淺談智慧水務係統在效能提升中的分析與應用

摘要：以新塘鎮排水係統為(wei) 例，結合廣州市建設國家新型智慧城市的戰略目標以及實現新塘鎮市政排水係統智慧化建設的需求，介紹了智慧水務在汙水管網係統“擠外水、提濃度"以及在雨水係統防洪排澇預測中的應用。對汙水管網係統管道水位、水質、流量和外水入侵情況進行在線實時監測，對提升汙水廠運行效能有較大裨益，對雨水係統易澇點和外江水位進行實時監測和預警，構建城市內(nei) 澇風險預警體(ti) 係，避免災害發生，從(cong) 而實現排水管網係統的運行和管理智能化、專(zhuan) 業(ye) 化和精細化。

關(guan) 鍵詞：智慧水務；提質增效；排水係統；智能預警

0 引言

近年來，隨著信息技術的飛速發展，它已融入到各行各業(ye) 。智慧水務就是通過互聯網技術與(yu) 水務技術深度融合，使水務係統的管理和運行更加智能化、數據化、精細化。

水是生命之源，而隨著城市的發展水汙染問題愈發嚴(yan) 重，城市河湧、水係受到嚴(yan) 重汙染的情況屢見不鮮，水環境、水資源監管和治理成為(wei) 城市發展迫切需要解決(jue) 的問題。水質監測缺失或不及時、暴雨或洪澇災害預警不及時更是直接關(guan) 係到國計民生的問題。而智慧水務能夠協調並及時、準確、地對此類問題進行監測和預警，構建城市暴雨監測、預報、內(nei) 澇風險預警、災害評估等功能於(yu) 一體(ti) 的防控體(ti) 係，為(wei) 城市防汛減災提供堅實的技術保證。同時，智慧水務建設是推進城市管理智慧化、科學化的重要舉(ju) 措，結合廣州市建設國家新型智慧城市的戰略總目標，新塘鎮加快智慧排水係統建設，發揮智慧水務在智慧城市建設中的示範效應。

1 工程概況

廣州市增城區新塘鎮鎮域麵積為(wei) 84.86km2，汙水係統包括新塘和永和兩(liang) 個(ge) 係統，服務人口約65萬(wan) ，其中新塘汙水廠土建規模為(wei) 15萬(wan) m3/d，永和汙水廠土建規模為(wei) 10萬(wan) m3/d，雨水管網總長544km，汙水管總長696km，雨汙合流管總長667km。鎮域有內(nei) 澇點13個(ge) ，汙水泵站10個(ge) ，防洪閘門9個(ge) 。

2019年12月新塘鎮汙水處理提質增效工程正式啟動，智慧水務建設屬於(yu) 本工程的一個(ge) 子項工程。新塘鎮智慧水務平台集移動辦公、在線審批、過程監控、多級河長管理和公眾(zhong) 參與(yu) 管理等多功能於(yu) 一建設全流域管控一體(ti) 、全鎮域聯動協作、全鎮資源共享的智慧管控平台，通過“廠-網-河一體(ti) 化，水務環境一體(ti) 化"的建設模式[1]，實現“水質提升、防洪安全、雲(yun) 上護水"的建設目標。平台軟件界麵見圖 1。

圖1 平台軟件界麵

2 智慧水務建設內(nei) 容

硬件設備安裝：本工程在汙水管網各重要節點安裝液位計135個(ge) 、水質取樣器4個(ge) 和流量監測儀(yi) 1個(ge) ，實現汙水係統實施監測。在雨水係統的排澇泵站、內(nei) 澇點等處安裝電子水尺37個(ge) 、雨量計5個(ge) 和攝像頭11個(ge) 、實現洪澇預警。

軟件平台：主要包含排水設施一張圖、設施巡檢養(yang) 護、廠站網河監測一張網、防澇應急調度、數據共享與(yu) 集成、安全生產(chan) 信息管理、排水設施數據管理和排水管網數據更新維護等模塊。

排水設施一張圖模塊：基於(yu) GIS將排水設施數據與(yu) 地理信息數據、地圖數據集成，實現排水管網、汙水處理廠、一體(ti) 化處理設施、泵站、排水戶等的可視化以及設施的基礎信息查詢、統計、空間分析等功能，同時可疊加監測實時數據，將靜態地理數據與(yu) 動態監測數據進行無縫結合，為(wei) 汙水廠、排水管網、泵站等監管業(ye) 務提供實時數據支撐。實現研究範圍內(nei) 所有排水設施靜態數據、動態監測數據、關(guan) 鍵考核指標的一張圖展示，主要功能摸塊有：地圖管理、排水設施專(zhuan) 題圖、隱患點專(zhuan) 題圖、運營調度看板、管網問題智能診斷等。功能包含：排水設施圖層瀏覽、查詢、定位、追溯分析、實時定位、設施定位、地圖查詢、刪除等功能。

設施巡檢養(yang) 護模塊：建設設施巡檢養(yang) 護模塊，建立對納入養(yang) 護計劃的設施建立統一的台賬，實現排水管網設施養(yang) 護業(ye) 務的信息化管理，借助移動終端了解巡檢人員的巡檢軌跡和巡檢到位情況；通過設施狀態、參數等數據可掌握、分析設施運行情況。係統建設模塊包含人員管理模塊、問題台賬、人員出勤監測、人員軌跡播放、設施統計、工單詳情等功能。

廠站網河監測一張網模塊：針對城市易澇點建設易澇點水位監測與(yu) 視頻監控；在排水係統中布設排水管網水位、流量、水質監測儀(yi) 器；在泵站及工業(ye) 園區出口布設水質監測設備，實時感知排水管網運行情況，掌握易澇點水位、管網關(guan) 鍵節點水位及流量、泵站及工業(ye) 園區水質情況；支持設備基本信息、參數、位置信息管理，實現設備的動態更新管理。功能包括：監測數據查看、提質增效專(zhuan) 題圖、監測設備預報警、液位之間關(guan) 聯分析、液位雨量關(guan) 聯分析、液位河道水位關(guan) 聯分析、汙水廠監測數據分析、易澇點液位情況分析。

防澇應急調度模塊：防澇應急調度模塊集成多部門數據，包括氣象、國土、水利、公安等部門數據，結合排水管理要素一張圖係統與(yu) 排水設施運行狀態監測係統的應用，實現汛期前“應急預案製定"、汛情發生時的“執行預案、應急調度"、汛情結束後的“一雨一報"、“預案優(you) 化"、“澇情回顧"等綜合管理。結合移動APP與(yu) 排水配套使用，可實現防澇工作人員及車輛、物資的綜合管理、結合水雨情分析提供在線快速調配的決(jue) 策支持。功能包含：預警啟動、應急隊伍管理、值班管理、信息報送管理、事中報告、事後報告、應急預案管理和應急隊伍調度等功能。

數據共享與(yu) 集成模塊：通過標準化接口方式實現與(yu) 外部係統進行數據共享對接集成，項目將與(yu) 廣州市增城區水務局對接，接入增城區已建河道水位的在線監測數據；與(yu) 廣州市智慧排水係統對接，實現業(ye) 務數據共享交換。

安全生產(chan) 模塊：通過安全生產(chan) APP項目管理人員對項目安全情況進行核查，當管理人員發現安全隱患時可通過APP上傳(chuan) 安全隱患至係統提示相關(guan) 項目工作人員盡快處理。本模塊功能包含：項目信息、消息推送、隱患排查治理、隱患上報、隱患處理、日常工作、培訓分析、學習(xi) 培訓、個(ge) 人中心和資料歸檔等功能。

摸清排水設施“家底"信息，將河湧信息、流域要素、入河排口、排水管網、實時在線水質監測等信息數據收集、整合[2]；新塘鎮智慧排水管理係統的建設，集成了PLC自控係統、水質監控係統、視頻監控係統、雲(yun) 端管理係統、防洪排澇模型等係統，同時新建控製室1座。

智慧水務平台以數據為(wei) 核心，包括數據采集、解析和展示，匯集數量眾(zhong) 多，品牌不一的監測設備到統一的平台係統，讓管理者能夠清晰直觀地看到各種監測數據；以應用為(wei) 目標，實現雨、汙水管網信息實時在線監控，掌握、真實的監測信息、氣象信息，通過係統製定切實有效的應急措施並能快速啟動。

3 智慧水務應用

3.1汙水係統提質增效

經過多年的建設，我國城鎮汙水處理設施已基本實現全覆蓋，處理能力基本上可以滿足城鎮居民生活排水的處理需求。但排水管網不健全、不完善，管網質量差、運行不規範、養(yang) 護不及時等導致出現汙水收集率低下、汙水處理廠進水濃度偏低等問題。為(wei) 此，住房城鄉(xiang) 建設部等部委聯合印發了《城鎮汙水處理提質增效三年行動方案(2019~2021年)》，提出生活汙水處理的由“數量增加"向“質量提升"轉變，挖掘提升生活汙水收集處理設施的效能，要求實現城市生活汙水集中收集率、汙水廠進水BOD濃度“雙提高"的目標，保持和鞏固水環境整治、水生態改善的工作成效。本工程的實施同樣響應了“汙水處理提質增效"的新要求。

本工程排水管網特點是：管網覆蓋麵廣、長度較長，管網錯綜複雜；同時，由於(yu) 新塘鎮地處東(dong) 江北岸，水係發達，河湧遍布，地下水位較高，汙水管網多次下穿河湧，汙水管網較複雜接入點多且分散。

汙水水質、水量和水位是汙水的三個(ge) 重要指標，均可通過在線設備進行實時監測。監測點的布置，從(cong) 經濟性和可實施性角度出發，優(you) 先選取水量易發生波動節點、過河湧節點、支管接入主管等節點處設置監測設備。東(dong) 江是珠江的支流，其每天會(hui) 出現高、低潮水位，選取2021年12月實測東(dong) 江水位變化曲線見圖2。

圖2實測東(dong) 江水位波動曲線圖

由圖2智慧水務平台監測到的東(dong) 江潮汐水位變化範圍為(wei) -0.07~2.6m(1985國家高程係，餘(yu) 同)。本工程範圍內(nei) 東(dong) 江北岸地勢低窪，地麵實際低標高為(wei) 2.81~3.05m，不能夠滿足50a一遇的防洪排澇標準，存在水淹風險，並且於(yu) 2020年5月22日暴雨期間被水淹，水淹深度為(wei) 50~60cm，退水時間為(wei) 3~4h。本工程在水力計算的基礎上提出新建排澇泵站的方案，終在東(dong) 江與(yu) 簍箕湧、西湧和甘湧交匯口處分別新建三座排澇泵站，解決(jue) 了東(dong) 江邊地勢低窪處雨季的防洪排澇問題。

根據智慧水務平台監測數據顯示，隨著每天東(dong) 江潮汐水位的波動，沿江路汙水主管的液位呈同步正相關(guan) 變化，數據選自2021年10月中下旬，見圖3。

圖3東(dong) 江水位與(yu) 汙水管液位波動曲線圖

這說明有地下水入滲或江水倒灌至汙水係統，同時水質監測數據顯示水質濃度與(yu) 水位呈負相關(guan) 變化，進一步佐證了有外水進入汙水係統。

針對由於(yu) 存在地下水入滲點和江水倒灌口導致汙水管網“低濃度、高水位"的運行情況，采取分期實施的工程方案。近期以“擠外水"為(wei) 主要目標，以截流井倒灌、雨汙錯混接、管道缺陷、部分雨汙分流為(wei) 重點整治對象開展“清汙分流"；遠期開展管網完善、源頭雨汙分流改造、溢流汙染控製等，建立長效機製，推進源頭治理，進一步改造優(you) 化汙水收集處理係統，持續推進汙水處理提質增效。12月8日外水點整治實施完畢後，沿江路汙水主管的液位保持平穩，不再隨東(dong) 江水位波動，實現了汙水係統的良性平穩運行，見圖4。

圖4外水點整改後東(dong) 江水位與(yu) 汙水管液位波動曲線圖

但12月21日降雨後，沿江路汙水管液位快速上升甚至超過警戒及報警水位，說明沿江路汙水管上遊存在錯混接點，導致雨季大量雨水進入汙水係統，需進一步向上遊溯源並進行錯混接改造。

通過智慧水務設置的液位計在外江潮汐水位變化時監測到汙水管液位的變化，發現大量的外水點，對新塘汙水係統所有發現的江水倒灌點或入侵點進行整改，累計擠出外水量3.7萬(wan) m3/d，成效顯著，表現為(wei) 新塘汙水廠進廠汙水水質濃度有明顯的提升，見圖5。

圖5新塘汙水廠進廠COD濃度變化曲線圖

由圖5可知，項目實施後(2020年11月~2022年3月)新塘汙水廠水質濃度有較為(wei) 顯著的提升，各月COD均值為(wei) 193.6mg/L；與(yu) 項目實施前相比(2020年1月~2020年10月)各月COD均值為(wei) 102mg/L，進廠C0D濃度提升89.8％。在擠出外水的同時，汙水濃度進一步提升，實現了汙水係統提質增效—“擠外水、提濃度"的建設目標。

3.2雨水係統內(nei) 澇風險預警

內(nei) 澇是指由於(yu) 強降水或連續性降水超過城市排水能力致使城市內(nei) 產(chan) 生積水災害的現象。隨著城市化的快速發展，城市下墊麵硬化麵積逐年增加，下滲量減少，導致地表徑流量增加，大幅增加了城市的內(nei) 澇風險，會(hui) 造成嚴(yan) 重的經濟損失，廣州市每年由於(yu) 內(nei) 澇造成的經濟損失可達數億(yi) 元。

為(wei) 解決(jue) 洪澇災害采取了一係列措施，其中一項便是建設智慧水務內(nei) 澇監測預警係統，該係統能夠實現對城區易澇及重要節點進行監測預警，采用多個(ge) 雨量計，提高測雨的準確性，對可能或即將產(chan) 生洪水災害的暴雨進行預警；對內(nei) 澇現況和趨勢進行展示和渲染，當出現超標準洪水時，即進行預警並自動聯係布防人員現場處置。

2021年5月雨季，通過設置於(yu) 新塘汙水廠的雨量計監測，得到5月累計降雨為(wei) 332mm，共15場雨，其中大雨5場，小雨10場，具體(ti) 情況見圖6。

圖6新塘鎮汙水處理廠降雨累計曲線圖

對於(yu) 下沉隧道等監測的易澇點，通過監控視頻、電子水尺等實現實時監測，一旦積水深度超過設定數值即聯動LED顯示屏發布雨洪信息，並關(guan) 閉道閘阻止行人及車輛進入，且可以聯動現場排水設備進行及時排水，避免和延緩城市內(nei) 澇的發生。

同時，對泵站、閘門和汙水廠進行信息化、智慧化改造和賦能，建成智慧泵站、智慧閘門和智慧汙水廠，使其像人類一樣具有“智慧"，能夠“思考"，針對不同的運行工況和突發狀況能夠采取智慧化的應對措施。

新塘鎮內(nei) 澇點是新塘鎮長期以來存在的內(nei) 澇黑點，其地勢較低，地形坡度較大，現狀雨水口少難以滿足地麵雨水收集的需要，且上遊匯水麵積較大為(wei) 0.61km2。經水力計算複核，現狀d1650的雨水管僅(jin) 能滿足重現期P=1a的排水需求。內(nei) 澇情況表現為(wei) ：小雨積水、大雨內(nei) 澇，嚴(yan) 重困擾了附近居民的日常生活，2021年5月31日暴雨期間，此處大水深為(wei) 68cm(見圖7)，曆時2h才退水。

圖7內(nei) 澇點改造前降雨曲線

針對內(nei) 澇點，采取的工程措施如下：對上、下遊雨水管網進行清淤、清障；現狀雨水管網存在較多結構病害，如異物穿入、變形和塌陷等，進行病害修複；新建橫截式雨水溝和雨水口，加強對雨季地麵漫流雨水的收集；新建2×d1000雨水分流管對上、下遊雨水進行分流。改造實施完畢後，可滿足重現期P=5a的排水標準。

在實施工程措施的同時，進行智慧化改造，安裝智慧排水監測和預警設備，現場安裝有電子水尺、雨量計、攝像頭和LED雨情預警顯示屏。

內(nei) 澇點改造實施前，降雨重現期大於(yu) 1a便會(hui) 發生內(nei) 澇，圖7降雨曲線所示，積水深為(wei) 68cm。

內(nei) 澇點改造實施完畢後，消除了的內(nei) 澇隱患，在暴雨期間積水深為(wei) 6cm，並未發生內(nei) 澇，見圖8。

圖8內(nei) 澇點改造後降雨曲線

4 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平台

1.平台概述

安科瑞電氣具備從(cong) 終端感知、邊緣計算到能效管理平台的產(chan) 品生態體(ti) 係，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平台通過在汙水廠源、網、荷、儲(chu) 、充的各個(ge) 關(guan) 鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用於(yu) 監測汙水廠能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護汙水廠運行安全可靠，提高汙水廠能效，為(wei) 汙水處理的能效管理提供科學、精細的解決(jue) 方案。

2.平台組成

AcrelEMS智慧水務綜合能效管理係統由變電站綜合自動化係統、18luck新客户端及能效管理係統組成，涵蓋了水務中壓變配電係統、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控製、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平台、一個(ge) APP實時了解水務配電係統運行狀況，並且根據權限可以適用於(yu) 水務後勤部門管理需要。

3.平台拓撲圖

4.平台子係統

4.1變電站綜合自動化係統及18luck新客户端

對水務配電係統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。

監測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。

4.2電能質量監測與(yu) 治理

水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電係統中存在大量諧波，通過監測其配電係統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，並配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。

4.3電動機管理

馬達監控實現水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監測和報警。準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點、及相關(guan) 信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與(yu) PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控製，監視、控製各個(ge) 工藝設備,保障正常生產(chan) 。

4.4能耗管理

為(wei) 水務搭建計量體(ti) 係，顯示水務的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。

將所有有關(guan) 能源的參數集中在一個(ge) 看板中，從(cong) 多個(ge) 維度對比分析，實現各個(ge) 工藝環節的能耗對比，幫助領導掌控整個(ge) 工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數據統計采集水務中汙水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統計趨勢。

能效分析按三級計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體(ti) 係要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環比、對標等。通過汙水處理產(chan) 量以及係統采集的能耗數據，在汙水單耗中生成汙水單耗趨勢圖，並進行同比和環比分析，同時將汙水的單耗與(yu) 行業(ye) /國家指標對標，以便企業(ye) 能夠根據產(chan) 品單耗情況來調整生產(chan) 工藝，從(cong) 而降低能耗。

4.5智能照明控製

係統為(wei) 汙水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控製管理方案，支持單控、區域控製、自動控製、感應控製、定時控製、場景控製、調光控製等多種控製方式，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控製功能，盡量利用自然光照，實現室內(nei) 、廠區照明的智能控製達到安全、節能的目的。

4.6電氣安全

4.6.1電氣火災監測

監測配電係統回路的漏電電流和線纜溫度，實現對汙水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。

4.6.2消防應急照明和疏散指示

根據預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。係統接入消防應急照明指示係統數據，通過平麵圖顯示疏散指示燈具工作狀態和異常情況。

4.6.3消防設備電源監測

監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。

4.6.4防火門監控係統

防火門監控係統集中控製其各終端設備即防火門監控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態，實時監測疏散通道防火門的開啟、關(guan) 閉及故障狀態，顯示終端設備開路、短路等故障信號。係統采用消防二總線將具有通信功能的監控模塊相互連接起來，當終端設備發生短路、斷路等故障時，防火門監控器能發出報警信號，能指示報警部位並保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

4.7環境監測

汙水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體(ti) 濃度展示和預警，保障汙水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當可燃氣體(ti) 或有害氣體(ti) 濃度超標可自動啟動排風風機或新風係統，排除隱患，保持良好的水處理環境。

4.8分布式光伏監測

實時監測低壓並網櫃每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關(guan) 狀態，逆變器運行監視，對逆變器直流側(ce) 每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數、當前發電功率、累計發電量進行監測，以曲線方式繪製上述監測的各個(ge) 參量的曆史數據。

平台結合廠區實際分布情況，通過3D或2.5D平麵圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、並網點位置，各個(ge) 屋頂的裝機容量。

4.9工藝仿真監控

平台通過2D、3D方式實時監視粗格柵、汙水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、汙泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態。在格柵清渣機、汙水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控製櫃或低壓饋電櫃安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與(yu) PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控製，監視、控製各個(ge) 工藝設備,保障正常。

5 相關(guan) 平台部署硬件選型清單

1.18luck新客户端、電能質量、電動機管理及配電室環境監控係統

2.電氣火災監控係統

6 結論

智慧水務在汙水係統提質增效和雨水係統內(nei) 澇風險預警方麵有較大的應用空間。隨著信息技術在水務行業(ye) 的滲透與(yu) 發展，其對水務行業(ye) 的影響日趨顯著,利用自控、感知、智能等技術手段提升城市排水係統管理水平受到越來越多的關(guan) 注[3]。智慧水務是智慧城市的重要組成部分，它使排水管網係統的運行和管理更加智能化、專(zhuan) 業(ye) 化和精細化，在信息技術的加持下，大量的管網數據經收集和歸納被應用，對城市管網的規劃、建設和智慧城市的構建具有重要的指導意義(yi) 。

安科瑞侯文莉