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观点∣关于排水物联监测点位布设原则的探讨

发表时间:2021-08-20 17:06:02

来源丨 《中国建设信息化》期刊 2021年 7月下

作者丨 曹兵

面对智能化、实时高效的市政排水运行监测新要求,以及海量监测数据的计算、存储和可视化管理的新挑战,基于物联网和云计算融合的市政排水运行智能监测已经成为发展趋势,通过物联监测可及时发现运行风险,提高城市内涝或排水管网溢流的预警预报能力,达到对内涝点风险预测及管控;掌握排水全过程的水质状况,辅助分析排水设施病害,异常情况自动告警,到达排水全过程水质监测,实现可视、可知、可控、可预警的目标。

在应对城市治水排水管理中,工程性措施的大改造,不论是从经济上,还是实用性及长期性等方面都不是较为优化的解决办法。本文从物联监测方面考虑治水排水中的问题解决,首先介绍了城市治水排水管理现状及物联监测的意义;然后对排水管网监测点的布设原则进行了分析;最后通过对统计模型和数值模型两种方法在治水排水中物联监测点的布设应用研究情况进行阐述,并对未来排水管网监测点优化布设研究进行了展望。

城市治水排水管理现状

现阶段城市排水管网高水位运行及内涝问题是城市治水排水管理中的两大难题,引起排水管网高水位运行的原因有多种因素,如雨污混流、管网堵塞、破损、地下水入渗等原因;而相同的内涝场景也可能是由不同的内涝成因引起,常见的内涝成因有河道水位顶托、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、闸门关闭等多种成因。排水设施大都埋设在地下,无法直观的准确分析出成因,对于这两大问题的解决,主要采用工程性措施和非工程性措施这两种方式来处理。

工程性措施主要通过开展堰塘、排水渠、排水沟等整治工程和排水管网的清疏及雨污分流整改工作,提高城市总体防洪排涝能力;通过对排水管网的检查对结构性缺陷的设施进行修复、更换,对功能性缺陷的设施进行清疏,提升排水管网的排水能力;改造雨水排口、截流井、阀门等附属设施,确保标高衔接、过流断面满足要求等。非工程性措施主要包括强化日常维护,及时维修、养护城市排水管网设备实施;健全城市排水系统,加强市政排水管理与三防管理相辅相成的运行管理模式;提升应急管理水平,完善城市排水与内涝防范相关应急预案,明确预警等级内涵;加强智慧平台建设,在GIS+BIM数据+物联网的有机结合的基础上,融合城市信息模型(CIM)。

非工程性措施辅助于管理,加强预防;工程性措施辅助于治理,完善建设。不论是从经济投入、技术支持,还是从根源治理、长远发展来看,非工程性措施中物联监测都是排水治水管理中的发展趋势。通过在排水设施运行中布设终端监测设备,利用现场端数据采集系统以及管网数学模型的分析,可远程查看与分析出排水管网运行状况。在排水管网监测方面,除了信息化系统建设,监测点位的布设同样需要重点关注,在有限的人力、财力资源下,确保通过最少的监测点位布设,完成最优化的有效监测。

排水物联监测意义

2014年住建部提出海绵城市建设及雨洪管理要求;2015年对城市排水管网监测工作提出了进一步的要求,智慧排水要做到信息化、实时监测、智能化;2019年提出要充分发挥我国应急管理体系特色和优势,提高监测预警、辅助决策能力。智慧排水要做到运行信息化、监管智能化,其关键要实现对排水管网运行状态的实时有效监测。

实现对排水设施从源头到末端运行状态的实时有效监测,前端感知设备的布点是关键。物联监测点的布设原则要结合经济因素、技术因素、环境因素等多方面的考虑,确保在尽量少的监测设备布设下,完成最优化的有效监测。通过对目前排水管网物联监测设备布设原则的相关研究进行分析,可从基本原则与定量分析两个方面相结合的原则进行优化,实管现对排水网运行状态的定性分析到定量分析的跨越,从静态运行监测向动态运行监测和分布式模型动态模拟监测发展,实现由粗放管理向精细化、精准化、智能化管理的跨越。

监测点布设原则分析

排水监测点的布设在理想状态下是在城市的各个内涝风险区域及需要布设监测点的窨井、闸泵站、污水厂、排水口等地布设足够多的传感器来采集排水设施的运行状态。但在实际应用中,需要在通用布点原则的基础上对监测点位及数量进行优化,以确保可以利用较少的监测点位来实现城市排水管网运行情况及易涝情况的展示。当前通用的布点原则如下:

(1) 均匀性原则:要确保物联监测点位监测到的数据能够充分代表城市排水管网整体健康情况,就需要监测点在城市排水管网区域内分布均匀,这样获取到的监测信息才能较好的代表整个城市区域排水运行情况。

(2) 实用性原则:监测点的布设要根据排水业务需求来确定。如排水源头排水户处布设水质监测设备,窨井处布设水位、流量、水质设备,污水厂进水口处布设流量和水质设备,根据实际监测目的,科学合理地布置监测点。

(3) 可行性原则:监测点布设位置的选择应充分考虑设备安装、运行维护、设备安全等因素。设备类型和选择也需要考虑监测点位的特殊性。

(4) 代表性原则:监测点要尽量覆盖各种类型排水区域,可对各不同排水特征的区域均有代表性的监测,可满足不同监管部门的需要。

(5) 重要排水设施:排水管网设施除了排水管线和检查井外,还包括闸门、泵站、调蓄设施、溢流设施等排水设施。这些设施一般设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环节,在这些重要排水设施处设置监测点可更好的监控排水运行情况。

(6) 地势低洼处:雨季暴雨频发,排水管网运行压力大,常会造成地势低洼处形成内涝。因此在地势低洼处、易涝点区域设置水位监测点十分必要,可在一定程度上代表了该城市的内涝状况。

(7) 管网关键节点处:在排水单元与市政管网的接驳井处布设水质检测点,可从源头上及时了解排水水质情况;在排水主管与支管、主管与河涌的交界处布设水位监测点,可及时了解排水运行状况。

内涝防治和提质增效是当前排水管理中两个重要的工作,在排水监测点位的布设中需要优先考虑。内涝防治中监测点布设的目的(如图1)是及时发现内涝点风险,做好预警预报,让一线抢险队伍能快速响应并采用正确的应急措施来最终解除险情。

图1 内涝监测的布点原则

提质增效中监测点布设的目的(如图2)是通过对排水管网的水质水量监测,对管网高水位运行情况进行评估、诊断,为后续排水管网的监管、养护、检修、工程改造提供依据。

图2 提质增效监测的布点原则

监测点优化布设的方法

上述内容从宏观大方向根据已有的历史资料进行定性的监测点优化布设,现阶段的研究利用大数据的支撑,通过统计模型和数值模型两种方法进行定量优化。

一、用统计模型进行优化

国内对排水管理监测点优化布设的研究,大多采用统计模型进行研究,相关研究大多是通过识别监测点之间的相关性进行聚类,从而通过优化监测点数量,实现同等效果的监测。袁景冬[1]的研究是采用模糊聚类法和动态贴近度法两种方法分别对排水管网上的监测点位置进行了优化,通过优化使23个监测点缩减为10个具有代表性的监测点。秦礼琦[2]利用模糊聚类分析法优化了某市排水区域的排水干管上的监测点。李小坤[3]则是通过结合灰色连度分析和TOPSIS分析的优点,提出了一种基于灰色关联-TOPSIS的决策模型,应用于城市内涝监测点的优化布置。赵印[4]通过采用模糊聚类算法和改进K-means算法两种方法分别对河涌流域上的监测点进行优化布置,并通过两种方法的对比分析,求得合理监测点。

统计模型大多采用模糊聚类法对排水管网监测点进行优化布置,构建过程主要是通过监测点和监测指标之间的关系矩阵进行标准化处理,根据监测点间的距离建立模糊相似矩阵,据统计构建模糊相似矩阵的方法有13种,下图所示的6类的正确性相对较高。根据相关性的大小进行动态聚类,最后通过优化置信水平再次进行动态聚类,如图3所示。

图3 基于模糊聚类法优化管网监测点流程

运用统计分析的方法对排水管网监测点进行优化布置,主要是从监测数据相似性的角度来反映各监测点之间的相似关系。随着物联网技术的发展,海量监测数据用于支撑优化统计分析算法计算,通过与大数据的结合,该方法的准确度会逐渐提高。

二、以数值模型进行优化

随着互联网快速发展,海量数据的产生,加速了数值模型的发展,数值模型应用于经济分析、医药研究、环境监测等各行各业,应用于城市排水较为典型的数值模型是暴雨洪水管理模型(SWMM)和InfoWorks ICM排水管网模型。暴雨洪水管理模型(SWMM)应用在排水治水管理中,可以模拟不同时间步长任意时刻上每个子流域的水质和水量,以及每个管道的流量、水深及水质等情况。暴雨洪水管理模型(SWMM)在世界范围内广泛应用于城市地区的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道以及其它排水系统的规划、分析和设计[6]。InfoWorks ICM排水管网模型中的水文模型可对降雨产流汇流过程进行模拟,水动力模型可以对管网中的污染物排放传输规律进行模拟。赵琬玉[7]曾通过InfoWorks ICM排水管网模型对内涝区域进行模拟,分析了排水管网排水运行能力和应对内涝风险能力。

与统计模型相比,数值模型不仅利用大量的监测数据作为支持,进行参数率定,可分为不同场景进行情景模拟,可充分考虑影响事件的多种因素,还融入了统计模型的算法及相关性分析。

市政排水管网运行压力大、内涝情况频发,使排水管网实时监测需求逐渐突显。目前对排水管网监测点进行筛选优化的研究方向主要是统计算法和模型应用两类,根据实际情况,通过对这两种方式的采用进一步研究,有望解决现有的如下问题:一是排水监测以人工监测为主,信息量不足且时效性差; 二是排水运行管理过多依赖于工作人员的主观判断和历史经验; 三是对于大规模管网监测点的筛选优化不适用。同时也可使城市治水排水工程监测点的选择更加科学、简明,使监测预报预警、指挥决策更加信息化,实现从精细化向精准化,再向智能化逐步迈进。

参考文献:

[1]袁景冬. 城市排水管网水力建模及其监测点优化布置研究[D]. 湖南大学, 2010.

[2]秦礼琦. 聚类分析在优化排水管网监测点中的应用[J]. 贵州大学学报(自然科学版), 2013, 30(002):123-125.

[3]李小坤. 城市排水管网(内涝)监控系统开发及城市内涝监测点优化布置研究[D]. 华南理工大学.

[4]赵印. 智慧城市排水管网(内涝)云服务系统设计及监测点优化布置[D]. 华南理工大学.

[5]王新洲, 舒海翅. 模糊相似矩阵的构造[J]. 吉首大学学报(自然科学版), 2003, 24(003):37-41.

[6]郭效琛, 李萌, 赵冬泉,等. 城市排水管网监测点优化布置的研究与进展[J]. 中国给水排水, 2018, 034(004):26-31.

[7]赵琬玉. InfoWorks ICM排水管网模型在实际中的应用[J]. 辽宁大学学报(自然科学版), 2015, 42(002):118-122.

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