在线监测在城市排水数字化应用中的要点分析

郭效琛，李 萌，杜鹏飞,*，赵冬泉

(1. 清华大学环境学院，北京 100084；2. 北京清环智慧水务科技有限公司，北京 100085)

随着社会的发展，城市排水管理所面临的问题也日趋复杂，排水管理模式向数字化方向发展。排水系统实时监测在香港的应用显示，利用监测数据进行排水的预测与管理对智慧城市的建设具有重要意义[1]。加强排水系统的在线监测，有利于推进城市数字化、信息化管理，能够减轻城市防洪压力、保障城市水安全、缓解水资源短缺、改善城市水环境，还有助于对排水户开展实时监管[2]。排水在线监测设备的研发及计算机、云计算、互联网等技术在城市排水管理中的应用[3]，也为城市开展排水在线监测提供了必要的基础条件。

国外开展排水系统在线监测的时间较早，日本于20世纪90年代在东京建立了大型排水系统，并通过计算机及自动化监测技术的应用，实现了在中央控制室对系统的全过程监管。英国2006年建设了城市洪水智能监测系统，通过微型传感设备对城市易涝点的水位信息进行实时采集[3]。Brzezińska等[4]利用在线监测数据对降雨期间合流制导致的污染进行分析，识别排水系统的运行规律及污染情况；Ahm等[5]基于液位的在线监测，结合模型模拟对合流制溢流风险进行评估；Martínez[6]利用监测数据对雨洪事件进行回溯分析，从而避免事件的再次发生。与发达国家相比，我国排水系统在线监测起步较晚[3]，目前相关研究主要集中在排水管网信息管理及其系统的设计方面。有些研究针对城市内涝问题，结合监测和GIS技术，动态展示了各点的淹没情况[7-8]；更多研究主要侧重互联网与计算机技术，以如何实现管理平台的功能设计为核心[9-10]。

整体而言，国外的研究主要侧重如何利用在线监测进行排水的综合管理，而我国则关注平台建设。这些都需以准确有效的排水监测工作实施为基础，然而目前在监测点数量的确定、位置的选取上主要依赖人为主观判断，缺少科学的方法；对于如何利用有限的监测数据进行排水系统的管理也缺少必要的研究。

数字化排水趋势下，为实现智慧排水管理，对排水在线监测工作的开展提出了新的要求与挑战，需充分关注自动化与定量化，结合计算机软件技术，尽可能减少人为主观臆断和工作量，提高排水管理的效率。针对如何开展排水在线监测工作，本文从监测点数量的确定、位置的筛选和数据质量的评价3个方面建立排水在线监测整体技术路线，基于科学的在线监测对排水系统进行诊断分析。同时，结合实际工程，提出合理化建议和研究工作重点方向，在完成方法学的建立和深入探索后，有效促进城市数字化排水管理模式的建立。

1 排水在线监测整体技术路线

对于城市特定区域排水在线监测工作的开展，首先需确定该区域应设置的在线监测点数量能够指导项目在线监测预算的制定。在确定好最合适的监测点数量后，根据数量要求，对监测点的位置进行筛选，只有保障监测点的代表性，才能利用尽可能少的监测点，全面反映所监测区域排水系统整体的特点和运行规律。对监测点开展持续的监测，收集数据后，由于排水系统环境本身的复杂性，监测数据不可避免地会存在一些质量问题，需进行质量的评价与控制。在确保数据基本可靠的前提下，再开展监测数据的统计分析，并根据需要，指导排水系统问题的诊断，支持城市排水管理。整体技术路线如图1所示。

1.1 在线监测点数量的确定

1.1.1 分级监测理论

不同城市区域的基础条件不同，所面临的问题有所差异，对应的监测目的也就存在较大的差别。有些城市排水系统基础资料清晰且有一定的监测基础，需解决的问题比较具体，例如污染溯源分析、低影响开发项目的效果评价等；但也有一些城市的基础条件非常差，缺少必要的基础资料，即使开展在线监测也很难一步到位，需先了解城市排水的基本情况。因此，为了能够针对不同城市的具体情况设定合理的监测点数量，需建立分层级的监测体系。

将排水在线监测分为整体监测、分区监测和精细监测3个层级，如图2所示。不同层级的监测要素不同，所需的监测布点数量逐级增加。得到监测数据后，整体监测仅能支持基础性工作的开展，如信息化管理平台的开发、水环境质量整体改善效果评估及区域排水概化模型的建立等；在分区监测层级，可支持大部分排水管网问题的诊断分析；达到精细监测层级后，监测涵盖了最初的源头排水户，能够实现对单个排水单元的有效管理。

图2 分层级的监测Fig.2 Hierarchical Monitoring System

1.1.2 监测点数量的定量设置

目前，监测点数量的确定缺少统一的标准和依据，在数量确定方面存在很强的主观性和不确定性。在分级监测的体系下，应设置最优的监测布点数量，并制定统一的评分标准，在无法达到最优或推荐的监测布点数量时，应能够明确不同数量设置所能实现的监测效能。

在分级监测体系下，各层级应通过设置评分标准，充分体现监测点数量设置的定量化，增强不同数量设置的可比性。

1.2 监测点位置的筛选

对于城市排水系统，需开展在线监测的要素包括排水户、管网节点、排水设施(包括泵站、污水厂、调蓄池等)以及排口。其中，排水管网节点数量众多，受监测成本的限制，需筛选代表性节点开展监测。虽然目前对于监测布点方法已达成了一些共识，相关研究中也提出了一些通用原则[11]，但在实际工程项目中，具体的点位筛选仍主要依赖人为的主观判断。

已有研究中，排水管网监测点位置筛选与优化主要分为依赖统计学原理和运筹学的最优化理论[8]。不同的理论方法有不同的优势，但对实测数据的依赖性都比较强。随着计算机技术的成熟和应用，大数据分析与计算能力显著提升，监测点位置的识别应关注所有节点的运行规律。在数字化管理模式下，监测点位置的筛选应根据提出的原则，能够利用模型模拟和软件计算，实现自动化。

首先，建立研究区域的排水模型，并在多种不同降雨情景下模拟，得到各节点监测指标的时间序列曲线；之后，根据相似程度对节点进行聚类分析，与此同时，基于各分区节点的相似情况，还可分析对比不同片区的“管网复杂度”，并作为在不同分区进行监测点数量分配的依据；最后，根据聚类结果筛选具有代表性的监测点，并对监测点的位置进行检验，如果监测布点方案的可靠性指数过低，无论在不同分区如何进行分配和布置，都无法客观反映区域的排水情况，则需重新调整研究区域整体监测点数量布置目标。整体的监测布点思路如图3所示。

图3 排水管网监测点自动识别技术路线图Fig.3 Overall Framework of the Methodology for Automatic Setting of Drainage Pipe Monitoring Points

1.3 数据质量评价与修正

对于排水在线监测数据而言，可能出现的问题主要包括零值、缺失值、异常值和突变值等。但是，排水系统存在出现突发情况和偶然事故的可能性，如管网淤积、偷排漏排等，异常值和突变值的出现并不一定是问题数据。因此，在问题数据识别环节，主要针对零值和缺失值进行识别和判断，作为数据质量评价的依据。

对于缺失值而言，若监测设备按照分钟级采集和传输数据，24 h共应收集1 440个数据，某一时刻未收集到数据，则为缺失值。对于零值而言，当排水监测数据中出现零值，并不一定是数据问题而有可能是真实零值数据，需将排水管网中的合理零值予以排除，以便能够自动识别问题零值。合理的零值主要包括：监测点本身的水流量过小，低于设备最低阈值；排水管网内确实无水流；在淤积等事故中流量的合理零值。

通过缺失值和问题零值的识别，可以对监测数据的质量进行整体的判别。1 d共1 440个数据，若都正常，则数据质量没有问题；若发现问题数据，则需对问题数据的个数进行统计；若问题数据量超过一定比例，则监测点该时间段内的数据质量较低，不应用于后续分析；若存在问题数据，但相对较少，则可进行适当的修正，再用于后续的分析诊断。

监测数据质量评价与控制部分的整体技术路线如图4所示。

图4 监测数据质量评价与修正流程图Fig.4 Flow Chart on Quality Evaluation and Correction of Monitoring Data

2 排水系统分析诊断

2.1 排水预测模式建立

对于日常出行而言，智慧交通图能够实时显示道路的拥堵情况，指导城市居民合理安排外出活动。对于排水系统而言，利用典型节点的实时在线监测数据，结合模型模拟及对排水系统运行规律的认知，可实时预测所有节点和管线的充满度，并利用不同颜色予以表征，绘制排水系统运行负荷图。结合排水综合管理平台的开发与使用，可以进行直观的实时在线展示。

2.2 负荷图的应用

利用实时更新的排水系统负荷图，可对排水系统进行有效的预警和报警。内涝积水、污水溢流可通过对液位监测数据设置阈值，及时进行预警和报警；对于雨水排口的旱天排水，一旦监测到水流，则很可能是污水直排；对于偷排漏排等事故，应识别监测点位的异常数据，在无降雨情况下，监测数据超过历史数据最大值则应进行报警。

除利用排水系统实时运行负荷图进行事故预警报警，还可在积累一段时间的监测后，对运行负荷图进行对比分析，对区域排水系统的水量平衡、雨污混接、入流入渗等问题进行分析评估。排水在线监测可获取大量数据，是城市建设数字化排水管理模式的基础，充分利用监测数据，与模型模拟功能相结合，还可进一步支持排水系统的优化调度及实时控制[12]。

2.3 应用示例

随着我国海绵城市建设的推进，城市发展过程中愈加重视城市水安全问题，并关注城市在降雨期间的内涝积水事故。一般而言，当路面积水深度达到15 cm时，行车道就可能因机动车熄火而中断，即对城市交通造成显著影响。基于预测模式建立区域的排水负荷图，可以得到各个点位的实时液位信息，通过对各点位设置预警线、报警线和溢流线，即可对溢流风险进行预警和报警，如图5所示[13]。

图5 内涝事故预警报警示意Fig.5 Schematics of Waterlogging Accidents Warning

在对重要节点设置液位限制之后，根据阈值设置，可以借鉴智慧交通图的表达形式，利用不同颜色进行表征。某场次降雨下，排水管网运行负荷情况如图6所示，不仅可以直观表示整体排水系统的运行负荷情况，还可以反映负荷过载的节点和区域，从而及时采取调控措施，对重点区域的排水进行干预。

图6 排水管网运行负荷示意图Fig.6 Schematics Diagram of Operation Load of Drainage Pipe Network

3 小结

开展排水系统的在线监测，是建立排水数字化管理模式的必要内容，在大数据应用的背景下，只有获取有效、有用的数据，才能真正支持排水的管理。为了提高在线监测工作开展的效率，减少人为主观臆断，并确保数据的准确性以及分析的及时性，需从监测点数量确定、位置识别、数据质量评价与修正3个方面建立在线监测技术的整体应用路线，并对系统分析诊断方面的综合应用进行分析与探索。

各方面工作的开展具有很强的相关性，各环节都应建立一定的方法和标准，既需考虑与传统人为主观判断分析的统一性和延续性，也需充分关注自动化与定量化。随着排水在线监测的普及性，排水管理所获取的数据量日益增加，需为计算机进行自动标准化的处理提供可能性。