天津市排水管理处天津300130
摘要：市政排水设施完善与否关乎市民根本利益。当下我国的市政排水设施建设指导理念、治理技术、立法规制、责任追究同西方相比有较大差距。必须注重市政排水设施的安全建设，通过对道路排水监测指标、建筑排水监测指标和管网排水监测指标的分析，提出了基于物联网技术和GIS技术的城市排水设施安全运行监测及预警方案。
关键词：排水设施；安全运行；监测；预警
随着城市经济的高速发展，城市排水设施建设速度加快，排水设施维修养护工作量不断增加，突发性暴雨事件时有发生，尤其当道路上有积水时，排水管道中的大流量水体有较高的溢流风险，这就要求在预防、监测、应急处理及其后置工作上力争做到最佳，为排水设施的安全运行提供保障，最大限度地减少损失。因此，需要利用先进技术，完善应急排水监测预警体系，提出应对突发排水事件的监测及预警标准，为有效应对突发事件，实现常态管理与应急管理的有机结合，提高公共管理与社会服务水平提供技术支撑。
一、排水管网监测系统建设必要性
城市排水管网是地下隐蔽工程，其运行的主要指标及参数，如流速、流量、运行水位、有毒有害气体含量等都不能直观地检测与显示。但是，这些指标是日常管理必不可少的，对于管道的维护、更新改造、抢险排涝、污水收集，乃至于排水管道的科学研究、设计、规划等都有极其重要的意义。但是多年以来，对这些数据的获取缺乏科学手段，基本依靠维护工人的经验、记忆获得。城市排水管网运行管理几乎停留在定性分析方面，谈不上科学的定量分析与精细化管理。研究的目的主要采取先进的技术手段，建设一套功能实用、运行稳定的运行状态监测系统，实时掌握城市排水管网运行的各项技术指标和变化规律，将排水管网运行管理方面所需要的各类指标实时采集、传输、处理、分析、汇集整理，以满足管理工作的需要，实现隐蔽工程排水管网运行全过程的透明化、数量化和自动化监控，同时充分利用现代通信与计算机技术实现数据自动化采集与处理，使城市排水管网运行管理水平产生质的飞跃。
二、排水设施安全运行监测及预警标准数据库设计
排水管网数据信息作为排水设施安全监控中心和地理信息系统的支撑，其数据库平台是最基础也是至关重要的。城市排水设施主要由城市排水管网、泵站和污水处理厂组成。排水设施种类繁多，静态、动态数据量大，因此发现排水设施关键数据以及关键运行数据是进行排水设施安全运行监测及预警的首要步骤，以InfoWorksCS软件为例，以排水泵为分析对象，通过模拟排水泵在各状态下的运行过程，得到排水设施安全运行的关键数据。其关键步骤如下：
1、选定城市典型汇水区，设定其土地使用类型为基本生活用水类型。城市中常见的土地使用类型有：居民住宅用地、工业商业用地、公园和绿地、交通道路用地、其他用地。每种土地使用类型都有着不同的人口密度、生活用水定额、排水过程线、地面径流系数、污染指数等属性。不同的污水剖面类型有着不同的排水过程线和人口密度，在InfoWorksCS设置中录入数据即可。链接表示管网连接的完整程度，没有孤立的管网段则链接值为100。
2、设置管道参数。InfoWorksCS软件可以选用Colebrook-White或Manning公式来计算水力粗糙性。使用数值分别表示管道不同部位的水力粗糙性：一个用于管道底部1/3处，另一个用于横截面上的其他部分，使用粗糙值会使管道水力性能更加接近实际情况。具体设置值见表。
3、根据排水曲线经验值和实测结果（24h内），得到时变化系数，将泵站吸水池流量过程线的模型计算值与实测值进行对比，发现其拟合程度非常好，相对误差小于5%，证明模型计算正确率很高。结果显示，排水池流量大小与排水泵站的工作状态密切相关，是排水泵站安全运行的主要参数。按此步骤，可依次模拟排水井、污水处理厂、排水管道等排水设施的基本运行状态，从而得到相应排水设施的关键数据，在oracle数据库中建立对应关键值。其次，由于排水设施数据类型较多，应根据数据的窖井属性、雨水口属性、管线点属性、排放口属性、污染源接驳点属性等进行分层设计。空间数据采用ArcGIS中数据集与数据层的对应关系进行分层。
三、排水设施安全运行监测及预警系统标准设计
1、道路排水监测指标分析。对路面排水的研究主要可以分为：一是试验研究；二是理论研究。试验研究又可分为原型观测和室内物理模型模拟。某道路雨水口接纳的雨水包括该雨水口集水面积上单位时间的雨水量Q1及上游雨水口未及时排除的雨水量Q2，该雨水口未能及时排除的雨水量为Q3，则需要排除的雨水量可表示为：
式中：qp为计算管段排水设计秒流量，L/s；q0为同类型的一个卫生器具排水流量，L/s；N0为同类型卫生器具数；b为卫生器具同时排水百分数，冲洗水箱大便器按12%计算，其他卫生器具同给水百分数。建立一般的建筑排水设施安全运行监测及预警系统，如图所示。
3、管网排水监测指标。在排水管网系统分析过程中，排水流量是至关重要的数据。这部分数据反应排水量的多少，在分析结果中就能体现管道承载情况。所以，排水流量数据的准确与否是判断排水设施安全运行的关键因素。旱季入流量为不降雨时流入城市排水系统的城市生活污水量和部分生产废水量。旱季入流量曲线为旱季污水排放量随时间周期性变化的曲线，变化周期可以为日、周、月或年。旱季入流量与城市规划年限、发展规模、节点服务区内的土地使用类型、人口分布等因素有关，是城市排水管网系统的基本数据。此类系统的主要监测指标为汇流点的单位流量和动态水量变化状况。
4、排水设施安全运行监测及预警方案。根据关键数据分析结果，在主要排水设施泄水口安装流速计、流量计、液位计等，通过对现有城市排水管网进行实时监控，实时获取污水管网的流量、流速、液位等运行参数，对运行参数进行分析，预警污水管网冒溢造成城区河道水质污染等突发性环境事件的发生。当出现异常监测数据时，根据GIS数据库进行GIS网格单元分析，根据排水系统区域运行态势及异常数据持续时间，快速进行排水设施的异常等级评价，从而确定预警等级、预警区域以及预警时长，最终生成排水设施安全运行监测及预警方案
参考文献：
[1]李海.城市排水设施安全隐患探讨与解决方法[D].南昌：南昌大学，2015：8-10.
[2]彭海琴.基于GIS的城市排水管网动态规划系统的设计与实现[D].上海：华东师范大学，2016：3-6.