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在线液位监测在排水系统中的应用

发表时间：2021/6/17 来源：《基层建设》2021年第6期作者：周诚

[导读] 摘要：基于在线液位监测在排水系统中的实际应用，提出在线液位监测网络体系构建步骤，探讨了实时预警预报、运行规律识别以及联合调度运行三个方面的典型应用模式，指导排水设施运行维护和设施联合调度、识别水位变化规律进行异常排水事件溯源、评估雨天溢流风险，实现利用在线液位数据提升排水设施运行管护水平，提升城市排涝应急响应能力，为城市构建液位监测网络、排水设施智能化运行管理提供经验。

        武汉市规划设计有限公司 430000
        摘要：基于在线液位监测在排水系统中的实际应用，提出在线液位监测网络体系构建步骤，探讨了实时预警预报、运行规律识别以及联合调度运行三个方面的典型应用模式，指导排水设施运行维护和设施联合调度、识别水位变化规律进行异常排水事件溯源、评估雨天溢流风险，实现利用在线液位数据提升排水设施运行管护水平，提升城市排涝应急响应能力，为城市构建液位监测网络、排水设施智能化运行管理提供经验。
        关键字：排水系统；液位监测；液位数据分析；联合调度
        0前言
        随着城市排水系统的逐步完善，排水管网和设施也随之庞杂，运维管理难度也越来越大。排水系统作为城市重要的基础设施，需要有效保障其发挥相应的作用，提升设施运行效益，避免内涝或溢流事故的发生或缩短内涝或溢流事故的时间。目前多个城市已利用物联网、传感器、GIS 等技术，结合管理部门对在线监测和预警体系的建设要求，部署了大量在线液位设备，开展了城市排水管网智慧化管理探索，建立了排水管网的监测和预警体系，实现对城市排水管网多点实时监测和对内涝提前预警预报[1]。但仍存在智能化液位监测设备覆盖不足，监测体系不完备，大量监测数据分析简单，导致缺乏有效的预警预报以及对运行规律性识别，很难为运行管理、规划建设和联合调度提供数据支持[2]。本文各地在线液位计的综合应用，阐述在线监测网络构建过程，以及液位监测数据分析和应用模式，为城市排水系统的运行管理、内涝防治等提供智慧化手段。
        1在线液位监测概述
        排水系统中应用的在线液位设备主要是通过液位传感器实时采集排水管渠、排口、泵站、调蓄池及河道的水位变化，将水位数据利用无线网络转输至信息服务器，为之后的数据分析应用提供数据基础[3]。液位传感器主要分为非接触式测量（超声波、雷达测量）和接触式测量（压力测量），非接触式测量是利用超声波或超高频电磁波在空气中的传播速度为已知，测量声波或电磁波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离；压力测量是利用所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，利用压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号来测算实际水位高度。相比在线流量和水质监测，在线液位设备具有测量精度高、灵敏度高，设备适应各类复杂环境，安装维护方便，价格低等特点，因此广泛应用在海绵城市监测、智慧排水、排水设施运行调度等领域。
        2 在线液位监测网络构建
        在线液位监测网络的构建通常按照如下的工作步骤：①梳理现有液位监测设备，②结合排水系统特征分析现状监测需求，③明确监测点点位和安装设备的类型并进行设备部署，④分析监测数据并优化监测点位，⑤进行液位数据应用。技术路线如下图1所示。

        图1在线液位监测网络构建示意图
        具体工作内容如下：（1）汇总各排水系统分区内现状液位设备分布及可用性情况，包括调蓄池及泵站等排水设施内液位设备。（2）收集在排水系统实际运行管理过程中发现的问题及管护需求，根据现状管网数据，分析排水管网系统结构及关键点，结合淹积水图，闸、泵等排水设施，提出合理选择监测区/段，制定监测点初步方案。（3）结合现场勘查，进一步确定满足监测设备安装要求的监测点和监测设备，并进行在线液位设备，收集在线液位监测数据[4]。（4）对监测设备取得的数据进行分析判别，识别在旱季和雨季没有溢流风险的点位，结合实际管理运维需求，将可轮换点的监测设备优化到其他需要区域，提供实时动态液位数据，把握排水管网水位变化情况，为内涝、溢流等提供及时预警预报。
        3典型应用模式
        3.1 实时预警预报应用
        基于在线液位监测设备具有实时动态监测的特性，可实现单点实时预警、报警和多点动态空间预警分析。通过合理设置监测点处设置预警、报警、溢流水位线，可为运行风险管理提供数据指导和报警依据，实现实时展示监测点位数据详情，包括距离井底液位、液位标高、距离溢流液位等。通过下图2所示的雨水泵站上游监测点，泵站值守人员通过实时反馈的水位现状信息，及时发现在6月12日19：00后液位迅速上升，并于19：20左右超过预警线且将要超过报警线，即刻将雨水泵站开泵，加大输水量，从而避免了由于降雨造成溢流事故的发生；同时6月13日17：00也发生了类似的报警事件，并及时采取有效的处置措施。

图2某监测点位的液位变化图
根据多点液位计监测数据可得如下图3所示的水位增长情况示意图。提供在降雨的影响下，各监测点位的水位变化，实现多点的联合监测预警预报功能。

        图3某降雨下河道各监测点水位上涨示意图
        基于液位的报警和反馈处理机制，可以使得设施管理人员及时了解排水系统的运行风险和存在问题，及时采取有效的处理措施，并通过数据跟踪处理后的效果，从而对处理策略进行及时的修正或调整，避免溢流事故的发生。
        3.2 运行规律识别应用
        3.2.1 旱天运行规律分析
        由于监测点位所服务的范围、人口、用地类型短时间内不会发生剧烈变化，因此在没有降雨的情况下，液位通常会呈现特定的旱天运行规律。收集2周以上的旱天数据，识别监测点位处液位旱季运行规律，通过每日数据对比，可发现识别异常排水情况，从而对排水异常的原因进行溯源，对堵塞、偷排等事件进行及时处理。
        选择截污干管和干渠、泵站上游管道以及进厂主干管处监测数据进行液位数据聚合分析，结果如图4所示。通过图4的a、b两个监测点的曲线分析，发现截污渠和截污管主要收集生活污水，故旱天液位规律曲线基本一致，周末和工作日差异不大，在凌晨7点处于最低值，之后随着生活用水量增加水位逐步升高，到中午和夜晚有两个因用水高峰导致的液位曲线高峰；通过图4的c监测点的曲线分析，发现泵站上游监测点位由于受到“泵站晚上不运行、白天运行”的影响，存在凌晨水位涌高，9点开启泵站之后水位逐渐下降，显示出与生活服务区不一样的规律曲线；通过图4的d监测点的曲线分析，发现进厂主干管监测点位水位在早上7点存于较低的位置，由于上游服务片区较大，污水会经过较长时间转输和汇流，水位在白天呈现逐步上升趋势直到夜晚用水高峰。通过上述分析，可以帮助管理者识别排水管网的典型旱天运行变化规律，对于各个监测点的旱天规律识别分析以及模型构建过程中典型入流曲线的设定将提供真实的依据。

a.截污渠监测点位旱天液位规律曲线

b.截污管监测点位旱天液位规律曲线

c.泵站上游监测点位旱天液位规律曲线

        d.进厂主干管监测点旱天液位规律曲线
        图 4各监测点位的旱天液位规律曲线变化
        3.2.2 降雨响应分析
        在降雨期内排水系统内液位上涨的趋势和幅度受到不同降雨条件的影响，在内涝应急预警工作中，液位峰值能提供内涝或溢流事故起到及时有效的预警预报信息。选择泵站上游主干管监测点，收集同期降雨数据，划分不同降雨事件，统计总降雨量，同时计算在降雨期间内峰值液位与降雨事件发生前液位间差值，采用对数拟合得到拟合曲线，R2达到0.963，拟合程度很好，结果如图5所示。通常降雨越大，泵站抽排量将相应增加对液位峰值起到一定的缓解作用，通过图5的分析结果，该监测点位平均旱天液位为0.168m，距离溢流口有4.282m，利用拟合公式估算发生115mm降雨时，该处会发生溢流。通过对降雨量和液位增加值的关系进行研究，可以帮助管理者预测该点可能发生溢流时对应的降雨量，通过对研究区每个易涝点的分析，可以确定各个易涝点可能发生溢流的降雨条件，便于根据天气预报或实测降雨量进行各个易涝点的布防布控，辅助进行排水管网的应急管理。

        图 5降雨量与液位增加值关系图
        3.3 联合调度运行应用
        在线液位设备作为传感器为排水系统联合调度系统或实时控制系统提供了基础感知数据[4]。在线液位数据可以运用在多种联合调度运行策略模式情景下，一是单体设施调度，泵站、调蓄池等设施通过液位在线监测数据利用本地控制柜PLC完成本体设施调度，也可以通过平台对单体设施调度策略进行远程设置。二是多设施联合调度，根据各个设施间的上下游、串并联拓扑关系，当前的雨量、水位等条件，利用校核好的模型，进行水位预测分析，进行联合调度。三是调度跟踪管理，通过收集调度前后的水位变化，优化已有调度方案和调度步骤，为在紧急情况下进行人工调度提供运行水位数据参照。
        4结论
        基于在线液位监测技术在排水系统的实践应用的基础上，提出了监测网格构建流程和监测点优化方式，提升排水设施智能化运行管理水平。通过预警预报、旱天规律、雨天响应以及联合调度的应用分析，实现了通过液位数据指导排水设施运行，为内涝风险提供有效管理。通过分析降雨量导致的水位上涨情况，使用液位数据及分析结果指导运营人员提前做好相应准备，可以避免或减少溢流事故的发生，提升了对排水管网事故的预警和处理能力。对于经液位监测发现的问题严重区域，建议有必要增加在线流量等监测设备，定量识别片区的动态水量变化过程，为管网养护以及后续管网的及时修复与整改提供定量化的支持。
        参考文献
        [1] 赵冬泉, 王浩正, 陈吉宁,等. 监测技术在排水管网运行管理中的应用及分析[J]. 中国给水排水, 2012, 28(8):11-14.
        [2] 郭效琛, 李萌, 史晓雨,等. 基于在线监测的排水管网事故预警技术研究与应用[J]. 中国给水排水, 2018, 34(19):139-143.
        [3]宋霄. 城市排水管道液位监测系统研究[D].山东大学,2013.
        [4] 王浩正,刘智晓,刘龙志,等.流域治理视角下构建弹性城市排水系统实时控制策略[J].中国给水排水,2020,36(14):66-75.