂、污水厂、河道及城市易涝点的监测已是大势所趋，也是城市高质量建设发展的重要部分。通过大量的基础监测数据，为城市水务管理部门决策提供了科学高效的支撑依据，进一步提升了管理效率和城市安全水平。目前我国的给排水安全信息化建设仍处于起步阶段，还存在着体系建构不严密、信息反馈不及时、监测数据精确度有待提高等问题，因此，水安全的信息化仍有广阔的发展空间。