數字化管理在截流主管網系統的應用探析
數字化管理在截流主管網系統的應用探析
彭藝藝1,2，左劍惡1，劉廣釗2，孟憲翚2，楊敏2
(1.清華大學環境學院環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京100084；2.柳州市污水治理有限責任公司，廣西柳州545001)
摘要：結合國內市政排水管網數字化管理系統的研究與應用進展，以南方某城市沿江截流主管網為例，從提高資產管理效率、建立管道缺陷狀況評價系統、建立管網運行模擬動態系統、建立在線監測系統、優化截流管網系統運行等功能需求出發，探析其數字化管理系統建設的思路。
隨著我國社會經濟的不斷發展，人們對城市公用設施服務管理水平的要求逐步提高，如何科學有效地管理錯綜復雜的地下排水管網，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，以及數字化城市的搭建，可開展排水管網的數字化管理系統建設。排水管網數字化管理，是指以排水管網的網絡拓撲分析和動態模擬分析為基礎，建立管網信息完整、數據動態更新、業務功能操作簡便、軟硬件有效配合的數字化管理模式。結合國內市政排水管網數字化管理系統的研究與應用進展情況，以南方某城市沿江截流主管網為例，對其數字化管理系統的建設思路進行探析。
1 國內排水管網管理現狀
目前國內的排水管網管理狀況，根據數字化管理手段的使用程度，可分為三個階段:首先是初級階段，管網的數據資料反映在紙質圖紙上，信息不全且易丟失，規劃設計及養護管理缺乏科學決策所必需的管網資料數據庫，這是所有城市排水管網管理都會經歷的起步階段；第二階段，隨著數字化城市管理的推進和智慧城市概念的提出，多數城市開始搭建地下管網的GIS系統，排水管網的數據資料逐步電子化，初步進行排水管網的網絡拓撲分析，便于快捷查閱，但是管網的模擬動態系統沒有建立，仍不能為科學決策和風險預警提供有效手段；第三階段是目前國內排水管網數字化管理技術研究與應用的示范階段，這一階段是完全實現排水管網數字化管理前的過渡階段，正在搭建管網的模擬動態系統，有的在建立排水管道缺陷狀況評價體系；有的在建立局部排水管網系統的數學模型；有的在建立排水管網監測系統，同步建設排水管網物聯網工程。
完全的排水管網數字化管理目標，應該是基于GIS提供的管網空間數據和在線監測系統提供的管網運行負荷率和水質指標，利用水力模型模擬管網運行的動態系統，結合氣象預報數據，運用排水管理系統平臺，建設排水管網物聯網系統，為實現全面科學的排水管網智能管理提供有效的決策工具和控制預警手段。這種基于可靠性分析的高級系統性管理模式是目前排水系統管理研究的最前沿。
2 排水管網數字化管理系統的構建
構建排水管網數字化管理系統按以下步驟進行:首先是基礎工作,排水管網的空間數據數字化（建立GIS數據庫）、評估管網的使用狀況（建立管網缺陷狀況評價體系，修訂完善管網的結構信息）、掌握管網的實時運行信息（建立水量、水質、有害氣體等在線監測系統）；其次是搭建管網運行動態模擬分析系統,基于GIS、缺陷評價系統和在線數據，利用排水管網水力模型模擬管網運行的動態系統，有條件的地區可以結合氣象預報數據進行內澇的災害預測與預警；然后運用排水管理系統平臺，整合上述所有數據信息，借此建立總部管理中心，集成管網的結構和運行數據、動態模擬分析系統、資產管理信息、巡查管養計劃、客戶信息及服務資料、應急預警等功能，提升科學決策水平和管理手段；同時，建設排水管網物聯網系統，管網現場與總部管理中心信息雙向互動，實現現場信息及時傳輸和總部遠程自動化控制。
3 沿江截流主管網數字化管理的設想
3.1 城市排水管網數字化建設進展
南方某市自2008年開展數字化城市管理系統建設，初步構建排水管網GIS信息系統框架。由于排水管網隱蔽在地下，修建年代久遠，建設和管養單位變更或者分屬幾個部門，檔案資料散失嚴重，目前數據庫還在完善和修訂中。如果全市的排水管網一步到位建設數字化管理系統，將面臨時間跨度大、資金花費多、可借鑒經驗少等難題，為此，選擇小型的相對獨立的排水系統進行示范性建設很有必要。
3.2 沿江截流主管網建設概況
該市建城區面積為172.1 km2，市區人口179萬人，河流穿城而過，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服務于主城區，主干管總長為33.9 km，中途提升泵站10座，服務面積達53.3 km2，服務人口63萬人，沿途污水收集率達到95%以上，承擔了該市近1/3的城市生活污水、工業廢水和截流倍數為1的雨水徑流的收集功能。目前建有3座二級污水處理廠，總處理規模達47.5×104 m3/d，城市污水處理率達85%。
3.3 提出沿江截流主管網數字化管理應用示范
沿江合流制截流主管網系統都是2002年后陸續修建，資料相對完善，數據庫搭建相對易行；承擔了市區近1/3污水量的收集工作，水量、水質變化有一定的代表性，同時實現了對市區近1/3管網污水的數字化管理；沿江截流管網在排水管網的末端，相對獨立于城市排水管網，數學模型的建立相對簡單；科學地掌控沿江截流主管網，可降低雨水溢流對水體的污染影響；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管，該公司利用世界銀行貸款資金，根據項目咨詢計劃安排正在開展管理信息系統建設，在資金和技術援助上有保障，因此，選擇沿江截流主管網作為數字化管理系統分期建設的示范比較合理。
4 沿江截流主管網數字化管理建設
4.1 開展數字化管理的基本情況與應用目標
① 基本情況
在沿江截流主管網數字化管理系統建設中，已開展的工作處于基礎工作階段，包括：各生產單元初步建立資產管理電子賬目；掌握沿江截流主管網及沿途泵站、末端污水廠的結構與運行信息的電子資料；在四個關鍵節點的截流井內設置流量計；尋求采購商業軟件，建立固定資產管理系統和辦公管理系統。
② 應用目標
將數字化管理系統應用到沿江截流主管網的目標，就是從提高截流主管網的科學決策水平和管理手段的功能需求出發，整合已有的數字化管理方面的資源，將這些特殊的功能需求嵌入到常規的管理平臺建設中，構建適用高效的排水管網管理系統。
4.2 功能需求分析與數字化應用
① 搭建信息網絡，提高資產管理效率
目前沿江截流主管網上的管網、泵站、污水廠等各生產單元內部初步建立資產管理賬目，但是未形成聯網共享，缺乏信息溝通，缺乏總部管理中心對資源進行優化配置。通過建立固定資產管理系統，集成各生產單元的歷史基礎數據、資產變更原因和過程、資產總量等，依據數字化管理系統的應用，提出公司在沿江截流主干管系統上的總體資源優化配置和未來需求計劃等方案和建議。后期建設總部管理中心的數字化排水管理系統平臺時，直接預留模塊接口嵌入即可。
② 建立管道缺陷狀況評價系統，反映管道真實使用狀況
沿江截流主管網上的截流井及其進出水管，標高在外江水位以下，采取措施防止其管道滲漏，可避免管內污水外溢污染水體或者外江水內滲降低進水污染物濃度和增大污水廠負荷；同時，堰式截流深井及上游管道內底部泥砂淤積，水面漂浮物堆積，嚴重影響管道的使用效率。
通過建立管道缺陷狀況評價系統，評估管網的使用狀況，可獲知管道是否發生接口錯位、局部變形塌陷、裂縫滲漏等結構性問題和淤積、堵塞等功能性問題及其發生程度，修正GIS管網數據庫，反映各管段的真實工作狀況，為后續模擬計算提供有效的數據基礎，也為管網的維修清淤工作計劃提供有效的參考數據。
③ 建立管網運行動態模擬系統，提高科學管理水平
當有新的支管規劃接入截流主干管時，需要預測主管在流量增大后的負荷變化、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，并對整個支管規劃設計方案進行評估，以求截流主管道系統運行負荷最大化，運行狀況最優化，同時溢流雨水量最小化。基于GIS系統、管道缺陷狀況評價系統、在線監測系統，利用InfoWorks排水管網水力模型建立管網運行動態模擬系統，模擬不同接入點支管接入對截流主管網的影響，實現評估優化支管規劃設計方案的目標。
部分沿江截流井上游管段時有內澇發生，經常出現市政部門與水利部門互相推諉的情況，是溢流堰設置不合理還是排澇泵啟動不及時，需要尋求科學的手段，準確探尋問題的根源和解決方案。利用InfoWorks建立管網運行動態模擬系統，可以在各種假設條件下，模擬系統的運行狀態，從而找到問題的根源和相應的解決方案。
沿江截流主管網尤其是堰式截流井內淤積嚴重，影響管網使用效率，容易導致雨水溢流而且溢流時挾帶污染物濃度大。目前，每年清淤計劃在時間和順序的安排上都是基于以往的經驗情況，帶有較大的隨意性和不確定性。利用InfoWorks建立管網運行動態模擬系統，通過針對各截流井的流速、水量和水深數據分析，尋找易發生淤積的關鍵點，排出管段清淤的時間計劃和優先順序。
④ 建立在線監測系統，提升內澇事故預警能力
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，在雨季時由于溢流堰處過流斷面減少，易導致其上游區域發生內澇。需要建立內澇事故預警系統，一方面向可能發生內澇區域的居民單位發出預警信息，另一方面通知下游泵站調整運行方案，加緊抽排，低水位運行，騰出庫容，減少內澇影響。
在重要地區和低洼地段等關鍵節點的截流井內，安裝水位儀等在線監測設備，及時掌握管道內水位數據，同時結合氣象預報信息，利用管網運行動態模擬系統，模擬內澇發生的可能性，進而發出內澇事故預警信息，提升內澇事故預警能力。
⑤ 優化截流管網系統運行，減少雨天溢流量
如何實現沿江截流主管網沿途的管網、泵站、污水廠的有效聯動調度，優化截流管網系統運行，充分利用已建設施的有效容積，挖掘管網的使用效率，減少雨水溢流量，發揮其最大環境效益。
通過在線監測系統了解管網的空間容量，利用管網運行動態模擬系統模擬泵站、管網、污水處理廠聯動調度的最佳水位，發出調度指令，隨時跟蹤在線監測系統的反饋信息并據此調整運行調度方案。利用管網運行動態模擬，通過跨流域調度方案模擬評估，在有條件的地區，考慮修建相鄰排水系統的連通管，實現不同排水收集系統之間的互補調度功能。
4.3 數字化管理系統的搭建思路
基于已開展的基礎工作，根據排水管網數字化管理系統的構建要求和截流主管網數字化應用的目標，結合功能需求分析，下一步需要開展的工作包括：利用已掌握的沿江截流主管網及沿途泵站、末端污水廠的結構與運行信息的電子資料，構建GIS數據庫系統；同步建立截流主管網的缺陷狀況評價系統，利用其結果修訂完善GIS數據庫的管網結構信息；聯網截流井內已有水量儀，補充監測點和檢測儀表，建立在線監測系統；利用InfoWorks建立管網運行動態模擬系統；成立管網總部管理中心，建立排水管理系統平臺，整合前面的所有系統數據信息和已開發的固定資產管理、辦公管理等電子管理系統，預留新功能模塊接口，開放信息公布窗口，提升科學決策水平和管理手段；建設排水管網物聯網系統，現場與總部管理中心實現信息實時傳輸和遠程控制雙向互動；硬件支撐預留遠期擴展空間，滿足未來系統服務范圍不斷擴展的需要，具備可持續性的特性。
5 結論
① 數字化管理是未來城市排水管網管理的發展方向，沿江截流主管網的數字化管理系統示范建設，為未來城市全面實現排水管網數字化管理提供借鑒經驗。
② 在城市排水系統中應建立包括管網、泵站、污水廠的固定資產管理系統，提高資產管理效率和資源優化配置。
③ 針對排水管道，應建立管道缺陷狀況評價系統，掌握截流管網滲漏以及堰式截流深井的淤積阻塞狀況，為排水管網水力模型提供有效的參考數據。
④ 應建立管網運行動態模擬系統，針對截流主管網堰式截流深井的特點，評估優化支管規劃設計方案、分析內澇發生原因和尋找對策、提出針對性的管網清淤計劃、提升內澇事故預警能力與應急決策手段。
⑤ 通過在線監測系統和管網運行動態模擬系統結合，模擬泵站、管網、污水廠聯動調度，挖掘管網的使用效率，減少雨水溢流量，并進行跨流域調度方案模擬評估。
（本文發表于《中國給水排水》雜志2015年第10期“述評與討論”欄目）
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