排水管网安全监测预警系统的应用

□文 / 林恺迪 广州市净水有限公司

依赖主观判断的传统排水管网管理，已经无法满足安全生产和信息化管理的需求。对此，在本市某流域试点建设城市排水管网安全监测预警系统，通过在管网窨井安装超声波液位计，采用无线方式数据集成到数据系统，并进行后台数据展示和分析，让管理人员实时掌握管网运行状况，指导日常管网维护和汛期应急生产调度，实现排水管网的管理决策和水力分析的数据支持，保障流域生产安全。

问题的提出

城市排水管网是城市建设、防洪排涝的城市基础设施，关系到经济发展和市民生活的稳定。近年来，我国部分大中型城市相继遭遇了内涝灾害，不同程度地发生了城市内涝，频频上演“看海”、“观瀑”等情景，严重影响人们的正常生活和生产。雨果曾说过“下水道是一个城市的智慧与良心”，伴随着内涝，大城市在外表光鲜的钢筋水泥之下，一次次暴露出“良心”的脆弱。

原因分析

城市“遇水即涝”，排水建设主要存在三方面问题：1、排水设施建设设计标准偏低；2、市政配套设施建设进程跟城市化发展进程、人口快速膨胀以及城市建设发展等不匹配；3、排水管网的运行管理、养护管理、管理决策以及应急决策缺少必要数据支持，传统的管理方式不能满足排水管网的现代化安全管理需要。

为此，本文提出城市排水管网安全监测预警系统，通过远程获取管网液位数据，实现排水管网的水力分析和管理决策的数据支持，从而能够评估管网维护效果，提高排水管网的运行管理水平，对内涝进行预警，保障生产安全。

系统实施方案

现场前端设备选型

城市排水管网内往往包含硫化氢、氨气等有毒易爆气体，湿度非常大，内涝点检查井常常溢流，污水或雨水杂物多，水波干扰大。这种环境下需要液位计具有最高的工业防护等级，本质性防爆和消除水面异物误差的功能。此外，检查井常常位于城市道路的中间，高速车辆多，如果采用市电，需要联系当地供电局和路政，而且施工时需要开挖路面，维护时又需要多部门配合，所耗的时间与成本都偏高。所以监测液位的设备最好能够自供电，又具有极高的稳定性，在检查井密闭的环境中，设备的通信能力和抗干扰能力应该要强。

根据以上需求分析，本系统采用针对污水行业特性而设计的液位监测仪。现场液位采集系统主要由液位计、记录仪、外置电池和天线组成，如图1所示。外置电池负责对整套采集系统进行供电。整套系统具有高强度工程塑料外壳(IP68)，模块之间的连接通过军用接口，具有良好的防水防腐性。系统GPRS通讯模块，将采集到的数据存贮并通过GPRS方式发送到数据中心。

系统整体框架介绍

图1 现场液位采集系统图

图2 系统结构框图

系统结构主要分为以下三层：系统应用层、通讯设备层以及数据采集层。系统结构框图如图2所示。系统利用超声波液位计将数据采集并保存，通过专用电缆传输到GPRS记录仪或SMS记录仪，按照一定的发送频率，经过天线以GPRS或SMS方式发送到指定的FTP站或SMS调制解调器，系统服务器通过下载FTP站或接收SMS调制解调器中的数据，从而获取管道中的在线液位数据。在共享服务器中的数据文件夹后，在公司内网或专网中的用户，可以通过系统软件浏览液位数据。另外，通过导出系统数据后，可以实现管网在线监测系统与地理信息系统的联动，让其实现液位数据的显示功能。

系统试点应用

在线液位安全预警

在沙河涌流域安装了4个监测点，分别安装在空军医院、寺右新马路倒虹管上游、寺右新马路倒虹管下游及临江大道，用于监测截污管内水位的变化情况。系统监测界面如图3所示，从界面左侧可以了解监测点的分布，右侧可以看到管网液位。

系统可设定液位预警值，如果该监测点的液位达到预警值，系统将显示报警信息，并通过短信和邮件的方式发送到管理人员，从而迅速响应流域内涝预警机制，保障流域管网生产安全。

图3 系统监测界面

管网过流能力分析

图4 管网过流能力分析图

管网过流能力是反映管网运行状况最直接的方式之一。通过积累一段时间的液位数据，拟合该监测点的管底标高、管顶标高以及地面标高，便可以直观地观察该点的管网过流能力。从图4中可以看到，寺右新马路监测点所在位置全天基本上都处于满管运行状态，临江大道监测点主渠箱过流能力较好。因此，为了加强管网的过流能力，降低内涝的可能性，需要加强对该监测点管道的维护和清淤工作。

水力坡度分析

系统可以通过计算管道的水力坡度去衡量管道的拥堵情况。水力坡度如图5所示。空军医院监测点到寺右新马路倒虹管上游监测点的水力坡度的变化范围在0.000155～0.000245之间，远小于管道底坡值0.00146，说明从空军医院监测点到寺右新马路倒虹管上游监测点间的管道水力条件较差，其间管道可能存在淤积和堵塞等状况，需要派人排查问题。

图5 水力坡度变化曲线

结论

可执行性高。系统前端监测设备无需采用固定供电方式，其通讯也不需要采用有线的方式传输，这样不仅可在偏远复杂的地区进行监测，而且工期也不需要受供电局与电信商的影响。

稳定性高。前端设备具有IP68、防爆特性，对于在现场环境复杂的管道里，可以稳定运行，并保持良好通讯。

成本性价比高。对比固定供电和网络，这种自供电无线通讯方案，不仅在费用上有绝对优势，而且有着可移动性。由于供电和通讯方式均由设备自身提供，所以随着现场情况的变化，工作人员可以很方便地进行现场监测点转移，节省相当可观的费用。

展望。系统目前试点运行成功，能够实时监测管网液位状态，让管理人员迅速响应防内涝机制，起到保障流域安全生产的作用，接下来将继续部署更多的监测点，并纳入防内涝应急响应机制中。本系统将信息技术结合到管理维护当中，为管网安全预警，提供数据支持，不仅改变了传统的管网维护管理模式，而且提高了生产管理效率。