數(shù)字化管理在截流主管網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用探析

彭藝藝^1,2，左劍惡¹，劉廣釗²，孟憲翚²，楊敏²

(1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京100084；2.柳州市污水治理有限責(zé)任公司，廣西柳州545001)

摘要：結(jié)合國(guó)內(nèi)市政排水管網(wǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用進(jìn)展，以南方某城市沿江截流主管網(wǎng)為例，從提高資產(chǎn)管理效率、建立管道缺陷狀況評(píng)價(jià)系統(tǒng)、建立管網(wǎng)運(yùn)行模擬動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、建立在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、優(yōu)化截流管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行等功能需求出發(fā)，探析其數(shù)字化管理系統(tǒng)建設(shè)的思路。

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)城市公用設(shè)施服務(wù)管理水平的要求逐步提高，如何科學(xué)有效地管理錯(cuò)綜復(fù)雜的地下排水管網(wǎng)，已成為城市管理者們亟需解決的重要難題。借助日新月異的信息技術(shù)，以及數(shù)字化城市的搭建，可開(kāi)展排水管網(wǎng)的數(shù)字化管理系統(tǒng)建設(shè)。排水管網(wǎng)數(shù)字化管理，是指以排水管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龊蛣?dòng)態(tài)模擬分析為基礎(chǔ)，建立管網(wǎng)信息完整、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新、業(yè)務(wù)功能操作簡(jiǎn)便、軟硬件有效配合的數(shù)字化管理模式。結(jié)合國(guó)內(nèi)市政排水管網(wǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用進(jìn)展情況，以南方某城市沿江截流主管網(wǎng)為例，對(duì)其數(shù)字化管理系統(tǒng)的建設(shè)思路進(jìn)行探析。

1 國(guó)內(nèi)排水管網(wǎng)管理現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)的排水管網(wǎng)管理狀況，根據(jù)數(shù)字化管理手段的使用程度，可分為三個(gè)階段:首先是初級(jí)階段，管網(wǎng)的數(shù)據(jù)資料反映在紙質(zhì)圖紙上，信息不全且易丟失，規(guī)劃設(shè)計(jì)及養(yǎng)護(hù)管理缺乏科學(xué)決策所必需的管網(wǎng)資料數(shù)據(jù)庫(kù)，這是所有城市排水管網(wǎng)管理都會(huì)經(jīng)歷的起步階段；第二階段，隨著數(shù)字化城市管理的推進(jìn)和智慧城市概念的提出，多數(shù)城市開(kāi)始搭建地下管網(wǎng)的GIS系統(tǒng)，排水管網(wǎng)的數(shù)據(jù)資料逐步電子化，初步進(jìn)行排水管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治�，便于快捷查閱，但是管網(wǎng)的模擬動(dòng)態(tài)系統(tǒng)沒(méi)有建立，仍不能為科學(xué)決策和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供有效手段；第三階段是目前國(guó)內(nèi)排水管網(wǎng)數(shù)字化管理技術(shù)研究與應(yīng)用的示范階段，這一階段是完全實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)數(shù)字化管理前的過(guò)渡階段，正在搭建管網(wǎng)的模擬動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，有的在建立排水管道缺陷狀況評(píng)價(jià)體系；有的在建立局部排水管網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；有的在建立排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同步建設(shè)排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)工程。

完全的排水管網(wǎng)數(shù)字化管理目標(biāo)，應(yīng)該是基于GIS提供的管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的管網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷率和水質(zhì)指標(biāo)，利用水力模型模擬管網(wǎng)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，結(jié)合氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，運(yùn)用排水管理系統(tǒng)平臺(tái)，建設(shè)排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)全面科學(xué)的排水管網(wǎng)智能管理提供有效的決策工具和控制預(yù)警手段。這種基于可靠性分析的高級(jí)系統(tǒng)性管理模式是目前排水系統(tǒng)管理研究的最前沿。

2 排水管網(wǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)的構(gòu)建

構(gòu)建排水管網(wǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)按以下步驟進(jìn)行:首先是基礎(chǔ)工作,排水管網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)數(shù)字化（建立GIS數(shù)據(jù)庫(kù)）、評(píng)估管網(wǎng)的使用狀況（建立管網(wǎng)缺陷狀況評(píng)價(jià)體系，修訂完善管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)信息）、掌握管網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息（建立水量、水質(zhì)、有害氣體等在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）；其次是搭建管網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬分析系統(tǒng),基于GIS、缺陷評(píng)價(jià)系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)，利用排水管網(wǎng)水力模型模擬管網(wǎng)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，有條件的地區(qū)可以結(jié)合氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)澇的災(zāi)害預(yù)測(cè)與預(yù)警；然后運(yùn)用排水管理系統(tǒng)平臺(tái)，整合上述所有數(shù)據(jù)信息，借此建立總部管理中心，集成管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)模擬分析系統(tǒng)、資產(chǎn)管理信息、巡查管養(yǎng)計(jì)劃、客戶(hù)信息及服務(wù)資料、應(yīng)急預(yù)警等功能，提升科學(xué)決策水平和管理手段；同時(shí)，建設(shè)排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，管網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)與總部管理中心信息雙向互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息及時(shí)傳輸和總部遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。

3 沿江截流主管網(wǎng)數(shù)字化管理的設(shè)想

3.1 城市排水管網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)進(jìn)展

南方某市自2008年開(kāi)展數(shù)字化城市管理系統(tǒng)建設(shè)，初步構(gòu)建排水管網(wǎng)GIS信息系統(tǒng)框架。由于排水管網(wǎng)隱蔽在地下，修建年代久遠(yuǎn)，建設(shè)和管養(yǎng)單位變更或者分屬幾個(gè)部門(mén)，檔案資料散失嚴(yán)重，目前數(shù)據(jù)庫(kù)還在完善和修訂中。如果全市的排水管網(wǎng)一步到位建設(shè)數(shù)字化管理系統(tǒng)，將面臨時(shí)間跨度大、資金花費(fèi)多、可借鑒經(jīng)驗(yàn)少等難題，為此，選擇小型的相對(duì)獨(dú)立的排水系統(tǒng)進(jìn)行示范性建設(shè)很有必要。

3.2 沿江截流主管網(wǎng)建設(shè)概況

該市建城區(qū)面積為172.1 km²，市區(qū)人口179萬(wàn)人，河流穿城而過(guò)，合流制的城市污水均朝河流方向就近排放并被截流收集。該市已建沿江合流制截流管網(wǎng)服務(wù)于主城區(qū)，主干管總長(zhǎng)為33.9 km，中途提升泵站10座，服務(wù)面積達(dá)53.3 km²，服務(wù)人口63萬(wàn)人，沿途污水收集率達(dá)到95%以上，承擔(dān)了該市近1/3的城市生活污水、工業(yè)廢水和截流倍數(shù)為1的雨水徑流的收集功能。目前建有3座二級(jí)污水處理廠，總處理規(guī)模達(dá)47.5×104 m³/d，城市污水處理率達(dá)85%。

3.3 提出沿江截流主管網(wǎng)數(shù)字化管理應(yīng)用示范

沿江合流制截流主管網(wǎng)系統(tǒng)都是2002年后陸續(xù)修建，資料相對(duì)完善，數(shù)據(jù)庫(kù)搭建相對(duì)易行；承擔(dān)了市區(qū)近1/3污水量的收集工作，水量、水質(zhì)變化有一定的代表性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)市區(qū)近1/3管網(wǎng)污水的數(shù)字化管理；沿江截流管網(wǎng)在排水管網(wǎng)的末端，相對(duì)獨(dú)立于城市排水管網(wǎng)，數(shù)學(xué)模型的建立相對(duì)簡(jiǎn)單；科學(xué)地掌控沿江截流主管網(wǎng)，可降低雨水溢流對(duì)水體的污染影響；目前截流主干管、中途提升泵站、末端的污水處理廠都由一家公司監(jiān)管，該公司利用世界銀行貸款資金，根據(jù)項(xiàng)目咨詢(xún)計(jì)劃安排正在開(kāi)展管理信息系統(tǒng)建設(shè)，在資金和技術(shù)援助上有保障，因此，選擇沿江截流主管網(wǎng)作為數(shù)字化管理系統(tǒng)分期建設(shè)的示范比較合理。

4 沿江截流主管網(wǎng)數(shù)字化管理建設(shè)

4.1 開(kāi)展數(shù)字化管理的基本情況與應(yīng)用目標(biāo)

① 基本情況

在沿江截流主管網(wǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)建設(shè)中，已開(kāi)展的工作處于基礎(chǔ)工作階段，包括：各生產(chǎn)單元初步建立資產(chǎn)管理電子賬目；掌握沿江截流主管網(wǎng)及沿途泵站、末端污水廠的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行信息的電子資料；在四個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的截流井內(nèi)設(shè)置流量計(jì)；尋求采購(gòu)商業(yè)軟件，建立固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)和辦公管理系統(tǒng)。

② 應(yīng)用目標(biāo)

將數(shù)字化管理系統(tǒng)應(yīng)用到沿江截流主管網(wǎng)的目標(biāo)，就是從提高截流主管網(wǎng)的科學(xué)決策水平和管理手段的功能需求出發(fā)，整合已有的數(shù)字化管理方面的資源，將這些特殊的功能需求嵌入到常規(guī)的管理平臺(tái)建設(shè)中，構(gòu)建適用高效的排水管網(wǎng)管理系統(tǒng)。

4.2 功能需求分析與數(shù)字化應(yīng)用

① 搭建信息網(wǎng)絡(luò)，提高資產(chǎn)管理效率

目前沿江截流主管網(wǎng)上的管網(wǎng)、泵站、污水廠等各生產(chǎn)單元內(nèi)部初步建立資產(chǎn)管理賬目，但是未形成聯(lián)網(wǎng)共享，缺乏信息溝通，缺乏總部管理中心對(duì)資源進(jìn)行優(yōu)化配置。通過(guò)建立固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)，集成各生產(chǎn)單元的歷史基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、資產(chǎn)變更原因和過(guò)程、資產(chǎn)總量等，依據(jù)數(shù)字化管理系統(tǒng)的應(yīng)用，提出公司在沿江截流主干管系統(tǒng)上的總體資源優(yōu)化配置和未來(lái)需求計(jì)劃等方案和建議。后期建設(shè)總部管理中心的數(shù)字化排水管理系統(tǒng)平臺(tái)時(shí)，直接預(yù)留模塊接口嵌入即可。

② 建立管道缺陷狀況評(píng)價(jià)系統(tǒng)，反映管道真實(shí)使用狀況

沿江截流主管網(wǎng)上的截流井及其進(jìn)出水管，標(biāo)高在外江水位以下，采取措施防止其管道滲漏，可避免管內(nèi)污水外溢污染水體或者外江水內(nèi)滲降低進(jìn)水污染物濃度和增大污水廠負(fù)荷；同時(shí)，堰式截流深井及上游管道內(nèi)底部泥砂淤積，水面漂浮物堆積，嚴(yán)重影響管道的使用效率。

通過(guò)建立管道缺陷狀況評(píng)價(jià)系統(tǒng)，評(píng)估管網(wǎng)的使用狀況，可獲知管道是否發(fā)生接口錯(cuò)位、局部變形塌陷、裂縫滲漏等結(jié)構(gòu)性問(wèn)題和淤積、堵塞等功能性問(wèn)題及其發(fā)生程度，修正GIS管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，反映各管段的真實(shí)工作狀況，為后續(xù)模擬計(jì)算提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也為管網(wǎng)的維修清淤工作計(jì)劃提供有效的參考數(shù)據(jù)。

③ 建立管網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，提高科學(xué)管理水平

當(dāng)有新的支管規(guī)劃接入截流主干管時(shí)，需要預(yù)測(cè)主管在流量增大后的負(fù)荷變化、截流井的溢流變化、支管是否能順暢排水等情況，擬定最佳接入點(diǎn)，并對(duì)整個(gè)支管規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估，以求截流主管道系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷最大化，運(yùn)行狀況最優(yōu)化，同時(shí)溢流雨水量最小化�；�于GIS系統(tǒng)、管道缺陷狀況評(píng)價(jià)系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用InfoWorks排水管網(wǎng)水力模型建立管網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，模擬不同接入點(diǎn)支管接入對(duì)截流主管網(wǎng)的影響，實(shí)現(xiàn)評(píng)估優(yōu)化支管規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的目標(biāo)。

部分沿江截流井上游管段時(shí)有內(nèi)澇發(fā)生，經(jīng)常出現(xiàn)市政部門(mén)與水利部門(mén)互相推諉的情況，是溢流堰設(shè)置不合理還是排澇泵啟動(dòng)不及時(shí)，需要尋求科學(xué)的手段，準(zhǔn)確探尋問(wèn)題的根源和解決方案。利用InfoWorks建立管網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，可以在各種假設(shè)條件下，模擬系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而找到問(wèn)題的根源和相應(yīng)的解決方案。

沿江截流主管網(wǎng)尤其是堰式截流井內(nèi)淤積嚴(yán)重，影響管網(wǎng)使用效率，容易導(dǎo)致雨水溢流而且溢流時(shí)挾帶污染物濃度大。目前，每年清淤計(jì)劃在時(shí)間和順序的安排上都是基于以往的經(jīng)驗(yàn)情況，帶有較大的隨意性和不確定性。利用InfoWorks建立管網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，通過(guò)針對(duì)各截流井的流速、水量和水深數(shù)據(jù)分析，尋找易發(fā)生淤積的關(guān)鍵點(diǎn)，排出管段清淤的時(shí)間計(jì)劃和優(yōu)先順序。

④ 建立在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提升內(nèi)澇事故預(yù)警能力

全市沿江截流主干管上共有大小不等的截流井約50座，其中約40座為堰式截流井，在雨季時(shí)由于溢流堰處過(guò)流斷面減少，易導(dǎo)致其上游區(qū)域發(fā)生內(nèi)澇。需要建立內(nèi)澇事故預(yù)警系統(tǒng)，一方面向可能發(fā)生內(nèi)澇區(qū)域的居民單位發(fā)出預(yù)警信息，另一方面通知下游泵站調(diào)整運(yùn)行方案，加緊抽排，低水位運(yùn)行，騰出庫(kù)容，減少內(nèi)澇影響。

在重要地區(qū)和低洼地段等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的截流井內(nèi)，安裝水位儀等在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，及時(shí)掌握管道內(nèi)水位數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合氣象預(yù)報(bào)信息，利用管網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，模擬內(nèi)澇發(fā)生的可能性，進(jìn)而發(fā)出內(nèi)澇事故預(yù)警信息，提升內(nèi)澇事故預(yù)警能力。

⑤ 優(yōu)化截流管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行，減少雨天溢流量

如何實(shí)現(xiàn)沿江截流主管網(wǎng)沿途的管網(wǎng)、泵站、污水廠的有效聯(lián)動(dòng)調(diào)度，優(yōu)化截流管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行，充分利用已建設(shè)施的有效容積，挖掘管網(wǎng)的使用效率，減少雨水溢流量，發(fā)揮其最大環(huán)境效益。

通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)了解管網(wǎng)的空間容量，利用管網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)模擬泵站、管網(wǎng)、污水處理廠聯(lián)動(dòng)調(diào)度的最佳水位，發(fā)出調(diào)度指令，隨時(shí)跟蹤在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的反饋信息并據(jù)此調(diào)整運(yùn)行調(diào)度方案。利用管網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬，通過(guò)跨流域調(diào)度方案模擬評(píng)估，在有條件的地區(qū)，考慮修建相鄰排水系統(tǒng)的連通管，實(shí)現(xiàn)不同排水收集系統(tǒng)之間的互補(bǔ)調(diào)度功能。

4.3 數(shù)字化管理系統(tǒng)的搭建思路

基于已開(kāi)展的基礎(chǔ)工作，根據(jù)排水管網(wǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)的構(gòu)建要求和截流主管網(wǎng)數(shù)字化應(yīng)用的目標(biāo)，結(jié)合功能需求分析，下一步需要開(kāi)展的工作包括：利用已掌握的沿江截流主管網(wǎng)及沿途泵站、末端污水廠的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行信息的電子資料，構(gòu)建GIS數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；同步建立截流主管網(wǎng)的缺陷狀況評(píng)價(jià)系統(tǒng)，利用其結(jié)果修訂完善GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息；聯(lián)網(wǎng)截流井內(nèi)已有水量?jī)x，補(bǔ)充監(jiān)測(cè)點(diǎn)和檢測(cè)儀表，建立在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；利用InfoWorks建立管網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)；成立管網(wǎng)總部管理中心，建立排水管理系統(tǒng)平臺(tái)，整合前面的所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息和已開(kāi)發(fā)的固定資產(chǎn)管理、辦公管理等電子管理系統(tǒng)，預(yù)留新功能模塊接口，開(kāi)放信息公布窗口，提升科學(xué)決策水平和管理手段；建設(shè)排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)與總部管理中心實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)傳輸和遠(yuǎn)程控制雙向互動(dòng)；硬件支撐預(yù)留遠(yuǎn)期擴(kuò)展空間，滿(mǎn)足未來(lái)系統(tǒng)服務(wù)范圍不斷擴(kuò)展的需要，具備可持續(xù)性的特性。

5 結(jié)論

① 數(shù)字化管理是未來(lái)城市排水管網(wǎng)管理的發(fā)展方向，沿江截流主管網(wǎng)的數(shù)字化管理系統(tǒng)示范建設(shè)，為未來(lái)城市全面實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)數(shù)字化管理提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

② 在城市排水系統(tǒng)中應(yīng)建立包括管網(wǎng)、泵站、污水廠的固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)，提高資產(chǎn)管理效率和資源優(yōu)化配置。

③ 針對(duì)排水管道，應(yīng)建立管道缺陷狀況評(píng)價(jià)系統(tǒng)，掌握截流管網(wǎng)滲漏以及堰式截流深井的淤積阻塞狀況，為排水管網(wǎng)水力模型提供有效的參考數(shù)據(jù)。

④ 應(yīng)建立管網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，針對(duì)截流主管網(wǎng)堰式截流深井的特點(diǎn)，評(píng)估優(yōu)化支管規(guī)劃設(shè)計(jì)方案、分析內(nèi)澇發(fā)生原因和尋找對(duì)策、提出針對(duì)性的管網(wǎng)清淤計(jì)劃、提升內(nèi)澇事故預(yù)警能力與應(yīng)急決策手段。

⑤ 通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和管網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)結(jié)合，模擬泵站、管網(wǎng)、污水廠聯(lián)動(dòng)調(diào)度，挖掘管網(wǎng)的使用效率，減少雨水溢流量，并進(jìn)行跨流域調(diào)度方案模擬評(píng)估。

（本文發(fā)表于《中國(guó)給水排水》雜志2015年第10期“述評(píng)與討論”欄目）

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