城市排水防涝窨井液位物联网监测系统建设白皮书

一、背景与建设目标

城市排水管网深埋地下，运行状态长期「看不见」：哪里满管、哪里倒灌、哪里先冒溢，往往要等到路面积水才知道。窨井液位监测通过在检查井内布设液位终端，把管网运行状态变成可实时观察的数据，是排水防涝、管网运行评估和养护考核的基础。

建设目标可以概括为四点：

1. 提前预警：在路面积水之前，通过上游井位液位变化提前发现风险；
2. 精准定位：告警直接定位到检查井和管段，结合管网拓扑判断原因；
3. 处置闭环：告警自动派单，现场核实与处置结果回填；
4. 运行评估：长期积累满管时长、超阈频次等数据，为管网改造和养护提供依据。

建议在项目开始时就明确考核口径，例如：数据完整率、告警到达时间、误报率、终端在线率与续航周期。具体目标值应结合点位条件、通信环境和运维能力确定。

二、闭环架构

整个系统由五个环节组成：感知、传输、平台、告警、处置。每一个环节都可能成为短板，例如终端很准但通信经常中断，或者告警很及时但没人接单。所以设计时要按闭环整体考虑，而不是只关注设备参数。

三、点位布设

3.1 布设原则

3.2 布设方法

• 先整体后局部：先依据管网拓扑和历史积水点确定候选井位，再到现场勘察；
• 现场勘察内容：能否开井、井深与井径、井内爬梯与进出水管位置、淤积情况、通信信号实测；
• 分批建设：第一批覆盖历史易涝点与主干管关键节点，运行一个汛期后根据数据和处置情况补点或调整。

每个点位建议建立档案：井编号、坐标、地面高程、井底高程、管顶高程、关联管段、安装高度、通信方式与信号实测值。这些信息是后续液位换算和告警阈值设定的基础。

四、终端技术要点

4.1 测量方式

窨井环境潮湿，存在冷凝水和腐蚀性气体，水面常有泡沫和漂浮物。非接触雷达液位计受水汽和泡沫影响小、不接触污水、维护量低，适合作为常规窨井的主力测量方式。需要测量满管后的压力水头时，可在同一井位补充投入式压力传感器。各类液位计的详细对比可参见本站《窨井液位计怎么选》。

选型时要核对：

• 量程与盲区：量程覆盖井深，安装位置距最高可能水位留出盲区余量；
• 波束角：井径较小时选择波束角较窄的型号，避免井壁反射；
• 防护与防爆：整体防护满足短时浸水要求，污水、合流制井按项目要求确认防爆认证。

4.2 安装

• 终端挂装在井口下方的支架上，波束垂直对准水面；
• 避开爬梯、进水管正下方和井壁凸起，否则容易测到假回波；
• 记录安装高度（终端测量基准面相对井底或某一已知高程的位置），这是测距换算液位的依据，必须实测而不是估计。

4.3 供电与功耗

绝大多数窨井没有市电，终端依靠电池供电。续航取决于「采样频率 × 上报频率 × 每次联网耗电」，其中信号质量对联网耗电影响最大。常用的低功耗策略：

1. 休眠为主：终端大部分时间处于休眠状态，按计划唤醒采样；
2. 自适应采样与上报：液位平稳时低频上报；液位变化超过设定幅度、进入降雨时段或越过阈值时自动加密；
3. 越线即报：越过告警阈值时立即上报，不等待下一个上报周期；
4. 批量上报：平稳时段将多次采样合并上报，减少联网次数。

续航应基于现场实测信号和实际上报策略估算，并在平台上监测电量变化趋势，提前安排更换。

4.4 通信

城区窨井常用 NB-IoT 或 LTE Cat.1：

• 金属井盖与井筒会显著衰减信号，安装前必须实测信号强度与质量指标；
• 弱信号井位可采用外置天线、调整安装位置或更换运营商；
• 终端须具备本地存储与断点补传：网络中断期间数据先存本地，恢复后按采集时间顺序补传，平台按设备与时间戳去重，保证曲线连续。

4.5 远程管理

采集间隔、事件触发条件、预警阈值等应在平台侧统一配置与管理，并随数据上报电量、信号强度与在线状态，做到不下井即可掌握终端运行情况。这能显著减少下井次数，降低运维成本和作业风险。

五、数据处理

5.1 接入

终端通常通过 MQTT 或 HTTP 接入平台。平台需要维护设备档案与设备状态（在线、电量、信号、最近上报时间），并以终端上报的采集时间而不是平台接收时间作为数据时间，以免补传数据造成曲线错位。

5.2 清洗

井下环境会产生少量异常读数，入库前建议做以下处理并保留原始值：

• 物理约束：液位不应低于井底、不应高于地面（冒溢时单独标记）；
• 变化率约束：单位时间变化超出物理可能范围的跳变点标记为可疑；
• 平滑：对短时抖动采用中位数等稳健滤波，告警判断使用平滑后的数据；
• 回波质量：终端提供回波强度等指标时，低质量读数降低权重或标记。

5.3 液位换算与高程统一

终端测得的是「终端到水面的距离」，需要两步换算：

1. 液位（水深） = 安装高度 − 测距；
2. 水面高程 = 井底高程 + 液位。

统一换算成水面高程后，才能：

• 在不同检查井之间比较水位，判断水流方向与顶托；
• 与管顶高程比较判断是否满管；
• 与地面高程比较判断冒溢风险，计算距地面的安全余量。

这要求点位档案中的井底、管顶、地面高程采用同一高程基准。

六、告警规则

6.1 规则类型

6.2 阈值怎么定

阈值不能全网一刀切，应按管段条件分别设置，常用依据：

• 管顶高程：达到管顶即满管，可作为预警线参考；
• 地面高程：距地面的安全余量作为告警线依据；
• 历史数据：运行一段时间后，用历史液位分布修正阈值，减少日常高水位造成的误报；
• 处置能力：阈值设置要给处置人员留出到场时间。

6.3 分级响应

告警等级要与响应方式一一对应，例如：关注级仅在平台标记；预警级推送值班人员关注；告警级自动派单并要求在规定时限内到场。具体等级划分与时限应和排水管理单位的应急预案保持一致。

七、处置闭环

1. 自动派单：告警触发后按点位所属片区自动派给责任班组，附带位置、实时曲线和上下游信息；
2. 到场核实：处置人员通过移动端导航到场，拍照记录现场情况；
3. 处置与回填：记录处置措施（疏通、开泵、设置警示等）和结果；
4. 复盘优化：对误报、漏报和处置超时做标注，定期据此调整阈值、点位与班组安排。

闭环的关键在于处置结果必须回到系统里，否则平台只能告警，无法持续改进。

八、基于管网拓扑的运行分析

单点液位只能说明「这里水位高」，结合管网拓扑才能回答「为什么高」：

• 下游顶托：下游井位同时高水位，说明问题在下游排放能力或河道水位；
• 局部堵塞：上游高、下游正常，说明两者之间的管段可能淤堵，应安排检测与疏通；
• 片区转移：相邻汇水分区边界井位变化可以判断水量在片区间的转移。

长期运行后可以统计各井位的超阈次数、满管时长、恢复时间，识别瓶颈管段，为管网改造、清淤计划和养护考核提供数据依据；接入雨量数据后，还可以分析不同降雨强度下各片区的响应特征。

九、平台与部署

• 一张图：监测点、管网、易涝点与处置人员位置在同一张图上展示，告警自动定位；
• 三维联动：有三维管网时，告警可直接定位到三维检查井并高亮上下游管段；
• 私有化部署：平台可部署在排水管理单位内网，适配国产操作系统与数据库；
• 数据安全：管网空间数据与监测数据按权限分级访问。

十、实施路线

十一、与本公司产品的对应关系

终端固件、通信协议与平台对接可以按项目定制；已有监测平台的项目，也可以只接入终端数据。

常见问题

窨井液位监测点应该优先布设在哪里？

优先布设在易涝点上游最近的可测井、干管汇合节点、汇水分区边界以及排口或泵站前的上游井。这些位置更能代表一段管网的运行状态，也能为积水预警留出时间。

为什么要把液位换算成水面高程？

不同检查井的井深不同，只看液位（水深）无法比较。换算成统一基准下的水面高程后，才能在井与井之间比较、判断水流方向和顶托，并与管顶、地面高程比较判断满管和冒溢风险。

告警太多、误报多怎么办？

一是按管段分别设置阈值，并用历史数据修正；二是加入持续时间去抖，避免瞬时波动触发；三是对处置中确认的误报做标注，定期复盘调整阈值与点位。

电池供电的终端能用多久？

取决于采样与上报策略、现场信号质量和环境温度。信号差的井位每次联网耗电明显增加。应基于现场实测信号和实际策略估算，并在平台上跟踪电量变化，提前安排更换。

网络中断期间的数据会丢失吗？

具备本地存储与断点补传能力的终端会在断网期间先存储数据，恢复后按采集时间顺序补传，平台按设备与时间戳去重，曲线保持连续。