水安全視角下的市政給排水系統信息化建設的探討

梅子凡，韓晨曦，馮圓欣

［1.武漢市規劃研究院（武漢市交通發展戰略研究院），湖北 武漢 430014；2.北京清華同衡規劃設計研究院有限公司，北京 100085］

0 引言

城市水安全是智慧水務中的重要議題，2003 年水利部正式發布《全國水利信息化規劃（“金水工程”規劃）》，同年召開了第一次全國水利信息化工作會議，促進了水利行業信息化基礎建設的發展，為“智慧水務”的建設奠定了基礎[1]。

現階段我國城市水務工作還存在短板弱項，與城市發展需求不匹配、不協調，亟須通過信息化手段提升現代化水務治理能力。在供水方面，部分城市存在供水管網質量差，二次供水的水質安全難以保障，供水管網的漏失率高等問題，保障源頭水質安全，強化終端水質防護，降低管網漏失率，提升飲用水品質已成為供水行業和城市管理的一項緊迫任務[2]。排水方面，部分城市存在排水設計標準低、排水設計方法落后、排水系統缺乏整體協調等問題，導致城市內澇嚴重[3]；同時城市排水系統對公共安全衛生有著密切的聯系，歷史上的重大公共衛生安全事故基本都與病原菌污水的不當排放有關，及時了解污水廠運行工況和終端污水水質對于應對現在的疫情和未來的公共衛生安全面臨的挑戰均具有十分重要的意義[4]。因此，對城市老舊管道的水位監測、河道信息管控、城市易澇點監控重要性也日益凸顯。

綜上所述，加強給排水信息化系統建設已成為城市高質量發展的重要支撐，給排水信息化建設必須充分利用現代信息技術手段，明確管理范圍及監測內容，選擇科學適宜的信息監測設備，為科學、規范、高效的城市給排水管理提供決策支撐服務。

1 信息化系統建設原則

1.1 統籌規劃、分步實施

圍繞各地智慧水務信息化項目建設的總體目標統籌規劃，根據各地供水系統和排水系統的風險環節、脆弱敏感度和重點區域，進行分期建設和實施安排。

1.2 互聯互通、資源共享

充分整合涉水部門相關信息系統資源，集約建設，為涉水部門單位提供供水系統和排水系統安全運行監測、預警和應急輔助決策支持服務，實現資源共享，避免重復建設。

1.3 突出重點、注重實效

著重解決涉及供水系統和排水系統安全的薄弱環節和共性問題，重點提高供水系統和排水系統安全管控能力，提高應急響應時效，提高預防和處置跨部門、跨行業涉水業務部門突發事件的綜合能力。

1.4 技術先進、經濟可行

采用創新管理理念和技術，并充分兼顧智慧水務信息化項目成本效益，確保本項目的技術和經濟可行性。

1.5 嚴格標準、強化保障

遵循國家和行業相關標準規范，確保系統上下貫通、左右互聯、運行順暢可靠、高效穩定。

2 信息化系統監測內容

2.1 重點監測范圍

（1）管網老化的區域。管網建設年代久遠，通常管網發生破損問題較大，根據管網屬性和歷史事件的發生概率進行統計分析，優先選擇管網老化區域的管段所在區域進行監測。

（2）人口密集的區域。發生在人口密集區域的供排水管道，一旦發生供排水事故，可能會對居民正常生活造成較大影響，或者位于重要路段，管網事故將帶來較大的次生災害，需要對該區域內因管道異常而帶來可能的爆管、路面塌陷、溢流、內澇等事件進行提前預警監測。

（3）城市重要敏感的區域。針對政府機關等重要的敏感區域，需要重點保障供水和排水安全，需對以上重點區域的周邊供水和排水管網進行動態監測，確保其安全穩定運行。

（4）環境風險較大的區域。針對位于快車道路下，因地面壓力和震動影響而易損壞管道的區域、酸堿土壤環境下的碳鋼材質管道易受腐蝕的區域、土質脆弱而易引發管道沉降等區域，需要針對潛在的環境風險，進行對應的安全監測。

（5）生態環保要求高的區域。結合城市的資源環境承載能力和水質功能保護要求，對重點保護湖泊、河流等水體的排口、周邊截污管網和雨水管網等進行動態監測，保障流域水環境安全。

2.2 給水信息化系統監測內容

（1）供水水廠水質。水質安全是供水安全的重要內容。結合《城市供水水質標準》中對出廠水檢測參數的要求和淮北市供水水質實際狀況，可通過監測出廠水水質指標進行水質健康狀況的動態評估，包括濁度、余氯、pH、硬度和高錳酸鹽指數等參數，綜合保障出廠水水質安全和提高水質突發事件預警能力。

（2）供水管網流量。管網流量大小與管網的運行狀態、用戶使用情況以及企業運營情況密切相關，在用水、管網泄漏等不同場景下會有較大變化。通過管道流量的實時監測，可對供水管網運營情況進行預警，并為企業日常運營管理提供大量的基礎數據支撐。

（3）供水管網壓力。供水管網壓力的大小是反應管網運行穩定性和健康狀態的重要指標。壓力過大會增加供水管道的泄漏和爆管概率，同時增加供水企業的能耗，壓力過低會影響居民用水的穩定性。因此通過監測管道的壓力，將為供水管網的監測報警和預測預警提供依據，為供水企業的降耗管理和精細化管理提供基礎數據。

（4）供水管網漏失。供水管道是壓力管道，當管道發生泄漏時，泄漏口會發出特定頻率的聲波。通過監測漏失聲波，可以直接判斷出管道是否漏水，結合數據相關性分析，還可以實現漏點的精準定位。對供水管網的漏失信號進行監測，可以指導管道維護和應急處置工作，防止持續泄漏導致爆管或地下空洞等事故的發生。

2.3 排水信息化系統監測內容

（1）管網運行狀態。針對由于管道老化、管道淤堵、負荷過大、地面沉降等因素導致的排水管網運行故障，可以通過對管網流量和水位進行動態監測，進而對可能出現或已發生的管道入滲、泄漏、溢流、淤堵、錯接等問題進行預測預警與研判分析。

（2）入河排口水質。針對老城區雨污合流在汛期溢流至河道污染水體等水環境問題，通過對入河排口水質進行在線監測，實現雨天對入河排口污染排放情況進行在線監測，結合入河排口流量監測數據計算雨天入河污染當量。水質監測的主要參數包括：pH、濁度、化學需氧量、氨氮和總磷。

（3）泵站運行狀態。通過接入泵站電流電壓信號，實時掌握泵站運行狀態，輔助解決排水泵站缺乏信息化監測管理、設備故障等問題導的致排澇、調度不及時的問題，為泵站正常運行提供安全保障。監測泵站集水池液位信息可實時掌握泵站運行需求和狀態，為泵站啟閉和排水調度提供數據支持。實時掌握雨水泵站集水池內水質監測數據可實現雨天對雨水泵站入河污染排放情況進行在線監測，并可結合雨水泵站入河流量監測數據計算雨天入河污染當量。通過對污水泵站集水池內水質進行在線監測，為污水處理廠污水安全處理提供數據基礎。監測泵站排出口處流量數據可實現對排出口處流量進行報警、預測預警與分析，為防洪指揮調度和污水輸送調度提供基礎數據，并為防洪指揮調度提供支持。

（4）河道水位、水質。因河道包括河涌、調蓄湖水位高所導致的內澇問題、河涌水倒灌問題，將水文局內澇預警系統中已有的河涌水位信息接入平臺，同時補充部分河道水位，實時獲取河道水位信息，對河道水位過高導致的城市內澇現象進行及時報警，并為防汛指揮調度提供基礎數據。通過對河道水位進行在線監測，實現汛期對河道水位進行報警、預測預警與分析，并為防洪指揮調度提供基礎數據。

（5）易澇點水位、視頻。針對城市地勢低洼點、鐵路下穿橋等易發生內澇積水的內澇點，通過設置易積水點水位、視頻在線監測，實時掌握路面積水深度、現場情景，輔助城市日常的防洪排澇管理工作，并為城市暴雨內澇模型校驗提供基礎數據。

（6）雨量。針對汛期極端強降雨導致的城市內澇問題，可以將氣象局提供的城市暴雨預警信息以及水文局補充的雨量計在線監測數據接入平臺，同時考慮增設部分雨量計，對易澇區域內的雨量進行在線監測，實時獲取降雨量，為防汛指揮調度提供基礎數據。

3 常用監測設備

3.1 水質監測儀

水質監測儀用來實時監測供水的水質情況，在供水管道上取水后自動輸送到檢驗室進行檢驗，對不同地區的水質情況，可選擇pH、余氯、硬度、濁度、氨氮含量、COD 等水質參數進行監測。常用水質檢測儀有高精度濁度儀、微量余氯/總氯分析儀、高精度pH 計、硬度分析儀、氨氮分析儀等。

3.2 流量計

流量計用來監測給排水管網某一節點處的瞬時流量和累計流量，按照流量監測原理可以分為電磁流量計和超聲波流量計兩類。按設備安裝方式又可分為外夾式、插入式、管段式等形式。

3.3 高頻壓力計

壓力計用來監測壓力管道節點的實時壓力，按數據采集頻率分為普通壓力計和高頻壓力計兩種，高頻壓力計具有采集傳輸頻率更高，響應速度更快的特點，并可根據監測需求，預設傳感器的采集頻率和數據上傳頻率。

3.4 漏失監測儀

漏失監測儀是基于聲音信號檢測的漏失監測常用設備，即將記錄儀器設備置于管道上，捕捉管道上因為漏失而產生的噪聲強度，進而分析噪聲強度并定時采集帶寬信號，通過帶寬信號的分布情況來判斷管道的漏水情況。

3.5 液位計、河道水位計

液位計用來對泵站集水池、雨污水管道及易澇點水位進行實時監測，可實現對泵站工況的實時掌控，并對提前做好積澇預警具有重要意義。河道水位計的應用便于實時掌握河道水位變化信息，可對排水防澇的整體規劃提供指導依據。

4 信息化系統體系架構

給排水安全信息系統的體系架構的建立應基于“感知、傳導、分析、應用”的總體思路，可以細分為感知層、數據層、支撐層、應用層和展示層。

4.1 感知層

“感知層”建設前端感知系統，包括供水、排水物聯網前端感知系統，同時接入政務網和互聯網等數據信息。

4.2 數據層

前端接入的海量監測數據，通過物聯網采集平臺的高性能處理框架，滿足日均數億至數十億條傳感器數據的接入。大數據平臺負責存儲海量傳感數據，包括城市水務信息化物聯網實時監測數據、城市水務信息化平臺應急基礎數據和相關社會數據，通過大數據機器學習及數據挖掘技術，完成傳感設備狀態跟蹤、動態閾值設置、數據清洗、告警預測等核心功能；向業務系統及時推送告警信息，并提供預警分析能力。信息綜合處理系統通過鏈接信息采集端與大數據平臺進行信息傳遞和分析，為各子系統提供數據分析和事件預警功能，實現各個系統之間的有效銜接，并把實時分析出的告警數據推送給業務系統，及時在展示端進行展示。

4.3 支撐層

支撐層將通用技術組件和業務組件進行封裝，滿足各專項及綜合應用系統開發需要。GIS 平臺結合三維地理信息模型、建筑信息模型，實現從宏觀水務系統空間分布情況，到微觀管網設備設施的實景化和可視化的全面展示和數據檔案管理系統，可提供三維模擬現實、游覽、地下模式、透明模式、測量與標注、地形開挖、空間查詢與檢索、全文檢索、空間計算與分析、輔助決策分析、三維制圖及輸出等，為所有專項提供通用的GIS 基礎服務。數據共享服務平臺支持把公共業務和公共數據資產作為公共的資源池，開放給應用系統、異構系統、合作伙伴和第三方應用，以實現多業務系統共享資源池，挖掘業務模式、提高服務水平。

4.4 應用層

應用層建設供水專項和排水專項兩個安全專項應用系統，包括水務系統的全生命周期的生產、運營、調度的數據管理和動態監測，城市供水和排水管網模型的綜合分析和預警監測等功能。

4.5 前端展示層

展示層以大屏、桌面端、移動終端形式對應用系統進行展示。

5 結語

隨著智能技術的發展和應用，給排水行業的信息化革命和智能升級也越來越受到重視，將信息化技術應用于城市給排水管網、給水廠、污水廠、河道及城市易澇點的監測已是大勢所趨，也是城市高質量建設發展的重要部分。通過大量的基礎監測數據，為城市水務管理部門決策提供了科學高效的支撐依據，進一步提升了管理效率和城市安全水平。目前我國的給排水安全信息化建設仍處于起步階段，還存在著體系建構不嚴密、信息反饋不及時、監測數據精確度有待提高等問題，因此，水安全的信息化仍有廣闊的發展空間。