摘要：随着城镇化的快速发展，城市边界不断拓展延伸，市政排水设施成倍增长，给城市管理工作和市政排水行业带来了巨大机遇与挑战。为此，构建排水设施安全运行监测及预警标准数据库的方法，通过对道路排水监测指标、建筑排水监测指标和管网排水监测指标的分析，提出了基于物联网技术和GIS 技术的城市排水设施安全运行监测及预警方案。
关键词：排水设施；安全运行；监测；预警
随着生活水平和城市品质的不断提高，人们对优质水资源、水环境的需求与日俱增，市民对水环境、城市内涝的关注度越来越高，也对雨天出行及涝水、污水应急处置提出了更高的要求。城市排水设施建设速度加快，排水设施维修养护工作量不断增加，突发性暴雨事件时有发生，尤其当道路上有积水时，排水管道中的大流量水体有较高的溢流风险，这就要求在预防、监测、应急处理及其后置工作上力争做到最佳，为排水设施的安全运行提供保障，最大限度地减少损失。因此，需要利用先进技术，完善应急排水监测预警体系，提出应对突发排水事件的监测及预警标准，为有效应对突发事件，实现常态管理与应急管理的有机结合，提高公共管理与社会服务水平提供技术支撑。
一、我国排水设施监测及预警研究现状
在国内，排水设施安全运行的监测及预警管理水平与地域有很大关系。我国已初步建成了基于万米单元地理网格的城市资源和城市基础设施深度整合的数据库群，成功研制并实际应用了快捷方便、集十多种功能于一体的城管信息采集器——“城管通”。采用国产软件city star 建成的天津市排水信息管理系统，可利用地表高程数据进行地面积水区域分析和积水面积计算，动态显示管道水流和水表工作状态。某市以GIS 为基础建立的地下管线信息系统，引入了动态管理机制，在保证数据优势性的同时，提高了规划设计的准确性与科学性。城市排水系统是一个相当庞大的系统，国内排水设施的现状是：设施不完善、泵站及配套管网建设滞后、排放能力不足、排水设计标准较低等，因此经常有污水溢出的情况发生。因此，根据现有排水设施的运行态势，提出排水设施安全运行监测及预警的标准是必要的。
二、排水设施安全运行监测及预警标准数据库设计
排水管网数据信息作为排水设施安全监控中心和地理信息系统的支撑，其数据库平台是最基础也是至关重要的。城市排水设施主要由城市排水管网、泵站和污水处理厂组成。排水设施种类繁多，静态、动态数据量大，因此发现排水设施关键数据以及关键运行数据是进行排水设施安全运行监测及预警的首要步骤。
以InfoWorksCS 软件为例，以排水泵为分析对象，通过模拟排水泵在各状态下的运行过程，得到排水设施安全运行的关键数据。其关键步骤如下：
1）选定城市典型汇水区，设定其土地使用类型为基本生活用水类型。城市中常见的土地使用类型有：居民住宅用地、工业商业用地、公园和绿地、交通道路用地、其他用地。每种土地使用类型都有着不同的人口密度、生活用水定额、排水过程线、地面径流系数、污染指数等属性。不同的污水剖面类型有着不同的排水过程线和人口密度，在InfoWorks CS 设置中录入数据即可。链接表示管网连接的完整程度，没有孤立的管网段则链接值为100。
2）设置管道参数。InfoWorks CS 软件可以选用Colebrook-White 或Manning 公式来计算水力粗糙性。使用数值分别表示管道不同部位的水力粗糙性：一个用于管道底部1/3 处，另一个用于横截面上的其他部分，使用粗糙值会使管道水力性能更加接近实际情况。
根据排水曲线经验值和实测结果（24 h 内），得到时变化系数，将泵站吸水池流量过程线的模型计算值与实测值进行对比，发现其拟合程度非常好，相对误差小于5 %，证明模型计算正确率很高。结果显示，排水池流量大小与排水泵站的工作状态密切相关，是排水泵站安全运行的主要参数。按此步骤，可依次模拟排水井、污水处理厂、排水管道等排水设施的基本运行状态，从而得到相应排水设施的关键数据，在oracle 数据库中建立对应关键值。其次，由于排水设施数据类型较多，应根据数据的窖井属性、雨水口属性、管线点属性、排放口属性、污染源接驳点属性等进行分层设计。空间数据采用ArcGIS 中数据集与数据层的对应关系进行分层。
三、排水设施安全运行监测及预警系统标准设计
1、道路排水监测指标分析。对路面排水的研究主要可以分为：一是试验研究；二是理论研究。试验研究又可分为原型观测和室内物理模型模拟，目前对路面排水的研究较为常用的是试验研究。道路雨水管道监测理论：一是当汇水面积上最远点的雨水流到集流点时，全面积产生汇流，雨水管道的设计流量最大；二是当降雨历时等于汇水面积上最远点的雨水流到集流点的集流时间时，雨水管道需要排除的雨水量最大。某道路雨水口接纳的雨水包括该雨水口集水面积上单位时间的雨水量Q1及上游雨水口未及时排除的雨水量Q2，该雨水口未能及时排除的雨水量为Q3，则需要排除的雨水量可表示为：
在排水口设置流量计和流速计，通过无线通信的方式将数据传输到管网监测中心，实时了解道路排水设施的运行状况，从而达到对道路排水设施安全运行的监测，也可以实施对排水设施的安全预警。
2、建筑排水监测指标分析。建筑排水的静态数据参数是排水定额和设计秒流量，运行关键参数是充满度和自净流速。建筑内部排水定额有：一个是以每人每日为标准；另一个是以卫生器具为标准。每人每日排放的污水量和小时变化系数与气候、建筑物内卫生设备完善程度有关，卫生器具排水定额是经过实测得来的。建筑内部排水设计秒流量有3 种计算方法：经验法、平方根法和概率法。
1）住宅、集体宿舍、旅馆、医院、办公楼、商场、会展中心、中小学教学楼设计秒流量：
3、管网排水监测指标分析。在排水管网系统分析过程中，排水流量是至关重要的数据。这部分数据反应排水量的多少，在分析结果中就能体现管道承载情况。所以，排水流量数据的准确与否是判断排水设施安全运行的关键因素。旱季入流量为不降雨时流入城市排水系统的城市生活污水量和部分生产废水量。旱季入流量曲线为旱季污水排放量随时间周期性变化的曲线，变化周期可以为日、周、月或年。旱季入流量与城市规划年限、发展规模、节点服务区内的土地使用类型、人口分布等因素有关，是城市排水管网系统的基本数据。此类系统的主要监测指标为汇流点的单位流量和动态水量变化状况。
4、排水设施安全运行监测及预警方案。根据关键数据分析结果，在主要排水设施泄水口安装流速计、流量计、液位计等，通过对现有城市排水管网进行实时监控，实时获取污水管网的流量、流速、液位等运行参数，对运行参数进行分析，预警污水管网冒溢造成城区河道水质污染等突发性环境事件的发生。当出现异常监测数据时，根据GIS 数据库进行GIS 网格单元分析，根据排水系统区域运行态势及异常数据持续时间，快速进行排水设施的异常等级评价，从而确定预警等级、预警区域以及预警时长，最终生成排水设施安全运行监测及预警。
基于道路排水监测指标分析、建筑排水监测指标分析和管网排水监测指标分析，提出了网格化的城市管网运行状态监测及预警系统，通过在各个排水管道、沟渠、泵站设立传感器节点和数据通信中心，采用成熟的标准化技术，如物联网技术、GIS 技术等，提出了适用于天津等大城市的排水设施安全运行监测及预警方案。
参考文献：
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[3] 袁 刚. 基于预测控制方法的城市排水系统建模与控制研究[D]. 杭州：杭州电子科技大学，2014：1-3.
论文作者:刘麟
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/3
标签：设施论文; 管网论文; 数据论文; 雨水论文; 城市论文; 流量论文; 泵站论文; 《基层建设》2018年第34期论文;