排水管網在線監測布點數量的確定
摘要：排水管網在線監測對城市排水智慧化管理、系統優化調度、在線預警報警等工作的開展起到重要的支撐作用，需要在一定的經濟成本約束下，制定合理有效的排水管網在線監測方案。其中，在線監測布點數量的確定是制定方案的基礎工作，但目前主要依賴于人為主觀判斷，缺少定量化的方法。提出了排水管網分級監測的思路，根據整體、分區和源頭三個層級的監測思路，量化不同層級下最優監測布點的數量及不同監測點數量設置下可實現的最優監測效能，可指導排水管網在線監測布點數量的確定。將該方法分別在城市雨水系統和污水系統監測點數量確定中進行應用，能夠支持監測方案的量化評價、監測方式和指標的篩選等。
作者簡介：郭效琛，博士，助理研究員，研究方向為城市排水管理。
排水管網對于城市安全運行起著重要的保障作用，但由于排水管網工程本身的隱蔽性強、分布范圍廣，導致其運行狀態不清、管理難度較大，對管網混接、入流入滲等問題的分析診斷困難。利用排水管網在線監測可以支持排水系統問題的定量診斷與分析，支持排水系統的智能化管理；而數據的可靠性、準確性及有用性則是排水管網分析診斷的基礎。對所有排水管網節點進行在線監測布點，能夠全面掌握排水管網的運行動態，但節點數量眾多，監測成本過高；在經濟成本的約束下，需要根據監測需求和目的，制定科學有效的監測布點方案，篩選最具代表性的節點，以盡可能少的監測點獲取盡量全面的排水管網信息，形成兼顧代表性和經濟性的可行監測方案。
對于特定區域，排水管網在線監測方案應涵蓋監測指標、監測布點數量、監測位置以及監測時間等多項內容。其中，監測設備的數量在監測方案制定的初期是最為關鍵的指標，為區域問題的整體規劃設計提供制定預算的依據，推進項目的執行。目前，排水管網在線監測布點數量的確定，主要依靠人為主觀經驗判斷，尚沒有統一的方法和標準，造成布點數量的不確定性，降低了項目資金使用的有效性。
針對排水管網監測布點定量化確定的問題，基于排水管網特征、運行規律、監測需求，研究按照整體監測、分區監測和源頭監測三個部分，提出分層級的排水管網監測思路，以水量監測為基礎，建立監測點數量定量化的制定方法。
01 排水管網監測基礎
對于目標區域排水管網，監測點數量的確定需要考慮對排水關鍵要素的覆蓋、監測指標的篩選以及區域開展監測的目的。
排水管網是一種典型的網絡系統，具有很強的上下游關聯性，從排放源到分支管網、主干管網、泵站、污水廠及最終的受納水體，形成完整的排水系統。以污水排放系統為例，在監測點位的設置上，共可分為6個部分，如圖1所示。
①排放源。對污水系統而言，主要為片區內重點企業或典型小區，作為排水戶，向市政管網系統排入生產及生活污水；在排口應進行水量和水質的實時監測，對偷排漏排起到監管作用。對雨水系統而言，則為低影響開發項目，排口的監測可直接支持項目達標性的分析。
②分支節點。對于污水系統，分支節點反映多個排水戶的情況，可掌握一個小片區整體的排污情況。對于雨水系統，分支節點的監測主要針對歷史易澇點，可對城市內澇問題進行實時監測與動態預警。
③主干節點。無論污水系統還是雨水系統，主干節點都起著重要的連接作用，通過流量和典型水質指標的聯合監測，可作為上游問題驗證、下游合理調度的依據。
④調蓄設施。針對調蓄控制的流域，體現上下游、排水系統聯合調度的關系。
⑤污水廠。污水系統的控制終端，通過進、出水的監測，對排水情況進行監測與預警，評估污水廠收水范圍內的整體情況。
⑥排口。排水管網系統的末端，體現對城市水環境質量的影響。
1.2 排水管網在線監測指標設置
排水監測指標整體上可分為水量和水質兩大方面，同時需對降雨進行監測，作為排水分析的背景信息與基礎。
①雨量。利用在線雨量計，監測片區內的降雨信息。
②流量。水量監測的主要指標，可以支持定量分析。
③液位。水量監測的輔助性指標，監測成本較低，可提供定性分析。
④水質。在線監測主要選擇簡單的單項指標，對水質進行整體掌握；其中雨水管網系統可選擇懸浮物（SS）；污水管網系統可選擇電導率；受納水體可選擇SS和溶解氧（DO）。
1.3 排水管網在線監測目的
不同區域排水管網系統面臨的問題不同，因而排水管網在線監測的目的也有所差異，需要根據各自具體的監測目的，進行監測點位置和監測指標的選擇。
不同監測目的下監測點設置分析如表1所示。
02 監測點量化確定的依據
對排水管網監測布點數量進行定量化的制定，需要滿足排水管網監測布點的要求，并根據不同要素的重要程度進行優先級的排序，從而在一定經濟成本約束下，確定最優的監測點數量。
2.1 監測布點位置要求
2.1.1 雨水系統排放口
雨水排放口在旱季不應有水流排放，若旱季存在排水則應進行重點監測，支持區域的偷排漏排管理；在降雨期間對雨水徑流排放進行監測，可對片區整體的徑流水量及水質情況進行評估。可根據排口大小，選擇具備監測條件的雨水排口進行在線監測：
①DN300以下，雨水徑流量小（一般小于3.2m3/min），對水體影響有限，可不監測；
②DN300～DN600中等排水口，對城市水體影響明顯，需監測流量；
③DN600及以上是主排口，降雨期間排入水體的水量大，對城市水體影響顯著，需進行流量及水質監測。
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，部分污水會發生溢流直接進入受納水體；部分排口在旱季甚至存在污水直排的現象，通過對合流制溢流排口的監測可評估區域整體溢流污染情況，對點源污染進行有效的監管。
①由于在降雨強度較大時，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，所有排口均有監測的需求。
②所有排放口均優先保障流量監測，對于重點排口（DN600及以上），若發生污水直排對城市水環境影響顯著，有條件時應進一步補充水質監測。
2.1.3 雨水管網
①選擇下游主干管節點進行流量監測，可支持對應分區的徑流總量控制率評估；
②歷史積水點及易澇點進行液位監測，對城市內澇進行預警并評估水安全情況。
2.1.4 合流制及污水管網
在管道主干節點進行流量監測，可支持水量平衡、管網運行規律的識別；對入流入滲、雨污混接等管網問題進行診斷分析。
①選擇帶壓運行壓力較高的節點進行液位監測，為運行評估及風險預警提供在線動態依據；
②在泵站、調蓄池、污水廠等主要設施的進出水口進行流量監測，為排水系統的整體運行調度提供依據。
2.2 節點布置優先原則
無論是源頭、管網還是排口，作為排水系統的組成部分，都有監測的需求；污水和雨水也都應同步開展監測，但在經濟成本有限、監測點數量設置不夠的情況下，無法完全滿足監測點布置的需求，考慮不同監測點的重要性，應對重要節點優先進行監測。
①排口>管網>源頭
排口作為排水管網系統的終端，對城市水環境有顯著影響，應優先監測；管網節點是排水系統的過程部分，起著承上啟下的聯通作用；源頭是排水系統的源頭端，個別排水戶/項目對整體排水系統的影響相對有限。
②污水>雨水
目前大多數城市的分流制排水體系，從排放時間角度，污水持續存在而雨水徑流僅在降雨期間產生；從城市監管角度，污水的排放更需要進行合理有效的組織與管理。
03 排水管網分級監測方法
為支持排水管網監測布點數量的量化確定，在監測方案制定過程中采用分級監測的技術體系，逐級完善排水管網在線監測。
3.1 整體技術體系
分級監測技術體系以區域監測目的為基礎，包括整體監測、分區監測和源頭監測3個層級，不同層級所涵蓋的監測要素不同，能實現的監測目的也有所差異，如表2所示。
① 整體監測
整體監測主要是對區域整體情況的掌握，覆蓋程度相對有限，僅針對管網的主要節點，管網布點密度較低。整體監測針對的是區域最重要的節點，能夠掌握區域排水的基本負荷情況，支持基礎性管理工作的開展，建議進行長期固定監測。
② 分區監測
結合區域匯水關系和管網存在的問題，對區域進行劃分，基于網格化的思維模式，將各分區作為監測單元，對排水系統進行合理的分解。
在分區監測層級下，可對各分區的排水問題進行診斷分析，形成相對精細化的管理模式，可支持大部分排水管網問題的管理，但由于未涉及排水源頭部分的監測，無法進行污染溯源，不能對排水戶進行追責，不能評價雨水管控項目的效果。
③ 源頭監測
污水系統主要針對企業、居民小區等排水戶，雨水系統則主要針對各類低影響開發項目。
源頭監測在分區監測層級上進一步細化，可支持溯源分析并進行追責，可輔助排水管理，落實排水許可制度的動態監管，將在線監測數據進行集成，對污染排放源進行預警預報，實時更新狀態。對低影響開發改造項目，則可支持項目達標分析，根據評估結果可對存在的問題進行持續改進與優化。
3.2 分級監測定量評分曲線
為支持監測點數量的定量化確定，需要對監測效能進行量化評分，確定不同監測點數量設置下所能實現的最佳監測效能，并通過分數進行刻畫，從而形成分級監測定量評分曲線。
3.2.1 最佳監測效能的確定
同樣數量的在線監測點位設置，布置于不同的監測點位置、監測不同的監測要素，所能實現的監測效能則有所差異。對于尚未開展監測的區域而言，優先在排口布置在線監測點，能夠掌握區域內對應匯水范圍的整體情況，但僅布置在單獨源頭排水戶的排口，所能獲取的信息則大幅減少，對應的監測效能降低。
在一定數量的點位設置下，應按照節點布置的優先原則進行監測位置的篩選，將有限的監測設備布置在重要的監測要素上，獲取關鍵信息。
3.2.2 各層級最優監測數量設定
以項目區域的面積、管網長度、排口數量等信息為基礎，依據監測目標，對不同層級下最優方案監測點的數量進行設定。將整體監測最優數量對應的評分設為100分，分區監測和源頭監測在整體監測的基礎上，能夠更進一步了解排水系統情況，支持排水系統的診斷分析和智慧化管理，對應的分值逐級增加，將分區監測最優數量得分設為200分，源頭監測最優數量得分設為300分；不同層級對應的監測目的不同，對各要素監測覆蓋的比例要求也就有所差異，以水量監測布置的最優數量為例，需依據區域內各要素節點數量進行確定，如表3所示。
根據目前對城市排水系統的要求，污水不能直接排入受納水體，許多城市對污水直排口進行了封堵和改造，但仍留有合流制溢流口，屬于重點監測要素，在整體監測層級下，應盡可能進行監測覆蓋；區域內雨水排口數量遠多于排污口，尤其是河流水系密布的區域，大小排口沿河分布，在整體監測和分區監測層級下僅需要覆蓋主要排口，達到源頭監測層級后，才需對所有具有監測需求的雨水排口進行覆蓋。
在管網節點監測布置部分，整體監測層級最優數量僅覆蓋管網系統核心的節點；以整體監測為基礎，考慮區域排水分區的劃分情況，識別排水管網的關鍵節點，在主干節點的基礎上覆蓋分支節點，雖然分區監測層級下，最優監測點數量增加有限，但可支持大部分排水管網問題的診斷與分析；在源頭監測層級下，由于污水系統的排水戶以及雨水系統的地塊類項目數量巨大，最優監測數量大幅增加。
在各層級內，由監測點數量設置的覆蓋比例確定基礎得分，并根據布點的要求、優先原則、監測點覆蓋的重要程度，進行分數的調整，對應分值均為該監測點數量下所能實現的最佳監測效能。
分級監測體系下在線監測點數量定量評分曲線如圖2所示。
04 監測點數量量化確定的應用
基于分級監測體系，利用定量化評分曲線，對于特定區域，可根據基本的排水管網資料和監測需求，對監測點數量進行初步的量化確定，并根據經濟約束條件，確定監測方式，形成區域初步的監測布點方案，并能夠指導監測方案的優化與調整。
4.1 雨水系統監測
以某海綿試點區的監測為例，根據海綿城市考核評估的需求，按照降雨徑流的匯集過程，從源頭到過程到末端，建立全過程系統性的監測體系，全面掌握海綿試點區的雨水徑流排放情況，能夠支持多個排水分區的精細化管理及問題診斷，對源頭低影響開發項目進行達標評價與分析并督促優化整改。
該海綿試點城市位于我國東部地區，對海綿試點區的雨水管網系統進行基本資料的收集：試點區域面積共計25.24 km2，其中排水管網輻射面積為20.5 km2；現狀雨水管道長約79.5 km；末端入河主要排放口共計75個，其中雨水排放口73個，合流制排放口2個；源頭低影響開發改造地塊類項目共計108個。根據試點區的基本信息，考慮3個層級的監測需求，分別確定最優監測點數量，即，整體監測最優監測點為39個，分區監測最優監測點為76個，源頭監測最優監測點為178個。海綿試點區域評分曲線如圖3所示。
根據監測目的和需求，應完成整體監測和分區監測，考慮源頭地塊項目數量較多，應盡可能覆蓋，在源頭監測層級部分，監測效能應達到80%及以上。
4.1.1 整體和分區監測
根據區域內的排水關系，海綿試點區共劃分17個子排水分區，在排口部分共布置75臺在線監測設備，覆蓋所有排口；在管網監測部分，兼顧各排水分區，設置26個監測點，對管網主干和分支節點進行監測。
① 排口監測
在匯流區域面積大的主要雨水排放口和2個合流制排放口布置流量在線監測點，實時采集流量信息，共計60處；在匯流區域小的排放口布置液位在線監測點，僅作為排放口是否有出流的定性判斷，共計15處。
② 管網監測
在雨污混接處下游管網或主干管網下游節點進行流量監測，支持排水管網日常運行規律的定量分析，共12處；在區域易澇點、管網重點區域進行液位在線監測，支持內澇預警及管道運行風險評估，共14處。
4.1.2 源頭監測
海綿試點區內共計108個源頭地塊類項目，若全部布置在線監測設備進行監測，所需成本會大幅增加；另外，根據評分曲線，源頭監測部分監測點個數增加顯著，但后期分值增加幅度有限。考慮各個地塊排水具有一定的相似性，僅選擇典型項目進行在線監測。篩選住宅小區、公園綠地、廣場等不同類型具有代表性的19個典型項目進行監測，由于項目排口不唯一，部分項目需多臺監測設備，共布置34 處。
4.1.3 監測方案初步制定
根據試點區排水系統的基礎資料，可得到3個監測層級下最優的監測布點數量，并得到定量化的評分曲線。
考慮海綿城市建設效果考核評估的需求，進行監測布點數量的確定，最終形成135處在線監測布點方案，覆蓋試點區全部排口、主干和分支節點以及典型源頭項目。在評分曲線中，對應得分為285分，在布點位置、指標選擇合理的最優布點方式下，理論上可完成整體監測和分區監測。在源頭監測部分，通過對典型項目的篩選，可進行有效監測，在有限的經濟成本投入下，完成該層級85%左右的監測效能。
試點區監測布點示意及得分見圖4。
4.2 污水系統的監測
為實現廠網一體化的智能管控模式、支持排水管網動態監測與預警機制的建立、評估區域內實施控源截污工程改造的效果，某市需對污水排水系統建立從排水戶到污水廠的全過程在線監測。該在線監測體系的建立，能夠為雨污混流、排水戶偷排、入流入滲、污水廠進水濃度低、管網帶壓運行等問題提供數據，從而大幅提高排水系統整體運行的可靠性和效率。
該市位于長江流域，城區核心區域面積共計63.5 km2；新建區域的市政管網為雨污分流，但城區內大部分區域為合流制，存在污水下河現象，目前正在實行控源截污工程，消除污水直排現象；主城區內共計3座污水處理廠、21座泵站；區域范圍內水系密布，沿岸大小排污口共計600余個；排水戶共計323 個。
4.2.1 監測方案分級量化制定
以區域基本信息為基礎，考慮監測目的和需求，以污水系統監測為主，暫不考慮對雨水系統的監測，按照分級監測量化評分的方法，可得到監測效能分值與監測點個數的關系曲線圖，如圖5所示。
由于區域面積大，水系密布、排口眾多，各層級下最優監測所需的布點數量都較大，若都采用固定設備的監測模式，經濟成本過高，因此在兼顧考慮經濟性與滿足需求的雙重約束下，采用固定與輪換相結合的監測模式，利用有限的監測成本盡量覆蓋較多的點位。
通過輪換監測的方式，在相同監測設備數量下，覆蓋的監測范圍可顯著提升，提高監測效能，但相比于固定監測，輪換監測的方式必然會損失一部分信息量，因此需針對排水系統內不同要素的特征和監測需求，選擇監測方式，保障在線監測的有效性。
① 固定監測的內容
區域內管網部分所需監測點數量較少，主要是污水主干管，需長期持續收集數據；為支持排水系統整體的運行調度，排水設施如污水廠進水主干管和泵站也需要固定監測收集數據；排口部分，由于數量過多，僅對大型排口（d≥600 mm）采用固定監測的方式；考慮排水戶監管的需求，典型排水戶開展固定監測，掌握區域排水規律。
② 輪換監測的內容
區域內大部分排口屬于中小型排口，入河水量有限，可采用輪換監測的方式，階段性收集數據；對區域內大部分排水戶采用輪換監測的方式，采集排水戶信息。
4.2.2 排水管網監測
① 污水主干管監測
結合主城區控源截污工程開展的管網完善工程，對新建主干管（d800 mm和d1 000 mm）以及現狀污水主干管，進行流量固定監測，掌握區域整體排污情況，共計16個監測點。
② 歷史積水點監測
區域以污水系統監測為主，考慮對積水內澇預警報警，選擇內澇嚴重的9個積水點進行液位的監測。
③ 泵站進出口
區域范圍內共選擇13座泵站，在泵站的進水口進行流量的在線監測，掌握各泵站服務范圍內來水量，從而為泵站調控策略的制定提供水量數據；選擇其中規模較大的4個主要泵站布置自動采樣器，在流量發生突變時，可觸發采樣，進一步對水樣進行人工檢測化驗，選擇pH、電導率、濁度、氨氮、COD等指標進行化驗，可掌握區域內水質情況。
④ 污水廠干管
對污水廠收水干管進行液位監測，從而掌握干管的充滿度；對污水廠的運行負荷進行預警，支持排水系統的一體化調度；根據管網拓撲關系，2座污水廠分別與2根主干管相連，共需4臺在線液位計。
4.2.3 排口監測
① 固定監測
共篩選管徑600 mm及以上的重要排口進行流量和水質的固定監測，共計13臺在線流量計和13臺水質在線預警儀。
② 輪換監測
服務于控源截污工程，需摸查排口以及未進行截污干管建設區域和封堵的排口，避免偷排和漏排，共需對項目范圍內的142個排口開展輪換監測，需預留24臺在線流量計。
4.2.4 排水戶監測
① 固定監測
選擇典型小區市政管道接口布置監測點。選擇已經進行雨污分流改造且排水量較大的項目進行固定監測，分析雨天旱天運行情況，初步篩選29個典型排水戶監測，共需29臺流量計和29臺自動采樣器。
② 輪換監測
對清河區188戶、清浦區114戶以及開發區21戶采取雨污合流制的排水戶進行雨污分流改造，共計323戶。除固定監測29戶，其余294戶采用輪換監測，預計在一年內完成所有排水戶雨季和旱季排口水量和水質的數據收集。經計算，共需19臺在線流量計，進行16次輪換監測。
4.2.5 監測方案評價與優化
該市主城區排水管網采用在線監測，水量在線監測方面共計139臺監測設備，各要素布點的在線液位計和在線流量計如表4所示。其中，部分要素采用輪換監測的方式，等效覆蓋監測點數量大幅增加，可達到532 個。
根據分級監測的理論分值曲線，覆蓋532個監測點位，監測效能對應的分值為220分（見圖6），可基本滿足3個層級的監測需求，實現監測目的。但受經濟條件制約，采用輪換監測的方式，對于面積較大的監測區域，提高了監測覆蓋度，但監測的精細化程度較差，若后期經濟條件允許，可再增加20臺左右的設備，將等效監測覆蓋點提升至600 個左右，監測效能對應得分可明顯提升。
05 結果與討論
對于排水管網系統的在線監測而言，在制定監測方案時，在線監測的布點數量是首先需要考慮的問題。針對不同區域的監測目的和需求，根據分級監測的思路，明確不同層級下最優監測方案的布點數量和不同監測點個數下所能實現的監測效能，可支持監測點數量的量化確定、方案量化評價與優化、監測方式選擇以及監測的逐步完善等。
5.1 監測點數量的量化確定
根據項目區域排水系統所面臨的問題以及監測目的，確定監測方案對應的監測層級，在每一層級內根據評分曲線確定監測點個數。
①各層級內監測點個數設置應盡量靠近最優方案，一般而言，各層級內與最優方案相比，監測效能應大于80%（對應整體監測為80分，分區監測180分，源頭監測280分），以實現該層級對應的監測目的。
②結合分值曲線各區間段的具體形狀，分析監測點的邊際效益，從而調節監測點個數。評分曲線的斜率能夠在一定程度上反映監測點所起到的邊際效益，某些階段曲線斜率較大，說明該部分監測點數量的增加，能夠顯著增加監測方案整體的有效性，在經濟條件允許的情況下，應增加該部分監測點的數量；但也有一些監測點邊際效益較低，雖然增加一個監測節點的成本固定，但對監測方案整體效果的提升相對有限，只有在經濟預算充足的情況下才需進行布設。
5.2 監測方案量化評價與優化
評分曲線按照監測布點優先原則繪制，是一定監測點數量下所能實現的最優監測效果，隨監測點個數增加，對應的分值升高，逐步接近最優方案。
①在一定經濟成本投入的約束下，可得到所能布設的監測點數量，快速確定該條件下能實現的最優監測效果。
②隨著項目實施的推進，監測方案也需要進行一定的優化與調整，利用定量評分曲線，可以預評估監測方案調整后的理想效果。
5.3 監測方式的選擇
在相同監測設備數量的條件下，綜合利用固定監測和輪換監測的方式，可以大幅提高監測設備的覆蓋范圍，提升監測方案對應的評分。但設備輪換需要一定的更換時間，與固定監測相比，勢必會損失一部分信息。
①整體監測是區域核心關鍵點，掌握區域排水必需的基本信息，宜采用固定監測。
②分區監測部分對應的曲線斜率整體較大，單個監測點所起到的邊際效益高，監測數據可支持排水管網大部分問題的診斷，宜采用固定或輪換監測。
③源頭監測，由于排水戶/源頭項目數量眾多所需監測點數量大，曲線斜率較小，選擇代表性的進行固定監測，其余宜采用輪換或臨時監測。
5.4 分級監測的逐步完善
對于特定項目區域，應分階段實施分級監測，避免在基礎信息有限、監測實施條件較差的情況下，盲目追求一步到位。
①應優先布置整體監測部分所需的點位，作為對區域整體信息的掌握，為后期監測布點提供基礎；尤其是基礎資料較差區域，盡快掌握區域排水整體特征。
②在整體監測的基礎上，可同步對分區監測和排水戶監測所需的監測點進行設備安裝，支持區域排水精細化管理，以及污染溯源。
③完成設備安裝后，開始持續收集數據，根據已有監測數據，持續補充完成剩余監測點設備安裝。
④根據監測目的、資金成本和已有數據，結合分值曲線，對初步的監測方案進行優化調整。
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