在線監測在城市排水數字化應用中的要點分析

郭效琛，李 萌，杜鵬飛,*，趙冬泉

(1. 清華大學環境學院，北京 100084；2. 北京清環智慧水務科技有限公司，北京 100085)

隨著社會的發展，城市排水管理所面臨的問題也日趨復雜，排水管理模式向數字化方向發展。排水系統實時監測在香港的應用顯示，利用監測數據進行排水的預測與管理對智慧城市的建設具有重要意義[1]。加強排水系統的在線監測，有利于推進城市數字化、信息化管理，能夠減輕城市防洪壓力、保障城市水安全、緩解水資源短缺、改善城市水環境，還有助于對排水戶開展實時監管[2]。排水在線監測設備的研發及計算機、云計算、互聯網等技術在城市排水管理中的應用[3]，也為城市開展排水在線監測提供了必要的基礎條件。

國外開展排水系統在線監測的時間較早，日本于20世紀90年代在東京建立了大型排水系統，并通過計算機及自動化監測技術的應用，實現了在中央控制室對系統的全過程監管。英國2006年建設了城市洪水智能監測系統，通過微型傳感設備對城市易澇點的水位信息進行實時采集[3]。Brzezińska等[4]利用在線監測數據對降雨期間合流制導致的污染進行分析，識別排水系統的運行規律及污染情況；Ahm等[5]基于液位的在線監測，結合模型模擬對合流制溢流風險進行評估；Martínez[6]利用監測數據對雨洪事件進行回溯分析，從而避免事件的再次發生。與發達國家相比，我國排水系統在線監測起步較晚[3]，目前相關研究主要集中在排水管網信息管理及其系統的設計方面。有些研究針對城市內澇問題，結合監測和GIS技術，動態展示了各點的淹沒情況[7-8]；更多研究主要側重互聯網與計算機技術，以如何實現管理平臺的功能設計為核心[9-10]。

整體而言，國外的研究主要側重如何利用在線監測進行排水的綜合管理，而我國則關注平臺建設。這些都需以準確有效的排水監測工作實施為基礎，然而目前在監測點數量的確定、位置的選取上主要依賴人為主觀判斷，缺少科學的方法；對于如何利用有限的監測數據進行排水系統的管理也缺少必要的研究。

數字化排水趨勢下，為實現智慧排水管理，對排水在線監測工作的開展提出了新的要求與挑戰，需充分關注自動化與定量化，結合計算機軟件技術，盡可能減少人為主觀臆斷和工作量，提高排水管理的效率。針對如何開展排水在線監測工作，本文從監測點數量的確定、位置的篩選和數據質量的評價3個方面建立排水在線監測整體技術路線，基于科學的在線監測對排水系統進行診斷分析。同時，結合實際工程，提出合理化建議和研究工作重點方向，在完成方法學的建立和深入探索后，有效促進城市數字化排水管理模式的建立。

1 排水在線監測整體技術路線

對于城市特定區域排水在線監測工作的開展，首先需確定該區域應設置的在線監測點數量能夠指導項目在線監測預算的制定。在確定好最合適的監測點數量后，根據數量要求，對監測點的位置進行篩選，只有保障監測點的代表性，才能利用盡可能少的監測點，全面反映所監測區域排水系統整體的特點和運行規律。對監測點開展持續的監測，收集數據后，由于排水系統環境本身的復雜性，監測數據不可避免地會存在一些質量問題，需進行質量的評價與控制。在確保數據基本可靠的前提下，再開展監測數據的統計分析，并根據需要，指導排水系統問題的診斷，支持城市排水管理。整體技術路線如圖1所示。

1.1 在線監測點數量的確定

1.1.1 分級監測理論

不同城市區域的基礎條件不同，所面臨的問題有所差異，對應的監測目的也就存在較大的差別。有些城市排水系統基礎資料清晰且有一定的監測基礎，需解決的問題比較具體，例如污染溯源分析、低影響開發項目的效果評價等；但也有一些城市的基礎條件非常差，缺少必要的基礎資料，即使開展在線監測也很難一步到位，需先了解城市排水的基本情況。因此，為了能夠針對不同城市的具體情況設定合理的監測點數量，需建立分層級的監測體系。

將排水在線監測分為整體監測、分區監測和精細監測3個層級，如圖2所示。不同層級的監測要素不同，所需的監測布點數量逐級增加。得到監測數據后，整體監測僅能支持基礎性工作的開展，如信息化管理平臺的開發、水環境質量整體改善效果評估及區域排水概化模型的建立等；在分區監測層級，可支持大部分排水管網問題的診斷分析；達到精細監測層級后，監測涵蓋了最初的源頭排水戶，能夠實現對單個排水單元的有效管理。

圖2 分層級的監測Fig.2 Hierarchical Monitoring System

1.1.2 監測點數量的定量設置

目前，監測點數量的確定缺少統一的標準和依據，在數量確定方面存在很強的主觀性和不確定性。在分級監測的體系下，應設置最優的監測布點數量，并制定統一的評分標準，在無法達到最優或推薦的監測布點數量時，應能夠明確不同數量設置所能實現的監測效能。

在分級監測體系下，各層級應通過設置評分標準，充分體現監測點數量設置的定量化，增強不同數量設置的可比性。

1.2 監測點位置的篩選

對于城市排水系統，需開展在線監測的要素包括排水戶、管網節點、排水設施(包括泵站、污水廠、調蓄池等)以及排口。其中，排水管網節點數量眾多，受監測成本的限制，需篩選代表性節點開展監測。雖然目前對于監測布點方法已達成了一些共識，相關研究中也提出了一些通用原則[11]，但在實際工程項目中，具體的點位篩選仍主要依賴人為的主觀判斷。

已有研究中，排水管網監測點位置篩選與優化主要分為依賴統計學原理和運籌學的最優化理論[8]。不同的理論方法有不同的優勢，但對實測數據的依賴性都比較強。隨著計算機技術的成熟和應用，大數據分析與計算能力顯著提升，監測點位置的識別應關注所有節點的運行規律。在數字化管理模式下，監測點位置的篩選應根據提出的原則，能夠利用模型模擬和軟件計算，實現自動化。

首先，建立研究區域的排水模型，并在多種不同降雨情景下模擬，得到各節點監測指標的時間序列曲線；之后，根據相似程度對節點進行聚類分析，與此同時，基于各分區節點的相似情況，還可分析對比不同片區的“管網復雜度”，并作為在不同分區進行監測點數量分配的依據；最后，根據聚類結果篩選具有代表性的監測點，并對監測點的位置進行檢驗，如果監測布點方案的可靠性指數過低，無論在不同分區如何進行分配和布置，都無法客觀反映區域的排水情況，則需重新調整研究區域整體監測點數量布置目標。整體的監測布點思路如圖3所示。

圖3 排水管網監測點自動識別技術路線圖Fig.3 Overall Framework of the Methodology for Automatic Setting of Drainage Pipe Monitoring Points

1.3 數據質量評價與修正

對于排水在線監測數據而言，可能出現的問題主要包括零值、缺失值、異常值和突變值等。但是，排水系統存在出現突發情況和偶然事故的可能性，如管網淤積、偷排漏排等，異常值和突變值的出現并不一定是問題數據。因此，在問題數據識別環節，主要針對零值和缺失值進行識別和判斷，作為數據質量評價的依據。

對于缺失值而言，若監測設備按照分鐘級采集和傳輸數據，24 h共應收集1 440個數據，某一時刻未收集到數據，則為缺失值。對于零值而言，當排水監測數據中出現零值，并不一定是數據問題而有可能是真實零值數據，需將排水管網中的合理零值予以排除，以便能夠自動識別問題零值。合理的零值主要包括：監測點本身的水流量過小，低于設備最低閾值；排水管網內確實無水流；在淤積等事故中流量的合理零值。

通過缺失值和問題零值的識別，可以對監測數據的質量進行整體的判別。1 d共1 440個數據，若都正常，則數據質量沒有問題；若發現問題數據，則需對問題數據的個數進行統計；若問題數據量超過一定比例，則監測點該時間段內的數據質量較低，不應用于后續分析；若存在問題數據，但相對較少，則可進行適當的修正，再用于后續的分析診斷。

監測數據質量評價與控制部分的整體技術路線如圖4所示。

圖4 監測數據質量評價與修正流程圖Fig.4 Flow Chart on Quality Evaluation and Correction of Monitoring Data

2 排水系統分析診斷

2.1 排水預測模式建立

對于日常出行而言，智慧交通圖能夠實時顯示道路的擁堵情況，指導城市居民合理安排外出活動。對于排水系統而言，利用典型節點的實時在線監測數據，結合模型模擬及對排水系統運行規律的認知，可實時預測所有節點和管線的充滿度，并利用不同顏色予以表征，繪制排水系統運行負荷圖。結合排水綜合管理平臺的開發與使用，可以進行直觀的實時在線展示。

2.2 負荷圖的應用

利用實時更新的排水系統負荷圖，可對排水系統進行有效的預警和報警。內澇積水、污水溢流可通過對液位監測數據設置閾值，及時進行預警和報警；對于雨水排口的旱天排水，一旦監測到水流，則很可能是污水直排；對于偷排漏排等事故，應識別監測點位的異常數據，在無降雨情況下，監測數據超過歷史數據最大值則應進行報警。

除利用排水系統實時運行負荷圖進行事故預警報警，還可在積累一段時間的監測后，對運行負荷圖進行對比分析，對區域排水系統的水量平衡、雨污混接、入流入滲等問題進行分析評估。排水在線監測可獲取大量數據，是城市建設數字化排水管理模式的基礎，充分利用監測數據，與模型模擬功能相結合，還可進一步支持排水系統的優化調度及實時控制[12]。

2.3 應用示例

隨著我國海綿城市建設的推進，城市發展過程中愈加重視城市水安全問題，并關注城市在降雨期間的內澇積水事故。一般而言，當路面積水深度達到15 cm時，行車道就可能因機動車熄火而中斷，即對城市交通造成顯著影響。基于預測模式建立區域的排水負荷圖，可以得到各個點位的實時液位信息，通過對各點位設置預警線、報警線和溢流線，即可對溢流風險進行預警和報警，如圖5所示[13]。

圖5 內澇事故預警報警示意Fig.5 Schematics of Waterlogging Accidents Warning

在對重要節點設置液位限制之后，根據閾值設置，可以借鑒智慧交通圖的表達形式，利用不同顏色進行表征。某場次降雨下，排水管網運行負荷情況如圖6所示，不僅可以直觀表示整體排水系統的運行負荷情況，還可以反映負荷過載的節點和區域，從而及時采取調控措施，對重點區域的排水進行干預。

圖6 排水管網運行負荷示意圖Fig.6 Schematics Diagram of Operation Load of Drainage Pipe Network

3 小結

開展排水系統的在線監測，是建立排水數字化管理模式的必要內容，在大數據應用的背景下，只有獲取有效、有用的數據，才能真正支持排水的管理。為了提高在線監測工作開展的效率，減少人為主觀臆斷，并確保數據的準確性以及分析的及時性，需從監測點數量確定、位置識別、數據質量評價與修正3個方面建立在線監測技術的整體應用路線，并對系統分析診斷方面的綜合應用進行分析與探索。

各方面工作的開展具有很強的相關性，各環節都應建立一定的方法和標準，既需考慮與傳統人為主觀判斷分析的統一性和延續性，也需充分關注自動化與定量化。隨著排水在線監測的普及性，排水管理所獲取的數據量日益增加，需為計算機進行自動標準化的處理提供可能性。