排水管網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)布點(diǎn)數(shù)量的確定
摘要：排水管網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)對(duì)城市排水智慧化管理、系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度、在線預(yù)警報(bào)警等工作的開展起到重要的支撐作用，需要在一定的經(jīng)濟(jì)成本約束下，制定合理有效的排水管網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)方案。其中，在線監(jiān)測(cè)布點(diǎn)數(shù)量的確定是制定方案的基礎(chǔ)工作，但目前主要依賴于人為主觀判斷，缺少定量化的方法。提出了排水管網(wǎng)分級(jí)監(jiān)測(cè)的思路，根據(jù)整體、分區(qū)和源頭三個(gè)層級(jí)的監(jiān)測(cè)思路，量化不同層級(jí)下最優(yōu)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)的數(shù)量及不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置下可實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)監(jiān)測(cè)效能，可指導(dǎo)排水管網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)布點(diǎn)數(shù)量的確定。將該方法分別在城市雨水系統(tǒng)和污水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量確定中進(jìn)行應(yīng)用，能夠支持監(jiān)測(cè)方案的量化評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)方式和指標(biāo)的篩選等。
作者簡介：郭效琛，博士，助理研究員，研究方向?yàn)槌鞘信潘芾怼?/p>
排水管網(wǎng)對(duì)于城市安全運(yùn)行起著重要的保障作用，但由于排水管網(wǎng)工程本身的隱蔽性強(qiáng)、分布范圍廣，導(dǎo)致其運(yùn)行狀態(tài)不清、管理難度較大，對(duì)管網(wǎng)混接、入流入滲等問題的分析診斷困難。利用排水管網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)可以支持排水系統(tǒng)問題的定量診斷與分析，支持排水系統(tǒng)的智能化管理；而數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性及有用性則是排水管網(wǎng)分析診斷的基礎(chǔ)。對(duì)所有排水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)布點(diǎn)，能夠全面掌握排水管網(wǎng)的運(yùn)行動(dòng)態(tài)，但節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，監(jiān)測(cè)成本過高；在經(jīng)濟(jì)成本的約束下，需要根據(jù)監(jiān)測(cè)需求和目的，制定科學(xué)有效的監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方案，篩選最具代表性的節(jié)點(diǎn)，以盡可能少的監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取盡量全面的排水管網(wǎng)信息，形成兼顧代表性和經(jīng)濟(jì)性的可行監(jiān)測(cè)方案。
對(duì)于特定區(qū)域，排水管網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)方案應(yīng)涵蓋監(jiān)測(cè)指標(biāo)、監(jiān)測(cè)布點(diǎn)數(shù)量、監(jiān)測(cè)位置以及監(jiān)測(cè)時(shí)間等多項(xiàng)內(nèi)容。其中，監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)量在監(jiān)測(cè)方案制定的初期是最為關(guān)鍵的指標(biāo)，為區(qū)域問題的整體規(guī)劃設(shè)計(jì)提供制定預(yù)算的依據(jù)，推進(jìn)項(xiàng)目的執(zhí)行。目前，排水管網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)布點(diǎn)數(shù)量的確定，主要依靠人為主觀經(jīng)驗(yàn)判斷，尚沒有統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)，造成布點(diǎn)數(shù)量的不確定性，降低了項(xiàng)目資金使用的有效性。
針對(duì)排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)定量化確定的問題，基于排水管網(wǎng)特征、運(yùn)行規(guī)律、監(jiān)測(cè)需求，研究按照整體監(jiān)測(cè)、分區(qū)監(jiān)測(cè)和源頭監(jiān)測(cè)三個(gè)部分，提出分層級(jí)的排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)思路，以水量監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量定量化的制定方法。
01 排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)
對(duì)于目標(biāo)區(qū)域排水管網(wǎng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的確定需要考慮對(duì)排水關(guān)鍵要素的覆蓋、監(jiān)測(cè)指標(biāo)的篩選以及區(qū)域開展監(jiān)測(cè)的目的。
排水管網(wǎng)是一種典型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的上下游關(guān)聯(lián)性，從排放源到分支管網(wǎng)、主干管網(wǎng)、泵站、污水廠及最終的受納水體，形成完整的排水系統(tǒng)。以污水排放系統(tǒng)為例，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的設(shè)置上，共可分為6個(gè)部分，如圖1所示。
①排放源。對(duì)污水系統(tǒng)而言，主要為片區(qū)內(nèi)重點(diǎn)企業(yè)或典型小區(qū)，作為排水戶，向市政管網(wǎng)系統(tǒng)排入生產(chǎn)及生活污水；在排口應(yīng)進(jìn)行水量和水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)偷排漏排起到監(jiān)管作用。對(duì)雨水系統(tǒng)而言，則為低影響開發(fā)項(xiàng)目，排口的監(jiān)測(cè)可直接支持項(xiàng)目達(dá)標(biāo)性的分析。
②分支節(jié)點(diǎn)。對(duì)于污水系統(tǒng)，分支節(jié)點(diǎn)反映多個(gè)排水戶的情況，可掌握一個(gè)小片區(qū)整體的排污情況。對(duì)于雨水系統(tǒng)，分支節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)主要針對(duì)歷史易澇點(diǎn)，可對(duì)城市內(nèi)澇問題進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)預(yù)警。
③主干節(jié)點(diǎn)。無論污水系統(tǒng)還是雨水系統(tǒng)，主干節(jié)點(diǎn)都起著重要的連接作用，通過流量和典型水質(zhì)指標(biāo)的聯(lián)合監(jiān)測(cè)，可作為上游問題驗(yàn)證、下游合理調(diào)度的依據(jù)。
④調(diào)蓄設(shè)施。針對(duì)調(diào)蓄控制的流域，體現(xiàn)上下游、排水系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度的關(guān)系。
⑤污水廠。污水系統(tǒng)的控制終端，通過進(jìn)、出水的監(jiān)測(cè)，對(duì)排水情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警，評(píng)估污水廠收水范圍內(nèi)的整體情況。
⑥排口。排水管網(wǎng)系統(tǒng)的末端，體現(xiàn)對(duì)城市水環(huán)境質(zhì)量的影響。
1.2 排水管網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)設(shè)置
排水監(jiān)測(cè)指標(biāo)整體上可分為水量和水質(zhì)兩大方面，同時(shí)需對(duì)降雨進(jìn)行監(jiān)測(cè)，作為排水分析的背景信息與基礎(chǔ)。
①雨量。利用在線雨量計(jì)，監(jiān)測(cè)片區(qū)內(nèi)的降雨信息。
②流量。水量監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)，可以支持定量分析。
③液位。水量監(jiān)測(cè)的輔助性指標(biāo)，監(jiān)測(cè)成本較低，可提供定性分析。
④水質(zhì)。在線監(jiān)測(cè)主要選擇簡單的單項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行整體掌握；其中雨水管網(wǎng)系統(tǒng)可選擇懸浮物（SS）；污水管網(wǎng)系統(tǒng)可選擇電導(dǎo)率；受納水體可選擇SS和溶解氧（DO）。
1.3 排水管網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)目的
不同區(qū)域排水管網(wǎng)系統(tǒng)面臨的問題不同，因而排水管網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)的目的也有所差異，需要根據(jù)各自具體的監(jiān)測(cè)目的，進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置和監(jiān)測(cè)指標(biāo)的選擇。
不同監(jiān)測(cè)目的下監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置分析如表1所示。
02 監(jiān)測(cè)點(diǎn)量化確定的依據(jù)
對(duì)排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行定量化的制定，需要滿足排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)的要求，并根據(jù)不同要素的重要程度進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的排序，從而在一定經(jīng)濟(jì)成本約束下，確定最優(yōu)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量。
2.1 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)位置要求
2.1.1 雨水系統(tǒng)排放口
雨水排放口在旱季不應(yīng)有水流排放，若旱季存在排水則應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，支持區(qū)域的偷排漏排管理；在降雨期間對(duì)雨水徑流排放進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可對(duì)片區(qū)整體的徑流水量及水質(zhì)情況進(jìn)行評(píng)估?？筛鶕?jù)排口大小，選擇具備監(jiān)測(cè)條件的雨水排口進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)：
①DN300以下，雨水徑流量小（一般小于3.2m3/min），對(duì)水體影響有限，可不監(jiān)測(cè)；
②DN300～DN600中等排水口，對(duì)城市水體影響明顯，需監(jiān)測(cè)流量；
③DN600及以上是主排口，降雨期間排入水體的水量大，對(duì)城市水體影響顯著，需進(jìn)行流量及水質(zhì)監(jiān)測(cè)。
2.1.2 合流制溢流口
在合流制體制下，混合污水的流量超過截污干管的輸水能力時(shí)，部分污水會(huì)發(fā)生溢流直接進(jìn)入受納水體；部分排口在旱季甚至存在污水直排的現(xiàn)象，通過對(duì)合流制溢流排口的監(jiān)測(cè)可評(píng)估區(qū)域整體溢流污染情況，對(duì)點(diǎn)源污染進(jìn)行有效的監(jiān)管。
①由于在降雨強(qiáng)度較大時(shí)，混合污水流量超過截流干管輸水能力，合流制排口存在污水排入水體的可能，所有排口均有監(jiān)測(cè)的需求。
②所有排放口均優(yōu)先保障流量監(jiān)測(cè)，對(duì)于重點(diǎn)排口（DN600及以上），若發(fā)生污水直排對(duì)城市水環(huán)境影響顯著，有條件時(shí)應(yīng)進(jìn)一步補(bǔ)充水質(zhì)監(jiān)測(cè)。
2.1.3 雨水管網(wǎng)
①選擇下游主干管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)，可支持對(duì)應(yīng)分區(qū)的徑流總量控制率評(píng)估；
②歷史積水點(diǎn)及易澇點(diǎn)進(jìn)行液位監(jiān)測(cè)，對(duì)城市內(nèi)澇進(jìn)行預(yù)警并評(píng)估水安全情況。
2.1.4 合流制及污水管網(wǎng)
在管道主干節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)，可支持水量平衡、管網(wǎng)運(yùn)行規(guī)律的識(shí)別；對(duì)入流入滲、雨污混接等管網(wǎng)問題進(jìn)行診斷分析。
①選擇帶壓運(yùn)行壓力較高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行液位監(jiān)測(cè)，為運(yùn)行評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供在線動(dòng)態(tài)依據(jù)；
②在泵站、調(diào)蓄池、污水廠等主要設(shè)施的進(jìn)出水口進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)，為排水系統(tǒng)的整體運(yùn)行調(diào)度提供依據(jù)。
2.2 節(jié)點(diǎn)布置優(yōu)先原則
無論是源頭、管網(wǎng)還是排口，作為排水系統(tǒng)的組成部分，都有監(jiān)測(cè)的需求；污水和雨水也都應(yīng)同步開展監(jiān)測(cè)，但在經(jīng)濟(jì)成本有限、監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置不夠的情況下，無法完全滿足監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置的需求，考慮不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的重要性，應(yīng)對(duì)重要節(jié)點(diǎn)優(yōu)先進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
①排口>管網(wǎng)>源頭
排口作為排水管網(wǎng)系統(tǒng)的終端，對(duì)城市水環(huán)境有顯著影響，應(yīng)優(yōu)先監(jiān)測(cè)；管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是排水系統(tǒng)的過程部分，起著承上啟下的聯(lián)通作用；源頭是排水系統(tǒng)的源頭端，個(gè)別排水戶/項(xiàng)目對(duì)整體排水系統(tǒng)的影響相對(duì)有限。
②污水>雨水
目前大多數(shù)城市的分流制排水體系，從排放時(shí)間角度，污水持續(xù)存在而雨水徑流僅在降雨期間產(chǎn)生；從城市監(jiān)管角度，污水的排放更需要進(jìn)行合理有效的組織與管理。
03 排水管網(wǎng)分級(jí)監(jiān)測(cè)方法
為支持排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)數(shù)量的量化確定，在監(jiān)測(cè)方案制定過程中采用分級(jí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)體系，逐級(jí)完善排水管網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)。
3.1 整體技術(shù)體系
分級(jí)監(jiān)測(cè)技術(shù)體系以區(qū)域監(jiān)測(cè)目的為基礎(chǔ)，包括整體監(jiān)測(cè)、分區(qū)監(jiān)測(cè)和源頭監(jiān)測(cè)3個(gè)層級(jí)，不同層級(jí)所涵蓋的監(jiān)測(cè)要素不同，能實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)目的也有所差異，如表2所示。
① 整體監(jiān)測(cè)
整體監(jiān)測(cè)主要是對(duì)區(qū)域整體情況的掌握，覆蓋程度相對(duì)有限，僅針對(duì)管網(wǎng)的主要節(jié)點(diǎn)，管網(wǎng)布點(diǎn)密度較低。整體監(jiān)測(cè)針對(duì)的是區(qū)域最重要的節(jié)點(diǎn)，能夠掌握區(qū)域排水的基本負(fù)荷情況，支持基礎(chǔ)性管理工作的開展，建議進(jìn)行長期固定監(jiān)測(cè)。
② 分區(qū)監(jiān)測(cè)
結(jié)合區(qū)域匯水關(guān)系和管網(wǎng)存在的問題，對(duì)區(qū)域進(jìn)行劃分，基于網(wǎng)格化的思維模式，將各分區(qū)作為監(jiān)測(cè)單元，對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行合理的分解。
在分區(qū)監(jiān)測(cè)層級(jí)下，可對(duì)各分區(qū)的排水問題進(jìn)行診斷分析，形成相對(duì)精細(xì)化的管理模式，可支持大部分排水管網(wǎng)問題的管理，但由于未涉及排水源頭部分的監(jiān)測(cè)，無法進(jìn)行污染溯源，不能對(duì)排水戶進(jìn)行追責(zé)，不能評(píng)價(jià)雨水管控項(xiàng)目的效果。
③ 源頭監(jiān)測(cè)
污水系統(tǒng)主要針對(duì)企業(yè)、居民小區(qū)等排水戶，雨水系統(tǒng)則主要針對(duì)各類低影響開發(fā)項(xiàng)目。
源頭監(jiān)測(cè)在分區(qū)監(jiān)測(cè)層級(jí)上進(jìn)一步細(xì)化，可支持溯源分析并進(jìn)行追責(zé)，可輔助排水管理，落實(shí)排水許可制度的動(dòng)態(tài)監(jiān)管，將在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，對(duì)污染排放源進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，實(shí)時(shí)更新狀態(tài)。對(duì)低影響開發(fā)改造項(xiàng)目，則可支持項(xiàng)目達(dá)標(biāo)分析，根據(jù)評(píng)估結(jié)果可對(duì)存在的問題進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)與優(yōu)化。
3.2 分級(jí)監(jiān)測(cè)定量評(píng)分曲線
為支持監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的定量化確定，需要對(duì)監(jiān)測(cè)效能進(jìn)行量化評(píng)分，確定不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置下所能實(shí)現(xiàn)的最佳監(jiān)測(cè)效能，并通過分?jǐn)?shù)進(jìn)行刻畫，從而形成分級(jí)監(jiān)測(cè)定量評(píng)分曲線。
3.2.1 最佳監(jiān)測(cè)效能的確定
同樣數(shù)量的在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)置，布置于不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置、監(jiān)測(cè)不同的監(jiān)測(cè)要素，所能實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)效能則有所差異。對(duì)于尚未開展監(jiān)測(cè)的區(qū)域而言，優(yōu)先在排口布置在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，能夠掌握區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)匯水范圍的整體情況，但僅布置在單獨(dú)源頭排水戶的排口，所能獲取的信息則大幅減少，對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)效能降低。
在一定數(shù)量的點(diǎn)位設(shè)置下，應(yīng)按照節(jié)點(diǎn)布置的優(yōu)先原則進(jìn)行監(jiān)測(cè)位置的篩選，將有限的監(jiān)測(cè)設(shè)備布置在重要的監(jiān)測(cè)要素上，獲取關(guān)鍵信息。
3.2.2 各層級(jí)最優(yōu)監(jiān)測(cè)數(shù)量設(shè)定
以項(xiàng)目區(qū)域的面積、管網(wǎng)長度、排口數(shù)量等信息為基礎(chǔ)，依據(jù)監(jiān)測(cè)目標(biāo)，對(duì)不同層級(jí)下最優(yōu)方案監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)行設(shè)定。將整體監(jiān)測(cè)最優(yōu)數(shù)量對(duì)應(yīng)的評(píng)分設(shè)為100分，分區(qū)監(jiān)測(cè)和源頭監(jiān)測(cè)在整體監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，能夠更進(jìn)一步了解排水系統(tǒng)情況，支持排水系統(tǒng)的診斷分析和智慧化管理，對(duì)應(yīng)的分值逐級(jí)增加，將分區(qū)監(jiān)測(cè)最優(yōu)數(shù)量得分設(shè)為200分，源頭監(jiān)測(cè)最優(yōu)數(shù)量得分設(shè)為300分；不同層級(jí)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)目的不同，對(duì)各要素監(jiān)測(cè)覆蓋的比例要求也就有所差異，以水量監(jiān)測(cè)布置的最優(yōu)數(shù)量為例，需依據(jù)區(qū)域內(nèi)各要素節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行確定，如表3所示。
根據(jù)目前對(duì)城市排水系統(tǒng)的要求，污水不能直接排入受納水體，許多城市對(duì)污水直排口進(jìn)行了封堵和改造，但仍留有合流制溢流口，屬于重點(diǎn)監(jiān)測(cè)要素，在整體監(jiān)測(cè)層級(jí)下，應(yīng)盡可能進(jìn)行監(jiān)測(cè)覆蓋；區(qū)域內(nèi)雨水排口數(shù)量遠(yuǎn)多于排污口，尤其是河流水系密布的區(qū)域，大小排口沿河分布，在整體監(jiān)測(cè)和分區(qū)監(jiān)測(cè)層級(jí)下僅需要覆蓋主要排口，達(dá)到源頭監(jiān)測(cè)層級(jí)后，才需對(duì)所有具有監(jiān)測(cè)需求的雨水排口進(jìn)行覆蓋。
在管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)布置部分，整體監(jiān)測(cè)層級(jí)最優(yōu)數(shù)量僅覆蓋管網(wǎng)系統(tǒng)核心的節(jié)點(diǎn)；以整體監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，考慮區(qū)域排水分區(qū)的劃分情況，識(shí)別排水管網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在主干節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上覆蓋分支節(jié)點(diǎn)，雖然分區(qū)監(jiān)測(cè)層級(jí)下，最優(yōu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量增加有限，但可支持大部分排水管網(wǎng)問題的診斷與分析；在源頭監(jiān)測(cè)層級(jí)下，由于污水系統(tǒng)的排水戶以及雨水系統(tǒng)的地塊類項(xiàng)目數(shù)量巨大，最優(yōu)監(jiān)測(cè)數(shù)量大幅增加。
在各層級(jí)內(nèi)，由監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置的覆蓋比例確定基礎(chǔ)得分，并根據(jù)布點(diǎn)的要求、優(yōu)先原則、監(jiān)測(cè)點(diǎn)覆蓋的重要程度，進(jìn)行分?jǐn)?shù)的調(diào)整，對(duì)應(yīng)分值均為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量下所能實(shí)現(xiàn)的最佳監(jiān)測(cè)效能。
分級(jí)監(jiān)測(cè)體系下在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量定量評(píng)分曲線如圖2所示。
04 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量量化確定的應(yīng)用
基于分級(jí)監(jiān)測(cè)體系，利用定量化評(píng)分曲線，對(duì)于特定區(qū)域，可根據(jù)基本的排水管網(wǎng)資料和監(jiān)測(cè)需求，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行初步的量化確定，并根據(jù)經(jīng)濟(jì)約束條件，確定監(jiān)測(cè)方式，形成區(qū)域初步的監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方案，并能夠指導(dǎo)監(jiān)測(cè)方案的優(yōu)化與調(diào)整。
4.1 雨水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)
以某海綿試點(diǎn)區(qū)的監(jiān)測(cè)為例，根據(jù)海綿城市考核評(píng)估的需求，按照降雨徑流的匯集過程，從源頭到過程到末端，建立全過程系統(tǒng)性的監(jiān)測(cè)體系，全面掌握海綿試點(diǎn)區(qū)的雨水徑流排放情況，能夠支持多個(gè)排水分區(qū)的精細(xì)化管理及問題診斷，對(duì)源頭低影響開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)與分析并督促優(yōu)化整改。
該海綿試點(diǎn)城市位于我國東部地區(qū)，對(duì)海綿試點(diǎn)區(qū)的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行基本資料的收集：試點(diǎn)區(qū)域面積共計(jì)25.24 km2，其中排水管網(wǎng)輻射面積為20.5 km2；現(xiàn)狀雨水管道長約79.5 km；末端入河主要排放口共計(jì)75個(gè)，其中雨水排放口73個(gè)，合流制排放口2個(gè)；源頭低影響開發(fā)改造地塊類項(xiàng)目共計(jì)108個(gè)。根據(jù)試點(diǎn)區(qū)的基本信息，考慮3個(gè)層級(jí)的監(jiān)測(cè)需求，分別確定最優(yōu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量，即，整體監(jiān)測(cè)最優(yōu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為39個(gè)，分區(qū)監(jiān)測(cè)最優(yōu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為76個(gè)，源頭監(jiān)測(cè)最優(yōu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為178個(gè)。海綿試點(diǎn)區(qū)域評(píng)分曲線如圖3所示。
根據(jù)監(jiān)測(cè)目的和需求，應(yīng)完成整體監(jiān)測(cè)和分區(qū)監(jiān)測(cè)，考慮源頭地塊項(xiàng)目數(shù)量較多，應(yīng)盡可能覆蓋，在源頭監(jiān)測(cè)層級(jí)部分，監(jiān)測(cè)效能應(yīng)達(dá)到80%及以上。
4.1.1 整體和分區(qū)監(jiān)測(cè)
根據(jù)區(qū)域內(nèi)的排水關(guān)系，海綿試點(diǎn)區(qū)共劃分17個(gè)子排水分區(qū)，在排口部分共布置75臺(tái)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，覆蓋所有排口；在管網(wǎng)監(jiān)測(cè)部分，兼顧各排水分區(qū)，設(shè)置26個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)管網(wǎng)主干和分支節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
① 排口監(jiān)測(cè)
在匯流區(qū)域面積大的主要雨水排放口和2個(gè)合流制排放口布置流量在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集流量信息，共計(jì)60處；在匯流區(qū)域小的排放口布置液位在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，僅作為排放口是否有出流的定性判斷，共計(jì)15處。
② 管網(wǎng)監(jiān)測(cè)
在雨污混接處下游管網(wǎng)或主干管網(wǎng)下游節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)，支持排水管網(wǎng)日常運(yùn)行規(guī)律的定量分析，共12處；在區(qū)域易澇點(diǎn)、管網(wǎng)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行液位在線監(jiān)測(cè)，支持內(nèi)澇預(yù)警及管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，共14處。
4.1.2 源頭監(jiān)測(cè)
海綿試點(diǎn)區(qū)內(nèi)共計(jì)108個(gè)源頭地塊類項(xiàng)目，若全部布置在線監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所需成本會(huì)大幅增加；另外，根據(jù)評(píng)分曲線，源頭監(jiān)測(cè)部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加顯著，但后期分值增加幅度有限?？紤]各個(gè)地塊排水具有一定的相似性，僅選擇典型項(xiàng)目進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。篩選住宅小區(qū)、公園綠地、廣場等不同類型具有代表性的19個(gè)典型項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于項(xiàng)目排口不唯一，部分項(xiàng)目需多臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備，共布置34 處。
4.1.3 監(jiān)測(cè)方案初步制定
根據(jù)試點(diǎn)區(qū)排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料，可得到3個(gè)監(jiān)測(cè)層級(jí)下最優(yōu)的監(jiān)測(cè)布點(diǎn)數(shù)量，并得到定量化的評(píng)分曲線。
考慮海綿城市建設(shè)效果考核評(píng)估的需求，進(jìn)行監(jiān)測(cè)布點(diǎn)數(shù)量的確定，最終形成135處在線監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方案，覆蓋試點(diǎn)區(qū)全部排口、主干和分支節(jié)點(diǎn)以及典型源頭項(xiàng)目。在評(píng)分曲線中，對(duì)應(yīng)得分為285分，在布點(diǎn)位置、指標(biāo)選擇合理的最優(yōu)布點(diǎn)方式下，理論上可完成整體監(jiān)測(cè)和分區(qū)監(jiān)測(cè)。在源頭監(jiān)測(cè)部分，通過對(duì)典型項(xiàng)目的篩選，可進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，在有限的經(jīng)濟(jì)成本投入下，完成該層級(jí)85%左右的監(jiān)測(cè)效能。
試點(diǎn)區(qū)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)示意及得分見圖4。
4.2 污水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)
為實(shí)現(xiàn)廠網(wǎng)一體化的智能管控模式、支持排水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警機(jī)制的建立、評(píng)估區(qū)域內(nèi)實(shí)施控源截污工程改造的效果，某市需對(duì)污水排水系統(tǒng)建立從排水戶到污水廠的全過程在線監(jiān)測(cè)。該在線監(jiān)測(cè)體系的建立，能夠?yàn)橛晡刍炝鳌⑴潘畱敉蹬?、入流入滲、污水廠進(jìn)水濃度低、管網(wǎng)帶壓運(yùn)行等問題提供數(shù)據(jù)，從而大幅提高排水系統(tǒng)整體運(yùn)行的可靠性和效率。
該市位于長江流域，城區(qū)核心區(qū)域面積共計(jì)63.5 km2；新建區(qū)域的市政管網(wǎng)為雨污分流，但城區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域?yàn)楹狭髦疲嬖谖鬯潞蝇F(xiàn)象，目前正在實(shí)行控源截污工程，消除污水直排現(xiàn)象；主城區(qū)內(nèi)共計(jì)3座污水處理廠、21座泵站；區(qū)域范圍內(nèi)水系密布，沿岸大小排污口共計(jì)600余個(gè)；排水戶共計(jì)323 個(gè)。
4.2.1 監(jiān)測(cè)方案分級(jí)量化制定
以區(qū)域基本信息為基礎(chǔ)，考慮監(jiān)測(cè)目的和需求，以污水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)為主，暫不考慮對(duì)雨水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，按照分級(jí)監(jiān)測(cè)量化評(píng)分的方法，可得到監(jiān)測(cè)效能分值與監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)的關(guān)系曲線圖，如圖5所示。
由于區(qū)域面積大，水系密布、排口眾多，各層級(jí)下最優(yōu)監(jiān)測(cè)所需的布點(diǎn)數(shù)量都較大，若都采用固定設(shè)備的監(jiān)測(cè)模式，經(jīng)濟(jì)成本過高，因此在兼顧考慮經(jīng)濟(jì)性與滿足需求的雙重約束下，采用固定與輪換相結(jié)合的監(jiān)測(cè)模式，利用有限的監(jiān)測(cè)成本盡量覆蓋較多的點(diǎn)位。
通過輪換監(jiān)測(cè)的方式，在相同監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)量下，覆蓋的監(jiān)測(cè)范圍可顯著提升，提高監(jiān)測(cè)效能，但相比于固定監(jiān)測(cè)，輪換監(jiān)測(cè)的方式必然會(huì)損失一部分信息量，因此需針對(duì)排水系統(tǒng)內(nèi)不同要素的特征和監(jiān)測(cè)需求，選擇監(jiān)測(cè)方式，保障在線監(jiān)測(cè)的有效性。
① 固定監(jiān)測(cè)的內(nèi)容
區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)部分所需監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量較少，主要是污水主干管，需長期持續(xù)收集數(shù)據(jù)；為支持排水系統(tǒng)整體的運(yùn)行調(diào)度，排水設(shè)施如污水廠進(jìn)水主干管和泵站也需要固定監(jiān)測(cè)收集數(shù)據(jù)；排口部分，由于數(shù)量過多，僅對(duì)大型排口（d≥600 mm）采用固定監(jiān)測(cè)的方式；考慮排水戶監(jiān)管的需求，典型排水戶開展固定監(jiān)測(cè)，掌握區(qū)域排水規(guī)律。
② 輪換監(jiān)測(cè)的內(nèi)容
區(qū)域內(nèi)大部分排口屬于中小型排口，入河水量有限，可采用輪換監(jiān)測(cè)的方式，階段性收集數(shù)據(jù)；對(duì)區(qū)域內(nèi)大部分排水戶采用輪換監(jiān)測(cè)的方式，采集排水戶信息。
4.2.2 排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)
① 污水主干管監(jiān)測(cè)
結(jié)合主城區(qū)控源截污工程開展的管網(wǎng)完善工程，對(duì)新建主干管（d800 mm和d1 000 mm）以及現(xiàn)狀污水主干管，進(jìn)行流量固定監(jiān)測(cè)，掌握區(qū)域整體排污情況，共計(jì)16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
② 歷史積水點(diǎn)監(jiān)測(cè)
區(qū)域以污水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)為主，考慮對(duì)積水內(nèi)澇預(yù)警報(bào)警，選擇內(nèi)澇嚴(yán)重的9個(gè)積水點(diǎn)進(jìn)行液位的監(jiān)測(cè)。
③ 泵站進(jìn)出口
區(qū)域范圍內(nèi)共選擇13座泵站，在泵站的進(jìn)水口進(jìn)行流量的在線監(jiān)測(cè)，掌握各泵站服務(wù)范圍內(nèi)來水量，從而為泵站調(diào)控策略的制定提供水量數(shù)據(jù)；選擇其中規(guī)模較大的4個(gè)主要泵站布置自動(dòng)采樣器，在流量發(fā)生突變時(shí)，可觸發(fā)采樣，進(jìn)一步對(duì)水樣進(jìn)行人工檢測(cè)化驗(yàn)，選擇pH、電導(dǎo)率、濁度、氨氮、COD等指標(biāo)進(jìn)行化驗(yàn)，可掌握區(qū)域內(nèi)水質(zhì)情況。
④ 污水廠干管
對(duì)污水廠收水干管進(jìn)行液位監(jiān)測(cè)，從而掌握干管的充滿度；對(duì)污水廠的運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行預(yù)警，支持排水系統(tǒng)的一體化調(diào)度；根據(jù)管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系，2座污水廠分別與2根主干管相連，共需4臺(tái)在線液位計(jì)。
4.2.3 排口監(jiān)測(cè)
① 固定監(jiān)測(cè)
共篩選管徑600 mm及以上的重要排口進(jìn)行流量和水質(zhì)的固定監(jiān)測(cè)，共計(jì)13臺(tái)在線流量計(jì)和13臺(tái)水質(zhì)在線預(yù)警儀。
② 輪換監(jiān)測(cè)
服務(wù)于控源截污工程，需摸查排口以及未進(jìn)行截污干管建設(shè)區(qū)域和封堵的排口，避免偷排和漏排，共需對(duì)項(xiàng)目范圍內(nèi)的142個(gè)排口開展輪換監(jiān)測(cè)，需預(yù)留24臺(tái)在線流量計(jì)。
4.2.4 排水戶監(jiān)測(cè)
① 固定監(jiān)測(cè)
選擇典型小區(qū)市政管道接口布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。選擇已經(jīng)進(jìn)行雨污分流改造且排水量較大的項(xiàng)目進(jìn)行固定監(jiān)測(cè)，分析雨天旱天運(yùn)行情況，初步篩選29個(gè)典型排水戶監(jiān)測(cè)，共需29臺(tái)流量計(jì)和29臺(tái)自動(dòng)采樣器。
② 輪換監(jiān)測(cè)
對(duì)清河區(qū)188戶、清浦區(qū)114戶以及開發(fā)區(qū)21戶采取雨污合流制的排水戶進(jìn)行雨污分流改造，共計(jì)323戶。除固定監(jiān)測(cè)29戶，其余294戶采用輪換監(jiān)測(cè)，預(yù)計(jì)在一年內(nèi)完成所有排水戶雨季和旱季排口水量和水質(zhì)的數(shù)據(jù)收集。經(jīng)計(jì)算，共需19臺(tái)在線流量計(jì)，進(jìn)行16次輪換監(jiān)測(cè)。
4.2.5 監(jiān)測(cè)方案評(píng)價(jià)與優(yōu)化
該市主城區(qū)排水管網(wǎng)采用在線監(jiān)測(cè)，水量在線監(jiān)測(cè)方面共計(jì)139臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備，各要素布點(diǎn)的在線液位計(jì)和在線流量計(jì)如表4所示。其中，部分要素采用輪換監(jiān)測(cè)的方式，等效覆蓋監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量大幅增加，可達(dá)到532 個(gè)。
根據(jù)分級(jí)監(jiān)測(cè)的理論分值曲線，覆蓋532個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，監(jiān)測(cè)效能對(duì)應(yīng)的分值為220分（見圖6），可基本滿足3個(gè)層級(jí)的監(jiān)測(cè)需求，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)目的。但受經(jīng)濟(jì)條件制約，采用輪換監(jiān)測(cè)的方式，對(duì)于面積較大的監(jiān)測(cè)區(qū)域，提高了監(jiān)測(cè)覆蓋度，但監(jiān)測(cè)的精細(xì)化程度較差，若后期經(jīng)濟(jì)條件允許，可再增加20臺(tái)左右的設(shè)備，將等效監(jiān)測(cè)覆蓋點(diǎn)提升至600 個(gè)左右，監(jiān)測(cè)效能對(duì)應(yīng)得分可明顯提升。
05 結(jié)果與討論
對(duì)于排水管網(wǎng)系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)而言，在制定監(jiān)測(cè)方案時(shí)，在線監(jiān)測(cè)的布點(diǎn)數(shù)量是首先需要考慮的問題。針對(duì)不同區(qū)域的監(jiān)測(cè)目的和需求，根據(jù)分級(jí)監(jiān)測(cè)的思路，明確不同層級(jí)下最優(yōu)監(jiān)測(cè)方案的布點(diǎn)數(shù)量和不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)下所能實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)效能，可支持監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的量化確定、方案量化評(píng)價(jià)與優(yōu)化、監(jiān)測(cè)方式選擇以及監(jiān)測(cè)的逐步完善等。
5.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的量化確定
根據(jù)項(xiàng)目區(qū)域排水系統(tǒng)所面臨的問題以及監(jiān)測(cè)目的，確定監(jiān)測(cè)方案對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)層級(jí)，在每一層級(jí)內(nèi)根據(jù)評(píng)分曲線確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。
①各層級(jí)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)置應(yīng)盡量靠近最優(yōu)方案，一般而言，各層級(jí)內(nèi)與最優(yōu)方案相比，監(jiān)測(cè)效能應(yīng)大于80%（對(duì)應(yīng)整體監(jiān)測(cè)為80分，分區(qū)監(jiān)測(cè)180分，源頭監(jiān)測(cè)280分），以實(shí)現(xiàn)該層級(jí)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)目的。
②結(jié)合分值曲線各區(qū)間段的具體形狀，分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的邊際效益，從而調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。評(píng)分曲線的斜率能夠在一定程度上反映監(jiān)測(cè)點(diǎn)所起到的邊際效益，某些階段曲線斜率較大，說明該部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的增加，能夠顯著增加監(jiān)測(cè)方案整體的有效性，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，應(yīng)增加該部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量；但也有一些監(jiān)測(cè)點(diǎn)邊際效益較低，雖然增加一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的成本固定，但對(duì)監(jiān)測(cè)方案整體效果的提升相對(duì)有限，只有在經(jīng)濟(jì)預(yù)算充足的情況下才需進(jìn)行布設(shè)。
5.2 監(jiān)測(cè)方案量化評(píng)價(jià)與優(yōu)化
評(píng)分曲線按照監(jiān)測(cè)布點(diǎn)優(yōu)先原則繪制，是一定監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量下所能實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)監(jiān)測(cè)效果，隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加，對(duì)應(yīng)的分值升高，逐步接近最優(yōu)方案。
①在一定經(jīng)濟(jì)成本投入的約束下，可得到所能布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量，快速確定該條件下能實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)監(jiān)測(cè)效果。
②隨著項(xiàng)目實(shí)施的推進(jìn)，監(jiān)測(cè)方案也需要進(jìn)行一定的優(yōu)化與調(diào)整，利用定量評(píng)分曲線，可以預(yù)評(píng)估監(jiān)測(cè)方案調(diào)整后的理想效果。
5.3 監(jiān)測(cè)方式的選擇
在相同監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)量的條件下，綜合利用固定監(jiān)測(cè)和輪換監(jiān)測(cè)的方式，可以大幅提高監(jiān)測(cè)設(shè)備的覆蓋范圍，提升監(jiān)測(cè)方案對(duì)應(yīng)的評(píng)分。但設(shè)備輪換需要一定的更換時(shí)間，與固定監(jiān)測(cè)相比，勢(shì)必會(huì)損失一部分信息。
①整體監(jiān)測(cè)是區(qū)域核心關(guān)鍵點(diǎn)，掌握區(qū)域排水必需的基本信息，宜采用固定監(jiān)測(cè)。
②分區(qū)監(jiān)測(cè)部分對(duì)應(yīng)的曲線斜率整體較大，單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所起到的邊際效益高，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可支持排水管網(wǎng)大部分問題的診斷，宜采用固定或輪換監(jiān)測(cè)。
③源頭監(jiān)測(cè)，由于排水戶/源頭項(xiàng)目數(shù)量眾多所需監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量大，曲線斜率較小，選擇代表性的進(jìn)行固定監(jiān)測(cè)，其余宜采用輪換或臨時(shí)監(jiān)測(cè)。
5.4 分級(jí)監(jiān)測(cè)的逐步完善
對(duì)于特定項(xiàng)目區(qū)域，應(yīng)分階段實(shí)施分級(jí)監(jiān)測(cè)，避免在基礎(chǔ)信息有限、監(jiān)測(cè)實(shí)施條件較差的情況下，盲目追求一步到位。
①應(yīng)優(yōu)先布置整體監(jiān)測(cè)部分所需的點(diǎn)位，作為對(duì)區(qū)域整體信息的掌握，為后期監(jiān)測(cè)布點(diǎn)提供基礎(chǔ)；尤其是基礎(chǔ)資料較差區(qū)域，盡快掌握區(qū)域排水整體特征。
②在整體監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，可同步對(duì)分區(qū)監(jiān)測(cè)和排水戶監(jiān)測(cè)所需的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備安裝，支持區(qū)域排水精細(xì)化管理，以及污染溯源。
③完成設(shè)備安裝后，開始持續(xù)收集數(shù)據(jù)，根據(jù)已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，持續(xù)補(bǔ)充完成剩余監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備安裝。
④根據(jù)監(jiān)測(cè)目的、資金成本和已有數(shù)據(jù)，結(jié)合分值曲線，對(duì)初步的監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。