摘要:城市排水管网是城市生命线安全工程的重要组成部分,其运行状态直接关系防汛排涝安全、污水收集效能与水环境质量。针对传统排水治理中“底数不清、状态不明、验收重工程轻成效、应急处置滞后”等问题,本文以厦门市集美区正本清源智慧排水项目为案例,构建“源-网-站-厂-河”全链条健康监测体系,在6051公里排水管网范围内布设1413套智能终端,融合多源数据,形成雨污分流评估、内涝预警、混流溯源与运维考核一体化应用。整体设备在线率稳定≥96.5%,数据完整率≥98.2%,数据有效率≥95.6%;内涝积水处置平均响应时间由45 min缩短至13 min;典型改造片区雨季外水入渗和溢流污染得到有效削减。研究认为,排水系统智慧化建设应从单点监测转向全链条健康诊断,从工程建设验收转向运行成效验收,从部门分散处置转向跨层级协同治理。该案例可为沿海高水位、强降雨及混合业态城区的智慧排水建设和长效运维提供参考。

前言

我国城市更新和新型城市基础设施建设已进入数字化、网络化、智能化协同推进阶段。2024年中办、国办印发《关于推进新型城市基础设施建设打造韧性城市的意见》,明确提出以信息平台建设为牵引、以智能设施建设为基础、以智慧应用场景为依托,推动城市基础设施数字化改造,提升城市设施韧性、管理韧性和空间韧性。排水系统作为供排水防涝、水污染防治和城市安全运行的关键基础设施,是城市生命线安全工程从“风险感知”迈向“主动治理”的重要场景。

传统管理方式主要依赖人工巡检、定期检测和经验调度,难以及时捕捉雨天溢流、管网满管、局部倒灌、间歇性混接等动态事件。国务院办公厅《关于加强城市内涝治理的实施意见》要求形成“源头减排、管网排放、蓄排并举、超标应急”的排水防涝工程体系,并提升日常维护和应急管理水平。因此,如何将在线监测数据转化为可执行的治理决策,是排水行业信息化建设的关键命题。

本项目在大规模排水管网改造的基础上,引入城市生命线健康监测理念,将源头排水户、市政管网、泵站、污水厂、调蓄池、排口和受纳水体纳入同一感知与治理闭环。

01项目概况与治理需求

1.1区域特征与工程基础

集美区是厦门跨岛发展的核心城区,区域内既有老旧小区、城中村、工业园区,也有商住综合体和新建片区,排水单元类型多、排放规律差异大。受滨海城市高地下水位、台风暴雨频发、既有管网建设年代跨度大等因素影响,局部片区雨污混接、外水入渗和内涝积水风险较为突出。

项目实施前,集美区重点对76km²建成区范围内的雨污水管网进行改造和完善,工程涉及市政道路409条、建筑小区506个。工程建设解决了大量“有无”和“通不通”的问题,但仅依靠竣工资料、抽样检测和人工验收,仍难以回答改造后“清水是否少进厂、污水是否少入河、雨天风险是否可提前预警”等运行成效问题。智慧排水项目的核心任务,正是将正本清源工程的验收口径从静态工程状态延伸至动态运行成效。

1.2核心痛点

雨污分流成效缺少量化核验,缺乏雨季外水入渗量、污水收集率、溢流污染物通量等连续监测数据,难以对工程成效进行客观评价。内涝应急存在信息滞后,易涝点积水、管网充满度、泵站运行负荷等信息分散或依赖人工上报,汛期感知、研判和联动滞后。混错接和入渗排查成本高,CCTV检测、人工排查等间歇性异常的捕捉能力有限,造成泵站能耗虚耗和污水厂进3.水浓度被稀释。长效运维缺乏闭环考核,设备与治理脱节,难以转化为可持续成效。

1.3建设目标

总体目标是实现运行状态的可视、风险的可量化研判、事件的快速响应及治理效果的可追溯复核。构建全流程实时感知,关键节点布设智能终端;建立多参数诊断模型,利用电导率、水位、流量、雨量等判断入渗、混接和溢流风险;打通市、区两级数据链路,形成分级预警、派单处置和复核机制。

监测范围覆盖全域6051km 排水管网主干管与关键节点、26处历史易涝点、26座市/区级泵站、88座区级截污及农村提升泵站、18处重点排海口、39处环湾截流排口、地下通道、污水厂和调蓄池等,形成空间分散、全链覆盖、全域可控的排水监测“一张网”。

02技术架构与感知网络

2.1“端-边-网-云-用”协同架构

系统采用“端-边-网-云-用”协同架构。感知端采集水位、流量、水质等多模态感知数据,具备噪声滤波与断点续传能力;边缘侧的感知一体机就近完成数据预处理和终端管理,并可在通信受限时进行应急响应。数据经4G/5G及光纤等安全通道上传至云平台,由平台统一进行数据治理、模型服务和协同派单;应用层则面向雨污分流评估、内涝预警、混流溯源和排口监管等场景。

核心设计在于通过“边缘预处理+平台融合诊断+业务闭环处置”提升数据可用性,使告警机制从单点阈值报警升级为复合工况下的综合判断。

图1 城市生命线智慧排水项目总体架构

2.2“源-网-站-厂-河”全过程感知

感知网络按“先关键节点、后密度优化,先风险识别、后动态调配”原则部署,覆盖源头、管网、泵站、厂站、排口及受纳水体五类环节。源头侧重排水户和小区出户水质;管网关注充满度、流量变化及空间梯度;泵站围绕前池液位、启停频率、负荷与溢流风险;厂站分析进厂水量与进水浓度;排口及受纳水体识别雨天溢流频次与污染物通量。布局以“按治理问题布点”为核心:雨污分流评估在上下游及泵站进水端形成监测断面,混流溯源在支管汇入和管径变化处设置梯度点,内涝预警则同步布设地下液位、地表积水水位和视频复核,通过指标组合将分散数据转化为片区风险画像。

2.3监测设备部署规模

项目共部署1413套智能终端,覆盖管网、易涝点、泵站、排口与河道及附属设施,详见表1。

03核心应用场景与方法

3.1基于电导率指纹的雨污分流评估

雨污分流改造成效难以进行持续核验。生活污水中电导率通常高于雨水,外水进入污水管网会稀释电导率和COD浓度,导致污水厂进水浓度下降。项目在重点排水户、小区出户、支管汇入口、泵站进水端等布设水质监测点,建立旱天污水本底库和雨天响应曲线,采用“电导率-流量-液位-雨量”联合判定:旱天以电导率稳定区间判断排水性质,雨天以水位突升、流量异常增量和电导率稀释判断入渗;雨水管网出现持续高电导率或氨氮/COD异常时判定为污水混接。引入电导率归一化指数K=(EC−ECr)/(ECs−ECr),其中EC为实时电导率,ECs为旱天污水本底值,ECr为雨水或清水背景值。当K显著低于片区基准且流量增量同步升高时,判定入渗概率上升;当雨水管K持续偏高并伴随COD或氨氮异常时,判定污水混入概率上升。使不同片区具有可比性,增强评估一致性。

3.2“地下+地上”立体感知的内涝预警

内涝预警难点是预警前置。项目在26处易涝点采用管网液位、地面积水雷达/图像和视频复核相结合的方式。地下监测管道充满度η=H/D及其变化率,当管网液位接近高负荷阈值时,提前推送预警;地面监测积水深度和积水区域,视频复核传感异常和现场交通影响。预警模型采用三级触发,一级关注管网高负荷和强降雨叠加;二级关注积水形成、泵站液位持续升高或下游排放受潮位顶托影响;三级关注积水深度达到交通影响阈值、或倒灌风险。预警信息同步至厦门市城市内涝监测预警系统和集美区排水智慧化平台,并推送至值班人员和抢险队伍。将“雨情-管情-站情-路情”合并研判,属地运维单位根据推送的积水点位、管网负荷和泵站工况提前预置抢险力量,处置平均响应时间由45 min缩短至13 min。

3.3基于空间梯度分析的混流溯源

管网混错接和入渗具有隐蔽性和间歇性。传统人工检测对雨天瞬时入流、居民生活排水波动和支管私接的捕捉效率有限。沿管道拓扑布设梯度监测点,利用上下游水质、水位和流量的变化逆向追踪。正常工况下上下游电导率和污染物浓度总体稳定或随支管汇入发生小幅变化。清水入渗时下游电导率会被稀释且流量增量与降雨或地下水位变化相关;污水混入雨水管时,雨水管中电导率、COD或氨氮异常高值。平台先识别“下游异常-上游正常”或“雨水管异常高值”,再结合GIS拓扑收敛疑似管段,由运维单位开展CCTV复核或整改。方法价值将“全网盲查”转化为“靶向核查”。已处置多处隐蔽混接及入渗点,减少了无效检测和路面开挖。

3.4泵站与排口协同调度

泵站是污水输送和雨季风险控制的关键节点。项目在泵站前池液位、泵组启停、运行电流和进水水质等维度建立运行画像,分析泵站旱天基准流量、雨天峰值流量、启停频次和高水位持续时间。强降雨前预降水位,雨中识别超负荷风险,雨后复盘外水入渗和能耗。排口侧则重点监控雨天溢流频次、持续时间和污染物通量,区分正常排放、异常排污和倒灌风险。泵站与排口协同后,治理由“厂站末端达标”拓展为“管网过程控源+排口末端监管”。

04项目运行成效与治理价值

4.1数据质量与监测稳定性

建立在线状态、固件升级、数据校核等机制。整体设备在线率≥96.5%,数据完整率≥98.2%,数据有效率≥95.6%,日均推送有效监测数据≥80万条,为排水防涝调度和项目成效考核提供了连续、可追溯的数据资产。

4.2雨污分流和水环境治理

通过上下游监测、泵站流量反演和排口水质监控,典型改造片区雨季污水管网入渗入流得到控制,污水厂进水浓度稳步提升。集美水质净化厂年均进水BOD5浓度从96mg/L提高至125mg/L;雨天溢流污染物通量同步下降,杏林湾水体水质连续三年稳定达到湖库V类标准。在线数据使“正本清源”评价从工程量转化为运行量。在线数据可验证雨污分流改造是否真正减少流入渗和污水入河,并可识别局部降雨、潮位或异常排污条件下的风险变化,为后续工程补短板提供依据。

4.3内涝处置与跨部门联动成效

内涝预警已从过去依赖巡查人员发现后再逐级上报,转变为系统自动监测、即时预警、同步推送和快速处置。易涝点积水、管网充满度或泵站高水位等预警信息可同步推送至市、区两级系统,协助运维单位提前部署抢险力量。实施后,集美区内涝积水处置的平均响应时间从45分钟缩短至13分钟,效率提升约71%。

4.4量化指标汇总

05运维机制与创新点

5.1政府统筹、专业支撑、属地运维的协同机制

城市生命线项目具有“建设周期短、运维周期长、业务协同要求高”的特点。集美区形成了政府统筹、规划设计单位技术支撑、科技企业提供软硬件、属地排水运营单位日常运维的协同模式。管养单位将智能监测点纳入既有管网巡检任务,建立远程和现场巡检结合,形成“监测-预警-处置-复核-考评”的业务闭环。

5.2运行成效验收替代单纯工程验收

传统排水工程验收主要查看管网是否铺设、道路是否恢复、井室是否完好等工程实体情况。智慧排水项目则将验收延伸到运营成效层面,重点关注污水收集率、进厂浓度、外水入渗率、雨天溢流频次、管网高水位持续时间以及内涝响应时间等指标。这一转变的治理价值在于,用运行数据倒逼管网改造解决实际问题,为后续财政投入和工程补短板提供依据,同时也为运营单位的考核提供了客观标尺。

5.3多参数融合与边缘智能

项目并非依赖单一参数,而是将电导率、水质、流量、液位、雨量、泵站工况与空间拓扑信息融合在一起进行综合诊断。在典型场景下,这种多参数融合的识别准确率达到92%以上,比仅靠单一指标有明显提高。考虑到地下管网通信条件复杂,第四代智能感知终端在本地配置了阈值判定、事件缓存和断点续传功能,即使网络不稳,关键告警也不会丢失。

5.4推广边界与优化方向

项目经验可为沿海城市、河网密集城区及混合业态片区提供参考,推广时需注意几点:电导率和COD阈值应根据本地污水本底、地下水及海水倒灌背景重新标定;监测点位优先考虑管网拓扑、排水分区和积水历史,而非设备数量;模型输出须与现场复核、CCTV检测和工程修复形成闭环,避免只报警不治理;数据共享需统筹网络安全、分级授权和关键基础设施保护。后续可引入时序预测模型、全水谱水质分析和数字孪生,逐步实现泵站、闸门、调蓄池协同调度。

06结语

本项目是城市生命线安全工程理念在排水领域的具体实践。通过1413套城市生命线智能终端和AIOTU城市物联感知平台(一体机),将排水户、管网、泵站、污水厂、排口和受纳水体纳入同一治理闭环,实践表明,运行数据的持续采集使得雨污分流成效可量化、内涝风险可前置、治理成效可追溯,排水管理由此从依赖工程验收转向依靠动态诊断;对于集成商,应重视智能终端可靠性、平台开放接口和数据质量治理;对于运维单位,应将智能监测与巡检、检测、工程修复和成效考核深度融合。

随着城市生命线安全工程和新型城市基础设施建设的持续推进,本项目构建的全链条监测、分级预警与闭环运维模式,为打造宜居、韧性、智慧城市提供了可复制的数字化治理经验。项目积累的经验与成套技术装备成果,已转化为标准化技术方案,并在北京、上海、菏泽、南通、绍兴、大同、山南等数十座城市的近百个重点工程中成功落地应用。

参考文献

[01] 中共中央办公厅,国务院办公厅. 关于推进新型城市基础设施建设打造韧性城市的意见[Z]. 2024-11-26.

[02] 住房城乡建设部办公厅,国家发展改革委办公厅,工业和信息化部办公厅,等. 贯彻落实《中共中央办公厅、国务院办公厅关于推进新型城市基础设施建设打造韧性城市的意见》行动方案(2025—2027年)[Z]. 2025-08-27.

[03] 国务院办公厅. 关于加强城市内涝治理的实施意见:国办发〔2021〕11号[Z]. 2021-04-25.

[04] 陈则宏. 基于电导率在线数据的雨水管网异常识别与诊断技术应用[J]. 净水技术,2024,43(12):160-170.

■文 / 邹 俊 厦门市城市规划设计研究院有限公司

王 宁 厦门市城市规划设计研究院有限公司

郑益斌 厦门万宾科技有限公司

陈少青 厦门市集美区住建和交通局

王 琳 中国科学院城市环境研究所