關于排水物聯監測點位布設原則的探討

文｜奧格科技股份有限公司智慧水務事業部副總經理 曹兵

1 城市治水排水管理現狀

現階段城市排水管網高水位運行及內澇問題是城市治水排水管理中的兩大難題，引起排水管網高水位運行的原因有多種因素，如雨污混流、管網堵塞、破損、地下水入滲等原因；而相同的內澇場景也可能是由不同的內澇成因引起，常見的內澇成因有河道水位頂托、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、閘門關閉等多種成因。排水設施大都埋設在地下，無法直觀的準確分析出成因，對于這兩大問題的解決，主要采用工程性措施和非工程性措施這兩種方式來處理。

工程性措施主要通過開展堰塘、排水渠、排水溝等整治工程和排水管網的清疏及雨污分流整改工作，提高城市總體防洪排澇能力；通過對排水管網的檢查對結構性缺陷的設施進行修復、更換，對功能性缺陷的設施進行清疏，提升排水管網的排水能力；改造雨水排口、截流井、閥門等附屬設施，確保標高銜接、過流斷面滿足要求等。非工程性措施主要包括強化日常維護，及時維修、養護城市排水管網設備實施；健全城市排水系統，加強市政排水管理與三防管理相輔相成的運行管理模式；提升應急管理水平，完善城市排水與內澇防范相關應急預案，明確預警等級內涵；加強智慧平臺建設，在GIS+BIM 數據+物聯網的有機結合的基礎上，融合城市信息模型（CIM），形成CGB 智慧發展模式。

非工程性措施輔助于管理，加強預防；工程性措施輔助于治理，完善建設。不論是從經濟投入、技術支持，還是從根源治理、長遠發展來看，非工程性措施中物聯監測都是排水治水管理中的發展趨勢。通過在排水設施運行中布設終端監測設備，利用現場端數據采集系統以及管網數學模型的分析，可遠程查看與分析出排水管網運行狀況。在排水管網監測方面，除了信息化系統建設，監測點位的布設同樣需要重點關注，在有限的人力、財力資源下，確保通過最少的監測點位布設，完成最優化的有效監測。

2 排水物聯監測意義

2014年住房和城鄉建設部提出海綿城市建設及雨洪管理要求；2015年對城市排水管網監測工作提出了進一步的要求，智慧排水要做到信息化、實時監測、智能化；2019年提出要充分發揮我國應急管理體系特色和優勢，提高監測預警、輔助決策能力。智慧排水要做到運行信息化、監管智能化，其關鍵要實現對排水管網運行狀態的實時有效監測。

實現對排水設施從源頭到末端運行狀態的實時有效監測，前端感知設備的布點是關鍵。物聯監測點的布設原則要結合經濟因素、技術因素、環境因素等多方面的考慮，確保在盡量少的監測設備布設下，完成最優化的有效監測。通過對目前排水管網物聯監測設備布設原則的相關研究進行分析，可從基本原則與定量分析兩個方面相結合的原則進行優化，實管現對排水網運行狀態的定性分析到定量分析的跨越，從靜態運行監測向動態運行監測和分布式模型動態模擬監測發展，實現由粗放管理向精細化、精準化、智能化管理的跨越。

3 監測點布設原則分析

排水監測點的布設在理想狀態下是在城市的各個內澇風險區域及需要布設監測點的窨井、閘泵站、污水廠、排水口等地布設足夠多的傳感器來采集排水設施的運行狀態。但在實際應用中，需要在通用布點原則的基礎上對監測點位及數量進行優化，以確保可以利用較少的監測點位來實現城市排水管網運行情況及易澇情況的展示。當前通用的布點原則如下：

(1)均勻性原則：要確保物聯監測點位監測到的數據能夠充分代表城市排水管網整體健康情況，就需要監測點在城市排水管網區域內分布均勻，這樣獲取到的監測信息才能較好的代表整個城市區域排水運行情況。

(2)實用性原則：監測點的布設要根據排水業務需求來確定。如排水源頭排水戶處布設水質監測設備，窨井處布設水位、流量、水質設備，污水廠進水口處布設流量和水質設備，根據實際監測目的，科學合理地布置監測點。

(3)可行性原則：監測點布設位置的選擇應充分考慮設備安裝、運行維護、設備安全等因素。設備類型和選擇也需要考慮監測點位的特殊性。

(4)代表性原則：監測點要盡量覆蓋各種類型排水區域，可對各不同排水特征的區域均有代表性的監測，可滿足不同監管部門的需要。

(5)重要排水設施：排水管網設施除了排水管線和檢查井外，還包括閘門、泵站、調蓄設施、溢流設施等排水設施。這些設施一般設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環節，在這些重要排水設施處設置監測點可更好的監控排水運行情況。

(6)地勢低洼處：雨季暴雨頻發，排水管網運行壓力大，常會造成地勢低洼處形成內澇。因此在地勢低洼處、易澇點區域設置水位監測點十分必要，可在一定程度上代表了該城市的內澇狀況。

(7)管網關鍵節點處：在排水單元與市政管網的接駁井處布設水質檢測點，可從源頭上及時了解排水水質情況；在排水主管與支管、主管與河涌的交界處布設水位監測點，可及時了解排水運行狀況。

內澇防治和提質增效是當前排水管理中兩個重要的工作，在排水監測點位的布設中需要優先考慮。內澇防治中監測點布設的目的（如圖1）是及時發現內澇點風險，做好預警預報，讓一線搶險隊伍能快速響應并采用正確的應急措施來最終解除險情。

圖1 內澇監測的布點原則

提質增效中監測點布設的目的（如圖2）是通過對排水管網的水質水量監測，對管網高水位運行情況進行評估、診斷，為后續排水管網的監管、養護、檢修、工程改造提供依據。

圖2 提質增效監測的布點原則

4 監測點優化布設的方法

上述內容從宏觀大方向根據已有的歷史資料進行定性的監測點優化布設，現階段的研究利用大數據的支撐，通過統計模型和數值模型兩種方法進行定量優化。

4.1 用統計模型進行優化

國內對排水管理監測點優化布設的研究，大多采用統計模型進行研究，相關研究大多是通過識別監測點之間的相關性進行聚類，從而通過優化監測點數量，實現同等效果的監測。袁景冬的研究是采用模糊聚類法和動態貼近度法兩種方法分別對排水管網上的監測點位置進行了優化，通過優化使23 個監測點縮減為10 個具有代表性的監測點。秦禮琦利用模糊聚類分析法優化了某市排水區域的排水干管上的監測點。李小坤則是通過結合灰色連度分析和TOPSIS 分析的優點，提出了一種基于灰色關聯-TOPSIS 的決策模型，應用于城市內澇監測點的優化布置。趙印通過采用模糊聚類算法和改進K-means 算法兩種方法分別對河涌流域上的監測點進行優化布置，并通過兩種方法的對比分析，求得合理監測點。

統計模型大多采用模糊聚類法對排水管網監測點進行優化布置，構建過程主要是通過監測點和監測指標之間的關系矩陣進行標準化處理，根據監測點間的距離建立模糊相似矩陣，據統計構建模糊相似矩陣的方法有13 種，下圖所示的6 類的正確性相對較高。根據相關性的大小進行動態聚類，最后通過優化置信水平再次進行動態聚類，如圖3 所示。

圖3 基于模糊聚類法優化管網監測點流程

運用統計分析的方法對排水管網監測點進行優化布置，主要是從監測數據相似性的角度來反映各監測點之間的相似關系。隨著物聯網技術的發展，海量監測數據用于支撐優化統計分析算法計算，通過與大數據的結合，該方法的準確度會逐漸提高。

4.2 以數值模型進行優化

隨著互聯網快速發展，海量數據的產生，加速了數值模型的發展，數值模型應用于經濟分析、醫藥研究、環境監測等各行各業，應用于城市排水較為典型的數值模型是暴雨洪水管理模型（SWMM）和InfoWorks ICM 排水管網模型。暴雨洪水管理模型（SWMM）應用在排水治水管理中，可以模擬不同時間步長任意時刻上每個子流域的水質和水量，以及每個管道的流量、水深及水質等情況。暴雨洪水管理模型（SWMM）在世界范圍內廣泛應用于城市地區的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道以及其它排水系統的規劃、分析和設計。InfoWorks ICM 排水管網模型中的水文模型可對降雨產流匯流過程進行模擬，水動力模型可以對管網中的污染物排放傳輸規律進行模擬。趙琬玉曾通過InfoWorks ICM排水管網模型對內澇區域進行模擬，分析了排水管網排水運行能力和應對內澇風險能力。

與統計模型相比，數值模型不僅利用大量的監測數據作為支持，進行參數率定，可分為不同場景進行情景模擬，可充分考慮影響事件的多種因素，還融入了統計模型的算法及相關性分析。

5 結語

市政排水管網運行壓力大、內澇情況頻發，使排水管網實時監測需求逐漸突顯。目前對排水管網監測點進行篩選優化的研究方向主要是統計算法和模型應用兩類，根據實際情況，通過對這兩種方式的采用進一步研究，有望解決現有的如下問題：一是排水監測以人工監測為主，信息量不足且時效性差;二是排水運行管理過多依賴于工作人員的主觀判斷和歷史經驗;三是對于大規模管網監測點的篩選優化不適用。同時也可使城市治水排水工程監測點的選擇更加科學、簡明，使監測預報預警、指揮決策更加信息化，實現從精細化向精準化，再向智能化逐步邁進。