排水管網(wǎng)在線監(jiān)測布點數(shù)量的確定

摘要：排水管網(wǎng)在線監(jiān)測對城市排水智慧化管理、系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度、在線預(yù)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(jīng)濟成本約束下，制定合理有效的排水管網(wǎng)在線監(jiān)測方案。其中，在線監(jiān)測布點數(shù)量的確定是制定方案的基礎(chǔ)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(wǎng)分級監(jiān)測的思路，根據(jù)整體、分區(qū)和源頭三個層級的監(jiān)測思路，量化不同層級下最優(yōu)監(jiān)測布點的數(shù)量及不同監(jiān)測點數(shù)量設(shè)置下可實現(xiàn)的最優(yōu)監(jiān)測效能，可指導(dǎo)排水管網(wǎng)在線監(jiān)測布點數(shù)量的確定。將該方法分別在城市雨水系統(tǒng)和污水系統(tǒng)監(jiān)測點數(shù)量確定中進行應(yīng)用，能夠支持監(jiān)測方案的量化評價、監(jiān)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(wǎng)對于城市安全運行起著重要的保障作用，但由于排水管網(wǎng)工程本身的隱蔽性強、分布范圍廣，導(dǎo)致其運行狀態(tài)不清、管理難度較大，對管網(wǎng)混接、入流入滲等問題的分析診斷困難。利用排水管網(wǎng)在線監(jiān)測可以支持排水系統(tǒng)問題的定量診斷與分析，支持排水系統(tǒng)的智能化管理；而數(shù)據(jù)的可靠性、準確性及有用性則是排水管網(wǎng)分析診斷的基礎(chǔ)。對所有排水管網(wǎng)節(jié)點進行在線監(jiān)測布點，能夠全面掌握排水管網(wǎng)的運行動態(tài)，但節(jié)點數(shù)量眾多，監(jiān)測成本過高；在經(jīng)濟成本的約束下，需要根據(jù)監(jiān)測需求和目的，制定科學(xué)有效的監(jiān)測布點方案，篩選最具代表性的節(jié)點，以盡可能少的監(jiān)測點獲取盡量全面的排水管網(wǎng)信息，形成兼顧代表性和經(jīng)濟性的可行監(jiān)測方案。

對于特定區(qū)域，排水管網(wǎng)在線監(jiān)測方案應(yīng)涵蓋監(jiān)測指標、監(jiān)測布點數(shù)量、監(jiān)測位置以及監(jiān)測時間等多項內(nèi)容。其中，監(jiān)測設(shè)備的數(shù)量在監(jiān)測方案制定的初期是最為關(guān)鍵的指標，為區(qū)域問題的整體規(guī)劃設(shè)計提供制定預(yù)算的依據(jù)，推進項目的執(zhí)行。目前，排水管網(wǎng)在線監(jiān)測布點數(shù)量的確定，主要依靠人為主觀經(jīng)驗判斷，尚沒有統(tǒng)一的方法和標準，造成布點數(shù)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(wǎng)監(jiān)測布點定量化確定的問題，基于排水管網(wǎng)特征、運行規(guī)律、監(jiān)測需求，研究按照整體監(jiān)測、分區(qū)監(jiān)測和源頭監(jiān)測三個部分，提出分層級的排水管網(wǎng)監(jiān)測思路，以水量監(jiān)測為基礎(chǔ)，建立監(jiān)測點數(shù)量定量化的制定方法。

01 排水管網(wǎng)監(jiān)測基礎(chǔ)

對于目標區(qū)域排水管網(wǎng)，監(jiān)測點數(shù)量的確定需要考慮對排水關(guān)鍵要素的覆蓋、監(jiān)測指標的篩選以及區(qū)域開展監(jiān)測的目的。

排水管網(wǎng)是一種典型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有很強的上下游關(guān)聯(lián)性，從排放源到分支管網(wǎng)、主干管網(wǎng)、泵站、污水廠及最終的受納水體，形成完整的排水系統(tǒng)。以污水排放系統(tǒng)為例，在監(jiān)測點位的設(shè)置上，共可分為6個部分，如圖1所示。

①排放源。對污水系統(tǒng)而言，主要為片區(qū)內(nèi)重點企業(yè)或典型小區(qū)，作為排水戶，向市政管網(wǎng)系統(tǒng)排入生產(chǎn)及生活污水；在排口應(yīng)進行水量和水質(zhì)的實時監(jiān)測，對偷排漏排起到監(jiān)管作用。對雨水系統(tǒng)而言，則為低影響開發(fā)項目，排口的監(jiān)測可直接支持項目達標性的分析。

②分支節(jié)點。對于污水系統(tǒng)，分支節(jié)點反映多個排水戶的情況，可掌握一個小片區(qū)整體的排污情況。對于雨水系統(tǒng)，分支節(jié)點的監(jiān)測主要針對歷史易澇點，可對城市內(nèi)澇問題進行實時監(jiān)測與動態(tài)預(yù)警。

③主干節(jié)點。無論污水系統(tǒng)還是雨水系統(tǒng)，主干節(jié)點都起著重要的連接作用，通過流量和典型水質(zhì)指標的聯(lián)合監(jiān)測，可作為上游問題驗證、下游合理調(diào)度的依據(jù)。

④調(diào)蓄設(shè)施。針對調(diào)蓄控制的流域，體現(xiàn)上下游、排水系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度的關(guān)系。

⑤污水廠。污水系統(tǒng)的控制終端，通過進、出水的監(jiān)測，對排水情況進行監(jiān)測與預(yù)警，評估污水廠收水范圍內(nèi)的整體情況。

⑥排口。排水管網(wǎng)系統(tǒng)的末端，體現(xiàn)對城市水環(huán)境質(zhì)量的影響。

1.2 排水管網(wǎng)在線監(jiān)測指標設(shè)置

排水監(jiān)測指標整體上可分為水量和水質(zhì)兩大方面，同時需對降雨進行監(jiān)測，作為排水分析的背景信息與基礎(chǔ)。

①雨量。利用在線雨量計，監(jiān)測片區(qū)內(nèi)的降雨信息。

②流量。水量監(jiān)測的主要指標，可以支持定量分析。

③液位。水量監(jiān)測的輔助性指標，監(jiān)測成本較低，可提供定性分析。

④水質(zhì)。在線監(jiān)測主要選擇簡單的單項指標，對水質(zhì)進行整體掌握；其中雨水管網(wǎng)系統(tǒng)可選擇懸浮物（SS）；污水管網(wǎng)系統(tǒng)可選擇電導(dǎo)率；受納水體可選擇SS和溶解氧（DO）。

1.3 排水管網(wǎng)在線監(jiān)測目的

不同區(qū)域排水管網(wǎng)系統(tǒng)面臨的問題不同，因而排水管網(wǎng)在線監(jiān)測的目的也有所差異，需要根據(jù)各自具體的監(jiān)測目的，進行監(jiān)測點位置和監(jiān)測指標的選擇。

不同監(jiān)測目的下監(jiān)測點設(shè)置分析如表1所示。

02 監(jiān)測點量化確定的依據(jù)

對排水管網(wǎng)監(jiān)測布點數(shù)量進行定量化的制定，需要滿足排水管網(wǎng)監(jiān)測布點的要求，并根據(jù)不同要素的重要程度進行優(yōu)先級的排序，從而在一定經(jīng)濟成本約束下，確定最優(yōu)的監(jiān)測點數(shù)量。

2.1 監(jiān)測布點位置要求

2.1.1 雨水系統(tǒng)排放口

雨水排放口在旱季不應(yīng)有水流排放，若旱季存在排水則應(yīng)進行重點監(jiān)測，支持區(qū)域的偷排漏排管理；在降雨期間對雨水徑流排放進行監(jiān)測，可對片區(qū)整體的徑流水量及水質(zhì)情況進行評估?？筛鶕?jù)排口大小，選擇具備監(jiān)測條件的雨水排口進行在線監(jiān)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(jiān)測；

②DN300～DN600中等排水口，對城市水體影響明顯，需監(jiān)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(zhì)監(jiān)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(fā)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(xiàn)象，通過對合流制溢流排口的監(jiān)測可評估區(qū)域整體溢流污染情況，對點源污染進行有效的監(jiān)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(jiān)測的需求。

②所有排放口均優(yōu)先保障流量監(jiān)測，對于重點排口（DN600及以上），若發(fā)生污水直排對城市水環(huán)境影響顯著，有條件時應(yīng)進一步補充水質(zhì)監(jiān)測。

2.1.3 雨水管網(wǎng)

①選擇下游主干管節(jié)點進行流量監(jiān)測，可支持對應(yīng)分區(qū)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(jiān)測，對城市內(nèi)澇進行預(yù)警并評估水安全情況。

2.1.4 合流制及污水管網(wǎng)

在管道主干節(jié)點進行流量監(jiān)測，可支持水量平衡、管網(wǎng)運行規(guī)律的識別；對入流入滲、雨污混接等管網(wǎng)問題進行診斷分析。

①選擇帶壓運行壓力較高的節(jié)點進行液位監(jiān)測，為運行評估及風險預(yù)警提供在線動態(tài)依據(jù)；

②在泵站、調(diào)蓄池、污水廠等主要設(shè)施的進出水口進行流量監(jiān)測，為排水系統(tǒng)的整體運行調(diào)度提供依據(jù)。

2.2 節(jié)點布置優(yōu)先原則

無論是源頭、管網(wǎng)還是排口，作為排水系統(tǒng)的組成部分，都有監(jiān)測的需求；污水和雨水也都應(yīng)同步開展監(jiān)測，但在經(jīng)濟成本有限、監(jiān)測點數(shù)量設(shè)置不夠的情況下，無法完全滿足監(jiān)測點布置的需求，考慮不同監(jiān)測點的重要性，應(yīng)對重要節(jié)點優(yōu)先進行監(jiān)測。

①排口>管網(wǎng)>源頭

排口作為排水管網(wǎng)系統(tǒng)的終端，對城市水環(huán)境有顯著影響，應(yīng)優(yōu)先監(jiān)測；管網(wǎng)節(jié)點是排水系統(tǒng)的過程部分，起著承上啟下的聯(lián)通作用；源頭是排水系統(tǒng)的源頭端，個別排水戶/項目對整體排水系統(tǒng)的影響相對有限。

②污水>雨水

目前大多數(shù)城市的分流制排水體系，從排放時間角度，污水持續(xù)存在而雨水徑流僅在降雨期間產(chǎn)生；從城市監(jiān)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(wǎng)分級監(jiān)測方法

為支持排水管網(wǎng)監(jiān)測布點數(shù)量的量化確定，在監(jiān)測方案制定過程中采用分級監(jiān)測的技術(shù)體系，逐級完善排水管網(wǎng)在線監(jiān)測。

3.1 整體技術(shù)體系

分級監(jiān)測技術(shù)體系以區(qū)域監(jiān)測目的為基礎(chǔ)，包括整體監(jiān)測、分區(qū)監(jiān)測和源頭監(jiān)測3個層級，不同層級所涵蓋的監(jiān)測要素不同，能實現(xiàn)的監(jiān)測目的也有所差異，如表2所示。

① 整體監(jiān)測

整體監(jiān)測主要是對區(qū)域整體情況的掌握，覆蓋程度相對有限，僅針對管網(wǎng)的主要節(jié)點，管網(wǎng)布點密度較低。整體監(jiān)測針對的是區(qū)域最重要的節(jié)點，能夠掌握區(qū)域排水的基本負荷情況，支持基礎(chǔ)性管理工作的開展，建議進行長期固定監(jiān)測。

② 分區(qū)監(jiān)測

結(jié)合區(qū)域匯水關(guān)系和管網(wǎng)存在的問題，對區(qū)域進行劃分，基于網(wǎng)格化的思維模式，將各分區(qū)作為監(jiān)測單元，對排水系統(tǒng)進行合理的分解。

在分區(qū)監(jiān)測層級下，可對各分區(qū)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(wǎng)問題的管理，但由于未涉及排水源頭部分的監(jiān)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(jiān)測

污水系統(tǒng)主要針對企業(yè)、居民小區(qū)等排水戶，雨水系統(tǒng)則主要針對各類低影響開發(fā)項目。

源頭監(jiān)測在分區(qū)監(jiān)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(tài)監(jiān)管，將在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行集成，對污染排放源進行預(yù)警預(yù)報，實時更新狀態(tài)。對低影響開發(fā)改造項目，則可支持項目達標分析，根據(jù)評估結(jié)果可對存在的問題進行持續(xù)改進與優(yōu)化。

3.2 分級監(jiān)測定量評分曲線

為支持監(jiān)測點數(shù)量的定量化確定，需要對監(jiān)測效能進行量化評分，確定不同監(jiān)測點數(shù)量設(shè)置下所能實現(xiàn)的最佳監(jiān)測效能，并通過分數(shù)進行刻畫，從而形成分級監(jiān)測定量評分曲線。

3.2.1 最佳監(jiān)測效能的確定

同樣數(shù)量的在線監(jiān)測點位設(shè)置，布置于不同的監(jiān)測點位置、監(jiān)測不同的監(jiān)測要素，所能實現(xiàn)的監(jiān)測效能則有所差異。對于尚未開展監(jiān)測的區(qū)域而言，優(yōu)先在排口布置在線監(jiān)測點，能夠掌握區(qū)域內(nèi)對應(yīng)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(yīng)的監(jiān)測效能降低。

在一定數(shù)量的點位設(shè)置下，應(yīng)按照節(jié)點布置的優(yōu)先原則進行監(jiān)測位置的篩選，將有限的監(jiān)測設(shè)備布置在重要的監(jiān)測要素上，獲取關(guān)鍵信息。

3.2.2 各層級最優(yōu)監(jiān)測數(shù)量設(shè)定

以項目區(qū)域的面積、管網(wǎng)長度、排口數(shù)量等信息為基礎(chǔ)，依據(jù)監(jiān)測目標，對不同層級下最優(yōu)方案監(jiān)測點的數(shù)量進行設(shè)定。將整體監(jiān)測最優(yōu)數(shù)量對應(yīng)的評分設(shè)為100分，分區(qū)監(jiān)測和源頭監(jiān)測在整體監(jiān)測的基礎(chǔ)上，能夠更進一步了解排水系統(tǒng)情況，支持排水系統(tǒng)的診斷分析和智慧化管理，對應(yīng)的分值逐級增加，將分區(qū)監(jiān)測最優(yōu)數(shù)量得分設(shè)為200分，源頭監(jiān)測最優(yōu)數(shù)量得分設(shè)為300分；不同層級對應(yīng)的監(jiān)測目的不同，對各要素監(jiān)測覆蓋的比例要求也就有所差異，以水量監(jiān)測布置的最優(yōu)數(shù)量為例，需依據(jù)區(qū)域內(nèi)各要素節(jié)點數(shù)量進行確定，如表3所示。

根據(jù)目前對城市排水系統(tǒng)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(jiān)測要素，在整體監(jiān)測層級下，應(yīng)盡可能進行監(jiān)測覆蓋；區(qū)域內(nèi)雨水排口數(shù)量遠多于排污口，尤其是河流水系密布的區(qū)域，大小排口沿河分布，在整體監(jiān)測和分區(qū)監(jiān)測層級下僅需要覆蓋主要排口，達到源頭監(jiān)測層級后，才需對所有具有監(jiān)測需求的雨水排口進行覆蓋。

在管網(wǎng)節(jié)點監(jiān)測布置部分，整體監(jiān)測層級最優(yōu)數(shù)量僅覆蓋管網(wǎng)系統(tǒng)核心的節(jié)點；以整體監(jiān)測為基礎(chǔ)，考慮區(qū)域排水分區(qū)的劃分情況，識別排水管網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點，在主干節(jié)點的基礎(chǔ)上覆蓋分支節(jié)點，雖然分區(qū)監(jiān)測層級下，最優(yōu)監(jiān)測點數(shù)量增加有限，但可支持大部分排水管網(wǎng)問題的診斷與分析；在源頭監(jiān)測層級下，由于污水系統(tǒng)的排水戶以及雨水系統(tǒng)的地塊類項目數(shù)量巨大，最優(yōu)監(jiān)測數(shù)量大幅增加。

在各層級內(nèi)，由監(jiān)測點數(shù)量設(shè)置的覆蓋比例確定基礎(chǔ)得分，并根據(jù)布點的要求、優(yōu)先原則、監(jiān)測點覆蓋的重要程度，進行分數(shù)的調(diào)整，對應(yīng)分值均為該監(jiān)測點數(shù)量下所能實現(xiàn)的最佳監(jiān)測效能。

分級監(jiān)測體系下在線監(jiān)測點數(shù)量定量評分曲線如圖2所示。

04 監(jiān)測點數(shù)量量化確定的應(yīng)用

基于分級監(jiān)測體系，利用定量化評分曲線，對于特定區(qū)域，可根據(jù)基本的排水管網(wǎng)資料和監(jiān)測需求，對監(jiān)測點數(shù)量進行初步的量化確定，并根據(jù)經(jīng)濟約束條件，確定監(jiān)測方式，形成區(qū)域初步的監(jiān)測布點方案，并能夠指導(dǎo)監(jiān)測方案的優(yōu)化與調(diào)整。

4.1 雨水系統(tǒng)監(jiān)測

以某海綿試點區(qū)的監(jiān)測為例，根據(jù)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(tǒng)性的監(jiān)測體系，全面掌握海綿試點區(qū)的雨水徑流排放情況，能夠支持多個排水分區(qū)的精細化管理及問題診斷，對源頭低影響開發(fā)項目進行達標評價與分析并督促優(yōu)化整改。

該海綿試點城市位于我國東部地區(qū)，對海綿試點區(qū)的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)進行基本資料的收集：試點區(qū)域面積共計25.24 km2，其中排水管網(wǎng)輻射面積為20.5 km2；現(xiàn)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(fā)改造地塊類項目共計108個。根據(jù)試點區(qū)的基本信息，考慮3個層級的監(jiān)測需求，分別確定最優(yōu)監(jiān)測點數(shù)量，即，整體監(jiān)測最優(yōu)監(jiān)測點為39個，分區(qū)監(jiān)測最優(yōu)監(jiān)測點為76個，源頭監(jiān)測最優(yōu)監(jiān)測點為178個。海綿試點區(qū)域評分曲線如圖3所示。

根據(jù)監(jiān)測目的和需求，應(yīng)完成整體監(jiān)測和分區(qū)監(jiān)測，考慮源頭地塊項目數(shù)量較多，應(yīng)盡可能覆蓋，在源頭監(jiān)測層級部分，監(jiān)測效能應(yīng)達到80%及以上。

4.1.1 整體和分區(qū)監(jiān)測

根據(jù)區(qū)域內(nèi)的排水關(guān)系，海綿試點區(qū)共劃分17個子排水分區(qū)，在排口部分共布置75臺在線監(jiān)測設(shè)備，覆蓋所有排口；在管網(wǎng)監(jiān)測部分，兼顧各排水分區(qū)，設(shè)置26個監(jiān)測點，對管網(wǎng)主干和分支節(jié)點進行監(jiān)測。

① 排口監(jiān)測

在匯流區(qū)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(jiān)測點，實時采集流量信息，共計60處；在匯流區(qū)域小的排放口布置液位在線監(jiān)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(wǎng)監(jiān)測

在雨污混接處下游管網(wǎng)或主干管網(wǎng)下游節(jié)點進行流量監(jiān)測，支持排水管網(wǎng)日常運行規(guī)律的定量分析，共12處；在區(qū)域易澇點、管網(wǎng)重點區(qū)域進行液位在線監(jiān)測，支持內(nèi)澇預(yù)警及管道運行風險評估，共14處。

4.1.2 源頭監(jiān)測

海綿試點區(qū)內(nèi)共計108個源頭地塊類項目，若全部布置在線監(jiān)測設(shè)備進行監(jiān)測，所需成本會大幅增加；另外，根據(jù)評分曲線，源頭監(jiān)測部分監(jiān)測點個數(shù)增加顯著，但后期分值增加幅度有限?？紤]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(jiān)測。篩選住宅小區(qū)、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(jiān)測，由于項目排口不唯一，部分項目需多臺監(jiān)測設(shè)備，共布置34 處。

4.1.3 監(jiān)測方案初步制定

根據(jù)試點區(qū)排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料，可得到3個監(jiān)測層級下最優(yōu)的監(jiān)測布點數(shù)量，并得到定量化的評分曲線。

考慮海綿城市建設(shè)效果考核評估的需求，進行監(jiān)測布點數(shù)量的確定，最終形成135處在線監(jiān)測布點方案，覆蓋試點區(qū)全部排口、主干和分支節(jié)點以及典型源頭項目。在評分曲線中，對應(yīng)得分為285分，在布點位置、指標選擇合理的最優(yōu)布點方式下，理論上可完成整體監(jiān)測和分區(qū)監(jiān)測。在源頭監(jiān)測部分，通過對典型項目的篩選，可進行有效監(jiān)測，在有限的經(jīng)濟成本投入下，完成該層級85%左右的監(jiān)測效能。

試點區(qū)監(jiān)測布點示意及得分見圖4。

4.2 污水系統(tǒng)的監(jiān)測

為實現(xiàn)廠網(wǎng)一體化的智能管控模式、支持排水管網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測與預(yù)警機制的建立、評估區(qū)域內(nèi)實施控源截污工程改造的效果，某市需對污水排水系統(tǒng)建立從排水戶到污水廠的全過程在線監(jiān)測。該在線監(jiān)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(wǎng)帶壓運行等問題提供數(shù)據(jù)，從而大幅提高排水系統(tǒng)整體運行的可靠性和效率。

該市位于長江流域，城區(qū)核心區(qū)域面積共計63.5 km2；新建區(qū)域的市政管網(wǎng)為雨污分流，但城區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域為合流制，存在污水下河現(xiàn)象，目前正在實行控源截污工程，消除污水直排現(xiàn)象；主城區(qū)內(nèi)共計3座污水處理廠、21座泵站；區(qū)域范圍內(nèi)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(jiān)測方案分級量化制定

以區(qū)域基本信息為基礎(chǔ)，考慮監(jiān)測目的和需求，以污水系統(tǒng)監(jiān)測為主，暫不考慮對雨水系統(tǒng)的監(jiān)測，按照分級監(jiān)測量化評分的方法，可得到監(jiān)測效能分值與監(jiān)測點個數(shù)的關(guān)系曲線圖，如圖5所示。

由于區(qū)域面積大，水系密布、排口眾多，各層級下最優(yōu)監(jiān)測所需的布點數(shù)量都較大，若都采用固定設(shè)備的監(jiān)測模式，經(jīng)濟成本過高，因此在兼顧考慮經(jīng)濟性與滿足需求的雙重約束下，采用固定與輪換相結(jié)合的監(jiān)測模式，利用有限的監(jiān)測成本盡量覆蓋較多的點位。

通過輪換監(jiān)測的方式，在相同監(jiān)測設(shè)備數(shù)量下，覆蓋的監(jiān)測范圍可顯著提升，提高監(jiān)測效能，但相比于固定監(jiān)測，輪換監(jiān)測的方式必然會損失一部分信息量，因此需針對排水系統(tǒng)內(nèi)不同要素的特征和監(jiān)測需求，選擇監(jiān)測方式，保障在線監(jiān)測的有效性。

① 固定監(jiān)測的內(nèi)容

區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)部分所需監(jiān)測點數(shù)量較少，主要是污水主干管，需長期持續(xù)收集數(shù)據(jù)；為支持排水系統(tǒng)整體的運行調(diào)度，排水設(shè)施如污水廠進水主干管和泵站也需要固定監(jiān)測收集數(shù)據(jù)；排口部分，由于數(shù)量過多，僅對大型排口（d≥600 mm）采用固定監(jiān)測的方式；考慮排水戶監(jiān)管的需求，典型排水戶開展固定監(jiān)測，掌握區(qū)域排水規(guī)律。

② 輪換監(jiān)測的內(nèi)容

區(qū)域內(nèi)大部分排口屬于中小型排口，入河水量有限，可采用輪換監(jiān)測的方式，階段性收集數(shù)據(jù)；對區(qū)域內(nèi)大部分排水戶采用輪換監(jiān)測的方式，采集排水戶信息。

4.2.2 排水管網(wǎng)監(jiān)測

① 污水主干管監(jiān)測

結(jié)合主城區(qū)控源截污工程開展的管網(wǎng)完善工程，對新建主干管（d800 mm和d1 000 mm）以及現(xiàn)狀污水主干管，進行流量固定監(jiān)測，掌握區(qū)域整體排污情況，共計16個監(jiān)測點。

② 歷史積水點監(jiān)測

區(qū)域以污水系統(tǒng)監(jiān)測為主，考慮對積水內(nèi)澇預(yù)警報警，選擇內(nèi)澇嚴重的9個積水點進行液位的監(jiān)測。

③ 泵站進出口

區(qū)域范圍內(nèi)共選擇13座泵站，在泵站的進水口進行流量的在線監(jiān)測，掌握各泵站服務(wù)范圍內(nèi)來水量，從而為泵站調(diào)控策略的制定提供水量數(shù)據(jù)；選擇其中規(guī)模較大的4個主要泵站布置自動采樣器，在流量發(fā)生突變時，可觸發(fā)采樣，進一步對水樣進行人工檢測化驗，選擇pH、電導(dǎo)率、濁度、氨氮、COD等指標進行化驗，可掌握區(qū)域內(nèi)水質(zhì)情況。

④ 污水廠干管

對污水廠收水干管進行液位監(jiān)測，從而掌握干管的充滿度；對污水廠的運行負荷進行預(yù)警，支持排水系統(tǒng)的一體化調(diào)度；根據(jù)管網(wǎng)拓撲關(guān)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(jiān)測

① 固定監(jiān)測

共篩選管徑600 mm及以上的重要排口進行流量和水質(zhì)的固定監(jiān)測，共計13臺在線流量計和13臺水質(zhì)在線預(yù)警儀。

② 輪換監(jiān)測

服務(wù)于控源截污工程，需摸查排口以及未進行截污干管建設(shè)區(qū)域和封堵的排口，避免偷排和漏排，共需對項目范圍內(nèi)的142個排口開展輪換監(jiān)測，需預(yù)留24臺在線流量計。

4.2.4 排水戶監(jiān)測

① 固定監(jiān)測

選擇典型小區(qū)市政管道接口布置監(jiān)測點。選擇已經(jīng)進行雨污分流改造且排水量較大的項目進行固定監(jiān)測，分析雨天旱天運行情況，初步篩選29個典型排水戶監(jiān)測，共需29臺流量計和29臺自動采樣器。

② 輪換監(jiān)測

對清河區(qū)188戶、清浦區(qū)114戶以及開發(fā)區(qū)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(jiān)測29戶，其余294戶采用輪換監(jiān)測，預(yù)計在一年內(nèi)完成所有排水戶雨季和旱季排口水量和水質(zhì)的數(shù)據(jù)收集。經(jīng)計算，共需19臺在線流量計，進行16次輪換監(jiān)測。

4.2.5 監(jiān)測方案評價與優(yōu)化

該市主城區(qū)排水管網(wǎng)采用在線監(jiān)測，水量在線監(jiān)測方面共計139臺監(jiān)測設(shè)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(jiān)測的方式，等效覆蓋監(jiān)測點數(shù)量大幅增加，可達到532 個。

根據(jù)分級監(jiān)測的理論分值曲線，覆蓋532個監(jiān)測點位，監(jiān)測效能對應(yīng)的分值為220分（見圖6），可基本滿足3個層級的監(jiān)測需求，實現(xiàn)監(jiān)測目的。但受經(jīng)濟條件制約，采用輪換監(jiān)測的方式，對于面積較大的監(jiān)測區(qū)域，提高了監(jiān)測覆蓋度，但監(jiān)測的精細化程度較差，若后期經(jīng)濟條件允許，可再增加20臺左右的設(shè)備，將等效監(jiān)測覆蓋點提升至600 個左右，監(jiān)測效能對應(yīng)得分可明顯提升。

05 結(jié)果與討論

對于排水管網(wǎng)系統(tǒng)的在線監(jiān)測而言，在制定監(jiān)測方案時，在線監(jiān)測的布點數(shù)量是首先需要考慮的問題。針對不同區(qū)域的監(jiān)測目的和需求，根據(jù)分級監(jiān)測的思路，明確不同層級下最優(yōu)監(jiān)測方案的布點數(shù)量和不同監(jiān)測點個數(shù)下所能實現(xiàn)的監(jiān)測效能，可支持監(jiān)測點數(shù)量的量化確定、方案量化評價與優(yōu)化、監(jiān)測方式選擇以及監(jiān)測的逐步完善等。

5.1 監(jiān)測點數(shù)量的量化確定

根據(jù)項目區(qū)域排水系統(tǒng)所面臨的問題以及監(jiān)測目的，確定監(jiān)測方案對應(yīng)的監(jiān)測層級，在每一層級內(nèi)根據(jù)評分曲線確定監(jiān)測點個數(shù)。

①各層級內(nèi)監(jiān)測點個數(shù)設(shè)置應(yīng)盡量靠近最優(yōu)方案，一般而言，各層級內(nèi)與最優(yōu)方案相比，監(jiān)測效能應(yīng)大于80%（對應(yīng)整體監(jiān)測為80分，分區(qū)監(jiān)測180分，源頭監(jiān)測280分），以實現(xiàn)該層級對應(yīng)的監(jiān)測目的。

②結(jié)合分值曲線各區(qū)間段的具體形狀，分析監(jiān)測點的邊際效益，從而調(diào)節(jié)監(jiān)測點個數(shù)。評分曲線的斜率能夠在一定程度上反映監(jiān)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(jiān)測點數(shù)量的增加，能夠顯著增加監(jiān)測方案整體的有效性，在經(jīng)濟條件允許的情況下，應(yīng)增加該部分監(jiān)測點的數(shù)量；但也有一些監(jiān)測點邊際效益較低，雖然增加一個監(jiān)測節(jié)點的成本固定，但對監(jiān)測方案整體效果的提升相對有限，只有在經(jīng)濟預(yù)算充足的情況下才需進行布設(shè)。

5.2 監(jiān)測方案量化評價與優(yōu)化

評分曲線按照監(jiān)測布點優(yōu)先原則繪制，是一定監(jiān)測點數(shù)量下所能實現(xiàn)的最優(yōu)監(jiān)測效果，隨監(jiān)測點個數(shù)增加，對應(yīng)的分值升高，逐步接近最優(yōu)方案。

①在一定經(jīng)濟成本投入的約束下，可得到所能布設(shè)的監(jiān)測點數(shù)量，快速確定該條件下能實現(xiàn)的最優(yōu)監(jiān)測效果。

②隨著項目實施的推進，監(jiān)測方案也需要進行一定的優(yōu)化與調(diào)整，利用定量評分曲線，可以預(yù)評估監(jiān)測方案調(diào)整后的理想效果。

5.3 監(jiān)測方式的選擇

在相同監(jiān)測設(shè)備數(shù)量的條件下，綜合利用固定監(jiān)測和輪換監(jiān)測的方式，可以大幅提高監(jiān)測設(shè)備的覆蓋范圍，提升監(jiān)測方案對應(yīng)的評分。但設(shè)備輪換需要一定的更換時間，與固定監(jiān)測相比，勢必會損失一部分信息。

①整體監(jiān)測是區(qū)域核心關(guān)鍵點，掌握區(qū)域排水必需的基本信息，宜采用固定監(jiān)測。

②分區(qū)監(jiān)測部分對應(yīng)的曲線斜率整體較大，單個監(jiān)測點所起到的邊際效益高，監(jiān)測數(shù)據(jù)可支持排水管網(wǎng)大部分問題的診斷，宜采用固定或輪換監(jiān)測。

③源頭監(jiān)測，由于排水戶/源頭項目數(shù)量眾多所需監(jiān)測點數(shù)量大，曲線斜率較小，選擇代表性的進行固定監(jiān)測，其余宜采用輪換或臨時監(jiān)測。

5.4 分級監(jiān)測的逐步完善

對于特定項目區(qū)域，應(yīng)分階段實施分級監(jiān)測，避免在基礎(chǔ)信息有限、監(jiān)測實施條件較差的情況下，盲目追求一步到位。

①應(yīng)優(yōu)先布置整體監(jiān)測部分所需的點位，作為對區(qū)域整體信息的掌握，為后期監(jiān)測布點提供基礎(chǔ)；尤其是基礎(chǔ)資料較差區(qū)域，盡快掌握區(qū)域排水整體特征。

②在整體監(jiān)測的基礎(chǔ)上，可同步對分區(qū)監(jiān)測和排水戶監(jiān)測所需的監(jiān)測點進行設(shè)備安裝，支持區(qū)域排水精細化管理，以及污染溯源。

③完成設(shè)備安裝后，開始持續(xù)收集數(shù)據(jù)，根據(jù)已有監(jiān)測數(shù)據(jù)，持續(xù)補充完成剩余監(jiān)測點設(shè)備安裝。

④根據(jù)監(jiān)測目的、資金成本和已有數(shù)據(jù)，結(jié)合分值曲線，對初步的監(jiān)測方案進行優(yōu)化調(diào)整。