基于DWDS平臺(tái)的城市給排水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

潘泓佑

（深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

在當(dāng)今快速城市化的背景下，城市給排水管網(wǎng)系統(tǒng)的有效管理對于確保公共衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)及可持續(xù)城市發(fā)展至關(guān)重要[1]。隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和居民需求的日益增長，傳統(tǒng)的給排水系統(tǒng)管理方法面臨諸多挑戰(zhàn)[2]。這些系統(tǒng)常常受限于老化的基礎(chǔ)設(shè)施，缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測能力，以及效率低下的資源分配。結(jié)果不僅導(dǎo)致水資源的浪費(fèi)和不均衡分配，還有對環(huán)境和公共健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)方法的主要不足在于其對復(fù)雜和動(dòng)態(tài)變化的城市水需求反應(yīng)遲緩，且維護(hù)成本高昂。這些系統(tǒng)往往依賴于定期的物理檢查和人工干預(yù)，缺乏實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐的決策機(jī)制[3]。因此，泄漏和故障的檢測通常被延遲，緊急維修需求頻繁，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和資源浪費(fèi)。因此，研究引入了基于數(shù)字排水平臺(tái)（Drinking Water Distribution System，DWDS）的城市給排水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，旨在通過實(shí)施先進(jìn)的監(jiān)測和分析工具來克服傳統(tǒng)方法的局限。DWDS 平臺(tái)的創(chuàng)新之處在于其綜合利用了傳感器網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、智能分析和自動(dòng)化控制系統(tǒng)。研究期望能夠?qū)Υ龠M(jìn)城市的智能化、綠色化和可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

2 基于DWDS平臺(tái)的城市給排水系統(tǒng)分配管理策略與實(shí)施流程分析

2.1 基于DWDS平臺(tái)的城市給排水管網(wǎng)分配與管理系統(tǒng)優(yōu)化研究

DWDS 是一種數(shù)字化集成管理系統(tǒng)，它通過集成先進(jìn)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理手段，致力于提高城市給排水系統(tǒng)的效率和可靠性。這個(gè)系統(tǒng)的核心功能包括高度精密的數(shù)據(jù)集成和實(shí)時(shí)監(jiān)控，利用遍布整個(gè)排水管網(wǎng)的傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)收集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至一個(gè)中央數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上，平臺(tái)利用大數(shù)據(jù)處理和人工智能算法進(jìn)行深入分析，以預(yù)測水需求變化，并據(jù)此自動(dòng)調(diào)整水流量和壓力。這種預(yù)測和自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)不僅優(yōu)化了資源分配，還增強(qiáng)了系統(tǒng)對緊急情況的響應(yīng)能力。

平臺(tái)的用戶界面設(shè)計(jì)直觀易用，使運(yùn)營人員能夠輕松監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果進(jìn)行有效決策。技術(shù)架構(gòu)方面，DWDS 平臺(tái)不僅采用了云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)來處理和存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，還特別強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)安全，確保所有信息的安全可靠。此外，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)允許它靈活適應(yīng)不同規(guī)模城市的需求和未來技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。

應(yīng)用DWDS 平臺(tái)可以顯著提升水資源管理的效率，例如，通過精確的數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控排水管道漏損率，同時(shí)優(yōu)化運(yùn)行模式和預(yù)防性維護(hù)策略降低能源消耗和緊急維修需求。此外，實(shí)時(shí)的水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)確保了供水的安全性，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理任何潛在的污染問題。盡管如此，DWDS 平臺(tái)的部署和運(yùn)行也面臨著挑戰(zhàn)，包括需要專業(yè)的技術(shù)支持、對運(yùn)營人員的持續(xù)培訓(xùn)以及較高的初始投資成本。未來發(fā)展方向可能包括集成更高級(jí)的數(shù)據(jù)分析工具、更加智能的預(yù)測算法，以及更為用戶友好的操作界面，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能和適應(yīng)性。

2.2 城市給排水系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)與優(yōu)化策略

目前的排水管道系統(tǒng)面臨著多個(gè)緊迫問題。首先，基礎(chǔ)設(shè)施老化是主要問題，許多城市的排水管道經(jīng)過數(shù)十年使用后，出現(xiàn)了腐蝕、泄漏和破裂等問題，導(dǎo)致水資源浪費(fèi)，同時(shí)可能威脅水質(zhì)安全。其次，隨著城市擴(kuò)張和人口增長，現(xiàn)有排水系統(tǒng)的承載能力日益不足，尤其是在新興住宅區(qū)和城市邊緣地區(qū)，排水設(shè)施跟不上需求增長的速度。此外，面對極端天氣事件如洪水和干旱，現(xiàn)有系統(tǒng)常常力不從心，增加了城市的洪澇風(fēng)險(xiǎn)。環(huán)境污染也是一個(gè)嚴(yán)重的問題，管網(wǎng)泄漏可能導(dǎo)致污水和化學(xué)物質(zhì)滲入土壤和地下水，危害生態(tài)環(huán)境和公共健康。最后，排水系統(tǒng)在監(jiān)測和管理方面存在缺陷，缺乏有效的監(jiān)控系統(tǒng)和管理機(jī)制，導(dǎo)致問題處理滯后，影響了整體的管理效率和響應(yīng)速度。

為了應(yīng)對這些問題，一系列具體且有針對性的優(yōu)化策略需要被采納。首先，更新和升級(jí)基礎(chǔ)設(shè)施是關(guān)鍵，使用耐腐蝕和長壽命材料替換老舊管道，并擴(kuò)建排水系統(tǒng)以提高其處理和輸送能力。其次，引入智能監(jiān)控系統(tǒng)，比如，利用傳感器和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析來快速定位泄漏和破損，同時(shí)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行管網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。此外，綠色基礎(chǔ)設(shè)施和低影響開發(fā)（LID）技術(shù)如雨水花園和滲透性鋪裝可以增強(qiáng)地表水吸收和污水處理能力，減少雨水徑流，從而減輕排水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。為應(yīng)對氣候變化帶來的挑戰(zhàn)，需要設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)不同氣候情景的排水系統(tǒng)，并加強(qiáng)極端天氣事件的預(yù)測與應(yīng)急準(zhǔn)備。同時(shí)，社區(qū)參與和公眾教育也至關(guān)重要，提高公眾對排水系統(tǒng)重要性的認(rèn)識(shí)，并鼓勵(lì)居民參與雨水收集和節(jié)水措施。最后，制定和執(zhí)行嚴(yán)格的排水系統(tǒng)維護(hù)和更新規(guī)范，并提供財(cái)政和政策支持以鼓勵(lì)新技術(shù)和可持續(xù)實(shí)踐的采用，這些都是確保排水系統(tǒng)優(yōu)化和持續(xù)性能的關(guān)鍵步驟。

2.3 基于DWDS平臺(tái)的城市給排水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化流程

在基于DWDS 平臺(tái)的城市給排水系統(tǒng)優(yōu)化中，首先對現(xiàn)狀進(jìn)行全面評(píng)估，包括管網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)、技術(shù)狀態(tài)和運(yùn)行效率，識(shí)別優(yōu)化關(guān)鍵領(lǐng)域。DWDS 平臺(tái)利用傳感器監(jiān)控關(guān)鍵指標(biāo)，如水流量和壓力，通過大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)分析數(shù)據(jù)，預(yù)測需求變化和及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏。平臺(tái)還可預(yù)估未來水需求，自動(dòng)調(diào)節(jié)水資源分配，并提供直觀的用戶界面和決策支持工具，助力運(yùn)營團(tuán)隊(duì)做出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策。

另外，在水質(zhì)檢測方面，DWDS 平臺(tái)運(yùn)用高級(jí)分析技術(shù)，加入了光譜分析和化學(xué)傳感器，來持續(xù)監(jiān)測排水中的化學(xué)和生物成分。通過這些數(shù)據(jù)，平臺(tái)能夠識(shí)別特定的污染物和不正常的變化。結(jié)合地理信息系統(tǒng)和歷史數(shù)據(jù)，平臺(tái)能精確定位污染源頭，并通過聯(lián)動(dòng)精準(zhǔn)截污設(shè)施，如智能閥門和調(diào)節(jié)泵，及時(shí)進(jìn)行截污處理。這種方法可以有效控制污水和工業(yè)排放，減少對環(huán)境和水體的影響。此外，平臺(tái)利用大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，深入解讀數(shù)據(jù)，識(shí)別消費(fèi)模式，預(yù)測需求變化，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏或其他潛在問題。通過復(fù)雜的預(yù)測模型，平臺(tái)預(yù)估未來水需求，自動(dòng)調(diào)節(jié)泵站和閥門，以高效分配水資源。在用戶界面方面，直觀易用地設(shè)計(jì)展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和運(yùn)行指標(biāo)，并輔以決策支持工具，幫助運(yùn)營團(tuán)隊(duì)做出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策。同時(shí)，平臺(tái)通過優(yōu)化水泵和閥門的運(yùn)行，降低能源消耗，提高能效，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)運(yùn)營。在數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)可靠性方面，DWDS 平臺(tái)采取了嚴(yán)格措施，確保數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3 基于DWDS平臺(tái)的給排水系統(tǒng)優(yōu)化成效分析

在深圳市的研究中，1 號(hào)區(qū)域的給排水系統(tǒng)通過部署DWDS 平臺(tái)進(jìn)行了優(yōu)化，而2 號(hào)區(qū)域保持傳統(tǒng)管理作為對照。DWDS 平臺(tái)包含了全面的傳感器網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控和智能分析系統(tǒng)，專注于監(jiān)測關(guān)鍵指標(biāo)如水流量、壓力和水質(zhì)。中央處理系統(tǒng)利用高級(jí)數(shù)據(jù)分析技術(shù)識(shí)別泄漏和潛在問題，智能控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整水泵和閥門，以優(yōu)化水流分配和壓力管理。與之相比，對照區(qū)域未使用先進(jìn)監(jiān)測或自動(dòng)化控制技術(shù)。

圖1a 顯示，在應(yīng)用DWDS 平臺(tái)之前，城市給排水系統(tǒng)因管網(wǎng)老化和效率低下導(dǎo)致高達(dá)15%的水資源損失。DWDS 平臺(tái)通過傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水流量、壓力和水質(zhì)監(jiān)控，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別泄漏。智能控制水泵和閥門后，水資源損失率顯著降低，從最初的14%下降到6 個(gè)月后的約5%。圖1b 表明，DWDS 平臺(tái)的高精度監(jiān)測和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析提升了水質(zhì)管理，確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)，從而增強(qiáng)公共健康保障。

圖1 優(yōu)化前后水資源損失率和水質(zhì)合格率對比

圖2a 展示了在應(yīng)用DWDS 平臺(tái)之前，小型泄漏的識(shí)別和維修部署需要超過5 h，而優(yōu)化后這一流程縮短至最快40 min。圖2b 指出，優(yōu)化前緊急維修需求高昂且頻繁，導(dǎo)致成本增加和運(yùn)營中斷。采用DWDS 平臺(tái)后，緊急維修次數(shù)大幅減少，年運(yùn)營成本從原先的47 萬元降至20 萬元左右，節(jié)約率達(dá)10%~30%。

圖2 優(yōu)化前后響應(yīng)時(shí)間和運(yùn)營維護(hù)成本對比

如圖3a 所示，優(yōu)化后的設(shè)備故障率變化不明顯，總體來說控制在2.0%以內(nèi)，可以看出截污設(shè)施的設(shè)備運(yùn)行相對穩(wěn)定，維護(hù)和故障情況均在可接受的范圍內(nèi)。如圖3b 所示，截污設(shè)施的化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）去除率隨著系統(tǒng)投入使用逐漸升高，可以看出截污設(shè)施在處理水體中的COD 方面表現(xiàn)出較高的效率，并且在評(píng)估期內(nèi)取得了穩(wěn)定的效果。

圖3 優(yōu)化后的設(shè)備故障率和化學(xué)需氧量去除率對比

4 結(jié)語

在當(dāng)前快速城市化和環(huán)境變化的背景下，有效管理城市給排水系統(tǒng)成為一個(gè)緊迫的挑戰(zhàn)。本文采用了基于DWDS 平臺(tái)的方法對某市的給排水系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，重點(diǎn)在于通過傳感器網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控和智能分析系統(tǒng)提高系統(tǒng)的效率和可靠性。研究結(jié)果表明，DWDS 平臺(tái)的實(shí)施在優(yōu)化區(qū)域顯著提升了水資源損失率和水質(zhì)合格率，水資源損失率從14%降至約5%，水質(zhì)合格率顯著提高，同時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和運(yùn)營維護(hù)成本均有顯著下降，設(shè)備故障率和COD 去除率表現(xiàn)優(yōu)異。這些成果不僅展示了DWDS 平臺(tái)在提升給排水系統(tǒng)性能方面的有效性，也證明了其在節(jié)約成本和提高水資源可持續(xù)方面的潛力。未來研究需要在更廣泛的區(qū)域和更長的時(shí)間尺度上驗(yàn)證DWDS 平臺(tái)的效果。