城市污水管網(wǎng)排污監(jiān)測優(yōu)化布局策略與方法研究分析

查安平 徐紅秋

摘? ? 要：智慧化城市建設(shè)的提出為城市污水管網(wǎng)信息化管理提出了新的要求。而污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)的布局直接關(guān)系到污水管網(wǎng)的信息化建設(shè)水平。對(duì)已有研究成果進(jìn)行查閱，歸納、總結(jié)污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布局的兩種主要方法：統(tǒng)計(jì)學(xué)法和運(yùn)籌學(xué)方法。在此基礎(chǔ)上，本文分析了上述兩種研究方法中存在的問題，并提出城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)置的監(jiān)測點(diǎn)布局策略和方法。

關(guān)鍵詞：城市污水管網(wǎng);排污監(jiān)測;優(yōu)化布局策略

1? 引言

城市污水管網(wǎng)建設(shè)屬于城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，因此污水管網(wǎng)排污監(jiān)測是保障城市污水設(shè)施正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，是城市水安全的基礎(chǔ)，對(duì)促進(jìn)城市信息化管理、提升城市防洪能力等具有積極的作用?，F(xiàn)階段學(xué)者對(duì)污水管網(wǎng)監(jiān)測的研究以監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置問題研究的還很少很少。雖然也有一些研究，但是基本都以簡單的定性研究為主，針對(duì)監(jiān)測點(diǎn)布置的定量化研究和技術(shù)性研究還有很大不足，不能滿足污水管網(wǎng)監(jiān)測的實(shí)際需求。

2? 污水管網(wǎng)監(jiān)測目的

現(xiàn)階段加強(qiáng)污水管網(wǎng)監(jiān)測的原因有兩點(diǎn)：一方面對(duì)污水管網(wǎng)的監(jiān)測有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)污水管網(wǎng)體系中存在的問題和風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，協(xié)助城市內(nèi)澇問題處理;另一方面對(duì)污水管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)有利于分析、總結(jié)污水管網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)和規(guī)律，并對(duì)不同地點(diǎn)、不同位置的污水管網(wǎng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)和側(cè)重。

2.1? 城市內(nèi)澇預(yù)警

一方面氣候變化導(dǎo)致地區(qū)降水量增大，暴雨增多;另一方面在城市化建設(shè)背景下，城市內(nèi)部硬質(zhì)化地面增多，雨水滲透難度增大。因此，很多城市的出現(xiàn)了一旦遇到暴雨城市污水管網(wǎng)就會(huì)癱瘓的問題。所以，加強(qiáng)對(duì)城市污水管網(wǎng)的監(jiān)測有利于對(duì)城市內(nèi)不同地區(qū)的污水狀況的了解，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)城市污水管網(wǎng)中存在的問題，并進(jìn)行及時(shí)預(yù)警處理，保障人民安全。在城市內(nèi)澇防范預(yù)警上，要加強(qiáng)對(duì)城市污水管網(wǎng)的監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)計(jì)也要以數(shù)量信息、液位、流量等為重點(diǎn)。

2.2? 污水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測

近年來，我國加大了智慧型城市建設(shè)的力度。智慧污水是智慧型城市建設(shè)的重要組成。在智慧型城市建設(shè)背景下，傳統(tǒng)的污水管網(wǎng)防澇監(jiān)測預(yù)警已經(jīng)不能滿足城市發(fā)展的需求。因此如何實(shí)現(xiàn)污水管網(wǎng)監(jiān)測的動(dòng)態(tài)化和時(shí)時(shí)化是智慧污水建設(shè)的重點(diǎn)，也是智慧型城市建設(shè)的重點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)污水管網(wǎng)監(jiān)測的動(dòng)態(tài)化和日?；捅仨氉龊帽O(jiān)測點(diǎn)設(shè)置工作，只有合理設(shè)計(jì)監(jiān)測點(diǎn)才能對(duì)全市的污水管網(wǎng)體系進(jìn)行全面的監(jiān)測和控制，才能確保全市污水管網(wǎng)信息的全面性和準(zhǔn)確性，才能真正的服務(wù)社會(huì)。

3? 污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布局策略

城市污水管網(wǎng)監(jiān)測的目的不同，所采取的監(jiān)測點(diǎn)布局策略和方法也就不同，在最終監(jiān)測點(diǎn)的確定上也會(huì)存在不同?，F(xiàn)階段，學(xué)術(shù)上針對(duì)污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布局的研究以理論研究為主。整體來看，污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布局的方式包括統(tǒng)計(jì)學(xué)方式和運(yùn)籌學(xué)方式兩種。

3.1? 統(tǒng)計(jì)學(xué)布局策略

當(dāng)前學(xué)術(shù)上從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度對(duì)污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布局的研究較少，不過在實(shí)際應(yīng)用上以聚類分析為基礎(chǔ)的污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布局已經(jīng)應(yīng)用較廣。首先構(gòu)建模糊矩陣，對(duì)監(jiān)測點(diǎn)與監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行初步篩選;其次，矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理;在此基礎(chǔ)上建立模糊相似矩陣;再次構(gòu)建模糊等價(jià)矩陣;最后進(jìn)行聚類分析。

3.2? 運(yùn)籌學(xué)布局策略

通過前文分析可以看出，污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布局設(shè)計(jì)方法選擇上運(yùn)籌學(xué)要優(yōu)于統(tǒng)計(jì)學(xué)，考慮了不確定因素。另外，我國不同地區(qū)的降雨量、降雨時(shí)間、降雨季節(jié)等都存在一定的差異性，因此不同地區(qū)的污水管節(jié)點(diǎn)水質(zhì)、水量必然存在一定的差異;同時(shí)，現(xiàn)階段我國的污水系統(tǒng)采用的是雨污混流方式，所以污水的進(jìn)入也必然會(huì)使管網(wǎng)內(nèi)部水質(zhì)、水量發(fā)生變化。所以，城市污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)的局部也要考慮這些不確定的因素。

4? 研究不足和展望

4.1? 研究不足

首先，污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)的布局必須以實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，但是當(dāng)前國內(nèi)污水管網(wǎng)監(jiān)測工作相對(duì)較弱，監(jiān)測數(shù)據(jù)片面性強(qiáng)、連續(xù)性差。現(xiàn)階段我國污水管網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)相對(duì)零散，基本以間斷性的時(shí)間監(jiān)測數(shù)據(jù)和簡單的流量數(shù)據(jù)為主，缺乏連續(xù)性的、可以作為節(jié)點(diǎn)的相關(guān)性數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的污水管網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)基本是針對(duì)某一天或者某些特殊時(shí)間點(diǎn)與時(shí)間段進(jìn)行的，缺乏對(duì)整體污水量與污水水質(zhì)的監(jiān)測。而污水管網(wǎng)的監(jiān)測點(diǎn)確定之后可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷的時(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測的數(shù)據(jù)更加全面、準(zhǔn)確，為日后污水處理工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

其次，污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)的布局受個(gè)人主觀因素影響較大。傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布局中，即使在監(jiān)測點(diǎn)確定時(shí)采用了聚類原則，不過受個(gè)人主觀因素的影響較大，聚類點(diǎn)與指標(biāo)的選擇仍以人為主觀判斷為主。所以，污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)的布局受個(gè)人主觀因素影響比較嚴(yán)重。

4.2? 研究展望

本文以前文研究為基礎(chǔ)，針對(duì)學(xué)術(shù)上已有研究成果中的不足，借助統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布局進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在上圖1中，首先，污水管網(wǎng)模型在構(gòu)建時(shí)就對(duì)常見小型降雨、污水管網(wǎng)改造控制要求、極端大型降雨等多種降雨情景進(jìn)行模式;在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同降雨情景下的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)曲線進(jìn)行確定;其次，利用聚類法對(duì)相關(guān)性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行確定;再次，根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)數(shù)目確定節(jié)點(diǎn)分類，并對(duì)確定節(jié)點(diǎn)的代表性進(jìn)行檢驗(yàn)，只有滿足檢驗(yàn)要求的節(jié)點(diǎn)才是最終節(jié)點(diǎn);最后，制定監(jiān)測方案。

上述模型的實(shí)施需要考慮以下幾點(diǎn)：

第一，不同降雨情景數(shù)據(jù)獲取。在不同降雨情景數(shù)據(jù)取得上，有部分學(xué)者采用了SWMM模型，通過情境模擬對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。這種方式對(duì)實(shí)際監(jiān)測中可能沒有測量到的一些極端情境下的數(shù)據(jù)進(jìn)行了補(bǔ)充。

第二，曲線綜合分析。上述模型考慮了節(jié)點(diǎn)測試數(shù)據(jù)在時(shí)間上的累積，通過節(jié)點(diǎn)時(shí)間數(shù)據(jù)曲線圖形來對(duì)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)性進(jìn)行研究。這樣，通過曲線圖形可以對(duì)節(jié)點(diǎn)的水量的最大值、最小值和平均值等進(jìn)行了解。同時(shí)，通過不同節(jié)點(diǎn)曲線圖形可以更好的選擇代表性的節(jié)點(diǎn)，有利于后期監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

第三，重視自動(dòng)識(shí)別。污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)體系的建設(shè)不但關(guān)系到污水信息化體系的建設(shè)，也直接關(guān)系到海綿城市的建設(shè)。所以，在污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布局上要盡量以監(jiān)測到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，避免人為指標(biāo)和節(jié)點(diǎn)的選擇，避免不必要的人為因素影響，增強(qiáng)污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)的客觀性。

第四，重視定量研究。污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)分布的研究要逐漸由定性研究向定量研究方向轉(zhuǎn)變，逐漸建立定量化的評(píng)價(jià)方案和體系。

5? 結(jié)論

在我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的背景下，城市給污水網(wǎng)絡(luò)的完善與監(jiān)測成為各界關(guān)注的重點(diǎn)。污水管網(wǎng)監(jiān)測的實(shí)施有利于市內(nèi)洪澇預(yù)警機(jī)制的實(shí)施，有利于全方位、全時(shí)段的監(jiān)測污水管網(wǎng)運(yùn)行情況。現(xiàn)階段污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布局的設(shè)計(jì)方法大體上包括統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與運(yùn)籌學(xué)方法兩種。不過，從學(xué)術(shù)上已有研究成果來看，學(xué)者對(duì)污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)分布的理論研究相對(duì)較少，且具有很大的局限性。例如監(jiān)測數(shù)據(jù)以簡單的某一時(shí)間段或某一些時(shí)間段位主，缺乏整體的、連續(xù)性的監(jiān)測數(shù)據(jù);在節(jié)點(diǎn)相關(guān)性數(shù)據(jù)選擇上仍以人員主觀判斷為主，個(gè)人主觀因素影響較大;監(jiān)測點(diǎn)的優(yōu)化主要針對(duì)已有監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行，缺乏對(duì)未開發(fā)領(lǐng)域和地區(qū)的研究，監(jiān)測點(diǎn)設(shè)計(jì)難以集成化、規(guī)?；?。所以，上述問題即使當(dāng)前污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布局中存在的主要問題，也是未來污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布局研究的重點(diǎn)和方向。在未來污水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布局上要重視定量分析、重視模型的模擬和應(yīng)用、盡量以實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)為主，避免人為因素干擾。

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作者簡介：

查安平（1985—），男，曲阜師范大學(xué)，本科，工程師，研究方向：環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境工程、環(huán)境影響評(píng)價(jià)。