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智慧管网:海绵城市的“隐形守护者”
时间:2025-10-15 17:30:18 点击次数:

智慧管网:海绵城市的“隐形守护者”

一、海绵城市的排水困境

在城市化进程不断加速的当下,城市基础设施的稳定与安全对于保障市民生活、促进经济发展起着至关重要的作用。海绵城市作为一种创新的城市规划和水资源管理理念,正逐渐成为城市可持续发展的关键要素。它旨在让城市像海绵一样,在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具备良好的 “弹性”,下雨时吸水、蓄水、渗水、净水,需要时将蓄存的水 “释放” 并加以利用 。通过建设绿色屋顶、雨水花园、透水铺装等设施,海绵城市能有效缓解城市内涝问题,补充地下水资源,改善城市生态环境。

排水管网作为海绵城市的重要组成部分,承担着收集、输送、处理和排放城市雨污水的重任,堪称城市的 “生命线”。实时、准确地掌握排水管网流量,对于海绵城市的高效运行意义重大。一方面,精准的流量数据能助力城市管理者实时了解排水系统的运行状态,为排水调度提供科学依据,确保在雨季能提前预判积水风险,及时启动应急排水预案,从而避免城市内涝,保障市民生命财产安全。另一方面,流量数据在日常管理中也发挥着关键作用,它能辅助发现管网漏损、堵塞等问题,助力准确定位故障点,提高维修效率,降低维护成本。

然而,传统的排水监测方式存在着诸多不足。在传感器技术方面,传统传感器精度有限,难以满足对微小流量变化的监测需求。就像在一些老旧城区的排水管网中,由于管道老化、变形等原因,水流情况复杂,传统传感器无法精确捕捉到流量的细微变化,导致数据误差较大。而且传统传感器稳定性欠佳,容易受到环境因素如温度、湿度、腐蚀性气体等的干扰,从而频繁出现故障。在一些沿海城市,由于空气湿度大且含有盐分,传统传感器的使用寿命大幅缩短,经常需要更换,不仅增加了维护成本,还影响了数据监测的连续性。

从数据传输层面来看,有线传输方式布线繁琐、成本高昂,并且在遇到管道维修、道路施工等情况时,线路容易遭到破坏,导致数据传输中断。在城市道路改造工程中,经常会因为施工不慎挖断有线传输线路,使得排水管网监测数据无法及时上传,影响了对排水系统的实时监控。而无线传输又存在信号不稳定、传输距离受限的问题,在一些信号屏蔽较强的地下管道区域或者偏远地区,无线信号会出现减弱甚至中断的情况,导致数据丢失或延迟,无法为排水管理提供及时有效的数据支持。

数据处理与分析能力的不足也是传统排水监测方式的一大短板。随着城市规模的不断扩大,排水管网数据量呈爆发式增长,传统的数据处理与分析方法难以应对如此庞大的数据量。而且传统方法主要侧重于对历史数据的简单统计分析,缺乏对数据的深度挖掘和实时分析能力,无法准确预测排水管网流量的变化趋势。在面对突发暴雨等极端天气时,无法提前准确预判管网流量的峰值和变化情况,导致排水调度决策缺乏科学依据,容易引发城市内涝等灾害。

智慧管网

二、在线监测系统的关键构成

为了有效解决传统排水监测方式的诸多问题,实现对海绵城市排水管网流量的精准、高效监测,一套先进的在线监测系统应运而生。该系统主要由感知层、传输层、数据层和服务层构成,各层之间协同工作,共同为排水管网的智能化管理,智慧管网监测系统提供有力支持。

感知层:精准捕捉流量信号

感知层作为在线监测系统的 “触角”,承担着精准测量流速、水位等关键数据的重要任务,为流量监测提供了不可或缺的基础信息。在这一层中,多种先进的传感器发挥着关键作用。

管网多普勒超声波流量计

多普勒流速仪利用超声波探测技术,基于声学领域的多普勒效应工作。当仪器发射的超声波与流体中的反射体,如悬浮颗粒、气泡等相互作用时,由于相对运动产生频移现象。仪器通过精准捕捉并分析这种频率变化,计算出流体的流速,进而得出流量数据。这种非接触式的测量方式,避免了传统接触式测量可能带来的干扰与误差,能够精准捕捉流速的细微变化,即使在复杂水流条件下也能稳定输出准确数据 。其测量精度高,稳定性极佳,受环境因素如温度、湿度、光照等影响极小,无论是严寒酷暑,还是风雨交加的恶劣天气,都能正常工作。因其无转动件,减少了机械故障的发生概率,维护频次低,极大地降低了使用成本与停机时间,为长期、连续的监测任务提供了有力保障。

管网液位监测

雷达水位计具有高精度测量的特点,可实现毫米级精度,能够实时追踪水位变化,为水利工程管理、防洪抗旱及城市排水等提供及时数据支持。而且它采用非接触方式,不影响水流,也不受水中杂质和漂浮物干扰,确保测量准确稳定,在复杂环境下仍能稳定工作,安装维护也较为简单。

此外,还有压力式水位计、电磁流量计等多种传感器,它们各自具备独特的优势,适用于不同的监测场景和测量需求。这些传感器相互配合,如同一张紧密的监测网络,全方位、无死角地捕捉排水管网中的各种流量信号,为后续的数据处理和分析提供了丰富、准确的数据来源。

传输层:数据的高速通道

传输层是连接感知层与数据层的 “桥梁”,负责将感知层收集的数据快速、稳定地传输到数据层。在这一层中,无线测控终端、GPRS、4G 等传输方式发挥着关键作用。

无线测控终端作为数据传输的重要设备,具备强大的数据采集和传输功能。它可以与感知层的各种传感器连接,实时收集传感器测量的数据,并对这些数据进行初步处理和打包。无线测控终端支持多种通信协议,能够适应不同的网络环境和数据传输需求。它就像是一个高效的 “快递员”,将感知层采集到的数据迅速、准确地传递出去,将监测数据及时传输回数据中心。

随着通信技术的不断发展,4G 网络以其高速率、低延迟的特点,逐渐成为排水管网数据传输的主流方式。4G 网络的传输速度相比 GPRS 有了大幅提升,能够满足对大量监测数据实时传输的需求。在城市排水管网监测中,尤其是在应对突发暴雨等紧急情况时,4G 网络能够快速将现场的流量、水位等关键数据传输到数据中心,为城市管理者及时做出决策提供有力支持。此外,一些地区已经开始探索 5G 技术在排水管网监测中的应用,5G 网络更低的延迟和更高的带宽,将进一步提升数据传输的效率和实时性,为排水管网的智能化管理带来更多的可能性。

数据层:海量信息的存储与整合

数据层是在线监测系统的 “数据仓库”,负责对感知层采集并通过传输层传输过来的海量监测数据进行存储、整理和分类,为后续的数据分析和应用提供坚实的数据基础。

遥测终端机(RTU)在数据层中扮演着核心角色。它就像是一个智能的数据管家,具备强大的数据采集、处理、存储和传输功能。遥测终端机可以与各种传感器和仪表连接,实时采集水位、流量、水质等多种监测数据。它采用先进的数字信号处理技术,能够对采集到的数据进行精确处理,提高数据的准确性。

在数据存储方面,遥测终端机具备一定的本地存储容量,可以存储一定时间内的监测数据。这在通信中断或网络故障的情况下,能够保证数据不会丢失。同时,遥测终端机支持将数据上传到远程服务器或云平台进行长期存储和备份。通过本地存储和远程存储相结合的方式,不仅保障了数据的安全性,还方便用户随时随地进行数据查询和分析。

除了遥测终端机,数据层还包括数据库管理系统。数据库管理系统负责对海量的监测数据进行高效的组织、存储和管理。它采用先进的数据存储技术,如关系型数据库、非关系型数据库等,根据数据的特点和应用需求选择合适的存储方式。例如,对于结构化的监测数据,如水位、流量的时间序列数据,可以采用关系型数据库进行存储,以便于进行数据查询和统计分析;对于非结构化的数据,如水质监测的图像、视频数据,可以采用非关系型数据库进行存储,以提高数据存储和检索的效率。

数据层还承担着数据整合和清洗的重要任务。由于监测数据来源广泛,格式多样,可能存在数据重复、错误、缺失等问题。因此,需要对数据进行整合和清洗,去除无效数据,填补缺失数据,纠正错误数据,确保数据的一致性和准确性。通过数据整合和清洗,将分散的、杂乱无章的数据转化为有序的、高质量的数据资源,为后续的数据分析和应用提供可靠的数据支持。

海绵城市

服务层:智能化的管理支撑

服务层是在线监测系统的 “智慧大脑”,基于数据层的数据进行深度分析和挖掘,为海绵城市排水管网的管理提供智能化的服务和决策支持。

云服务管理平台是服务层的重要组成部分。它依托云计算技术,为排水管网监测数据的存储、计算和分析提供强大的计算资源和存储空间。云服务管理平台具有高度的可扩展性和灵活性,能够根据实际需求动态调整计算资源和存储容量,满足不同规模城市排水管网监测的需求。通过云服务管理平台,用户可以随时随地通过互联网访问和管理排水管网监测数据,实现数据的共享和协同工作。

软件服务在服务层中发挥着核心作用。它基于先进的数据分析算法和模型,对数据层存储的监测数据进行深入分析,挖掘数据背后的规律和趋势,为排水管网的管理提供多方面的支持。在排水管网的运行状态评估方面,软件服务可以根据实时监测数据,结合历史数据和经验模型,对排水管网的运行状态进行全面评估,判断管网是否存在堵塞、漏损等异常情况,并及时发出预警信息。当监测到某段排水管网的流量突然异常减小,同时水位持续上升时,软件服务可以通过分析判断可能存在管网堵塞的问题,并向管理人员发送预警,提醒及时进行排查和清理。

在排水调度决策方面,软件服务可以根据实时的流量、水位数据以及天气预报等信息,运用优化算法制定科学合理的排水调度方案。在暴雨来临前,软件服务可以根据气象预报和排水管网的实时状态,提前调整排水泵站的运行参数,加大排水力度,预防城市内涝的发生;在排水过程中,软件服务可以实时监测排水效果,根据实际情况动态调整调度方案,确保排水系统的高效运行。

软件服务还可以提供数据分析报告和可视化展示功能。通过生成详细的数据分析报告,为城市管理者提供决策依据;通过数据可视化展示,如地图、图表、报表等形式,将复杂的数据直观地呈现出来,方便管理人员快速了解排水管网的运行情况,及时发现问题并做出决策。

 

智慧管网监测系统

三、系统安装与技术要点

安装位置选择

选择合适的监测设备安装位置,是保证测量精度和系统稳定运行的关键环节。在实际安装过程中,需要综合考虑多种因素,避开不利环境,确保监测设备能够准确、可靠地获取流量数据。

要尽量选择水面平缓稳定、没有回流和漩涡、水面无障碍物的环境。水流紊乱会对流速和水位的测量产生严重干扰,导致测量数据出现较大误差。在排水口附近,由于水流速度和方向变化剧烈,且可能存在杂物冲击,不适合安装监测设备。而在垂直跌水处,水流具有较大的势能,会使水位和流速瞬间发生突变,同样会影响测量精度。因此,应选择在排水口或垂直跌水的上游或下游水流平缓处安装设备,一般要求距离排水口或垂直跌水至少 10 倍管径的距离,以保证测量环境的稳定。

要避免在检查井结构复杂、井壁疏松的管道内安装。检查井结构复杂会导致水流在井内产生不规则流动,影响测量的准确性。井壁疏松则可能导致井内出现漏水、坍塌等安全隐患,影响监测设备的正常运行和维护。在一些老旧城区的排水管网中,部分检查井存在年久失修、结构损坏的情况,在选择安装位置时应予以避开。如果无法避开,需要对检查井进行修复和加固后,再进行设备安装。

若在管道结合处附近安装,且一条管道内水位较高,应将超声波流量计安装于水位较低的管道附近,距离拐点至少 10 倍 DN(管径)。这是因为在管道结合处,水流会受到不同管道水位差和流速差的影响,产生复杂的流态。将监测设备安装在水位较低的管道附近,可以减少水位差对测量的影响,同时保证足够的距离,避免拐点处的水流紊乱对测量精度造成干扰。

关键技术指标

监测设备的技术指标直接决定了在线监测系统的性能和可靠性。在海绵城市排水管网流量在线监测系统中,测量精度、测量范围、功耗、防护等级等技术指标是衡量监测设备优劣的关键因素。

测量精度是监测设备的核心指标之一,它直接影响到流量数据的准确性和可靠性。对于流速测量,高精度的多普勒流速仪通常能够达到 ±(0.3 + 0.03V) m/s(V 为风速)的精度,能够精准捕捉流速的细微变化。在一些对流量监测要求较高的区域,如污水处理厂的进水口,精确的流速测量有助于准确计算污水流量,为污水处理工艺的调整提供依据。对于水位测量,雷达水位计的精度可达到毫米级,如 ±3mm,能够实时、准确地反映水位的变化情况。在城市内涝预警中,毫米级的水位精度能够提前发现水位的异常上升,为城市管理者采取应急措施争取宝贵时间。

测量范围也是一个重要指标,它决定了监测设备能够适应的水流条件。流速测量范围一般要求能够覆盖常见的排水管网流速范围,如 0 - 6m/s,以满足不同工况下的测量需求。在暴雨期间,排水管网的流速可能会大幅增加,此时监测设备需要具备足够宽的测量范围,才能准确测量流速。水位测量范围则需根据排水管网的实际情况确定,一般要求能够覆盖管网的正常水位波动范围以及可能出现的最高水位,如 0 - 10m,确保在各种情况下都能准确测量水位。

功耗方面,为了满足长期在线监测的需求,监测设备应具备低功耗特性。尤其是在一些采用电池供电或太阳能供电的监测站点,低功耗设备能够延长电池使用寿命,减少维护成本和频次。一些先进的监测设备采用了节能设计和智能休眠技术,在数据采集间隔期间自动进入休眠状态,降低功耗,只有在需要采集数据时才唤醒工作,有效提高了能源利用效率。

防护等级对于保障监测设备在恶劣环境下的正常运行至关重要。排水管网通常处于地下,环境潮湿、阴暗,且可能存在腐蚀性气体和污水。因此,监测设备需要具备较高的防护等级,如 IP68,能够实现完全防尘、防水,甚至在一定压力下长期浸水也能正常工作。在一些沿海城市或地下水位较高的地区,排水管网经常受到海水倒灌或地下水浸泡的影响,具备 IP68 防护等级的监测设备能够在这样恶劣的环境中稳定运行,确保数据监测的连续性和可靠性。

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