加強(qiáng)排水管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)，對(duì)保護(hù)HDPE溝槽式排水管材設(shè)施，健全城市信息化管理具有重要意義，在城市雨洪管理方面，更是保障城市水安全，減輕城市防洪壓力、緩解水資源短缺以及改善水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，監(jiān)測(cè)技術(shù)在排水管網(wǎng)運(yùn)行管理中應(yīng)發(fā)揮更為積極與重要的作用。與所有監(jiān)測(cè)相類似，由于人力、物力、財(cái)力等都有所限制，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置目標(biāo)是利用盡可能少的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，能各方面反映被監(jiān)測(cè)對(duì)象的相關(guān)信息。但目前的研究對(duì)排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及優(yōu)化的研究非常有限。

 
1、排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)的目的
對(duì)排水管網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的主要包括兩大類，第一類是及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，輔助城市內(nèi)澇或排水管網(wǎng)溢流時(shí)間的預(yù)警預(yù)報(bào)，第二類是積累排水管網(wǎng)的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)，用于城市排水管網(wǎng)運(yùn)行情況的評(píng)估與診斷。針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)目的，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置時(shí)會(huì)有不同的側(cè)重。
1.1以城市內(nèi)澇預(yù)警為目的
受近年來(lái)氣候變化的影響，暴雨的頻率及強(qiáng)度呈顯著增加的趨勢(shì)，城市化背景下，硬質(zhì)化地面的比例不斷提升，使得“逢雨必澇”“逢暴雨必癱”“城市看海”成為常態(tài)，對(duì)排水管網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，則可以隨時(shí)了解城市各區(qū)域的積水情況，從而能進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，確保城市居民的生命及財(cái)產(chǎn)安全。但監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如果布設(shè)不夠合理，不僅會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)工作前功盡棄、浪費(fèi)人力物力，還會(huì)對(duì)城市內(nèi)澇管理及決策起到錯(cuò)誤導(dǎo)向。
以及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)為目的對(duì)排水管網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，主要關(guān)注水量方面的信息，以監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)液位和流量為主。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置時(shí)主要考慮的原則包括：根據(jù)歷史暴雨中實(shí)際內(nèi)澇情況對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置進(jìn)行整體統(tǒng)一規(guī)劃，保障代表性和均勻性；以現(xiàn)有排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)方案為依據(jù)，在相對(duì)標(biāo)高較高且確定不發(fā)生內(nèi)澇的地段可適當(dāng)減少布點(diǎn)，而在重點(diǎn)路段和內(nèi)澇嚴(yán)重區(qū)域加強(qiáng)監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)設(shè)備可安裝在內(nèi)澇點(diǎn)路邊和附近檢查井內(nèi)。
1.2以了解排水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)為目的
在城市“智慧排水”概念提出后，對(duì)排水管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)已不僅局限于暴雨時(shí)期對(duì)城市內(nèi)澇的預(yù)警，而是將排水管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)常態(tài)化，在管網(wǎng)中選擇具代表性的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)這些節(jié)點(diǎn)的情況，盡可能各方面掌握整個(gè)管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。為各方面了解管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，不僅需要關(guān)注水量方面的信息，還需要綜合考慮水質(zhì)情況。
目前我國(guó)大部分城市缺少長(zhǎng)時(shí)間的排水管網(wǎng)連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不能客觀分析排水管網(wǎng)的入流入滲情況，不能定量化分析雨污混流比例，不能客觀分析污水廠進(jìn)水濃度低的癥結(jié)所在。對(duì)排水管網(wǎng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，可為排水管網(wǎng)評(píng)估診斷及污水廠運(yùn)行能力提升提供有力的支撐數(shù)據(jù)，是保障排水管網(wǎng)及污水處理廠正常運(yùn)行的有效手段。在降雨情況下，需要對(duì)不同降雨強(qiáng)度下，排水管網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行各方面監(jiān)測(cè)，了解管網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷變化，定量化分析由于降雨導(dǎo)致的外來(lái)水增加比例，對(duì)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)則可更加各方面掌握城市非點(diǎn)源污染情況。
 
2、排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置的方法
針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)目的，所采用的方法與最終的點(diǎn)位選址會(huì)有一定差異，目前國(guó)內(nèi)外專門針對(duì)排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置的研究相對(duì)有限，根據(jù)理論依據(jù)的不同，現(xiàn)有優(yōu)化方法可大致分為兩類：一類是以統(tǒng)計(jì)學(xué)理論為基礎(chǔ)；另一類是以運(yùn)籌學(xué)理論為基礎(chǔ)。
2.1以統(tǒng)計(jì)學(xué)理論為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化
國(guó)內(nèi)對(duì)排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置的研究，大多以統(tǒng)計(jì)學(xué)理論為基礎(chǔ)，核心是通過(guò)識(shí)別節(jié)點(diǎn)間相關(guān)性進(jìn)行聚類，從而優(yōu)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)。袁景冬利用模糊聚類和動(dòng)態(tài)貼近度兩種方法對(duì)排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化布置，并對(duì)兩種方法所得結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。秦禮琦利用模糊聚類分析法優(yōu)化了GZ市某排水區(qū)域的排水干管上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)[1]。敖培同樣基于聚類的思想，在模糊C均值（FCM）聚類算法中引入細(xì)菌覓食算法（BFO），通過(guò)BFO求得最優(yōu)解作為FCM算法的初始聚類中心，然后利用FCM算法優(yōu)化初始聚類中心，從而求得全局最優(yōu)解[2]。
利用聚類分析的思想對(duì)管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化布置的過(guò)程主要是確定衡量節(jié)點(diǎn)相關(guān)性的指標(biāo)，然后對(duì)節(jié)點(diǎn)間該指標(biāo)的相近程度進(jìn)行衡量并根據(jù)相關(guān)性的大小進(jìn)行聚類，最后是根據(jù)聚類結(jié)果選擇每一類中的代表性節(jié)點(diǎn)，如圖所示。
                          

基于模糊聚類法優(yōu)化管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)流程
2.2以運(yùn)籌學(xué)理論為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化
國(guó)外一些學(xué)者則利用運(yùn)籌學(xué)中多目標(biāo)規(guī)劃模型對(duì)排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化布置進(jìn)行了研究。Fattoruso等人將模型精度最大化和監(jiān)測(cè)成本最小化作為規(guī)劃目標(biāo)，對(duì)液體比重計(jì)的監(jiān)測(cè)位置進(jìn)行了優(yōu)化，監(jiān)測(cè)主要針對(duì)城市內(nèi)澇的預(yù)警[3]。Banik等人針對(duì)排水管網(wǎng)中水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化進(jìn)行研究，在多目標(biāo)規(guī)劃模型下，利用遺傳算法進(jìn)行求解，確定水質(zhì)最優(yōu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)[4]。

多目標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化選址遺傳算法計(jì)算流程
與基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法相比，以運(yùn)籌學(xué)理論為基礎(chǔ)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化布置，更便于加入對(duì)不確定性的考慮與探討。受降雨強(qiáng)度、場(chǎng)次降雨時(shí)間間隔等因素影響，排水管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)水量及水質(zhì)都會(huì)有明顯差異；而且我國(guó)目前多為雨污合流制，污水的排放也會(huì)對(duì)管網(wǎng)的水量水質(zhì)產(chǎn)生明顯影響。因此，在對(duì)排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化布置的過(guò)程中，需充分考慮不確定性的問(wèn)題。
 
3、研究問(wèn)題與展望
3.1現(xiàn)有研究的不足
目前對(duì)排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置研究仍有明顯不足，將一定程度制約對(duì)排水系統(tǒng)信息化的管理。主要問(wèn)題包括以下3點(diǎn)：
（1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化的數(shù)據(jù)來(lái)源依賴于實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，信息量有限。目前國(guó)內(nèi)研究主要依賴于實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如以某天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，選擇最大流量、最小流量及COD作為指標(biāo)，再進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理，作為衡量節(jié)點(diǎn)間相關(guān)性的依據(jù)。這樣得到的優(yōu)化結(jié)果只能說(shuō)對(duì)某一天的排水或降雨情景適用。排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)一旦確定，將是一個(gè)長(zhǎng)期獲取數(shù)據(jù)量的過(guò)程，節(jié)點(diǎn)的代表性需要具有一定的廣泛性，在不同情景下都能作為代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
（2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置與優(yōu)化依賴于人為判斷，主觀性強(qiáng)。利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚類分析的研究中，雖然設(shè)置了聚類原則，但仍然有很大程度依賴于人為的判斷，相關(guān)性的識(shí)別僅為輔助作用，更多依賴于人工對(duì)管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析與認(rèn)識(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終布置結(jié)果受人為因素影響較大。
（3）無(wú)法對(duì)大規(guī)模城市排水管網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化與布置。已有研究中的優(yōu)化對(duì)象是現(xiàn)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如敖培以某市23個(gè)排水干管監(jiān)測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象，進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與布置，對(duì)于目前未被監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)則不作為研究對(duì)象。一方面，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)未必是最優(yōu)的監(jiān)測(cè)布置方案；另一方面，對(duì)于尚未開展排水監(jiān)測(cè)的區(qū)域，這一優(yōu)化布置方法將無(wú)法進(jìn)行應(yīng)用。
3.2研究展望
針對(duì)目前研究的不足，未來(lái)排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置的研究應(yīng)主要解決以下問(wèn)題：
（1）充分利用排水模型進(jìn)行模擬，獲取不同情景下的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律識(shí)別。國(guó)外的一些研究中，用到了SWMM模型進(jìn)行模擬，而不僅局限于實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這樣為得到不同情景下管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)提供了可能，尤其是一些極端降雨條件，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中可能存在缺失數(shù)據(jù)，但可通過(guò)模型模擬的方法進(jìn)行補(bǔ)充分析。
（2）將每個(gè)節(jié)點(diǎn)相關(guān)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)在時(shí)間尺度上進(jìn)行綜合分析。在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)相關(guān)性分析時(shí)，不僅局限于最大水量或最小水量等單個(gè)數(shù)據(jù)，而可以用一場(chǎng)降雨期內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)的流量變化曲線來(lái)作為研究對(duì)象。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息將概括為一條時(shí)間序列，通過(guò)對(duì)各時(shí)間序列的分析，來(lái)篩選代表性節(jié)點(diǎn)，將可更加充分體現(xiàn)出節(jié)點(diǎn)的信息。
（3）減少對(duì)人為判斷的依賴，強(qiáng)化排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別。對(duì)排水管網(wǎng)開展監(jiān)測(cè)不僅是排水信息化管理的必要環(huán)節(jié)，結(jié)合目前我國(guó)情況，也是對(duì)海綿城市建設(shè)效果定量化評(píng)估的主要數(shù)據(jù)來(lái)源。減少人為主觀判斷，將能夠更加客觀評(píng)估各城市海綿城市建設(shè)效果。
（4）加強(qiáng)對(duì)排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案定量化評(píng)估的研究。目前的研究主要針對(duì)如何進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化布置，得到一套監(jiān)測(cè)方案，但對(duì)于得到的監(jiān)測(cè)如何進(jìn)行定量化的評(píng)估未開展研究，無(wú)法定量化評(píng)估監(jiān)測(cè)方案的優(yōu)劣。