数字化管理在截流主管网系统的应用探析
数字化管理在截流主管网系统的应用探析
彭艺艺1,2，左剑恶1，刘广钊2，孟宪翚2，杨敏2
(1.清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084；2.柳州市污水治理有限责任公司，广西柳州545001)
摘要：结合国内市政排水管网数字化管理系统的研究与应用进展，以南方某城市沿江截流主管网为例，从提高资产管理效率、建立管道缺陷状况评价系统、建立管网运行模拟动态系统、建立在线监测系统、优化截流管网系统运行等功能需求出发，探析其数字化管理系统建设的思路。
随着我国社会经济的不断发展，人们对城市公用设施服务管理水平的要求逐步提高，如何科学有效地管理错综复杂的地下排水管网，已成为城市管理者们亟需解决的重要难题。借助日新月异的信息技术，以及数字化城市的搭建，可开展排水管网的数字化管理系统建设。排水管网数字化管理，是指以排水管网的网络拓扑分析和动态模拟分析为基础，建立管网信息完整、数据动态更新、业务功能操作简便、软硬件有效配合的数字化管理模式。结合国内市政排水管网数字化管理系统的研究与应用进展情况，以南方某城市沿江截流主管网为例，对其数字化管理系统的建设思路进行探析。
1 国内排水管网管理现状
目前国内的排水管网管理状况，根据数字化管理手段的使用程度，可分为三个阶段:首先是初级阶段，管网的数据资料反映在纸质图纸上，信息不全且易丢失，规划设计及养护管理缺乏科学决策所必需的管网资料数据库，这是所有城市排水管网管理都会经历的起步阶段；第二阶段，随着数字化城市管理的推进和智慧城市概念的提出，多数城市开始搭建地下管网的GIS系统，排水管网的数据资料逐步电子化，初步进行排水管网的网络拓扑分析，便于快捷查阅，但是管网的模拟动态系统没有建立，仍不能为科学决策和风险预警提供有效手段；第三阶段是目前国内排水管网数字化管理技术研究与应用的示范阶段，这一阶段是完全实现排水管网数字化管理前的过渡阶段，正在搭建管网的模拟动态系统，有的在建立排水管道缺陷状况评价体系；有的在建立局部排水管网系统的数学模型；有的在建立排水管网监测系统，同步建设排水管网物联网工程。
完全的排水管网数字化管理目标，应该是基于GIS提供的管网空间数据和在线监测系统提供的管网运行负荷率和水质指标，利用水力模型模拟管网运行的动态系统，结合气象预报数据，运用排水管理系统平台，建设排水管网物联网系统，为实现全面科学的排水管网智能管理提供有效的决策工具和控制预警手段。这种基于可靠性分析的高级系统性管理模式是目前排水系统管理研究的最前沿。
2 排水管网数字化管理系统的构建
构建排水管网数字化管理系统按以下步骤进行:首先是基础工作,排水管网的空间数据数字化（建立GIS数据库）、评估管网的使用状况（建立管网缺陷状况评价体系，修订完善管网的结构信息）、掌握管网的实时运行信息（建立水量、水质、有害气体等在线监测系统）；其次是搭建管网运行动态模拟分析系统,基于GIS、缺陷评价系统和在线数据，利用排水管网水力模型模拟管网运行的动态系统，有条件的地区可以结合气象预报数据进行内涝的灾害预测与预警；然后运用排水管理系统平台，整合上述所有数据信息，借此建立总部管理中心，集成管网的结构和运行数据、动态模拟分析系统、资产管理信息、巡查管养计划、客户信息及服务资料、应急预警等功能，提升科学决策水平和管理手段；同时，建设排水管网物联网系统，管网现场与总部管理中心信息双向互动，实现现场信息及时传输和总部远程自动化控制。
3 沿江截流主管网数字化管理的设想
3.1 城市排水管网数字化建设进展
南方某市自2008年开展数字化城市管理系统建设，初步构建排水管网GIS信息系统框架。由于排水管网隐蔽在地下，修建年代久远，建设和管养单位变更或者分属几个部门，档案资料散失严重，目前数据库还在完善和修订中。如果全市的排水管网一步到位建设数字化管理系统，将面临时间跨度大、资金花费多、可借鉴经验少等难题，为此，选择小型的相对独立的排水系统进行示范性建设很有必要。
3.2 沿江截流主管网建设概况
该市建城区面积为172.1 km2，市区人口179万人，河流穿城而过，合流制的城市污水均朝河流方向就近排放并被截流收集。该市已建沿江合流制截流管网服务于主城区，主干管总长为33.9 km，中途提升泵站10座，服务面积达53.3 km2，服务人口63万人，沿途污水收集率达到95%以上，承担了该市近1/3的城市生活污水、工业废水和截流倍数为1的雨水径流的收集功能。目前建有3座二级污水处理厂，总处理规模达47.5×104 m3/d，城市污水处理率达85%。
3.3 提出沿江截流主管网数字化管理应用示范
沿江合流制截流主管网系统都是2002年后陆续修建，资料相对完善，数据库搭建相对易行；承担了市区近1/3污水量的收集工作，水量、水质变化有一定的代表性，同时实现了对市区近1/3管网污水的数字化管理；沿江截流管网在排水管网的末端，相对独立于城市排水管网，数学模型的建立相对简单；科学地掌控沿江截流主管网，可降低雨水溢流对水体的污染影响；目前截流主干管、中途提升泵站、末端的污水处理厂都由一家公司监管，该公司利用世界银行贷款资金，根据项目咨询计划安排正在开展管理信息系统建设，在资金和技术援助上有保障，因此，选择沿江截流主管网作为数字化管理系统分期建设的示范比较合理。
4 沿江截流主管网数字化管理建设
4.1 开展数字化管理的基本情况与应用目标
① 基本情况
在沿江截流主管网数字化管理系统建设中，已开展的工作处于基础工作阶段，包括：各生产单元初步建立资产管理电子账目；掌握沿江截流主管网及沿途泵站、末端污水厂的结构与运行信息的电子资料；在四个关键节点的截流井内设置流量计；寻求采购商业软件，建立固定资产管理系统和办公管理系统。
② 应用目标
将数字化管理系统应用到沿江截流主管网的目标，就是从提高截流主管网的科学决策水平和管理手段的功能需求出发，整合已有的数字化管理方面的资源，将这些特殊的功能需求嵌入到常规的管理平台建设中，构建适用高效的排水管网管理系统。
4.2 功能需求分析与数字化应用
① 搭建信息网络，提高资产管理效率
目前沿江截流主管网上的管网、泵站、污水厂等各生产单元内部初步建立资产管理账目，但是未形成联网共享，缺乏信息沟通，缺乏总部管理中心对资源进行优化配置。通过建立固定资产管理系统，集成各生产单元的历史基础数据、资产变更原因和过程、资产总量等，依据数字化管理系统的应用，提出公司在沿江截流主干管系统上的总体资源优化配置和未来需求计划等方案和建议。后期建设总部管理中心的数字化排水管理系统平台时，直接预留模块接口嵌入即可。
② 建立管道缺陷状况评价系统，反映管道真实使用状况
沿江截流主管网上的截流井及其进出水管，标高在外江水位以下，采取措施防止其管道渗漏，可避免管内污水外溢污染水体或者外江水内渗降低进水污染物浓度和增大污水厂负荷；同时，堰式截流深井及上游管道内底部泥砂淤积，水面漂浮物堆积，严重影响管道的使用效率。
通过建立管道缺陷状况评价系统，评估管网的使用状况，可获知管道是否发生接口错位、局部变形塌陷、裂缝渗漏等结构性问题和淤积、堵塞等功能性问题及其发生程度，修正GIS管网数据库，反映各管段的真实工作状况，为后续模拟计算提供有效的数据基础，也为管网的维修清淤工作计划提供有效的参考数据。
③ 建立管网运行动态模拟系统，提高科学管理水平
当有新的支管规划接入截流主干管时，需要预测主管在流量增大后的负荷变化、截流井的溢流变化、支管是否能顺畅排水等情况，拟定最佳接入点，并对整个支管规划设计方案进行评估，以求截流主管道系统运行负荷最大化，运行状况最优化，同时溢流雨水量最小化。基于GIS系统、管道缺陷状况评价系统、在线监测系统，利用InfoWorks排水管网水力模型建立管网运行动态模拟系统，模拟不同接入点支管接入对截流主管网的影响，实现评估优化支管规划设计方案的目标。
部分沿江截流井上游管段时有内涝发生，经常出现市政部门与水利部门互相推诿的情况，是溢流堰设置不合理还是排涝泵启动不及时，需要寻求科学的手段，准确探寻问题的根源和解决方案。利用InfoWorks建立管网运行动态模拟系统，可以在各种假设条件下，模拟系统的运行状态，从而找到问题的根源和相应的解决方案。
沿江截流主管网尤其是堰式截流井内淤积严重，影响管网使用效率，容易导致雨水溢流而且溢流时挟带污染物浓度大。目前，每年清淤计划在时间和顺序的安排上都是基于以往的经验情况，带有较大的随意性和不确定性。利用InfoWorks建立管网运行动态模拟系统，通过针对各截流井的流速、水量和水深数据分析，寻找易发生淤积的关键点，排出管段清淤的时间计划和优先顺序。
④ 建立在线监测系统，提升内涝事故预警能力
全市沿江截流主干管上共有大小不等的截流井约50座，其中约40座为堰式截流井，在雨季时由于溢流堰处过流断面减少，易导致其上游区域发生内涝。需要建立内涝事故预警系统，一方面向可能发生内涝区域的居民单位发出预警信息，另一方面通知下游泵站调整运行方案，加紧抽排，低水位运行，腾出库容，减少内涝影响。
在重要地区和低洼地段等关键节点的截流井内，安装水位仪等在线监测设备，及时掌握管道内水位数据，同时结合气象预报信息，利用管网运行动态模拟系统，模拟内涝发生的可能性，进而发出内涝事故预警信息，提升内涝事故预警能力。
⑤ 优化截流管网系统运行，减少雨天溢流量
如何实现沿江截流主管网沿途的管网、泵站、污水厂的有效联动调度，优化截流管网系统运行，充分利用已建设施的有效容积，挖掘管网的使用效率，减少雨水溢流量，发挥其最大环境效益。
通过在线监测系统了解管网的空间容量，利用管网运行动态模拟系统模拟泵站、管网、污水处理厂联动调度的最佳水位，发出调度指令，随时跟踪在线监测系统的反馈信息并据此调整运行调度方案。利用管网运行动态模拟，通过跨流域调度方案模拟评估，在有条件的地区，考虑修建相邻排水系统的连通管，实现不同排水收集系统之间的互补调度功能。
4.3 数字化管理系统的搭建思路
基于已开展的基础工作，根据排水管网数字化管理系统的构建要求和截流主管网数字化应用的目标，结合功能需求分析，下一步需要开展的工作包括：利用已掌握的沿江截流主管网及沿途泵站、末端污水厂的结构与运行信息的电子资料，构建GIS数据库系统；同步建立截流主管网的缺陷状况评价系统，利用其结果修订完善GIS数据库的管网结构信息；联网截流井内已有水量仪，补充监测点和检测仪表，建立在线监测系统；利用InfoWorks建立管网运行动态模拟系统；成立管网总部管理中心，建立排水管理系统平台，整合前面的所有系统数据信息和已开发的固定资产管理、办公管理等电子管理系统，预留新功能模块接口，开放信息公布窗口，提升科学决策水平和管理手段；建设排水管网物联网系统，现场与总部管理中心实现信息实时传输和远程控制双向互动；硬件支撑预留远期扩展空间，满足未来系统服务范围不断扩展的需要，具备可持续性的特性。
5 结论
① 数字化管理是未来城市排水管网管理的发展方向，沿江截流主管网的数字化管理系统示范建设，为未来城市全面实现排水管网数字化管理提供借鉴经验。
② 在城市排水系统中应建立包括管网、泵站、污水厂的固定资产管理系统，提高资产管理效率和资源优化配置。
③ 针对排水管道，应建立管道缺陷状况评价系统，掌握截流管网渗漏以及堰式截流深井的淤积阻塞状况，为排水管网水力模型提供有效的参考数据。
④ 应建立管网运行动态模拟系统，针对截流主管网堰式截流深井的特点，评估优化支管规划设计方案、分析内涝发生原因和寻找对策、提出针对性的管网清淤计划、提升内涝事故预警能力与应急决策手段。
⑤ 通过在线监测系统和管网运行动态模拟系统结合，模拟泵站、管网、污水厂联动调度，挖掘管网的使用效率，减少雨水溢流量，并进行跨流域调度方案模拟评估。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第10期“述评与讨论”栏目）
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