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      基于污水空間大數(shù)據(jù)的城市排水監(jiān)管模式探索

      2022-06-21 04:19:36史夢婷楊先城
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年17期
      關(guān)鍵詞:排口布點排水管

      姚 慧,史夢婷,楊先城

      (江蘇太湖云計算信息技術(shù)股份有限公司,江蘇 無錫 214000)

      作為城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施,排水管網(wǎng)的正常運行保障了城市的正常排水,是防止內(nèi)澇的重要保障。一旦排水管設(shè)施發(fā)生老化或者連接關(guān)系出現(xiàn)復(fù)雜化,將會導(dǎo)致排水管網(wǎng)坍塌或漏損,造成污水溢流,甚至發(fā)生城市內(nèi)澇等嚴(yán)重問題。隨著GIS技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展,監(jiān)管部門嘗試在排水管網(wǎng)中安裝監(jiān)測設(shè)備來監(jiān)測管網(wǎng)的運行情況,同時結(jié)合遠程控制、內(nèi)澇預(yù)警分析等手段進行智能化控制、漫溢及內(nèi)澇的應(yīng)急處置工作,并取得了非常好的應(yīng)用效果[1-6]。

      2019年12月無錫人民政府辦公室印發(fā)《無錫市城鎮(zhèn)污水提質(zhì)增效三年行動方案(2019-2021年)》(以下簡稱《方案》),《方案》要求提高信息化管理水平:建立大數(shù)據(jù)平臺,完善GIS系統(tǒng),建立重點工業(yè)排水戶自動監(jiān)控系統(tǒng),強化智能預(yù)警功能水平。文章選取無錫工業(yè)企業(yè)集中分布的鄉(xiāng)鎮(zhèn),作為研究對象,分析無錫工業(yè)型鄉(xiāng)鎮(zhèn)目前污水監(jiān)管現(xiàn)狀,提出智慧排水信息化設(shè)計方案。

      1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水監(jiān)管現(xiàn)狀

      隨著無錫工業(yè)企業(yè)型鄉(xiāng)鎮(zhèn)高速發(fā)展,鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人居環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展之間的矛盾逐漸凸顯,其中在重污染工業(yè)企業(yè)集中的區(qū)域企業(yè)排水戶污水超標(biāo)排放、私接偷排的情況比較嚴(yán)重,周邊河道污染嚴(yán)重,鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境部門多次開展河道整治,河道反復(fù)黑臭,往往治標(biāo)不治本。

      目前無錫全市、區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)都已經(jīng)陸續(xù)開展排水管網(wǎng)四位一體排查(測繪、疏通、檢測、修復(fù)),排水管網(wǎng)測繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基本具備。

      鄉(xiāng)鎮(zhèn)普遍存在的問題是在開展工作過程中仍舊以紙質(zhì)方式為主,大量的工作資料和工程資料都以紙質(zhì)方式保存,在出現(xiàn)應(yīng)急事件需要資料做支撐時候,消耗時間較長,工作效率較低;特別對于監(jiān)管業(yè)務(wù)范圍內(nèi)的歷史資料、變更資料缺乏有效管理,無法依靠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)進行分析決策。

      2 智慧排水信息化設(shè)計方案

      2.1 總體設(shè)計

      針對鄉(xiāng)鎮(zhèn)現(xiàn)狀,綜合考慮無錫市對于城鎮(zhèn)污水提質(zhì)增效的具體工作要求,設(shè)計鄉(xiāng)鎮(zhèn)智慧排水信息化總體框架,如圖1所示。

      如圖1所示,智慧排水信息化將從4個層面展開:

      圖1 總體框架圖

      2.1.1 物聯(lián)感知層

      設(shè)計進行管道液位監(jiān)測、企業(yè)污水排口水質(zhì)監(jiān)測、管網(wǎng)低洼點液位監(jiān)測以及入河排口液位水質(zhì)監(jiān)測;同時通過NB-IOT通信技術(shù)將采集到的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到智慧排水信息化數(shù)據(jù)庫中。

      2.1.2 數(shù)據(jù)層

      包括鄉(xiāng)鎮(zhèn)管線測繪成果、河道水系、企業(yè)排水戶、入河排口、實時監(jiān)測等數(shù)據(jù)以及組織機構(gòu)、應(yīng)急資源等數(shù)據(jù)。

      2.1.3 技術(shù)層

      采用地理信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及云計算技術(shù)來支撐智慧排水信息化建設(shè)。

      2.1.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

      以排水資源一張圖為依托,支撐污水管網(wǎng)動態(tài)分析、企業(yè)排污行為分析以及巡檢養(yǎng)護管理、應(yīng)急資源調(diào)度等應(yīng)用。

      2.2 具體設(shè)計

      2.2.1 數(shù)據(jù)部分

      排水管線測繪數(shù)據(jù):利用排水管線測繪數(shù)據(jù)成果,將其進行空間化處理。

      河道水系數(shù)據(jù):包括河道名稱、河道長度、河道空間分布信息。

      企業(yè)排水戶數(shù)據(jù):包括企業(yè)排水戶類型、企業(yè)名稱、企業(yè)負(fù)責(zé)人、排污許可證信息等。

      河道入河排口數(shù)據(jù):包括所屬河道名稱、河道排口編號信息等。

      實時監(jiān)測數(shù)據(jù):管道液位數(shù)據(jù)、河道排口液位、河道排口水質(zhì)(電導(dǎo)率/COD)以及雨量數(shù)據(jù)。

      組織機構(gòu):包含監(jiān)管部門負(fù)責(zé)人、工作人員以及巡檢養(yǎng)護單位等信息。

      應(yīng)急資源:包括移動排水車輛,以及環(huán)衛(wèi)、城管、交通等協(xié)同部門負(fù)責(zé)人。

      2.2.2 專業(yè)工具

      在開展設(shè)備監(jiān)測布點時采用的專業(yè)工具支撐主要有CAD專業(yè)制圖軟件和GIS專業(yè)地圖工具。

      (1)CAD專業(yè)制圖軟件

      在有些區(qū)域還無法提供測繪成果數(shù)據(jù)的情況下,使用CAD專業(yè)制圖軟件進行布點。CAD專業(yè)制圖軟件是計算機輔助設(shè)計領(lǐng)域最流行的CAD軟件包,此軟件功能強大、使用方便、價格合理,在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于機械、建筑、家居、紡織等諸多行業(yè),擁有廣大的用戶群。CAD制圖軟件具有良好的用戶界面,通過交互菜單或命令行方式便可以進行各種操作。它的多文檔設(shè)計環(huán)境,讓非計算機專業(yè)人員也能很快地學(xué)會使用。在不斷實踐的過程中更好地掌握它的各種應(yīng)用和開發(fā)技巧,從而不斷提高工作效率。

      (2)GIS專業(yè)地圖工具

      在具備測繪成果數(shù)據(jù)的區(qū)域,采用GIS專業(yè)地圖工具進行布點。常用的為ARCGIS軟件,該軟件是一款專業(yè)的電子地圖信息編輯和開發(fā)軟件,它主要應(yīng)用于GIS訪問,提供快速并且使用簡單的方式瀏覽地理信息,無論是2D還是3D的信息。軟件內(nèi)置多種編輯工具,可以輕松地完成地圖生產(chǎn)全過程,為地圖分析和處理提供了新的解決方案,可以無限地進行數(shù)據(jù)和地圖的共享。同時全面擁抱前沿IT技術(shù),升級平臺大數(shù)據(jù)、三維、影像等核心能力,為使用者打造了一個功能強大、性能卓越、穩(wěn)定性高的Web GIS平臺。

      2.2.3 物聯(lián)感知部分

      (1)監(jiān)測設(shè)備選型

      因污水管網(wǎng)內(nèi)環(huán)境復(fù)雜、惡劣,因此,在污水管道內(nèi)安裝監(jiān)測設(shè)備須具備以下基本技術(shù)性能:

      a.具備防水防腐性能

      地下排水管道運行條件惡劣,水質(zhì)條件復(fù)雜,常有生活污水、工業(yè)廢水、醫(yī)藥廢水等,對排水監(jiān)測設(shè)備具有很強的干擾性和腐蝕性。因此監(jiān)測設(shè)備須具有很高的防腐性能夠克服長期高水位浸泡的問題,保證設(shè)備運行正常支撐其在地下管進行長期的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測。同時智能監(jiān)測設(shè)備主機能夠支持水下2 m保持72 h穩(wěn)定運行,符合IP68級別的防水能力。

      b.全浸沒環(huán)境信號正常上傳

      監(jiān)測設(shè)備整機防護等級要求達到IP68,能夠整機浸泡在污水環(huán)境下正常工作。能夠?qū)﹂L期漫溢的管井進行物聯(lián)監(jiān)測。實現(xiàn)對惡劣管點進行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控,消除人工監(jiān)控盲區(qū),降低人工開井監(jiān)測安全風(fēng)險;同時能夠?qū)崿F(xiàn)水下30 cm信號正常傳輸,保證數(shù)據(jù)能夠上傳至云平臺。

      c.可多參數(shù)監(jiān)測

      智能監(jiān)測設(shè)備支持2路及2路以上RS485傳感器接口,支持MODBUS通信協(xié)議,具備多傳感器自適應(yīng)功能,傳感器即插即用,系統(tǒng)自動識別。支持遠程升級,可通過升級支持更多種類傳感器。滿足同一個管點多參數(shù)監(jiān)測的需求;同時能夠基于多參數(shù)的事件預(yù)警機制,實現(xiàn)城市降雨易澇點檢測預(yù)警。

      d.設(shè)備低功耗

      監(jiān)測設(shè)備須篩選微功耗處理器、減少外部器件數(shù)量、設(shè)計低功耗外圍電路,如適用于系統(tǒng)的高效電源轉(zhuǎn)換電路等。在軟件設(shè)計上,選擇處理器的最優(yōu)微功耗功能、配合高度優(yōu)化的微功耗嵌入式程序;空閑時休眠,進入待機模式;工作時喚醒,高效執(zhí)行完任務(wù)后,立即休眠。

      e.設(shè)備體積小

      監(jiān)測設(shè)備采用內(nèi)置電池,設(shè)備體積小,拿取和安裝更靈便;安裝過程配合專用支架可直接固定于檢查井井壁,占用體積小,不影響后期運維人員下井維護。

      (2)監(jiān)測設(shè)備布點

      在污水管網(wǎng)安裝液位監(jiān)測設(shè)備,設(shè)計每公里布設(shè)2臺;選取制藥、印染等重污染工業(yè)企業(yè)在其污水總排口安裝水質(zhì)(電導(dǎo)率)監(jiān)測設(shè)備;選取周邊污染嚴(yán)重的河道在入河排口安裝液位、水質(zhì)一體監(jiān)測設(shè)備。

      (3)布點條件

      在確定了布點思路后,依據(jù)以下布點條件檢查安裝井是否滿足安裝條件:

      安裝井內(nèi)的垃圾較少;現(xiàn)場評估設(shè)備安裝后,不能影響日后管網(wǎng)的巡查養(yǎng)護工作;井壁需較牢靠,能確保安裝設(shè)備后不易脫落;井內(nèi)液位不能長期滿管,保證設(shè)備安裝后不會一直浸沒在水中;安裝位置NB信號較強。

      (4)布點步驟

      依據(jù)排水?dāng)?shù)據(jù)的實際情況,一般有3種類型的布點步驟:

      a.CAD布點步驟

      CAD布點步驟適用于只具備CAD電子成果數(shù)據(jù)的情況,具體的布點流程如圖2所示。

      圖2 CAD布點流程圖

      b.GIS地圖軟件布點步驟

      對于已經(jīng)有的測繪成果基礎(chǔ)數(shù)據(jù),使用GIS地圖軟件進行布點,布點流程如圖3所示。

      圖3 GIS地圖軟件布點流程

      c.管線竣工圖紙布點步驟

      通過管線竣工圖紙進行劃分布點,流程如圖4所示。

      圖4 管線竣工圖紙布點

      2.2.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用部分

      (1)排水資源一張圖

      在互聯(lián)網(wǎng)地圖上選取鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)域為研究范圍,在地圖上疊加排水管網(wǎng)空間化數(shù)據(jù),制作污水管網(wǎng)、雨水管網(wǎng)、排水設(shè)施等圖層;同時在一張圖上可進行管網(wǎng)空間拓?fù)錂z查,如果存在管網(wǎng)走向混亂的情況在一張圖上可直觀呈現(xiàn),地圖可視化是檢驗測繪成果是否合格的一個非常有效的驗證手段。

      (2)污水管網(wǎng)動態(tài)分析

      基于污水管網(wǎng)的空間分布,結(jié)合在污水管網(wǎng)中安裝的液位監(jiān)測設(shè)備,將實時液位數(shù)據(jù)與污水管網(wǎng)進行疊加分析,可輔助監(jiān)管人員了解地下污水管網(wǎng)內(nèi)的液位變化情況;同時結(jié)合動態(tài)分析指標(biāo)(見表1),可為監(jiān)管工作提供直觀便捷的數(shù)據(jù),為監(jiān)管工作的開展以及污水管網(wǎng)的規(guī)劃、修復(fù)等工作提供參考依據(jù)。

      表1 污水管網(wǎng)動態(tài)分析

      (3)企業(yè)排污行為分析

      基于在重污染工業(yè)企業(yè)污水總排口監(jiān)測的企業(yè)污水水質(zhì)數(shù)據(jù),結(jié)合地圖可視化開展企業(yè)排污行為分析(分析指標(biāo)見表2),通過分析重點排查存在超排異常排污的企業(yè),為監(jiān)管執(zhí)法工作提供數(shù)據(jù)支撐,從而規(guī)范企業(yè)排污行為。

      表2 企業(yè)排污行為分析

      (4)巡檢養(yǎng)護管理

      以排水資源一張圖、數(shù)據(jù)分析結(jié)果,作為指導(dǎo)巡檢養(yǎng)護管工作的重要依據(jù),例如:長期滿管運行的管段,其遭受的腐蝕肯定較高,就可作為管道更換、修復(fù)的重點對象納入到養(yǎng)護計劃中,一方面避免管道老化造成大面積污水外溢,造成路面污染;另一方面,促進巡檢養(yǎng)護向精準(zhǔn)化、高效化發(fā)向發(fā)展。

      (5)應(yīng)急資源調(diào)度

      污水管網(wǎng)一旦破裂或者大面積漫溢,會給周邊生活環(huán)境造成非常大的影響,因此在實時監(jiān)測污水管網(wǎng)運行狀態(tài)的同時,需要做好突發(fā)事件的應(yīng)急方案,包括掌握應(yīng)急物資的儲備情況、分布情況、救援隊伍的通信情況、移動排水車輛的活動軌跡情況,結(jié)合管網(wǎng)動態(tài)分析數(shù)據(jù),在異常預(yù)警發(fā)出后,通過系統(tǒng)直接將預(yù)警信息發(fā)送到排水、環(huán)衛(wèi)、城管、交通等協(xié)同部門負(fù)責(zé)人手機上,便于各部門提前做好應(yīng)急部署準(zhǔn)備,實現(xiàn)快速響應(yīng)和及時處理,從而提升排水監(jiān)管智慧化水平。

      3 結(jié)束語

      探索以污水空間大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的智慧監(jiān)管模式,其關(guān)鍵是建立地下污水管網(wǎng)感知體系,掌握污水運行動態(tài);其核心是利用可視化、數(shù)據(jù)分析手段,鎖定目標(biāo);其目的是為監(jiān)管提供技術(shù)手段、為執(zhí)法提供數(shù)據(jù)依據(jù)、為部門協(xié)同提供通道。

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