智能化技術在市政給排水工程中的應用與展望

0 引言

城市化進程的加速對水資源的可持續開發提出了嚴峻的挑戰，同時這也凸顯了水資源在城市建設中的基礎性地位。換言之，城市化不僅要求水資源能夠滿足城市正常運轉的需求，更強調了水資源可持續開發的重要性。具體而言，水資源開發涉及兩個關鍵方面：一是科學合理地開發水源，包括對河流、湖泊以及地下水等自然水源的勘探和利用；二是水資源的合理分配和利用，確保水資源在不同地區以及不同行業之間的公平性和高效性。要實現上述目標，必須合理地引入智能化技術?；诖?，下文將針對智能化技術在給排水工程中的應用展開闡述。

1市政給排水系統

1. 1 定義和功能

市政給排水系統由供水系統和排水系統兩個主要部分構成，共同保障了城市居民的生活品質和工業生產的正常進行[1]

（1）供水系統的主要功能是提供清潔飲用水以滿足城市居民的日常生活和工業生產對水質的高要求。它由多個關鍵組成部分構成：首先是水源，包括河流、湖泊、地下水和水庫等，它們為系統提供原始的水資源；接著是水處理廠，負責對原始水進行凈化處理——確保水質達到衛生標準；輸水管網則是將處理后的水輸送至城市的各個區域，包括主管道和支線管道；最后是儲水設施，如水池和水塔，它們在供需關系不平衡時起到平衡作用，同時提供穩定的水壓。

（2）排水系統主要負責排放污水和雨水以維護城市的衛生環境，并防止水浸和洪澇災害。它同樣由多個部分組成：下水道負責收集和排放污水和廢水，并將其輸送至污水處理廠；污水處理廠對城市污水進行處理，去除污染物，確保其安全排放；雨水收集和排放系統則管理雨水、控制徑流以減少洪澇風險并提

高水資源的利用率。

1.2城市化與市政給排水系統的挑戰

（1）人口急劇增長導致供水需求增加、城市規模擴大，從而對系統能力提出了更高的要求。市政給排水系統不僅要滿足日益增長的需求，還要確保水資源的可持續利用。

（2）城市內部發展不均衡問題日益凸顯，出現了“熱點”和“冷點”區域。基于此，市政給排水系統在運營策略層面需采取差異化布局，以精準適配各區域的功能定位與發展需求。

（3）傳統的統一化管理方式難以適應城市發展的多樣性，需要更靈活和智能化的管理手段。因此，市政給排水系統需要靈活的管理策略和先進的技術支持。在此背景下，智能化管理系統的優勢日益凸顯。智能化管理系統能夠及時感知城市變化并實現動態調整從而確保系統高效、可靠運行。智能化管理系統可以通過集成傳感器、大數據分析以及云計算等先進技術實時監測水質、水量以及設備狀態等信息，進而為決策者提供科學依據。

1.3水資源管理的關鍵性

伴隨城市版圖持續拓展與居民生活品質穩步提升，水資源需求呈現剛性增長態勢。這一增長不僅源于人口規模擴張帶來的直接用水需求，更因城市化進程中工業、商業及住宅等多元領域用水量激增所致。為確保水資源合理配置與高效利用，亟需構建多維度保障體系，涵蓋科學規劃水資源布局、強化水資源管理制度剛性約束，以及依托技術創新提升水資源利用效能。通過上述舉措，可實現水資源在不同區域與行業間的精準分配，有效規避浪費與過度開發風險。然而，城市化進程中水體污染問題亦不容小，城市工業、農業及生活污水排放量持續攀升，導致水體污染形勢愈發嚴峻。為保障供水安全，需引入先進水質監測技術，并構建高效污水處理體系，以實現供水質量的全面提升。

1.4城市給排水系統的可持續性

（1）智能化技術在推動城市給排水系統可持續發展中發揮著至關重要的作用。智能化技術不僅能優化系統運行，減少能源消耗，還能通過智能化的設備控制和調度來實現能源的最優化利用。比如，通過采用高效水泵、能源回收技術和可再生能源，可以顯著減少系統的能源消耗，從而降低運營成本，同時減少對環境的影響[2]

（2）智能化控制的效益同樣突出。通過精確調節設備運行參數，智能化控制系統能夠確保設備始終處于最佳工況，從而實現能源利用效率的最大化。

（3）水資源可再生利用的重要性不言而喻。借助先進的再生水處理技術，廢水可被凈化為可重復利用的水資源，此舉不僅能有效降低對自然水源的依賴，還能大幅提升水資源的循環利用率。

2智能化技術在市政給排水系統中的應用案例

2.1案例背景與傳感器布置

在南方某城市市政給排水系統智能化升級項目中，針對 10km² 核心區域構建基于物聯網技術的智能監測體系，通過部署傳感器與監測設備實現水位、流量、壓力等關鍵參數的實時感知，為系統穩定運行提供數據支撐。該方案的核心優勢體現在：依托動態監測數據構建異常預警機制，可精準識別泄漏、堵塞等風險并提前干預，顯著降低停水事故與污水外溢概率，從而提升系統可靠性并優化居民生活環境質量。為實現這一目標，項目采用分層分類布設策略，在泵站、管道交匯點、主干管段及附屬設施等關鍵節點部署100組傳感器：泵站配置壓力、流量、溫度傳感器以監測設備工況；交匯點布設壓力、流量、水質傳感器以捕捉水力參數突變；主干管段安裝壓力、流量及泄漏檢測傳感器以實現全流程監測；附屬設施配置閥門狀態、流量計、液位傳感器以實現設備狀態感知。數據傳輸層面，采用無線傳感網絡（WSN）構建實時數據通道，確保數據采集的時效性與精準度。數據采集與處理系統集成數據采集終端與通信模塊，通過邊緣計算與云端協同完成數據預處理，為后續分析與決策提供可靠依據。

2.2基于最小生成樹算法的智能化技術

該項目選擇基于最小生成樹算法的智能化技術來優化對于項目中100個傳感器的布置。值得一提的是，利用最小生成樹算法能夠最大程度地實現對于市政給排水系統的全面覆蓋，并最小化未覆蓋區域，從而有效提高傳感器布置的效率和效果。具體而言，該項目選擇的是最小生成樹算法中的 Prim 算法。Prim算法是一種經典的圖論算法，它能有效構建最小生成樹，從而確保在所有節點中找到連接這些節點的最小權重的邊。通過應用 Prim 算法，不僅能實現市政給排水系統中傳感器布置的全面覆蓋，也可以最大限度地減少未覆蓋區域。

Prim 算法的步驟如下：首先從任意傳感器節點開始，選擇距離已選中節點集合最近的傳感器節點作為新節點。接著將新節點及其對應的邊添加到最小生成樹中。這一過程重復進行直到所有傳感器節點均被選中，從而最終得到一個基于 Prim 算法生成的最小生成樹。

2.3 應用結果分析

Prim算法通過構建最小生成樹，可精準消除冗余傳感器配置，在有效削減部署成本的同時顯著提升系統整體效能。經算法優化后的監測網絡，其數據傳輸路徑呈現高度精簡性，且傳感器在管網中的空間覆蓋效率達到理論最優值[3]。為驗證優化效果，該項目通過市政管網數據中心采集了優化前后傳感器信息時延的變化數據。分析結果表明：優化后的傳感器布局方案使數據采集時延顯著降低，數據傳輸效率提升明顯，為市政給排水系統的智能化運維提供了關鍵技術支撐。具體而言，相較于傳統布局模式，優化方案通過最小化傳感器間通信距離與中繼層級，有效縮短了數據采集延遲周期，這一特性對實時監測與快速處置管網異常工況具有決定性意義。傳統布局中存在的傳感器分布稀疏或中繼節點冗余問題，導致數據回傳存在明顯時滯，而通過 Prim 算法的優化徹底消除了這一瓶頸，實現了數據采集速度與系統響應時效的雙重提升。

3智能化技術在給排水系統的其他應用

3.1 人工智能

人工智能技術在市政給排水系統的應用聚焦于深度學習算法對復雜水文動態的建模與預測能力。通過構建深度神經網絡對海量歷史氣象、管網及地形數據進行分析，系統可精準模擬極端降雨條件下的過載風險，為城市內澇預警提供量化決策依據，助力管理部門提前啟動應急響應機制。同時，智能控制系統依托實時感知數據實現設備全生命周期的自動化調控，通過動態優化排水泵組運行參數匹配瞬時流量需求，在暴雨工況下保障管網水力平衡，進而有效降低設備空載損耗與運維成本，形成“預測－響應－優化”三位一體的智慧水務管理閉環。

3.2 大數據分析

大數據分析技術通過整合多源異構數據資源，構建系統運行畫像，可深度挖掘數據價值以定位隱性故障節點與效率瓶頸，為運維決策提供量化依據?；跁r空特征聚類分析，該技術可精準識別高負荷運行區域，通過定制化設備升級與管網改造方案，實現系統能效的靶向優化。

3.3 物聯網

物聯網技術通過構建全要素感知網絡，實現水泵、閥門、傳感器等設備間的動態組網與數據協同。依托邊緣計算節點與云端平臺的實時交互，系統可對設備工況進行毫秒級響應監測，并通過異常事件自動觸發工單系統，形成“感知－診斷－處置”的閉環管控機制，保障管網運行的可靠性。

3.4智能傳感器

智能傳感器基于多模態感知陣列設計，可同步采集水位、壓力、流量等核心參數，并通過內置算法實現狀態閾值的自適應學習。以智能水位傳感器為例，其通過構建動態預警模型，可提前12h預測洪峰過境風險，聯動智能閘控系統自動執行泄洪策略，將災害損失降低至常規響應模式的 30% 以下。

3.5智能泄洪防澇系統

面對氣候變暖加劇與極端降雨頻發的雙重挑戰，城市洪澇防御體系亟需智能化升級。該系統通過融合多源實時水文數據、分布式水位監測網絡與動態優化算法，構建了“感知－研判-處置”三位一體的智能調控架構。在強降雨場景下，系統可基于水力模型實時推演洪峰演進路徑，自動觸發分級泄洪預案，聯動智能閘門與泵站執行精準排水策略，將城市內澇風險降低至可控閾值。依托數字孿生技術構建的防澇策略優化引擎，可基于歷史災害數據持續迭代調控參數，實現響應時效與防洪效能的雙重提升。

3.6智能漏損監測和管理系統

管網漏損問題不僅造成年均 30% 以上的水資源損耗，更可能引發次生地質災害與基礎設施破壞。該系統通過部署光纖聲波傳感器陣列與多參數水質監測模塊，構建了管網健康狀態的全息感知網絡，可精準識別 0.5L/min 級微滲漏并定位至管段級精度?；谏疃葘W習的漏損演化預測模型，可提前72h預警潛在爆管風險，聯動智能閥門執行區域隔離與應急修復。

通過引人管道機器人與自動化修復模塊，系統實現了從漏損發現到處置的閉環管理，將管網漏損率控制在2% 以內，顯著提升水資源利用效率與市政設施可靠性。

4展望

在智慧城市發展進程中，智能管網系統已成為城市生命線工程的核心支撐。該系統深度融合分布式光纖傳感、邊緣計算與數字孿生技術，構建了覆蓋全域管網的實時狀態感知網絡，可實現毫米級形變監測與微秒級響應決策。盡管在技術研究和應用過程中面臨諸如數據保護與隱私、系統間的兼容性與整合、長期可持續性以及經濟成本等多重挑戰，但未來的研究和發展方向將著重于克服這些難題。為了應對這些挑戰，未來的研究將更加注重跨學科的合作與交流以及國際間的技術共享和經驗交流。通過這種合作模式，可以期待智能管網技術會得到進一步的創新和優化。隨著智能化技術的不斷進步和應用，有理由相信未來城市的給排水系統將變得更加智能和高效，可切實提升居民生活品質與城市治理效能。

5結語

在當今快速發展的城市化進程中，提升能源利用效率與減少廢水排放已成為現代城市給排水系統建設的核心目標。為實現這一目標，必須依托智能化技術實現對給排水系統全流程的實時監測與精準調控。具體而言，應通過部署先進的監測設備、智能控制系統和大數據分析平臺，構建集實時監測、遠程運維和智能決策于一體的管理體系，從而全面提升系統運行效能。值得注意的是，物聯網與智能傳感器等技術的應用，能夠動態響應城市用水與排水需求的變化。此外，基于最小生成樹算法優化傳感器布局，可實現監測網絡的全域覆蓋，進一步增強系統的適應性與可靠性。

參考文獻：

[1］靖翔.建筑智能化技術在建筑給排水工程中的應用［J].工程技術研究，2024，9（6）：228-230.

[2]刁目康.建筑智能化技術用于建筑給排水工程中的研究[J]．門窗，2024（10）：211-213.

[3］駱夢雪．建筑給排水工程中智能化技術的應用研究［J].模型世界，2021（22）：133-135.