數(shù)字化技術(shù)在雨洪管理中的應(yīng)用研究

【摘要】文中介紹了數(shù)字化技術(shù)在雨洪管理中的應(yīng)用優(yōu)勢。分析了傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在雨洪管理中的應(yīng)用，提出了雨水流量、質(zhì)量和水位等信息監(jiān)測和數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的注意事項。分析了基于數(shù)字化技術(shù)的智能控制系統(tǒng)在雨水收集、蓄存和利用等方面的自動化管理方式，以期提高雨水資源的利用效率。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化技術(shù)；雨洪管理；自動化控制

【中圖分類號】TU992" " " 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" " " "【文章編號】1673-6028（2024）02-0040-03

0 引言

隨著環(huán)保意識的加強(qiáng)，人們對市政給排水系統(tǒng)提出了更高要求。數(shù)字化技術(shù)對提高城市排水系統(tǒng)運行效率正發(fā)揮著積極作用。尤其是在城市雨洪管理中，數(shù)字化技術(shù)的有效應(yīng)用，對做好智能化設(shè)計與開發(fā)，推進(jìn)水資源優(yōu)化配置具有重要意義。

1 數(shù)字化在雨洪管理中的優(yōu)勢

1.1 實時監(jiān)測和預(yù)測能力

數(shù)字化技術(shù)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時監(jiān)測雨水流量、質(zhì)量和水位等，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心。相比傳統(tǒng)的人工監(jiān)測手段，數(shù)字化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確采集，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)密度和準(zhǔn)確性[1]。例如，結(jié)合GIS（地理信息系統(tǒng)），可對城市區(qū)域內(nèi)雨洪管理及水資源利用情況進(jìn)行綜合分析與評價。利用大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)手段對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，建立基于實時數(shù)據(jù)的預(yù)測模型。這些預(yù)測模型可以預(yù)測雨水量、水位變化、洪水風(fēng)險等信息，提前預(yù)警可能的洪水災(zāi)害，為災(zāi)害風(fēng)險評估和應(yīng)急決策提供依據(jù)?；跀?shù)字化技術(shù)實時監(jiān)測和預(yù)測的結(jié)果，相關(guān)部門能夠快速作出應(yīng)對決策，采取針對性防范措施，比如疏散人員、部署救援隊伍、加強(qiáng)堤壩巡查等，有效提高洪災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)速度，減少損失，保障人員生命財產(chǎn)安全。

1.2 自動化管理和控制

自動化管理和控制是基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型管理模式。它能將信息數(shù)據(jù)通過計算機(jī)進(jìn)行存儲、處理、傳輸?shù)纫幌盗胁僮?，并根?jù)不同用戶需求實現(xiàn)對相關(guān)信息數(shù)據(jù)的查詢及分析功能?；跀?shù)字化技術(shù)的智能控制系統(tǒng)在雨洪管理中，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、自動控制等多種功能，具有較高的實用性與經(jīng)濟(jì)性。同時，系統(tǒng)可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)參數(shù)，結(jié)合自身特點自動生成控制指令，實現(xiàn)智能化管理，并通過自動化控制系統(tǒng)對水流、排水系統(tǒng)等進(jìn)行調(diào)控，提高防洪排澇效果。數(shù)字化技術(shù)還可以實現(xiàn)對雨洪管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與智能調(diào)度，相關(guān)管理部門通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)和傳感器數(shù)據(jù)信息，利用人工智能技術(shù)自動優(yōu)化，實現(xiàn)智能調(diào)度。

1.3 高效能源利用

數(shù)字化技術(shù)通過優(yōu)化雨洪的處理過程，實現(xiàn)對雨水的深度處理和循環(huán)利用。例如，通過數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，可實時監(jiān)測處理設(shè)備的能耗情況，并進(jìn)行能源分析和優(yōu)化，以實現(xiàn)能源成本的最小化，有助于優(yōu)化曝氣設(shè)備的運行參數(shù)，進(jìn)而降低系統(tǒng)運行能耗[2]。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和自動控制，可以快速優(yōu)化設(shè)備運行方案，提高設(shè)備的能源利用效率。例如，在排水泵站中，數(shù)字化技術(shù)可以根據(jù)實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)來調(diào)整泵的運行時長和功率，以實現(xiàn)節(jié)能減排，并利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源為數(shù)字化監(jiān)測設(shè)備和控制系統(tǒng)供電，降低對傳統(tǒng)能源的依賴，實現(xiàn)能源利用的多樣化和節(jié)約。此外，通過數(shù)字化技術(shù)收集的數(shù)據(jù)和預(yù)測模型，管理部門可以更加精準(zhǔn)地預(yù)測雨水情況和洪水風(fēng)險，優(yōu)化能源使用方案，避免了不必要的資源浪費，提高雨洪管理系統(tǒng)的能源利用效率。

2 數(shù)字化技術(shù)在雨洪管理中的應(yīng)用

2.1 GIS技術(shù)的實際應(yīng)用

GIS技術(shù)是指對地理空間信息進(jìn)行采集，處理和分析的一種先進(jìn)技術(shù)手段，具有較強(qiáng)的空間認(rèn)知能力，能將各種不同類型的地理信息數(shù)據(jù)綜合在一起并加以管理。GIS技術(shù)可將城市的地形、排水系統(tǒng)、雨水徑流等信息進(jìn)行數(shù)字化，快速生成雨水模型和風(fēng)險評估圖，幫助決策者制定可行的雨水管理方案。具體而言，GIS在雨水管理中的應(yīng)用主要包括以下幾個方面：第一，利用GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能，建立雨量站點數(shù)據(jù)庫，以提高雨量資料收集精度。GIS還可以通過圖形庫、模型庫以及屬性庫這三個模塊來構(gòu)建完整的降雨過程模擬與評價平臺，為城市管理者提供更為直觀、有效的決策依據(jù)，從而達(dá)到科學(xué)防洪減災(zāi)目的。第二，采用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，結(jié)合水文預(yù)報方法和氣象預(yù)測方法，研究暴雨洪水規(guī)律及影響因素，優(yōu)化設(shè)計城市排水規(guī)劃方案，合理分配排水管網(wǎng)面積，減輕洪澇災(zāi)害損失，確保城市規(guī)劃建設(shè)工作順利進(jìn)行。第三，運用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，開發(fā)出一套集地圖瀏覽、查詢統(tǒng)計、圖形編輯于一體的城市水情信息系統(tǒng)，使用戶能夠方便快捷地了解到實時降雨量、徑流系數(shù)等重要指標(biāo)。同時，該系統(tǒng)也可為防汛指揮部門提供相關(guān)決策支持，便于提前做好應(yīng)急預(yù)案。

2.2 在線監(jiān)測技術(shù)對排水管網(wǎng)養(yǎng)護(hù)管理的應(yīng)用

在線監(jiān)測技術(shù)是利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程進(jìn)行實時監(jiān)控、分析與管理的一種方法。通過監(jiān)測生產(chǎn)裝置在運行狀態(tài)下各參數(shù)的變化情況，及時掌握設(shè)備健康狀況，從而避免事故發(fā)生。通過在排水管網(wǎng)中安裝傳感器和監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)測管道的漏水情況。傳感器可檢測管道中的壓力、流量和滲漏等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行分析。管網(wǎng)漏損檢測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端（PC機(jī)）、通信服務(wù)器、上位機(jī)軟件三部分組成，其中，數(shù)據(jù)采集終端負(fù)責(zé)從各個監(jiān)測點獲取相關(guān)的信號數(shù)據(jù)，然后傳輸給數(shù)據(jù)通信服務(wù)器。數(shù)據(jù)通信服務(wù)器返回經(jīng)過處理后的結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件接收來自數(shù)據(jù)通信服務(wù)器發(fā)送的命令，完成相應(yīng)操作。在實際應(yīng)用中，主要檢測內(nèi)容包括：第一，漏水量。第二，管段水頭損失及流速分布。第三，管路結(jié)構(gòu)破壞程度及安全保障措施[3]。

管網(wǎng)堵塞監(jiān)測主要使用在線傳感器監(jiān)測排水管道內(nèi)的沉積物和堵塞情況，感知管道內(nèi)的液位、流速和水質(zhì)等參數(shù)，當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定閾值時觸發(fā)聲光報警器發(fā)出報警信號，提醒用戶及時處理管道問題。該監(jiān)測系統(tǒng)能準(zhǔn)確地測量各種工況條件下的水力性能參數(shù)，具有較高的精度，能很好地實現(xiàn)在線預(yù)警功能。實際應(yīng)用要注意以下幾點：第一，由于部分地區(qū)受地形地貌限制，管道埋深一般較淺，因此在埋設(shè)過程中應(yīng)盡量靠近地面設(shè)置，避免影響其他監(jiān)測點的正常運行，且與其他監(jiān)測點保持一定距離。第二，由于管道內(nèi)會存在較大流量的液體，可能造成局部壓力過大或過小而導(dǎo)致設(shè)備損壞或管線穿孔泄漏等事故發(fā)生。為此，安裝前必須對管道內(nèi)部壓力進(jìn)行測試并及時泄壓。第三，應(yīng)根據(jù)具體環(huán)境特點，合理布置測點位置，以便于更全面地反映整個區(qū)域內(nèi)各節(jié)點處的流體狀況。第四，需要考慮到管道長期暴露在外所產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象，應(yīng)盡可能采取陰極保護(hù)措施防止管道被氧化引起失效。第五，為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)真實完整地記錄到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，應(yīng)設(shè)計一個完備的數(shù)據(jù)報表管理系統(tǒng)，并建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)格式供后期查詢，運營數(shù)據(jù)分析中，將在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)源結(jié)合，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和建模，以優(yōu)化管網(wǎng)養(yǎng)護(hù)管理策略。

2.3 地下管網(wǎng)三維顯控技術(shù)的應(yīng)用

地下管網(wǎng)三維顯控技術(shù)是一種通過數(shù)字化手段對地下管網(wǎng)進(jìn)行建模和可視化的技術(shù)，可以為城市管理部門提供一個直觀、全面、形象的地下管線信息平臺。從理論角度出發(fā)其研究內(nèi)容主要包括：建立基于GIS（地理信息系統(tǒng)）的三維空間模型。利用3DMax軟件實現(xiàn)空間分析功能，生成具有真實感的圖形數(shù)據(jù)。運用ArcEngine開發(fā)系統(tǒng)來完成整個過程，并將成果以矢量文件或數(shù)字地圖形式輸出給用戶。

在雨洪管理中運用地下管網(wǎng)三維顯控技術(shù)，可使管理人員實時掌握市政管道及附屬設(shè)施位置分布情況，從而做到及時排澇排水，減少水資源浪費。通過地下管網(wǎng)三維顯控技術(shù)，將實際地下管道網(wǎng)絡(luò)以三維模型的形式展現(xiàn)出來，使得管理者能更加清晰直觀地了解到各種管線所處環(huán)境以及相互之間的關(guān)系，有利于制定合理可行的規(guī)劃方案[4]。

管線狀態(tài)監(jiān)測中，地下管網(wǎng)三維顯控技術(shù)可與傳感器技術(shù)結(jié)合，實時監(jiān)測管線的狀態(tài)和運行參數(shù)。管網(wǎng)維護(hù)和養(yǎng)護(hù)規(guī)劃是以科學(xué)理論為基礎(chǔ)的一項系統(tǒng)性工作，需要有完善的組織體系做保證，包括健全的管理機(jī)構(gòu)、規(guī)范的管理制度和嚴(yán)格的監(jiān)督檢查制度。而傳統(tǒng)的人工巡查模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代城市發(fā)展需求，以地下管網(wǎng)三維顯控技術(shù)為基準(zhǔn)的管網(wǎng)維護(hù)和養(yǎng)護(hù)規(guī)劃設(shè)計系統(tǒng)可實現(xiàn)管網(wǎng)管理由粗放向精細(xì)轉(zhuǎn)變，使管理人員從繁重的手工巡檢作業(yè)中解脫出來，大大提高工作效率。一方面，通過建立高效、便捷的信息系統(tǒng)平臺來加強(qiáng)信息共享程度；另一方面，充分利用信息化手段，輔助決策部門開展日常管理工作，減少人力成本投入。

2.4 數(shù)字化技術(shù)的實際應(yīng)用

數(shù)字化技術(shù)在雨洪管理方面的應(yīng)用主要是利用數(shù)字傳感器采集數(shù)據(jù)，并通過計算機(jī)進(jìn)行分析處理，實現(xiàn)對降雨徑流過程、水量水質(zhì)變化以及水環(huán)境狀況等信息的實時監(jiān)測與預(yù)警。近年來我國城市化進(jìn)程不斷加快，城市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，因此對于生態(tài)環(huán)境造成了很大程度上的破壞。為了有效地改善這種情況，需要將先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)運用到城市綠地建設(shè)中，從而提升整個城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。數(shù)字化技術(shù)可實現(xiàn)智能監(jiān)測系統(tǒng)對雨水的質(zhì)量、流量和水位進(jìn)行監(jiān)測和控制，這些數(shù)據(jù)通過傳感器和網(wǎng)絡(luò)收集并匯總到一個數(shù)據(jù)中心，幫助管理者更好地了解城市雨水的情況，及時發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行調(diào)整。在實際應(yīng)用中，還需注意如下幾個問題。

（1）考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件和地理位置。不同地區(qū)的氣候特點和地形地貌對雨洪形成和演變有不同影響。因此，數(shù)字化技術(shù)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和地理位置特點進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，提高監(jiān)測和預(yù)測的精度和可靠性，確保系統(tǒng)穩(wěn)定、有效運行。

（2）選擇合適的監(jiān)測點位，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。監(jiān)測點位的選取應(yīng)考慮到地形、水文條件、防洪需求等因素，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性。只有確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，才能有效預(yù)警洪水風(fēng)險，保障人民生命財產(chǎn)安全。

（3）充分考慮各種環(huán)境因素如溫度、濕度、風(fēng)速等因素。在數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用中，除了監(jiān)測雨水情況和水位變化外，還應(yīng)將各種環(huán)境因素，如溫度、濕度、風(fēng)速等，納入監(jiān)測和預(yù)測范疇，全面加強(qiáng)環(huán)境因素監(jiān)測和分析，提高系統(tǒng)的綜合應(yīng)對能力。

（4）避免人為因素干擾。人為干擾可能導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)失真或設(shè)備故障，影響系統(tǒng)的正常運行，降低預(yù)警和控制的效果。因此，在數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用中需要加強(qiáng)設(shè)備的保護(hù)和維護(hù)，避免人為因素對系統(tǒng)運行的干擾，確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

此外，數(shù)字化技術(shù)還可以利用水文模型分析和預(yù)測降雨量、徑流和水質(zhì)等特征，準(zhǔn)確獲取雨量數(shù)據(jù)、水流速度數(shù)據(jù)和水質(zhì)參數(shù)。如基于分布式GIS平臺開發(fā)的流域雨洪管理系統(tǒng)可以直觀展示各節(jié)點雨洪流場分布規(guī)律，為合理制定防洪決策提供方便，有助于提高防汛抗災(zāi)能力[5]。

雨洪處理設(shè)施自動化控制系統(tǒng)是以可編程控制器PLC為核心的硬件設(shè)備組成，包括信號調(diào)理電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和顯示儀表等部分。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，分為上位機(jī)測控單元和下位機(jī)軟件控制兩大部分，具有良好的人機(jī)界面和豐富的功能。其中，上位機(jī)測控單元主要完成對各個采集模塊的狀態(tài)監(jiān)視、故障報警以及遠(yuǎn)程通信等功能；下位機(jī)軟件控制部分則負(fù)責(zé)對系統(tǒng)運行過程進(jìn)行實時監(jiān)控和管理，從而實現(xiàn)自動化排水、自動化測量和自動化監(jiān)測，最終達(dá)到優(yōu)化水環(huán)境的目的。而智能排水系統(tǒng)則是由先進(jìn)的傳感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制理論與方法以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)有機(jī)結(jié)合而成的一種集檢測、控制、管理于一體的綜合性排水系統(tǒng)。同時，通過傳感器將水位、流量、壓力、液位等物理量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號并傳送到計算機(jī)上，再經(jīng)過運算處理后得到當(dāng)前時刻所需的控制指令，進(jìn)而驅(qū)動執(zhí)行裝置來實施一系列動作，最后通過顯示器或打印機(jī)輸出結(jié)果，并保存成數(shù)據(jù)文件供日后查詢使用。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著科技水平的不斷提升，數(shù)字信息化時代已經(jīng)到來。在雨洪管理中應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)可有效避免傳統(tǒng)人工觀測方式帶來的誤差大、效率低等缺點，使整個工作流程更加高效便捷。

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[作者簡介]劉卜榛（1990—），女，山東濰坊人，本科，研究方向：智慧化排水。

婁玉艷（1990—）女，山東聊城人，本科，研究方向：建筑給排水。