排水管網(wǎng)安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用

□文 / 林愷迪 廣州市凈水有限公司

依賴主觀判斷的傳統(tǒng)排水管網(wǎng)管理，已經(jīng)無法滿足安全生產(chǎn)和信息化管理的需求。對此，在本市某流域試點(diǎn)建設(shè)城市排水管網(wǎng)安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過在管網(wǎng)窨井安裝超聲波液位計，采用無線方式數(shù)據(jù)集成到數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并進(jìn)行后臺數(shù)據(jù)展示和分析，讓管理人員實(shí)時掌握管網(wǎng)運(yùn)行狀況，指導(dǎo)日常管網(wǎng)維護(hù)和汛期應(yīng)急生產(chǎn)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)的管理決策和水力分析的數(shù)據(jù)支持，保障流域生產(chǎn)安全。

問題的提出

城市排水管網(wǎng)是城市建設(shè)、防洪排澇的城市基礎(chǔ)設(shè)施，關(guān)系到經(jīng)濟(jì)發(fā)展和市民生活的穩(wěn)定。近年來，我國部分大中型城市相繼遭遇了內(nèi)澇災(zāi)害，不同程度地發(fā)生了城市內(nèi)澇，頻頻上演“看海”、“觀瀑”等情景，嚴(yán)重影響人們的正常生活和生產(chǎn)。雨果曾說過“下水道是一個城市的智慧與良心”，伴隨著內(nèi)澇，大城市在外表光鮮的鋼筋水泥之下，一次次暴露出“良心”的脆弱。

原因分析

城市“遇水即澇”，排水建設(shè)主要存在三方面問題：1、排水設(shè)施建設(shè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低；2、市政配套設(shè)施建設(shè)進(jìn)程跟城市化發(fā)展進(jìn)程、人口快速膨脹以及城市建設(shè)發(fā)展等不匹配；3、排水管網(wǎng)的運(yùn)行管理、養(yǎng)護(hù)管理、管理決策以及應(yīng)急決策缺少必要數(shù)據(jù)支持，傳統(tǒng)的管理方式不能滿足排水管網(wǎng)的現(xiàn)代化安全管理需要。

為此，本文提出城市排水管網(wǎng)安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)程獲取管網(wǎng)液位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)的水力分析和管理決策的數(shù)據(jù)支持，從而能夠評估管網(wǎng)維護(hù)效果，提高排水管網(wǎng)的運(yùn)行管理水平，對內(nèi)澇進(jìn)行預(yù)警，保障生產(chǎn)安全。

系統(tǒng)實(shí)施方案

現(xiàn)場前端設(shè)備選型

城市排水管網(wǎng)內(nèi)往往包含硫化氫、氨氣等有毒易爆氣體，濕度非常大，內(nèi)澇點(diǎn)檢查井常常溢流，污水或雨水雜物多，水波干擾大。這種環(huán)境下需要液位計具有最高的工業(yè)防護(hù)等級，本質(zhì)性防爆和消除水面異物誤差的功能。此外，檢查井常常位于城市道路的中間，高速車輛多，如果采用市電，需要聯(lián)系當(dāng)?shù)毓╇娋趾吐氛沂┕r需要開挖路面，維護(hù)時又需要多部門配合，所耗的時間與成本都偏高。所以監(jiān)測液位的設(shè)備最好能夠自供電，又具有極高的穩(wěn)定性，在檢查井密閉的環(huán)境中，設(shè)備的通信能力和抗干擾能力應(yīng)該要強(qiáng)。

根據(jù)以上需求分析，本系統(tǒng)采用針對污水行業(yè)特性而設(shè)計的液位監(jiān)測儀。現(xiàn)場液位采集系統(tǒng)主要由液位計、記錄儀、外置電池和天線組成，如圖1所示。外置電池負(fù)責(zé)對整套采集系統(tǒng)進(jìn)行供電。整套系統(tǒng)具有高強(qiáng)度工程塑料外殼(IP68)，模塊之間的連接通過軍用接口，具有良好的防水防腐性。系統(tǒng)GPRS通訊模塊，將采集到的數(shù)據(jù)存貯并通過GPRS方式發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。

系統(tǒng)整體框架介紹

圖1 現(xiàn)場液位采集系統(tǒng)圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為以下三層：系統(tǒng)應(yīng)用層、通訊設(shè)備層以及數(shù)據(jù)采集層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)利用超聲波液位計將數(shù)據(jù)采集并保存，通過專用電纜傳輸?shù)紾PRS記錄儀或SMS記錄儀，按照一定的發(fā)送頻率，經(jīng)過天線以GPRS或SMS方式發(fā)送到指定的FTP站或SMS調(diào)制解調(diào)器，系統(tǒng)服務(wù)器通過下載FTP站或接收SMS調(diào)制解調(diào)器中的數(shù)據(jù)，從而獲取管道中的在線液位數(shù)據(jù)。在共享服務(wù)器中的數(shù)據(jù)文件夾后，在公司內(nèi)網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)中的用戶，可以通過系統(tǒng)軟件瀏覽液位數(shù)據(jù)。另外，通過導(dǎo)出系統(tǒng)數(shù)據(jù)后，可以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)的聯(lián)動，讓其實(shí)現(xiàn)液位數(shù)據(jù)的顯示功能。

系統(tǒng)試點(diǎn)應(yīng)用

在線液位安全預(yù)警

在沙河涌流域安裝了4個監(jiān)測點(diǎn)，分別安裝在空軍醫(yī)院、寺右新馬路倒虹管上游、寺右新馬路倒虹管下游及臨江大道，用于監(jiān)測截污管內(nèi)水位的變化情況。系統(tǒng)監(jiān)測界面如圖3所示，從界面左側(cè)可以了解監(jiān)測點(diǎn)的分布，右側(cè)可以看到管網(wǎng)液位。

系統(tǒng)可設(shè)定液位預(yù)警值，如果該監(jiān)測點(diǎn)的液位達(dá)到預(yù)警值，系統(tǒng)將顯示報警信息，并通過短信和郵件的方式發(fā)送到管理人員，從而迅速響應(yīng)流域內(nèi)澇預(yù)警機(jī)制，保障流域管網(wǎng)生產(chǎn)安全。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)測界面

管網(wǎng)過流能力分析

圖4 管網(wǎng)過流能力分析圖

管網(wǎng)過流能力是反映管網(wǎng)運(yùn)行狀況最直接的方式之一。通過積累一段時間的液位數(shù)據(jù)，擬合該監(jiān)測點(diǎn)的管底標(biāo)高、管頂標(biāo)高以及地面標(biāo)高，便可以直觀地觀察該點(diǎn)的管網(wǎng)過流能力。從圖4中可以看到，寺右新馬路監(jiān)測點(diǎn)所在位置全天基本上都處于滿管運(yùn)行狀態(tài)，臨江大道監(jiān)測點(diǎn)主渠箱過流能力較好。因此，為了加強(qiáng)管網(wǎng)的過流能力，降低內(nèi)澇的可能性，需要加強(qiáng)對該監(jiān)測點(diǎn)管道的維護(hù)和清淤工作。

水力坡度分析

系統(tǒng)可以通過計算管道的水力坡度去衡量管道的擁堵情況。水力坡度如圖5所示。空軍醫(yī)院監(jiān)測點(diǎn)到寺右新馬路倒虹管上游監(jiān)測點(diǎn)的水力坡度的變化范圍在0.000155～0.000245之間，遠(yuǎn)小于管道底坡值0.00146，說明從空軍醫(yī)院監(jiān)測點(diǎn)到寺右新馬路倒虹管上游監(jiān)測點(diǎn)間的管道水力條件較差，其間管道可能存在淤積和堵塞等狀況，需要派人排查問題。

圖5 水力坡度變化曲線

結(jié)論

可執(zhí)行性高。系統(tǒng)前端監(jiān)測設(shè)備無需采用固定供電方式，其通訊也不需要采用有線的方式傳輸，這樣不僅可在偏遠(yuǎn)復(fù)雜的地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，而且工期也不需要受供電局與電信商的影響。

穩(wěn)定性高。前端設(shè)備具有IP68、防爆特性，對于在現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜的管道里，可以穩(wěn)定運(yùn)行，并保持良好通訊。

成本性價比高。對比固定供電和網(wǎng)絡(luò)，這種自供電無線通訊方案，不僅在費(fèi)用上有絕對優(yōu)勢，而且有著可移動性。由于供電和通訊方式均由設(shè)備自身提供，所以隨著現(xiàn)場情況的變化，工作人員可以很方便地進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)轉(zhuǎn)移，節(jié)省相當(dāng)可觀的費(fèi)用。

展望。系統(tǒng)目前試點(diǎn)運(yùn)行成功，能夠?qū)崟r監(jiān)測管網(wǎng)液位狀態(tài)，讓管理人員迅速響應(yīng)防內(nèi)澇機(jī)制，起到保障流域安全生產(chǎn)的作用，接下來將繼續(xù)部署更多的監(jiān)測點(diǎn)，并納入防內(nèi)澇應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制中。本系統(tǒng)將信息技術(shù)結(jié)合到管理維護(hù)當(dāng)中，為管網(wǎng)安全預(yù)警，提供數(shù)據(jù)支持，不僅改變了傳統(tǒng)的管網(wǎng)維護(hù)管理模式，而且提高了生產(chǎn)管理效率。