城市智慧排水系統與海綿城市設計研究

劉鈺坤

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東廣州 510000）

隨著城市進一步發展，地面自然滯、蓄雨水能力降低，大量天然林地與農田被不透水路面、房屋等替代，導致暴雨產流后在道路上快速行洪，積水不能及時排除會引發城市內澇問題。部分老城區采用合流制排水系統，常因管理不善造成各種各樣的管道病害，直接影響正常的排水功能。進入高質量發展新時期，城市排水系統建設應摒棄盲目提高設計標準的思路，在城市建設方面融入海綿城市的建設理念，配套規劃和設計智慧排水系統。目前，這方面的研究尚缺乏成熟的理論和實證分析，應對其進一步深入探討。

1 海綿城市與智慧排水系統概述

海綿城市可以對過量雨水進行吸納和回收利用，這一過程與海綿的性質類似。與傳統的粗放式城市設計建設不同，海綿城市的設計和建設更側重于精細化，力求更好地模擬自然水循環過程，實現對雨水的資源化利用，為環保與可持續發展提供動力[1-2]。

海綿城市中的智慧排水系統可以對排水系統中的關鍵節點進行監測，監測得到的數據可以實時反映排水系統的運行狀態，便于及時調度排水設施。通過數據整理可以反映海綿城市的建設成果，為城市水資源、水環境和水安全的后續階段評估和改善工作提供重要的基礎數據，有效消除各部門間的信息溝通不暢問題，有效避免建設管理過程中重復工作。

擁有城市智慧排水系統的海綿城市與傳統意義上的海綿城市有一定區別。在信息獲取方面，擁有城市智慧排水系統的海綿城市能夠收集更全面系統的實時信息，避免傳統海綿城市數據信息獲取滯后的問題。在信息共享方面，擁有城市智慧排水系統的海綿城市通過統一的數據共享平臺實現各部門之間的信息實時反饋。在方案制定方面，擁有城市智慧排水系統的海綿城市能夠通過大數據云計算、GIS技術等各種新技術進行模擬運行，確保決策更為準確，有效突破經驗決策的局限性。在設施維護方面，擁有城市智慧排水系統的海綿城市通過信息化平臺，對各個設備的運行狀況進行實時監控，及時發現并排除可能出現的故障或隱患，有效解決人工巡檢效率低的問題[3]。

2 海綿城市智慧排水系統的設計與建設內容

2.1 設計的關鍵技術

（1）GIS技術。

智慧排水系統中涉及大量的地下管線，包含大量的空間和屬性信息，需要采用GIS技術的空間分析以及和網絡分析功能，實現排水管線的維護、巡檢和搶先調度，為智慧排水系統的設計提供重要依據。

（2）物聯網技術。

采用物聯網技術實現智慧排水系統中各個設備的全面互聯，借助互聯網移動通信的優勢，及時傳輸和分析相關數據信息，達到智能化決策的目的。基于大數據技術的支持，顯著解決各管理部門之間的信息孤島問題，進一步提高工作效率和質量。

（3）數據庫技術。

在智慧排水系統設計中，主要采用多源異構數據建庫技術，包括聯邦數據庫、Wrapper/Mediator中間件結構以及數據倉庫結構三部分。采用這種數據庫技術，能夠提升數據查詢的效率和準確性，方便添加局部數據之間的異構。

（4）移動終端技術。

通過相關的App或小程序，工作人員可以使用移動通信工具查看智慧排水系統的GIS地圖、管網管理、視頻監控、水位流量監控、水質監控、排水口監控、養護和巡檢監控等多項內容，實現相應的管理維護功能，實現隨時隨地辦公，提高工作效率[4-5]。

2.2 泵站數據監控及控制系統

為實現泵站的自動化控制，排水系統的各個泵站應當以PLC系統進行自動化控制，使用SCADA軟件對各個泵站進行組網。通過查看軟件顯示信息，工作人員可以實時查看各泵站水位、水泵啟停狀態、設備運行狀態等重要信息。該系統應采用B/S結構，確保能夠實現畫面瀏覽、遠程控制、歷史存儲和超限報警等功能，自動生成周期性報表，以供工作人員查閱，有助于提高工作效率，解決以往人工環節的不足。排水系統中的泵站自動控制系統通過計算機控制運行。

（1）對水泵的自動控制。

根據水泵的狀態、水位、電網狀況以及閘門位置等參數信息，合理確定泵站的工作數量和工作時間段，能夠根據實際情況進行實時調整，確保整個系統在節能高效的情況下運行。自動控制中，主要基于PLC自動控制系統進行作業，避免出現某些水泵過度使用或閑置的情況。泵站運行過程中，泵站的運行參數會實時上傳至系統調度指揮中心，指揮中心的監控系統可以根據需要對泵站運行參數進行自動調整，必要時可以由指揮中心的工作人員進行手動調整，確保泵站設備始終處于安全運行狀態。

（2）設備的自動保護控制。

在系統中，必須配備完善的自動保護功能，包括電氣故障保護、閥門開啟故障保護和自動停機保護等，確保設備出現故障時能夠及時停止運行，避免故障影響其他設備。功能仍采用PLC自動控制系統實現，系統應具備遠程控制功能，可以使用TCP/IP協議對距離較遠的泵站進行控制。

基于上述系統的有機整合，運用在線監測、地理信息、雨洪和水質模型、數據分析等技術，能夠為城市水體的治理和長期運維提供有效的智慧化管理手段。黑臭水體管控系統主要包括河道或其他城市水體的基礎信息、水體治理情況、污染預警溯源、公眾參與等模塊，實現全流程管理、達到提升人居環境質量的目標。

2.3 視頻監控系統

視頻監控系統主要對智慧排水系統的各個關鍵點位進行監控，包括地道、閘口、水泵前池和高低壓室等地，對其進行實時監控和錄像，錄制的視頻信號通過無線寬帶網絡傳輸至調度中心，調度中心的工作人員可以根據視頻查看地道積水、閘口水位和泵站設備的運行情況。

2.4 氣象會商系統

為實現智慧排水系統防范化了解水情的目的，智慧排水系統的調度中心需要與當地氣象部門保持信息通信的暢通。強降水天氣來臨前，智慧排水系統的調度中心能夠與當地氣象部門進行會商，多方面采集和匯總最新的氣象信息，為城市智慧排水系統的調度和參數調整等提供重要依據。

2.5 二維碼數據信息模塊

考慮信息化發展需要，為了滿足管理者更靈活高效管理排水系統相關設施的需求，智慧排水系統的各個管控對象均可配置二維碼標識。在實際使用過程中，操作人員通過使用手機掃描設備標注的二維碼，查看相應設備的基本信息、操作規程和操作注意事項等，有助于提高排水系統內各個設備的養護和運行管理水平。在這種模式下，需要對設備信息進行維護時，只在控制系統內進行相應操作，不需要更換設備的二維碼標識。廣大市民也通過這個模塊，上傳設施異常、安全隱患、故障等信息，便于管理者及時處理公共服務端的信息交互，有助于提升市民的滿意度。

3 海綿城市智慧排水系統的智慧化管理

3.1 結合互聯網平臺成立綜合監控指揮中心

利用互聯網平臺的優勢，建立綜合監控指揮中心，作為智慧排水系統的“大腦”。監控指揮中心應具備實時監測、運營調度和維護管理等多方面的功能。通過區域內布設的雨量計、水位計、水質分析儀和水資源遙測終端計等設備智能傳感器，對降雨量以及水庫、河道、管道、泵站等的水位及水質數據進行整理、篩選和轉換。根據不同需求進行整理分析，為決策者提供參考依據。該指揮中心的結構當以多層次的網絡拓撲結構為主，使用兩臺核心交換機，提高系統的可靠性。該管理系統應與其他部門的系統平臺進行對接，有助于其他部門從中獲取自己需要的數據信息，有效節約另建數據庫的成本。該系統應具備可拓展的功能，以滿足后續城市擴建的需要。

3.2 應用SAP財務模塊對建設資金進行管理

目前，各地區的海綿城市智慧排水系統的建設資金主要由政府財政撥款，政府及建設部門面臨較大的資金壓力。為了解決這一問題，需要引用財務管理方式降低資金壓力，需要引入SAP財務模塊進行管理。

SAP模塊具有適用性強、集成度高、開放性高以及實時化程度較高等多方面的特點，能夠幫助相關單位形成全面的成本管理體系。通過運用SAP系統能夠有效改進傳統方式的不足，將整個項目的信息合并至同一個系統中，對發生的異常情況使用系統跟蹤物料成本報告、財務憑證、發票及采購單等分析原因并及時解決。系統根據已設置的標準自動校驗應付款項，支付通過校驗的項目賬款，凍結未通過校驗的項目賬款。將相關部門按層次結構設置為不同的成本中心，進行固定資產及部門費用的管理，利用SAP財務模塊的模擬成本功能核算建設項目的成本。城市智慧排水系統的建設仍處于動態發展的格局，在未來管理系統的功能擴展方面，將引入對建設資金和運維資金的高效管理，通過該系統指導資金的投入重心。

4 結語

智慧排水系統的建設是一項綜合性較強的復雜工程，通過結合各項現代化技術，促進排水系統的功能性、科學性、高效性、綜合性管理。城市水環境質量是城市綠色發展和生態文明建設的重要目標，構建和發揮智慧排水系統成為城市建設中成為不可或缺的一環。