污水管网水质水量监测预警系统方案-智慧管网案例

随着城市化进程加快，污水管网作为城市水环境治理的核心基础设施，面临着雨污混接、管道淤堵、污水溢流、水质超标等诸多问题。传统依赖人工巡检的管理模式，存在隐患发现滞后、应急响应缓慢、数据利用率低等痛点，难以满足现代城市水环境治理的精准化、智能化需求。武汉水测家科技基于物联网、智能算法、大数据等技术，构建 “感知 - 传输 - 平台 - 应用” 一体化的污水管网水质水量监测预警系统，实现管网运行状态实时监控、隐患智能识别、风险提前预警与资源协同调度，助力城市污水管网管理从 “被动抢修” 向 “主动防控” 转型，为水环境质量提升与防洪排涝安全提供坚实支撑。

一、方案背景与建设目标

1.1 方案背景

当前城市污水管网管理普遍存在四大核心痛点：

监测盲区多：污水管网多埋于地下，覆盖范围广、分支复杂，人工巡检难以全面覆盖，尤其是老城区、城郊结合部及工业园区周边管网，水质异常、流量波动等问题难以及时发现；

应急响应被动：暴雨汛期易发生管网满管、污水溢流，传统模式需人工现场排查后才能处置，响应时间长达 2-4 小时，易造成水体污染与道路内涝；

数据价值低：水质、水量数据分散存储于不同部门，缺乏统一整合与分析，无法关联管网负荷、污水处理厂 capacity 等关键信息，难以支撑科学调度决策；

运维成本高：人工巡检频次高、效率低，年均运维成本占管网管理总费用的 60% 以上，且存在人员安全风险（如井下作业中毒、溺水）。

基于上述痛点，建设污水管网水质水量监测预警系统已成为提升城市管网管理水平的必然选择。

1.2 建设目标

全维度监测覆盖：实现污水管网 “主干管 - 次干管 - 支管 - 排口” 全层级监测，重点覆盖工业园区、老城区、易涝点、污水处理厂进水口等关键区域，水质（COD、氨氮、SS、pH）、水量（流量、液位）数据采样间隔 1-30 分钟可设。

隐患智能识别：通过算法自动识别雨污混接、管道淤堵、污水溢流、水质超标等隐患，识别准确率≥95%，隐患定位误差≤50 米，较传统人工巡检效率提升。

风险提前预警：建立多级预警机制，针对管网满管、水质超标、溢流风险等场景，预警响应时间≤10 秒，提前 15-30 分钟推送预警信息至相关责任人。

资源协同调度：构建 “管网 - 泵站 - 污水处理厂” 联动调度机制，根据管网流量、液位数据动态调整泵站抽排频率与污水处理厂进水负荷，避免管网溢流与处理厂过载。

运维成本优化：通过远程监控与智能诊断，减少人工巡检频次 60% 以上，设备故障率降低。

二、系统总体架构

系统采用 “四层两网” 架构，即感知层、传输层、平台层、应用层，搭配数据网与运维网，确保监测数据从采集到应用的全流程稳定、高效、安全。

2.1 感知层：管网运行状态的 “神经末梢”

感知层是数据采集的核心，需适配污水管网潮湿、腐蚀性强、空间密闭的复杂工况，核心设备选型如下：

水质监测设备：

选用多参数水质传感器，监测 COD（0-500mg/L，误差≤±5%）、氨氮（0-50mg/L，误差≤±0.1mg/L）、SS（0-500mg/L，误差≤±5%）、pH（0-14，误差≤±0.02），具备自清洁功能（超声波清洗，周期可设），防护等级 IP68，适应污水高污染环境；

在关键排口布设便携式水质监测仪（应急备用），支持现场快速检测，数据可实时上传至平台。

水量监测设备：

主干管、次干管选用多普勒超声波流量计，接触式测量水温、水位、流速流量，精度高；

支管、易涝点选用雷达液位计（量程 0-12m），非接触式测量，避免污水腐蚀，同时可选配套雨量传感器（分辨率 0.1mm，误差≤±4%），监测降雨对管网液位的影响；

泵站、污水处理厂进水口布设电磁流量计（误差≤±0.5%），确保关键节点流量数据高精度采集。

辅助监测设备：

井盖状态传感器（红外 + 振动感应），监测井盖异常开启（如偷排人员开盖），响应时间≤1 秒。

所有设备均采用低功耗设计（静态电流≤10mA），支持电池供电（续航≥1 年）或外接电源，适配地下无市电场景。

2.2 传输层：数据高速传输的 “信息通道”

针对污水管网监测点分散、部分区域信号弱的特点，采用 “短距自组网 + 远距离传输” 混合模式，确保数据稳定上传：

短距传输：地下管网监测设备采用LoRa 自组网技术，传输距离 100-500 米（地下密闭环境），支持多跳中继，通过井盖上的中继节点将数据传输至地面，抗干扰能力强，功耗低（单节点年耗电量≤1Wh）；

远距离传输：地面中继节点采用4G/5G 工业路由器（支持三网冗余），将数据上传至云端平台；偏远区域（如郊区管网）配套北斗卫星传输模块，确保无公网信号时数据不中断；

数据安全：传输数据采用国密加密算法，建立 “端到端” 加密传输链路，防止数据泄露与篡改；监测终端内置大容量存储，支持离线缓存，网络恢复后自动补传，确保数据完整性。

2.3 平台层：系统智能运行的 “智慧大脑”

平台层部署于政务云或私有云，承担数据存储、处理、分析与算法支撑的核心任务，具备海量数据处理与高并发能力：

数据处理模块：

数据清洗：去除传感器漂移、干扰导致的异常值（如水质参数骤升骤降超 20%），基于管网水力模型校准数据（如流量与液位关联修正）；

数据融合：关联同一管段的水质、水量、视频数据，形成 “时间 - 位置 - 参数” 三维数据集，为隐患识别与调度决策提供基础。

数据存储模块：

采用 “时序数据库+ 关系型数据库+ 对象存储” 组合，时序数据库存储实时与历史监测数据（支持 10 年以上存储），关系型数据库存储管网基础信息（管径、材质、埋深、拓扑关系）、设备信息、预警记录，对象存储存储视频、报表等非结构化数据。

2.4 应用层：管理决策的 “操作窗口”

应用层面向管网管理部门、污水处理厂、应急指挥中心等不同用户，提供专业化管理功能，支持 PC 端（Web 平台）、移动端（APP / 小程序）、大屏展示（指挥中心）多终端访问：

实时监测与可视化模块：

管网地图：通过 GIS 地图展示污水管网拓扑结构、监测点位分布，实时显示各点位水质（COD、氨氮等）、水量（流量、液位）数据，用颜色区分数据状态（正常绿色、预警黄色、超标红色）；点击点位可查看详细数据曲线（近 24 小时 / 7 天变化趋势）与现场视频；

工况诊断：展示 “流量 - 液位” 关联图，识别异常工况（如流量正常但液位持续上升可能为管道淤堵）；展示 “水质 - 区域” 对比图，分析不同区域污水污染特征（如工业园区 COD 普遍高于居民区）。

调度优化与报表模块：

协同调度：实时显示泵站运行状态（抽排频率、电流、电压）与污水处理厂进水负荷，支持远程控制泵站抽排频率（如管网满管时自动提频），向污水厂推送进水预测数据（未来 2 小时流量、水质），辅助污水厂调整处理工艺；

报表生成：自动生成水质达标率、隐患处置率、管网满管率等日报、周报、月报，支持 Excel/PDF 导出；基于历史数据生成管网运行分析报告（如年度隐患分布、汛期流量变化趋势），为管网改造提供依据。

运维管理模块：

设备台账：建立监测设备全生命周期台账，记录设备型号、安装时间、校准记录、故障历史，支持设备状态查询与维护提醒（如水质传感器每 3 个月校准 1 次）；

巡检管理：制定设备巡检计划（月度 / 季度），通过移动端 APP 下发巡检任务，巡检人员可实时上传巡检记录（设备状态、现场照片），系统自动统计巡检完成率；

成本统计：记录运维人员工时、设备维修费用、耗材采购成本，生成年度运维成本报表，分析成本优化空间（如减少人工巡检频次节约的费用）。

三、监测点位布设方案

结合污水管网层级、区域风险与管理需求，采用 “分层分类、重点突出” 的布设原则，确保监测点位科学合理：

按区域类型布设

工业园区：在园区污水总排口、重点企业排污口各布设 1 套水质监测设备 + 1 套流量监测设备，监测工业废水排放浓度与排放量，防止超标废水混入市政管网；在园区周边市政管网布设 2-3 套水质监测设备，验证工业废水是否存在偷排；

老城区：在雨污混接高发区域（如老旧小区、城中村），每 500 米 - 1 公里布设 1 套流量监测设备（重点监测旱季流量），结合降雨数据识别雨污混接点；在易内涝路段的管网节点布设液位监测设备 + 雨量传感器，监测降雨对管网液位的影响；

污水处理厂：在进水口、厂区内各主要处理单元（如格栅、曝气池、沉淀池）出口布设水质监测设备 + 流量监测设备，实时监测进水水质、水量与处理效果，为工艺调整提供依据；在出水口布设水质监测设备，确保达标排放；

关键排口：在市政污水排口、河道沿线排口各布设 1 套水质监测设备 + 视频监控摄像头，监测排口水质是否达标、是否存在污水溢流，防止污染水体。

特殊场景布设

易涝点：在历史内涝点周边的管网节点布设液位监测设备 + 雨量传感器 + 视频监控摄像头，监测降雨期间管网液位变化，提前预警内涝风险；

泵站周边：在泵站进水口、出水口各布设 1 套流量监测设备 + 液位监测设备，监测泵站进水负荷与出水压力，评估泵站运行效率，优化抽排调度；

施工区域：在管网改造、道路施工区域周边的管网节点布设液位监测设备 + 流量监测设备，监测施工对管网流量、液位的影响，防止施工导致的管道堵塞或破损。

四、实施步骤

前期准备阶段：

资料收集：收集污水管网 GIS 地图、管径材质、历史隐患记录、污水处理厂 等基础资料；

现场勘查：排查各管段实际工况（如管道埋深、周边环境、是否有电源），确定监测点位具体位置与安装条件；

方案细化：根据勘查结果调整设备选型与点位布设方案，编制详细的施工图纸、技术规范与安全预案；

设备采购：采购水质传感器、流量液位计、传输模块等核心设备，进行进场检验（如精度测试、防护等级验证）。

设备安装与调试阶段：

基础施工：在监测点位浇筑设备安装基座（如流量计支架、液位计立杆），铺设线缆（如电源线、信号线），做好防水防腐处理；

设备安装：按施工图纸安装水质传感器、流量液位计、视频摄像头等设备，确保设备位置准确、固定牢固；

系统调试：连接感知层设备与传输层模块，测试数据采集与传输功能（如采样间隔、传输成功率）；调试平台层算法（如隐患识别、预警阈值），确保数据处理与分析正常；

联调测试：开展全系统联调，模拟不同场景（如水质超标、管网满管），验证预警响应、调度协同功能是否正常。

试运行阶段：

数据验证：对比系统监测数据与人工采样数据，修正数据误差；

人员培训：对管网管理人员、运维人员开展系统操作培训（如平台使用、设备维护、应急处置），确保人员掌握核心技能。

正式运行与验收阶段：

正式运行：系统投入全面运行，24 小时监控管网状态，按预案处理隐患与预警；

成果验收：组织专家对系统功能、数据精度、应用成效进行验收，出具验收报告；

运维交接：建立长效运维机制，将设备台账、运维流程移交运维团队，确保系统长期稳定运行。