基于DWDS平台的城市给排水管网系统优化技术

潘泓佑

（深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000）

1 引言

在当今快速城市化的背景下，城市给排水管网系统的有效管理对于确保公共卫生、环境保护及可持续城市发展至关重要[1]。随着城市规模的不断扩大和居民需求的日益增长，传统的给排水系统管理方法面临诸多挑战[2]。这些系统常常受限于老化的基础设施，缺乏实时监控和预测能力，以及效率低下的资源分配。结果不仅导致水资源的浪费和不均衡分配，还有对环境和公共健康的潜在风险。传统方法的主要不足在于其对复杂和动态变化的城市水需求反应迟缓，且维护成本高昂。这些系统往往依赖于定期的物理检查和人工干预，缺乏实时数据支撑的决策机制[3]。因此，泄漏和故障的检测通常被延迟，紧急维修需求频繁，造成了巨大的经济负担和资源浪费。因此，研究引入了基于数字排水平台（Drinking Water Distribution System，DWDS）的城市给排水管网系统优化技术，旨在通过实施先进的监测和分析工具来克服传统方法的局限。DWDS 平台的创新之处在于其综合利用了传感器网络、实时数据监控、智能分析和自动化控制系统。研究期望能够对促进城市的智能化、绿色化和可持续发展做出贡献。

2 基于DWDS平台的城市给排水系统分配管理策略与实施流程分析

2.1 基于DWDS平台的城市给排水管网分配与管理系统优化研究

DWDS 是一种数字化集成管理系统，它通过集成先进技术和数据处理手段，致力于提高城市给排水系统的效率和可靠性。这个系统的核心功能包括高度精密的数据集成和实时监控，利用遍布整个排水管网的传感器和物联网技术收集关键数据，并将这些数据实时传输至一个中央数据库。在此基础上，平台利用大数据处理和人工智能算法进行深入分析，以预测水需求变化，并据此自动调整水流量和压力。这种预测和自动调控系统不仅优化了资源分配，还增强了系统对紧急情况的响应能力。

平台的用户界面设计直观易用，使运营人员能够轻松监控整个系统的运行状态，并根据系统提供的数据和分析结果进行有效决策。技术架构方面，DWDS 平台不仅采用了云计算和大数据技术来处理和存储海量数据，还特别强调了数据安全和网络安全，确保所有信息的安全可靠。此外，系统的可扩展性设计允许它灵活适应不同规模城市的需求和未来技术发展的挑战。

应用DWDS 平台可以显著提升水资源管理的效率，例如，通过精确的数据分析和监控排水管道漏损率，同时优化运行模式和预防性维护策略降低能源消耗和紧急维修需求。此外，实时的水质监控系统确保了供水的安全性，能够及时发现并处理任何潜在的污染问题。尽管如此，DWDS 平台的部署和运行也面临着挑战，包括需要专业的技术支持、对运营人员的持续培训以及较高的初始投资成本。未来发展方向可能包括集成更高级的数据分析工具、更加智能的预测算法，以及更为用户友好的操作界面，以进一步提高系统的性能和适应性。

2.2 城市给排水系统面临的挑战与优化策略

目前的排水管道系统面临着多个紧迫问题。首先，基础设施老化是主要问题，许多城市的排水管道经过数十年使用后，出现了腐蚀、泄漏和破裂等问题，导致水资源浪费，同时可能威胁水质安全。其次，随着城市扩张和人口增长，现有排水系统的承载能力日益不足，尤其是在新兴住宅区和城市边缘地区，排水设施跟不上需求增长的速度。此外，面对极端天气事件如洪水和干旱，现有系统常常力不从心，增加了城市的洪涝风险。环境污染也是一个严重的问题，管网泄漏可能导致污水和化学物质渗入土壤和地下水，危害生态环境和公共健康。最后，排水系统在监测和管理方面存在缺陷，缺乏有效的监控系统和管理机制，导致问题处理滞后，影响了整体的管理效率和响应速度。

为了应对这些问题，一系列具体且有针对性的优化策略需要被采纳。首先，更新和升级基础设施是关键，使用耐腐蚀和长寿命材料替换老旧管道，并扩建排水系统以提高其处理和输送能力。其次，引入智能监控系统，比如，利用传感器和实时数据分析来快速定位泄漏和破损，同时采用物联网技术进行管网的实时监控和管理。此外，绿色基础设施和低影响开发（LID）技术如雨水花园和渗透性铺装可以增强地表水吸收和污水处理能力，减少雨水径流，从而减轻排水系统的负担。为应对气候变化带来的挑战，需要设计能够适应不同气候情景的排水系统，并加强极端天气事件的预测与应急准备。同时，社区参与和公众教育也至关重要，提高公众对排水系统重要性的认识，并鼓励居民参与雨水收集和节水措施。最后，制定和执行严格的排水系统维护和更新规范，并提供财政和政策支持以鼓励新技术和可持续实践的采用，这些都是确保排水系统优化和持续性能的关键步骤。

2.3 基于DWDS平台的城市给排水管网系统优化流程

在基于DWDS 平台的城市给排水系统优化中，首先对现状进行全面评估，包括管网的物理结构、技术状态和运行效率，识别优化关键领域。DWDS 平台利用传感器监控关键指标，如水流量和压力，通过大数据和机器学习分析数据，预测需求变化和及时发现泄漏。平台还可预估未来水需求，自动调节水资源分配，并提供直观的用户界面和决策支持工具，助力运营团队做出数据驱动的决策。

另外，在水质检测方面，DWDS 平台运用高级分析技术，加入了光谱分析和化学传感器，来持续监测排水中的化学和生物成分。通过这些数据，平台能够识别特定的污染物和不正常的变化。结合地理信息系统和历史数据，平台能精确定位污染源头，并通过联动精准截污设施，如智能阀门和调节泵，及时进行截污处理。这种方法可以有效控制污水和工业排放，减少对环境和水体的影响。此外，平台利用大数据和机器学习技术，深入解读数据，识别消费模式，预测需求变化，并及时发现泄漏或其他潜在问题。通过复杂的预测模型，平台预估未来水需求，自动调节泵站和阀门，以高效分配水资源。在用户界面方面，直观易用地设计展示实时数据和运行指标，并辅以决策支持工具，帮助运营团队做出数据驱动的决策。同时，平台通过优化水泵和阀门的运行，降低能源消耗，提高能效，实现可持续运营。在数据安全和系统可靠性方面，DWDS 平台采取了严格措施，确保数据安全和系统稳定性。

3 基于DWDS平台的给排水系统优化成效分析

在深圳市的研究中，1 号区域的给排水系统通过部署DWDS 平台进行了优化，而2 号区域保持传统管理作为对照。DWDS 平台包含了全面的传感器网络、实时数据监控和智能分析系统，专注于监测关键指标如水流量、压力和水质。中央处理系统利用高级数据分析技术识别泄漏和潜在问题，智能控制系统自动调整水泵和阀门，以优化水流分配和压力管理。与之相比，对照区域未使用先进监测或自动化控制技术。

图1a 显示，在应用DWDS 平台之前，城市给排水系统因管网老化和效率低下导致高达15%的水资源损失。DWDS 平台通过传感器实现实时水流量、压力和水质监控，运用机器学习识别泄漏。智能控制水泵和阀门后，水资源损失率显著降低，从最初的14%下降到6 个月后的约5%。图1b 表明，DWDS 平台的高精度监测和实时数据分析提升了水质管理，确保水质达标，从而增强公共健康保障。

图1 优化前后水资源损失率和水质合格率对比

图2a 展示了在应用DWDS 平台之前，小型泄漏的识别和维修部署需要超过5 h，而优化后这一流程缩短至最快40 min。图2b 指出，优化前紧急维修需求高昂且频繁，导致成本增加和运营中断。采用DWDS 平台后，紧急维修次数大幅减少，年运营成本从原先的47 万元降至20 万元左右，节约率达10%~30%。

图2 优化前后响应时间和运营维护成本对比

如图3a 所示，优化后的设备故障率变化不明显，总体来说控制在2.0%以内，可以看出截污设施的设备运行相对稳定，维护和故障情况均在可接受的范围内。如图3b 所示，截污设施的化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）去除率随着系统投入使用逐渐升高，可以看出截污设施在处理水体中的COD 方面表现出较高的效率，并且在评估期内取得了稳定的效果。

图3 优化后的设备故障率和化学需氧量去除率对比

4 结语

在当前快速城市化和环境变化的背景下，有效管理城市给排水系统成为一个紧迫的挑战。本文采用了基于DWDS 平台的方法对某市的给排水系统进行了优化，重点在于通过传感器网络、实时数据监控和智能分析系统提高系统的效率和可靠性。研究结果表明，DWDS 平台的实施在优化区域显著提升了水资源损失率和水质合格率，水资源损失率从14%降至约5%，水质合格率显著提高，同时系统响应时间和运营维护成本均有显著下降，设备故障率和COD 去除率表现优异。这些成果不仅展示了DWDS 平台在提升给排水系统性能方面的有效性，也证明了其在节约成本和提高水资源可持续方面的潜力。未来研究需要在更广泛的区域和更长的时间尺度上验证DWDS 平台的效果。