梅子凡，韓晨曦，馮圓欣

［1.武漢市規(guī)劃研究院（武漢市交通發(fā)展戰(zhàn)略研究院），湖北 武漢 430014；2.北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100085］

0 引言

城市水安全是智慧水務(wù)中的重要議題，2003 年水利部正式發(fā)布《全國(guó)水利信息化規(guī)劃（“金水工程”規(guī)劃）》，同年召開(kāi)了第一次全國(guó)水利信息化工作會(huì)議，促進(jìn)了水利行業(yè)信息化基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，為“智慧水務(wù)”的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)[1]。

現(xiàn)階段我國(guó)城市水務(wù)工作還存在短板弱項(xiàng)，與城市發(fā)展需求不匹配、不協(xié)調(diào)，亟須通過(guò)信息化手段提升現(xiàn)代化水務(wù)治理能力。在供水方面，部分城市存在供水管網(wǎng)質(zhì)量差，二次供水的水質(zhì)安全難以保障，供水管網(wǎng)的漏失率高等問(wèn)題，保障源頭水質(zhì)安全，強(qiáng)化終端水質(zhì)防護(hù)，降低管網(wǎng)漏失率，提升飲用水品質(zhì)已成為供水行業(yè)和城市管理的一項(xiàng)緊迫任務(wù)[2]。排水方面，部分城市存在排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、排水設(shè)計(jì)方法落后、排水系統(tǒng)缺乏整體協(xié)調(diào)等問(wèn)題，導(dǎo)致城市內(nèi)澇嚴(yán)重[3]；同時(shí)城市排水系統(tǒng)對(duì)公共安全衛(wèi)生有著密切的聯(lián)系，歷史上的重大公共衛(wèi)生安全事故基本都與病原菌污水的不當(dāng)排放有關(guān)，及時(shí)了解污水廠運(yùn)行工況和終端污水水質(zhì)對(duì)于應(yīng)對(duì)現(xiàn)在的疫情和未來(lái)的公共衛(wèi)生安全面臨的挑戰(zhàn)均具有十分重要的意義[4]。因此，對(duì)城市老舊管道的水位監(jiān)測(cè)、河道信息管控、城市易澇點(diǎn)監(jiān)控重要性也日益凸顯。

綜上所述，加強(qiáng)給排水信息化系統(tǒng)建設(shè)已成為城市高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐，給排水信息化建設(shè)必須充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，明確管理范圍及監(jiān)測(cè)內(nèi)容，選擇科學(xué)適宜的信息監(jiān)測(cè)設(shè)備，為科學(xué)、規(guī)范、高效的城市給排水管理提供決策支撐服務(wù)。

1 信息化系統(tǒng)建設(shè)原則

1.1 統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實(shí)施

圍繞各地智慧水務(wù)信息化項(xiàng)目建設(shè)的總體目標(biāo)統(tǒng)籌規(guī)劃，根據(jù)各地供水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)、脆弱敏感度和重點(diǎn)區(qū)域，進(jìn)行分期建設(shè)和實(shí)施安排。

1.2 互聯(lián)互通、資源共享

充分整合涉水部門(mén)相關(guān)信息系統(tǒng)資源，集約建設(shè)，為涉水部門(mén)單位提供供水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)警和應(yīng)急輔助決策支持服務(wù)，實(shí)現(xiàn)資源共享，避免重復(fù)建設(shè)。

1.3 突出重點(diǎn)、注重實(shí)效

著重解決涉及供水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)安全的薄弱環(huán)節(jié)和共性問(wèn)題，重點(diǎn)提高供水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)安全管控能力，提高應(yīng)急響應(yīng)時(shí)效，提高預(yù)防和處置跨部門(mén)、跨行業(yè)涉水業(yè)務(wù)部門(mén)突發(fā)事件的綜合能力。

1.4 技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)可行

采用創(chuàng)新管理理念和技術(shù)，并充分兼顧智慧水務(wù)信息化項(xiàng)目成本效益，確保本項(xiàng)目的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。

1.5 嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)、強(qiáng)化保障

遵循國(guó)家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確保系統(tǒng)上下貫通、左右互聯(lián)、運(yùn)行順暢可靠、高效穩(wěn)定。

2 信息化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

2.1 重點(diǎn)監(jiān)測(cè)范圍

（1）管網(wǎng)老化的區(qū)域。管網(wǎng)建設(shè)年代久遠(yuǎn)，通常管網(wǎng)發(fā)生破損問(wèn)題較大，根據(jù)管網(wǎng)屬性和歷史事件的發(fā)生概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，優(yōu)先選擇管網(wǎng)老化區(qū)域的管段所在區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（2）人口密集的區(qū)域。發(fā)生在人口密集區(qū)域的供排水管道，一旦發(fā)生供排水事故，可能會(huì)對(duì)居民正常生活造成較大影響，或者位于重要路段，管網(wǎng)事故將帶來(lái)較大的次生災(zāi)害，需要對(duì)該區(qū)域內(nèi)因管道異常而帶來(lái)可能的爆管、路面塌陷、溢流、內(nèi)澇等事件進(jìn)行提前預(yù)警監(jiān)測(cè)。

（3）城市重要敏感的區(qū)域。針對(duì)政府機(jī)關(guān)等重要的敏感區(qū)域，需要重點(diǎn)保障供水和排水安全，需對(duì)以上重點(diǎn)區(qū)域的周邊供水和排水管網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，確保其安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較大的區(qū)域。針對(duì)位于快車(chē)道路下，因地面壓力和震動(dòng)影響而易損壞管道的區(qū)域、酸堿土壤環(huán)境下的碳鋼材質(zhì)管道易受腐蝕的區(qū)域、土質(zhì)脆弱而易引發(fā)管道沉降等區(qū)域，需要針對(duì)潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的安全監(jiān)測(cè)。

（5）生態(tài)環(huán)保要求高的區(qū)域。結(jié)合城市的資源環(huán)境承載能力和水質(zhì)功能保護(hù)要求，對(duì)重點(diǎn)保護(hù)湖泊、河流等水體的排口、周邊截污管網(wǎng)和雨水管網(wǎng)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，保障流域水環(huán)境安全。

2.2 給水信息化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

（1）供水水廠水質(zhì)。水質(zhì)安全是供水安全的重要內(nèi)容。結(jié)合《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)出廠水檢測(cè)參數(shù)的要求和淮北市供水水質(zhì)實(shí)際狀況，可通過(guò)監(jiān)測(cè)出廠水水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)健康狀況的動(dòng)態(tài)評(píng)估，包括濁度、余氯、pH、硬度和高錳酸鹽指數(shù)等參數(shù)，綜合保障出廠水水質(zhì)安全和提高水質(zhì)突發(fā)事件預(yù)警能力。

（2）供水管網(wǎng)流量。管網(wǎng)流量大小與管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)、用戶使用情況以及企業(yè)運(yùn)營(yíng)情況密切相關(guān)，在用水、管網(wǎng)泄漏等不同場(chǎng)景下會(huì)有較大變化。通過(guò)管道流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可對(duì)供水管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行預(yù)警，并為企業(yè)日常運(yùn)營(yíng)管理提供大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

（3）供水管網(wǎng)壓力。供水管網(wǎng)壓力的大小是反應(yīng)管網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和健康狀態(tài)的重要指標(biāo)。壓力過(guò)大會(huì)增加供水管道的泄漏和爆管概率，同時(shí)增加供水企業(yè)的能耗，壓力過(guò)低會(huì)影響居民用水的穩(wěn)定性。因此通過(guò)監(jiān)測(cè)管道的壓力，將為供水管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)報(bào)警和預(yù)測(cè)預(yù)警提供依據(jù)，為供水企業(yè)的降耗管理和精細(xì)化管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（4）供水管網(wǎng)漏失。供水管道是壓力管道，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏口會(huì)發(fā)出特定頻率的聲波。通過(guò)監(jiān)測(cè)漏失聲波，可以直接判斷出管道是否漏水，結(jié)合數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，還可以實(shí)現(xiàn)漏點(diǎn)的精準(zhǔn)定位。對(duì)供水管網(wǎng)的漏失信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以指導(dǎo)管道維護(hù)和應(yīng)急處置工作，防止持續(xù)泄漏導(dǎo)致爆管或地下空洞等事故的發(fā)生。

2.3 排水信息化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

（1）管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。針對(duì)由于管道老化、管道淤堵、負(fù)荷過(guò)大、地面沉降等因素導(dǎo)致的排水管網(wǎng)運(yùn)行故障，可以通過(guò)對(duì)管網(wǎng)流量和水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)可能出現(xiàn)或已發(fā)生的管道入滲、泄漏、溢流、淤堵、錯(cuò)接等問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警與研判分析。

（2）入河排口水質(zhì)。針對(duì)老城區(qū)雨污合流在汛期溢流至河道污染水體等水環(huán)境問(wèn)題，通過(guò)對(duì)入河排口水質(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)雨天對(duì)入河排口污染排放情況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，結(jié)合入河排口流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算雨天入河污染當(dāng)量。水質(zhì)監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)包括：pH、濁度、化學(xué)需氧量、氨氮和總磷。

（3）泵站運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)接入泵站電流電壓信號(hào)，實(shí)時(shí)掌握泵站運(yùn)行狀態(tài)，輔助解決排水泵站缺乏信息化監(jiān)測(cè)管理、設(shè)備故障等問(wèn)題導(dǎo)的致排澇、調(diào)度不及時(shí)的問(wèn)題，為泵站正常運(yùn)行提供安全保障。監(jiān)測(cè)泵站集水池液位信息可實(shí)時(shí)掌握泵站運(yùn)行需求和狀態(tài)，為泵站啟閉和排水調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持。實(shí)時(shí)掌握雨水泵站集水池內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)雨天對(duì)雨水泵站入河污染排放情況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并可結(jié)合雨水泵站入河流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算雨天入河污染當(dāng)量。通過(guò)對(duì)污水泵站集水池內(nèi)水質(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，為污水處理廠污水安全處理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。監(jiān)測(cè)泵站排出口處流量數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)排出口處流量進(jìn)行報(bào)警、預(yù)測(cè)預(yù)警與分析，為防洪指揮調(diào)度和污水輸送調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為防洪指揮調(diào)度提供支持。

（4）河道水位、水質(zhì)。因河道包括河涌、調(diào)蓄湖水位高所導(dǎo)致的內(nèi)澇問(wèn)題、河涌水倒灌問(wèn)題，將水文局內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)中已有的河涌水位信息接入平臺(tái)，同時(shí)補(bǔ)充部分河道水位，實(shí)時(shí)獲取河道水位信息，對(duì)河道水位過(guò)高導(dǎo)致的城市內(nèi)澇現(xiàn)象進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，并為防汛指揮調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)河道水位進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)汛期對(duì)河道水位進(jìn)行報(bào)警、預(yù)測(cè)預(yù)警與分析，并為防洪指揮調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（5）易澇點(diǎn)水位、視頻。針對(duì)城市地勢(shì)低洼點(diǎn)、鐵路下穿橋等易發(fā)生內(nèi)澇積水的內(nèi)澇點(diǎn)，通過(guò)設(shè)置易積水點(diǎn)水位、視頻在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握路面積水深度、現(xiàn)場(chǎng)情景，輔助城市日常的防洪排澇管理工作，并為城市暴雨內(nèi)澇模型校驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（6）雨量。針對(duì)汛期極端強(qiáng)降雨導(dǎo)致的城市內(nèi)澇問(wèn)題，可以將氣象局提供的城市暴雨預(yù)警信息以及水文局補(bǔ)充的雨量計(jì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入平臺(tái)，同時(shí)考慮增設(shè)部分雨量計(jì)，對(duì)易澇區(qū)域內(nèi)的雨量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)獲取降雨量，為防汛指揮調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 常用監(jiān)測(cè)設(shè)備

3.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀

水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供水的水質(zhì)情況，在供水管道上取水后自動(dòng)輸送到檢驗(yàn)室進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)不同地區(qū)的水質(zhì)情況，可選擇pH、余氯、硬度、濁度、氨氮含量、COD 等水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。常用水質(zhì)檢測(cè)儀有高精度濁度儀、微量余氯/總氯分析儀、高精度pH 計(jì)、硬度分析儀、氨氮分析儀等。

3.2 流量計(jì)

流量計(jì)用來(lái)監(jiān)測(cè)給排水管網(wǎng)某一節(jié)點(diǎn)處的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，按照流量監(jiān)測(cè)原理可以分為電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)兩類。按設(shè)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(jì)

壓力計(jì)用來(lái)監(jiān)測(cè)壓力管道節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)壓力，按數(shù)據(jù)采集頻率分為普通壓力計(jì)和高頻壓力計(jì)兩種，高頻壓力計(jì)具有采集傳輸頻率更高，響應(yīng)速度更快的特點(diǎn)，并可根據(jù)監(jiān)測(cè)需求，預(yù)設(shè)傳感器的采集頻率和數(shù)據(jù)上傳頻率。

3.4 漏失監(jiān)測(cè)儀

漏失監(jiān)測(cè)儀是基于聲音信號(hào)檢測(cè)的漏失監(jiān)測(cè)常用設(shè)備，即將記錄儀器設(shè)備置于管道上，捕捉管道上因?yàn)槁┦Фa(chǎn)生的噪聲強(qiáng)度，進(jìn)而分析噪聲強(qiáng)度并定時(shí)采集帶寬信號(hào)，通過(guò)帶寬信號(hào)的分布情況來(lái)判斷管道的漏水情況。

3.5 液位計(jì)、河道水位計(jì)

液位計(jì)用來(lái)對(duì)泵站集水池、雨污水管道及易澇點(diǎn)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站工況的實(shí)時(shí)掌控，并對(duì)提前做好積澇預(yù)警具有重要意義。河道水位計(jì)的應(yīng)用便于實(shí)時(shí)掌握河道水位變化信息，可對(duì)排水防澇的整體規(guī)劃提供指導(dǎo)依據(jù)。

4 信息化系統(tǒng)體系架構(gòu)

給排水安全信息系統(tǒng)的體系架構(gòu)的建立應(yīng)基于“感知、傳導(dǎo)、分析、應(yīng)用”的總體思路，可以細(xì)分為感知層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層和展示層。

4.1 感知層

“感知層”建設(shè)前端感知系統(tǒng)，包括供水、排水物聯(lián)網(wǎng)前端感知系統(tǒng)，同時(shí)接入政務(wù)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等數(shù)據(jù)信息。

4.2 數(shù)據(jù)層

前端接入的海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)采集平臺(tái)的高性能處理框架，滿足日均數(shù)億至數(shù)十億條傳感器數(shù)據(jù)的接入。大數(shù)據(jù)平臺(tái)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)海量傳感數(shù)據(jù)，包括城市水務(wù)信息化物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、城市水務(wù)信息化平臺(tái)應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和相關(guān)社會(huì)數(shù)據(jù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，完成傳感設(shè)備狀態(tài)跟蹤、動(dòng)態(tài)閾值設(shè)置、數(shù)據(jù)清洗、告警預(yù)測(cè)等核心功能；向業(yè)務(wù)系統(tǒng)及時(shí)推送告警信息，并提供預(yù)警分析能力。信息綜合處理系統(tǒng)通過(guò)鏈接信息采集端與大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行信息傳遞和分析，為各子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)分析和事件預(yù)警功能，實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)之間的有效銜接，并把實(shí)時(shí)分析出的告警數(shù)據(jù)推送給業(yè)務(wù)系統(tǒng)，及時(shí)在展示端進(jìn)行展示。

4.3 支撐層

支撐層將通用技術(shù)組件和業(yè)務(wù)組件進(jìn)行封裝，滿足各專項(xiàng)及綜合應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要。GIS 平臺(tái)結(jié)合三維地理信息模型、建筑信息模型，實(shí)現(xiàn)從宏觀水務(wù)系統(tǒng)空間分布情況，到微觀管網(wǎng)設(shè)備設(shè)施的實(shí)景化和可視化的全面展示和數(shù)據(jù)檔案管理系統(tǒng)，可提供三維模擬現(xiàn)實(shí)、游覽、地下模式、透明模式、測(cè)量與標(biāo)注、地形開(kāi)挖、空間查詢與檢索、全文檢索、空間計(jì)算與分析、輔助決策分析、三維制圖及輸出等，為所有專項(xiàng)提供通用的GIS 基礎(chǔ)服務(wù)。數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)支持把公共業(yè)務(wù)和公共數(shù)據(jù)資產(chǎn)作為公共的資源池，開(kāi)放給應(yīng)用系統(tǒng)、異構(gòu)系統(tǒng)、合作伙伴和第三方應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)系統(tǒng)共享資源池，挖掘業(yè)務(wù)模式、提高服務(wù)水平。

4.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層建設(shè)供水專項(xiàng)和排水專項(xiàng)兩個(gè)安全專項(xiàng)應(yīng)用系統(tǒng)，包括水務(wù)系統(tǒng)的全生命周期的生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、調(diào)度的數(shù)據(jù)管理和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，城市供水和排水管網(wǎng)模型的綜合分析和預(yù)警監(jiān)測(cè)等功能。

4.5 前端展示層

展示層以大屏、桌面端、移動(dòng)終端形式對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行展示。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，給排水行業(yè)的信息化革命和智能升級(jí)也越來(lái)越受到重視，將信息化技術(shù)應(yīng)用于城市給排水管網(wǎng)、給水廠、污水廠、河道及城市易澇點(diǎn)的監(jiān)測(cè)已是大勢(shì)所趨，也是城市高質(zhì)量建設(shè)發(fā)展的重要部分。通過(guò)大量的基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為城市水務(wù)管理部門(mén)決策提供了科學(xué)高效的支撐依據(jù)，進(jìn)一步提升了管理效率和城市安全水平。目前我國(guó)的給排水安全信息化建設(shè)仍處于起步階段，還存在著體系建構(gòu)不嚴(yán)密、信息反饋不及時(shí)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精確度有待提高等問(wèn)題，因此，水安全的信息化仍有廣闊的發(fā)展空間。